5化工原理蒸发ppt课件

1、第5章 蒸发,1/84,2020年6月22日,第5章 蒸发,5.0 概述 5.1 蒸发设备 5.2 单效蒸发 5.3 多效蒸发,第5章 蒸发,2/84,2020年6月22日,5.0 概 述,在化工、轻工、食品、医药等工业中，通过化学反应或物理性操作过程经常得到一些含溶质的稀溶液，为了得到符合标准的产品，常将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。 5.0.1 蒸发分离的依据 利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性使两者实现分离。,第5章 蒸发,3/84,2020年6月22日,5.0.2 蒸发操作的目的 获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品 脱除溶剂。此

2、过程常伴随有结晶过程 去除杂质。,第5章 蒸发,4/84,2020年6月22日,5.0.3 蒸发操作的应用,在工业上，有三种情况： (1)制取液体产品。烧碱生产，蒸发18%的NaOH，到32%，作为成品碱； (2)生产固体产品。将稀溶液浓缩达到饱和状态，然后冷却使溶质结晶与溶液分离，从而获得固粒产品。例如，食盐精制、制糖、制药等。 (3)制取纯溶剂。采用蒸发方法使溶剂汽化并冷凝，使不挥发性杂质分离而得到纯溶剂，例如海水淡化制取淡水等。 本章仅讨论水溶液的蒸发。,第5章 蒸发,5/84,2020年6月22日,用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器，基本流程如图。 蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽

3、化，并移去，由加热室和分离室两部分组成。 冷凝器与蒸发器的分离室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。,5.0.4 蒸发的流程,1.加热室 2.加热管 3.中央循环管 4.分离室 5.除沫器 6.冷凝器,第5章 蒸发,6/84,2020年6月22日,蒸发操作时，溶液由分离室底部加入，沿中央循环管流向加热室，在加热室垂直管束内通过时与饱和蒸汽间接换热，被加热至沸腾状态，汽液混合物沿加热管上升，达到分离室时蒸汽与溶液分离。为与加热蒸汽相区别，产生的蒸汽称为二次蒸汽，二次蒸汽进入冷凝器被除去。溶液仍在中央循环管与加热管中进行循环，当达到浓度要求后称为完成液，从蒸发器底部排出。,1.加热室 2.加热

4、管 3.中央循环管 4.分离室 5.除沫器 6.冷凝器,第5章 蒸发,7/84,2020年6月22日,5.0.5 蒸发的分类,按操作压强分：加压蒸发、常压蒸发、真空蒸发 真空蒸发的优点： 1.减压下溶液沸点t1降低，使蒸发器的传热推动力t=T-t1增大，因而，对一定的传热量Q，可节省蒸发器的传热面积S。 2.蒸发操作的热源可采用低压蒸汽或废热蒸汽，节省能耗。 P,T ,t一定，Q不变 3.适于处理热敏性物料，即在高温下易分解、聚合或变质的物料。 4.减少蒸发器的热损失。 真空操作的缺点： 1.溶液的沸点降低，使粘度增大，导致总传热系数下降 2.动力消耗大。因需要有造成减压的装置。,第5章 蒸发

5、,8/84,2020年6月22日,按蒸发方式分：自然蒸发、沸腾蒸发 自然蒸发：溶液在低于溶液沸点的温度条件下汽化。汽化只在溶液表面进行，汽化面积小，传热速率低，汽化速率低 沸腾蒸发：溶液在沸腾条件下汽化。汽化发生在溶液的各个部位。汽化面积大，传热速率高，汽化速率高 按二次蒸汽是否被利于分：单效蒸发、多效蒸发 单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操作 多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，以利用其冷凝热的串联操作 本章讨论沸腾传热,第5章 蒸发,9/84,2020年6月22日,5.0.6 蒸发的特点,蒸发的实质是传热。蒸发器也是一种换热器。 蒸发具有下述特点： 传热性质：传

6、热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液进行沸腾，故属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。 溶液性质：有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢和产生泡沫；溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。这些性质将影响设备的结构。,第5章 蒸发,10/84,2020年6月22日,溶液沸点的改变(升高)：含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差，两者之差称为温度差损失，而且溶液浓度越高，温度差损失越大 泡沫挟带：二次蒸汽中常挟带大量泡沫，冷凝前必须设法除去。否则既损失物料，又污染

7、冷凝设备。 能源利用：蒸发时产生大量二次蒸汽，含有许多潜热，应合理利用这部分潜热。,第5章 蒸发,11/84,2020年6月22日,5.1 蒸发设备,5.1.1 常用蒸发器的结构与特点 蒸发器组成： 加热室：加热溶液使之汽化 分离室：分离二次蒸汽和完成液 化工生产中常用的间接加热蒸发器按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，分为两大类： 循环型(非膜式) 单程型(膜式),第5章 蒸发,12/84,2020年6月22日,5.1.1.1 循环型(非膜式)蒸发器 循环型蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作连续的循环运动，溶液在蒸发器内停留时间长，溶液浓度接近于完成液浓度。根据引起循环运动的原因，分为自然循环

8、和强制循环型蒸发器。 自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同，产生密度差而引起的循环运动 强制循环：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动,第5章 蒸发,13/84,2020年6月22日,1.中央循环管式(标准式)蒸发器,加热蒸汽：加热室管束环隙内 溶液：管内。 优点： 溶液循环好 传热效率高 结构紧凑、制造方便、操作可靠 缺点： 循环速度低 溶液粘度大、沸点高 不易清洗 适于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液,第5章 蒸发,14/84,2020年6月22日,2.悬筐式蒸发器,加热蒸汽：管间 溶液：管内 优点： 溶液循环速度高，改善了管内结构情况 传热速率较高 缺点： 设备费高 占地面积

9、大 加热管内溶液滞留量大 适于处理易结垢，有晶体析出的溶液,第5章 蒸发,15/84,2020年6月22日,3.外热式蒸发器,优点： 降低了整个蒸发器的高度，便于清洗和更换 循环速度较高，使得对流传热系数提高 结垢程度小 适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液,第5章 蒸发,16/84,2020年6月22日,4.列文蒸发器,优点： 流动阻力小 循环速度高 传热效果好 加热管内不易堵塞 缺点： 设备费高 厂房高，耗用金属多 适于处理有晶体析出或易结垢的溶液,第5章 蒸发,17/84,2020年6月22日,5.强制循环型蒸发器,优点： 循环速度高 晶体不易粘结在加热管壁 对流传热系数高 缺点：

10、 动力消耗大 对泵的密封要求高 加热面积小 适于处理粘度大，易结垢、有晶体析出的溶液。,第5章 蒸发,18/84,2020年6月22日,5.1.1.2 单程型(膜式)蒸发器,单程型蒸发器的特点是溶液只通过加热管一次蒸发即可达到要求的浓度。 特点： 溶液停留时间短，操作时沿加热管壁呈膜状流动， 由于操作要求成薄膜流动且一次蒸发完成，因此对设计和操作要求严格。 适用于：热敏性物料的蒸发。,第5章 蒸发,19/84,2020年6月22日,1.升膜蒸发器,适于处理蒸发量较大的稀溶液，热敏性和易生泡沫的溶液； 不适于浓度高、粘度大、有晶体析出溶液的蒸发。,第5章 蒸发,20/84,2020年6月22日,

11、2.降膜蒸发器,需设置良好的液体分布器，以保证溶液均匀成膜和防止二次蒸汽从加热管顶部穿出。常用的膜分布器见P299图5-7。 适于处理浓度、粘度较大的溶液 不适于处理易结晶、结垢的溶液。,第5章 蒸发,21/84,2020年6月22日,3.升降膜式蒸发器,适于处理浓缩过程中粘度变化大的溶液、厂房有限制的场合。,第5章 蒸发,22/84,2020年6月22日,4.刮板薄膜蒸发器,缺点：结构复杂，动力消耗大，传热面积小，处理能力低。 适于处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液,第5章 蒸发,23/84,2020年6月22日,5.1.1.3 直接加热蒸发器,优点：结构简单，不需要固定的传热面，热利用率高

12、适于处理易结垢、易结晶或有腐蚀性的溶液。 不适于处理不能被燃烧气污染及热敏性的溶液。,第5章 蒸发,24/84,2020年6月22日,5.1.2 蒸发器的辅助设备,蒸发器的辅助设备主要包括除沫器和冷凝器。 1.除沫器 目的：用于去除二次蒸气中的雾沫和液滴，防止有用产品的损失或冷凝液污染冷凝器。 安装位置：分离室顶部或蒸发器外部。,第5章 蒸发,25/84,2020年6月22日,2.冷凝器和真空装置 冷凝器的作用：将二次蒸汽冷凝成水后排出。 冷凝器分类：间壁式和直接接触式两类。当二次蒸气为有价值的产品需要回收，或会严重污染冷却水时，应采用间壁式冷凝器；否则可采用直接接触式冷凝器。 真空装置作用：

13、将冷凝液中的不凝性气体抽出，维持蒸发操作所需的真空度。 真空装置适于：蒸发器采用减压操作； 真空装置安装位置：冷凝器后 常用的真空装置：喷射泵、往复式真空泵以及水环式真空泵等。,第5章 蒸发,26/84,2020年6月22日,5.1.3 蒸发器的选型,蒸发器的结构型式很多，选用时应结合生产过程的蒸发任务，选择适宜的蒸发器型式。选型时，一般考虑以下原则： 溶液的粘度：蒸发过程中，溶液粘度变化的情况，是选型时很重要的因素。 高粘度的溶液应选用对其适应性好的蒸发器，如强制循环型、降膜式、刮板搅拌薄膜式等； 溶液的热稳定性：热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留时间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器,第5章

14、 蒸发,27/84,2020年6月22日,有晶体析出的溶液：选用溶液流动速度大的蒸发器，以使晶体在加热管内停留时间短，不易堵塞加热管，如外热式、强制循环蒸发器 易发泡的溶液：泡沫的产生，不仅损失物料，而且污染蒸发器，应选用溶液湍动程度剧烈的蒸发器，以抑制或破碎泡沫，如外热式、强制循环式、升膜式等；条件允许时，也可将分离室加大。 有腐蚀性的溶液：蒸发此种物料，加热管采用特殊材质制成，或内壁衬以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用浸没燃烧蒸发器,第5章 蒸发,28/84,2020年6月22日,易结垢的溶液：蒸发器使用一段时间后，就会有污垢产生，垢层的导热系数小，从而使传热速率下降。 应选用便于清洗

15、和溶液循环速度大的增大器，如悬筐式、强制循环式、浸没燃烧式等 溶液的处理量：溶液的处理量也是选型时应考虑的因素。 处理量小的，选用尺寸较大的单效蒸发，处理量大的，选用尺寸适宜的多效蒸发。 不同类型的蒸发器，各有特点，对溶液的适应性也不相同，见P302表5-1。,第5章 蒸发,29/84,2020年6月22日,5.2 单效蒸发,5.2.1 溶液的沸点和温度差损失 1.溶液的沸点 含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差，两者之差称为温度差损失，而且溶液浓度越高，温度差损失越大 蒸发

16、溶液温度差：t=T-t 蒸发纯水温度差：tT=T-T P一定时， t T tti，将使QQn，即多效的生产能力小于单效时的生产能力，又因多效传热面积为单效时的n倍，因而多效时生产强度远较单效时为小。可见多效蒸发是以牺牲生产能力和生产强度为代价换取加热蒸汽的利用率。,第5章 蒸发,82/84,2020年6月22日,5.3.2.4 多效蒸发效数的限制和选择,(1)技术上的限制 随着效数的增加，总的有效温差因温度差损失的增加而减小，除使设备生产强度降低外，在技术上受到总的有效温差的限制，否则效数过多导致蒸发不能操作下去。根据生产经验，分配到每效蒸发器的有效温差不应小于710，因而效数有一限制。,第5

17、章 蒸发,83/84,2020年6月22日,(2)经济上的限制 随着效数的增加，虽然D/W在不断降低，但这种降低不与效数成正比而在逐渐减少。将单效增为双效时，每蒸发1kg/h水所需加热蒸汽降低率为(1.1-0.57)/1.1=50%，而由四效增为五效时，这种降低率仅(0.3-0.27)/0.3=10%，而设备费用则几乎是成倍增加，所以当增加的设备费已大于减少的加热蒸汽费用时，就再无必要增加效数。由此可看出效数的增加在经济上也有一限制。,第5章 蒸发,84/84,2020年6月22日,(3)多效蒸发效数的选择 根据以上分析，效数的确定在满足技术上的要求外，原则上应根据设备费与操作费之和最小进行经

18、济核算来选择最佳效数。实际的蒸发过程，效数并不多。一般对电解质溶液的蒸发，象NaOH，NH4NO3等水溶液，因沸点升高较大通常仅23效；对非电解质溶液，如糖水溶液，有机溶液等的蒸发，由于沸点升高较小采用45效；海水淡化的温差损失极小，可用2030效进行蒸发。,第5章 蒸发,85/84,2020年6月22日,5.4 蒸发器的工艺设计,1. 确定适当的操作条件与操作方法 蒸发操作条件与操作方法主要根据溶液的性质、生产任务、产品质量要求和经济效益等方面综合考虑后进行确定。内容包括加热蒸汽压强、冷凝器压强；加压还是真空蒸发；单效蒸发或者多效蒸发；多效蒸发效数、流程等。一般应在满足工艺要求的条件下通过经

19、济核算，多方案比较和结合实际情况作出选择。,第5章 蒸发,86/84,2020年6月22日,2. 选择合适的蒸发器型式和附属设备的型式 蒸发器型式的选择主要从溶液的特性和蒸发器主要性能(见表7-1)两方面考虑。溶液的粘度是首要考虑的因素，其余有溶液的浓度、浓缩比、热稳定性、是否有晶体析出、发泡性、腐蚀性、结垢性等以及溶液处理量、设备造价、传热效果等方面加以确定。 3.对蒸发系统进行物料、热量衡算，确定加热蒸汽用量以及传热面积 传热面积的计算要选择合适的传热系数。对多效蒸发，通过计算判断所选效数，流程在技术上、经济上是否可行合理，必要时对上述选择进行适当调整。,第5章 蒸发,87/84,2020

20、年6月22日,4.蒸发器主要结构工艺尺寸的设计 以中央循环管式蒸发器为例介绍蒸发器主要结构尺寸的设计计算方法。中央循环管式蒸发器主体为加热室和分离室；加热室由直立的加热管束组成，管束中间为一根直径较大的中央循环管；分离室是汽液分离的空间。其主要结构尺寸包括：加热室和分离室的直径和高度；加热管和循环管的规格、长度及在花板上的排列等。这些尺寸的确定取决于工艺计算结果，主要是传热面积。,第5章 蒸发,88/84,2020年6月22日,(1)加热管的选择和管束的初步估计 加热管通常选用252.5mm、382.5mm、573.5mm等几种规格的无缝钢管，长度一般为0.66m。管子长度的选择应根据溶液结垢

21、的难易程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑。易结垢和易起泡沫溶液的蒸发宜采用短管。 当加热管规格与长度确定后，可由下式初估所需管数n：n=Sdo(L-0.1) 因加热管固定在管板上，考虑到管板厚度所占据的传热面积，计算n时的管长用(L-0.1)m。为完成传热任务所需的最小实际管数n只有在管板上排列加热管后才能确定。,第5章 蒸发,89/84,2020年6月22日,(2)循环管的选择 循环管的截面积是根据使循环阻力尽量减少的原则来考虑的。其截面积可取加热管总截面积的40%100%，若以Di表示循环管内径，则： 对加热面积较小的蒸发器，应取较大的百分数。按上式计算出Di后，应从管规格表中选取

22、管径相近的标准管，只要n与n相差不大，循环管的规格可一次确定。循环管的管长与加热管相等，循环管的表面积不计入传热面积中。,第5章 蒸发,90/84,2020年6月22日,(3)加热管的直径及加热管数目的确定 加热管的内径取决于加热管和循环管的规格、数目及在管板上的排列方式。加热管在管板上的排列方式有三角形排列、正方形排列、同心圆排列，而以三角形排列居多。管心距t为相邻两管中心线之间的距离，t一般为加热管外径的1.251.5倍，目前其值已标准化，只要确定了管子规格，相应的管心距则为确定值，加热管内径和加热管数采用作图法来确定，具体作法略。,第5章 蒸发,91/84,2020年6月22日,(4)分

23、离室的直径与高度 分离室的直径与高度取决于分离室的体积，而分离室的体积又与二次蒸汽的体积流量及蒸发体积强度有关。 分离室体积V的计算式为： V=W/(3600U) 式中： W 某效蒸发的二次蒸汽量，kg/h； 某效蒸发的二次蒸汽密度，kg/m3； U 蒸发体积强度，m3/(m3s)；一般允许值为1.11.5m3/(m3s)。,第5章 蒸发,92/84,2020年6月22日,V=W/(3600U) 根据由蒸发工艺计算得到的各效二次蒸汽量，再选取适当的U值，即可得到V。但各效二次蒸汽量、密度不同，按上式计算得到的V值也不相同，通常末效最大。为方便计，各效分离室的尺寸可取一致，分离室体积宜取其中较大

24、者。,第5章 蒸发,93/84,2020年6月22日,确定了分离室的体积后，其高度与直径符合V=D2H/4关系，确定高度与直径时应考虑以下原则： (1)分离室的高度与直径之比H:D=12。对中央循环管式蒸发器，其分离室高度一般不小于1.8m，以保证足够的雾沫分离高度。分离室的直径也不能太小，否则二次蒸汽流速过大将导致雾沫夹带现象严重。 (2)在条件允许时，分离室直径应尽量与加热室相同，这样可使加热室结构简单，制造方便。 (3)高度和直径都适于施工现场的安放。,第5章 蒸发,94/84,2020年6月22日,本章总结 基本原理及概念,1.物料衡算,(1)单效蒸发,(2)多效蒸发,第5章 蒸发,95/84,2020年6月22日,2.热量衡算,忽略稀释热,不忽略稀释热,(1)单效,(2)多效 (并流),第5章 蒸发,96/84,2020年6月22日,4.温差损失,有效传热温差,理论传热温差,总温差损失,3.传热速率方程,(1)单效,第5章 蒸发,97/84,2020年6月22日,(2)多效,第5章 蒸发,98/84,2020