第六章化工原理张宏丽

1、第六章化工原理张宏丽，化工原理，第六章蒸发，第六章化工原理张宏丽，第一节基本概念，蒸发操作可以在常压、加压或减压下进行。 常压蒸发是开放的设备，可以将二次蒸汽排放到大气中。 真空蒸发时溶液侧的操作压力比大气压强力低，用真空泵抽出非凝缩瓦斯气体，维持系统的真空度。 由于加压蒸发是在加压下进行的，所以溶液的沸点变高，产生的二次蒸汽的温度也变高，有可能将二次蒸汽用作其他设备的加热剂。 如上所述，蒸发过程的本质是传热壁面侧的蒸汽凝结和相反侧的溶液沸腾之间的传热过程，因此蒸发器也是热交换设备。 但蒸发过程具有与一般传热过程不同的特殊性：第六章化工原理张宏丽，第一节基本概念，(1)由于溶液中含有非易失性溶

2、质，蒸气压低于同温溶剂(其纯水)，换言之，同压溶液的沸点高于纯水的沸点。 在相同条件下，蒸发溶液的传热温差比蒸发纯溶剂的传热温差小，溶液浓度越高越显着。 因此，溶液沸点升高是必须考虑蒸发操作的重要问题。 (2)在工业规模中，溶剂的蒸发量大，在消耗大量加热蒸汽的同时，产生大量的二次蒸汽，如何利用二次蒸汽的潜热是蒸发操作中必须考虑的重要问题。 (3)溶液的特殊性决定了蒸发器的特殊结构。 例如，某种溶液在蒸发时可能结垢或析出结晶。 蒸发器的结构设计上，要防止或减少结垢层的生成，使加热面更容易清洗。 根据材料的不同，有的具有热敏性，有的黏性系数高，有的腐食性强，需要根据材料的这些个特性设计或选择合适结

3、构的蒸发器。 第六章化工原理张宏丽，第二节单效蒸发，溶液在单蒸发器和附属设备组成的装置内蒸发，产生的二次蒸汽不利用的蒸发操作称为单效蒸发。 生产规模小时，多采用简单蒸发。 一、单效蒸发过程中最常见的单效蒸发是减压单效蒸发，上述硝酸铵溶液的蒸发是单效真空蒸发，其流程如图6-1所示。 加热蒸汽在加热室的管之间凝结，放出的热量通过管壁传递到沸腾的溶液。 蒸发的溶液从分离室加入，蒸发的浓缩液从器底排出。 气化产生的二次蒸汽将被分离室和位于其顶部的除泡器夹持的液体分离后输送至冷凝机，与冷却水混合而冷凝，冷凝液从冷凝机的底部排出。 溶液中的非凝缩性瓦斯气体被真空泵吸引。第六章化工原理张宏丽、第二节单效蒸发

4、、工业蒸发操作常在减压下进行，减压操作具有以下特点： (1)减压下溶液沸点下降，有利于处理热敏性材料，低压蒸汽和废蒸汽可用作加热剂。 (2)溶液的沸点随着所处的压力减少而降低，因此对于相同压力的加热蒸汽，溶液减压时可以提高传热总温度差，但是在云同步，溶液的黏性系数变大，总传热系数降低。 (3)真空蒸发系统需要减压装置，提高系统的投资费和操作费。第六章化工原理张宏丽，第二节单价蒸发，第六章化工原理张宏丽，第二节单价蒸发，第二、单价蒸发的计算单价蒸发计算的主要内容是水分蒸发量即加热蒸汽消耗蒸发器的传热面积。 计算的依据是材料平衡计算、热平衡计算、热传递率方程式。 1水分蒸发量的计算对图6-2所示的

5、单效蒸发器计算溶质的平衡，(6-1)、第6章化学工业原理张宏丽、第2节单效蒸发、式中原料液的产水量、kg/h； 单位时间内从溶液中蒸发水分量，即蒸发量、kg/h； 原料液中溶质的质量分数完成液中溶质的质量分数。2加热蒸汽消耗加热蒸汽消耗通过热量平衡计算求出。 通常，加热蒸汽是饱和蒸汽，凝结后在饱和温度下排出的话，加热蒸汽只排出潜热而蒸发。 当原料液以低于沸点的温度供给时，热平衡式为(6-2)、第六章化学工业原理张宏丽、第二节单效蒸发、式中q蒸发器的热负荷或传热量、整理成kJ/h的d加热蒸汽消耗、kg/h； Cp0原料液比热容，kJ/()； t0原料液温度； t1溶液沸点r加热蒸汽的汽化潜热、k

6、J/； r二次蒸汽的汽化潜热，kJ/； q损害蒸发器的热损失、kJ/h。 第六章化学工业原理张宏丽，第二节单效蒸发，原料液的比热可以按照以下经验方程计算： (6-3)式中的水的比热，kJ/()； 溶质的比热，kJ/()。 式6-2中得到的加热蒸汽消耗为(6-4)、第6章化学工业原理张宏丽，第2节单位蒸发，如果溶液为沸点供给，则忽略蒸发器的热损失，式6-4可以简化为(6-5)或(6-6)式中D/W为蒸发1水时的蒸汽消耗，称为单位蒸汽消耗。 蒸汽的潜热不怎么随着压力而变化，也就是说。 但是，实际上由于蒸发器受到热损失等的影响，D/W约为1.1稍高。 第六章化工原理张宏丽，第二节单效蒸发，三蒸发器传

7、热面积计算基于传热基本方程，传热面积： (6-7)式中热交换设备的传热面积，m2； 蒸发器热负荷、w传热平均温差； 热交换设备的总传热系数，W/(m2)。 第六章化工原理张宏丽，第二节简单蒸发，根据热平衡计算，蒸发器热负荷Q=Dr； 蒸发过程是加热蒸汽凝结与溶液沸腾之间的恒温传热，t均=T-t1的值可以根据传热章提供的公式计算，管内沸腾对流传热系数的值受到溶液性质、蒸发器结构及操作条件等诸因素的影响，目前，由于缺乏可靠的计算方法，蒸发器的总传热系数主要是三、溶液的沸点和温度差为1 .溶液的沸点溶液中的溶质不挥发，在相同条件下溶液的蒸气压低于纯溶剂的蒸气压，因此在相同压力下溶液的沸点总是在相同压

8、力下高于水的沸点，即二次蒸气的温度。 例如，常压下的20% (质量分数) NaOH水溶液的沸点为108.5，饱和水蒸气的温度为100，溶液的沸点上升8.5。第六章化学工业原理张宏丽、第二节单价蒸发、沸点上升不利于蒸发操作的传热推进力温度差，例如用120的饱和水蒸气分别加热NaOH水溶液和纯水使其沸腾，有效温度差分别为20% (质量分数) NaOH水溶液=120-108.5=11.5纯水=120-100=20， 由于溶液的沸点上升，蒸发溶液的传热温度差比蒸发纯水的传热温度差下降了8.5，用温度差损失表示。 (6-8)，第6章化学工业的原理张宏丽，第2节的单纯蒸发，即温差损失在数值上与相同条件下的

9、沸点上升值相同。 因此，在蒸发的计算中，首先研究确定的值，求出溶液的沸点(t1=T )和实际的传热温度差(t=tT-)。 实际上失去温差的主要原因还有其他，以下分别分析。 2、温度差损失蒸发操作时，温度差损失的原因可能是溶液沸点上升引起的温度差损失，是加热管内的液柱静压引起的温度差损失管路的流动阻力引起的温度差损失。 总温差损失为： (6-9)，第6章化工原理张宏丽，第2节简单蒸发，二次蒸汽的温度由蒸发器分离室的压力(即不是冷凝机的压力)决定时，(6-10) (1)溶液沸点上升引起的温差损失值主要与溶液的种类、浓度以及蒸发压力有关在一般手册中，可以在常压下调查某溶液在不同浓度下的沸点上升数据。

10、 常压下，某无机盐水溶液沸点上升与浓度的关系见附录。 蒸发操作有时在加压或减压下进行，必须求出各种浓度的溶液的压力引起的温差损失。 数据不足的情况下，根据常压下的溶液的温度差损失可以推定(6-11) (6-11 )，第6章化学工业原理张宏丽，第2节单纯蒸发，式中的比较正的系数。 由下式计算(6-12 )式中的操作压力下的二次蒸汽的温度，则为操作压力下的二次蒸汽的汽化热，kJ/。 (2)液柱静压引起的温差损失蒸发器工作时，由于器内溶液必须维持一定的液位，所以蒸发器加热管内溶液的压力大于液面的压力，管内溶液的沸点高于液面溶液的沸点，两者之差为溶液静压引起的温差损失。 为了简单起见，溶液内部的沸点用

11、液面和底部的平均压力计算，根据静力学的基本方程： (6-13 )，第六章化工原理张宏丽，第二节简单蒸发，式中蒸发器溶液的平均压力，Pa； 液面压力，即二次蒸汽压力、Pa； 溶液密度，m3； 液层的高度，m。 根据用上式计算的平均压力，可以调查对应溶液的沸点，因此可以用下式计算用(6-14 )式由平均压力求出的水的沸点用二次蒸汽的压力求出的水的沸点。 第六章化工原理张宏丽，第二节单效蒸发，(3)管路的流动阻力引起的温差损失二次蒸汽从蒸发器流向冷凝机的过程中，流动阻力导致压力下降，蒸汽的饱和温度也相应下降，由此引起的温差损失，即。 值的大小与二次蒸汽在管路中的流速、物性及管路尺寸等有关。 根据经验

12、，一般设为0.51.5，对于多效果蒸发，在计算最终效果在先的各效果的温度差损失时，同样在二次蒸汽从前效果蒸发室通向后效果加热室的情况下，计算配管阻力引起的温度差损失时，其值一般设为1。第六章化工原理张宏丽，第三节多效蒸发、第一、多效蒸发的操作原理由于蒸发器的热量，可知单效蒸发器蒸发的每一水需要消耗一个以上的蒸汽。 在大规模的工业生产中，水分蒸发量大，需要消耗大量的生蒸汽。 如果能够将二次蒸汽作为其他蒸发器的加热蒸汽来利用，就能够减少产生的蒸汽消耗。 由于二次蒸汽的压力和温度比生蒸汽的压力和温度低，所以将二次蒸汽作为加热蒸汽的条件是，该蒸发器的工作压力和溶液的沸点比前面的蒸发器低。 采用抽真空的

13、方法，可以很容易地降低蒸发器的操作压力和溶液的沸点。 各蒸发器被称为“效果”，使产生的蒸汽通过第一效果蒸发器，产生的二次蒸汽导入第二效果蒸发器，第二效果的二次蒸汽导入第三效果蒸发器，以下同样，最终效果蒸发器的二次蒸汽通过冷凝机凝结，冷凝机之后真空装置抽真空系统。 于是，从第一效果到最终效果，蒸发器的操作压力和溶液的沸点依次降低，因此能够将前效果的二次蒸汽作为后效果的加热介质导入，即，后效果的加热室成为前效果的二次蒸汽的冷凝机，需要仅消耗第一效果产生的蒸汽，这是多效果蒸发的操作原理、第六章化工原理张宏丽、第三节多效蒸发、图6-3并流供给三效蒸发的流程示意图、第六章化工原理张宏丽、第三节多效蒸发、

14、第二、多效蒸发的流程在很多蒸发中，材料和二次蒸发的流程不同，可以组合不同的流程。 以三效为例，常用的多效蒸发过程包括： 一并流(顺流)尺种子文件的蒸发工艺液，如图6-3所示，与蒸汽的流动相同。 材料液和蒸汽都从第一效果开始依次流向最终效果。优点： (1)溶液的输送可以利用各效果间的压力差，自动从前效果进入后效果，因此各效果之间可以省去运输泵；(2)前效果的操作压力和温度高于后效果，材料液从前效果进入后效果时过热而自蒸发，各效果之间需要设置预热器第六章化工原理张宏丽，第三节多效蒸发，(3)辅助设备少，工艺紧凑，因此热损失少，操作方便，工艺条件稳定。 缺点：后效温度更低，溶液浓度更高，溶液的黏性系

15、数逐渐增大，降低传热系数，往往需要更多的传热面积。 因此，随着浓度变高，黏性系数变高的材料液采用该方法使不得。 2逆流种子文件法的蒸发工艺液如图6.4所示，与蒸汽的流动相反。 材料液除了最终效果外，用泵必须输送到前面的效果的蒸汽从第一效果加入，依次达到最终效果。第六章化工原理张宏丽，第三节多效蒸发，图6-4逆流供给法的蒸发流程图，第六章化工原理张宏丽，第三节多效蒸发，优点： (1)蒸发的温度随溶液浓度的增大而升高，这种各效果的黏性系数差小，传热系数大致相同；(2)完成液的排出温度高缺点： (1)辅助设备多，各效果之间必须设置材料液泵；(2)各效果以低于沸点的温度供给，必须设置预热器(否则二次蒸

16、汽量减少)，因此能源消费增大。 一般来说，逆流种子文件法适用于处理黏性系数随温度和浓度而变化的材料液的蒸发，但不适用于热敏性材料的蒸发。第六章化工原理张宏丽、第三节多效蒸发、三平流供给法的蒸发工艺材料液在云同步中添加各种效果，完成液在云同步中从各种效果引出，蒸汽从第一效果依次流向最后的效果，如图6-5所示。 该方法也可用于将蒸发过程中结晶析出时使用的2种以上不同材料液浓缩到云同步中，除此以外一般不怎么使用。 以上介绍的是几个基本的充气蒸发过程，在实际生产中，根据情况，对以上基本的充气过程进行变形或组合，以适应生产需要。第六章化工原理张宏丽，第三节多效蒸发，图6-5平流供给法蒸发过程的示意图，第

17、六章化工原理张宏丽，第三节多效蒸发，第三、多效蒸发效率的限定为工业生产，采用多效蒸发提高生蒸汽的利用率，消耗等量的生蒸汽，比单效蒸发器多得多如果忽略原料液在沸点进入蒸发器，在与热损失、温差损失不同的压力下的汽化热差，则理论上，在单效蒸发器中，一发蒸汽可以使一水气化，在重叠作用蒸发器中，一个蒸汽可以使两个水气化，在三效蒸发器中，一发蒸汽可以使三水气化但是，由于实际上存在各种各样的温差损失和热损失，多效蒸发还没有达到上述的经济性。 实际蒸发过程的单位蒸汽消耗最小值如表6-1所示。 第六章化工原理张宏丽，第三节多效蒸发，表6-1蒸发过程的单位蒸汽消耗最小值(/水)如上表所示，随着有效数的增加，节约的蒸汽发生量越来越少，而设备费却与有效数的增加成正比增加。 有效率的设备费和操作费之和不能低于节约的加热蒸汽的收益的情况下，没有必要进一步提高效率，所以有效率的蒸发效率是有限的。 也就是说，蒸发器的效率有最合适的值，必须通过使设备费和操作费之和最小来决定。 工业上使用的多效蒸发装置通常其有效数量不多。 一般来说，电解