化工原理课件7.蒸发

1、7. 蒸发 (Evaporation),7.1 概述 7.2 蒸发设备 7.3 蒸发操作的经济性和操作方式 7.4 单效蒸发计算 7.5 多效蒸发计算（略）,化工原理,7. 蒸发,1、本章学习的知识点 蒸发过程基本原理；溶液沸点升高与杜林规则；液柱静压对溶液沸点的影响；温差损失；单效蒸发计算（包括水分蒸发量、蒸汽消耗量、有效温度差及传热面积）；多效蒸发操作流程及原理；多效蒸发优化设计概念；蒸发器的生产能力、生产强度；强化蒸发过程及提高加热蒸汽经济程度的措施；蒸发器的分类、结构、特点及选用。 2、本章学习的重点 溶液沸点升高与杜林规则；单效蒸发原理及计算；提高加蒸汽经济程度的措施；蒸发器的结构及

2、选用。 3、本章学习的难 点 单效蒸发计算 。,7. 蒸发,7.1 概述,一、概念 蒸发含有不挥发性溶液在沸腾条件下受热，使部分溶剂汽化为蒸汽的操作。 蒸发操作的基本概念： 加热蒸汽(生蒸汽) 二次蒸汽 单效蒸发 多效蒸发 常压蒸发 加压蒸发 减压蒸发,7. 蒸发,7.1 概述,二、蒸发操作的工程目的 1、 获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品。 2、蒸发结晶联合操作以获得固体溶液 3、脱除杂质，制取纯净的溶剂。 三、蒸发操作的特点 目的：物质的分离 实质：热量传递。 特点：含有不挥发溶液的沸腾传热。,7. 蒸发,7.1 概述,1、浓溶液在沸腾汽化过程中常在加热表面上析出溶质而形成垢层，使K

3、下降。(要求：蒸发器的结构应防止或减少结垢，且加热面易清洗。) 2、溶液的物性对蒸发器的设计提出特殊要求。比如：,7. 蒸发,对热敏性溶质，要求高温下停留时间较短。,浓度增加粘度大大增大，要求特殊结构。,3、需大量汽化热（如何节能？应考虑的重要问题。） 4、对于水溶液的蒸发，加热蒸汽温位二次蒸汽的温位,在指定p下，溶质的存在造成溶液沸点高,7.1 概述,7. 蒸发,传热温差,主要原因,四、经济性及节能措施 1、经济性 每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量，W/D。 蒸发操作的经济性很大程度上取决于二次蒸汽的利用。,2、节能措施,(1)多效蒸发,(2)额外蒸汽的引出,(3)二次蒸汽的再压缩,(4)冷凝

4、水热量利用,返回,7.2 蒸发设备,7.2.1 蒸发器 7.2.2 蒸发器的传热系数 7.2.3 蒸发辅助设备,7. 蒸发,返回,7.2.1 蒸发器,结构：加热室、流动（或循环）通道、汽液分离空间。 按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。 一、循环型蒸发器 特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。由于引起循环运动的原因不同。有分为自然循环型和强制循环型两类。 自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起。 强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动。,7. 蒸发,7.2.1 蒸发器,1、垂直短管式（又称为中央循环管式），也称为标准式蒸发器 (1)结构

5、：外壳、加热室、中央循环管、蒸发室、除沫器 (2)特点：,7. 蒸发,蒸汽走壳程，溶液走管程，d中d管，A中=(40100)%A横总,细管中单位体积A大，含汽率高,中央循环管单位体积A小，含汽率低,有组织循环,7.2.1 蒸发器,2、外加热式 特点： (1)加热管长，给热系数增大 (2)循环管不再受热，密度差大强化循环,7. 蒸发,加热室,蒸发室,7.2.1 蒸发器,3、强制循环蒸发器,7. 蒸发,加热室,蒸发室,7.2.1 蒸发器,二、单程蒸发器（适宜热敏性物料） 物料一次通过加热面即可完成浓缩要求，离开加热管的溶液及时加以冷却。 1、升膜式 原理：热的料液自蒸发器底部进入加热管内迅速气化，

6、在蒸气的带动下，溶液沿管壁呈膜状迅速上升，并继续蒸发，当到达分离室和二次蒸气分离后即可得到完成液。 不适宜粘度50mPa.s，易结晶， 结垢料液。,7. 蒸发,7.2.1 蒸发器,2、降膜式 其结构原理与升膜式类似。区别在于：料液在蒸发器顶部加入，底部得到完成液；加热管顶部装有液体分布器，以使液体成膜；对浓度较高，粘度较大溶液也适用；结构较复杂。适宜粘度50450mPa.s。不易结晶的料液。,7. 蒸发,降膜式液体分布,7.2.1 蒸发器,3、旋转刮板式蒸发器为高粘度溶液的蒸发而设计 间隙式刮板、转子式刮板 主要特点：籍外力强制料液膜状流动 缺点：结构复杂，制造要求高， 加热面积不大，且需消耗

7、一定动力。,7. 蒸发,返回,7.2.2 蒸发器的传热系数,一、热阻分析,7. 蒸发,1、 很小。需注意定期排放不凝性气体,2、 可忽略。金属薄壁，,3、Ri取决于,管内液体运动状况,溶液的性质,7.2.2 蒸发器的传热系数,7. 蒸发,Ri降低的措施,定期清理加热管,u管增大,加微量热阻垢剂,结晶物料，加少量晶种，使结晶尽可能在溶液主体中析出,4、管内沸腾给热热阻 主要取决于沸腾液体的流动情况。,结论：对于清洁的加热面(Ri很小)，K主要受 影响。,二、管内汽液两相流动形式 1、气泡流；2、塞状流；3、翻腾流； 4、环状流；5、雾流,7.2.2 蒸发器的传热系数,7. 蒸发,结论：为提高全管

8、长的平均 ，应尽可能扩大环状流动的区域。,7.2.2 蒸发器的传热系数,三、管内沸腾给热 1、预热区：单相对流给热，壁溶液，小,7. 蒸发,2、沸腾区：L ，气泡多气泡在管中心连成柱状气泡快速流动带动管壁四周的液膜向上流动 达到最大值,3、湿蒸汽区：L足够大，液膜被蒸干，汽流裹挟雾滴流动,返回,7.2.3 蒸发器辅助设备,蒸发辅助设备有除沫器、冷凝器、输水器、真空泵等。 一、除沫器 籍液滴运动的惯性撞击金属物或壁面而被捕获集，尽可能完全分离二次蒸汽夹带许多液沫。 丝网式除沫器的分离效果最好。,7. 蒸发,7.2.3 蒸发器辅助设备,除沫器 丝网式除沫器的分离效果最好。,7. 蒸发,7.2.3

9、蒸发器辅助设备,二、冷凝器 因为二次蒸汽多为水蒸汽，所以一般情况下以使用混合式冷凝器居多。,7. 蒸发,逆流高位混合式冷凝器（常负压操作）,大气腿,真空泵：抽不凝性气体,7.2.3 蒸发器辅助设备,三、疏水器 作用：防止加热蒸汽和冷凝水一起排出加热室外。 形式： (1) 热动力式 (2) 钟形浮子式 (3) 脉冲式,7. 蒸发,1-冷凝水入口；2-冷凝水出口； 3-排出管；4-背压室； 5-滤网；6-阀片,7.2.3 蒸发器辅助设备,7. 蒸发,(1) 热动力式,(2) 钟形浮子式,7.2.3 蒸发器辅助设备,7. 蒸发,返回,(3) 脉冲式,7.3 蒸发器操作的经济性和操作方式,7.3.1

10、加热蒸汽的利用率 7.3.2 蒸发设备的生产强度 7.3.3 蒸发操作的最优化,7. 蒸发,返回,7.3.1 加热蒸汽的利用率,通常将每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量(W/D)称为蒸汽的经济性。 W/D增加加热蒸汽的利用率增大。 作为工程技术人员，必须设法尽量节省加热蒸汽的消耗量，以提高加热蒸汽的消耗量，以提高加热蒸汽的利用率，那么采用什么措施才能过到此目的呢？ (1)利用二次蒸汽的潜热(最普通的方法是多效蒸发) (2)利用冷凝水的显热(如预热原料液) 一、多效蒸发 特点：二次蒸发的温位加热蒸汽的温位，操作压强P后P前,7. 蒸发,7.3.1 加热蒸汽的利用率,1、并流加料 物料与二次蒸汽同方向

11、相继通过各效。 优点：(1)各效压强逐效降低，料液可藉此压差自动地流向后效。 (2)末效负压操作，完成液t低，能量利用较为合理。,7. 蒸发,缺点：末效,7.3.1 加热蒸汽的利用率,2、逆流加料 物料与二次蒸汽流向相反。,7. 蒸发,优点： 所以，x和t对粘度的影响大致抵消，各效的K基本不变,缺点：(1) p1p2p3，料液流动须泵输送。 (2)各效进料（末效除外）都较沸点低，自蒸发不会发生，所需要热量大。,7.3.1 加热蒸汽的利用率,3、平流加料 二次蒸汽多次被利用，料液每效单独进出，适合易结晶物料。 优点：多效蒸发总蒸发量W分配各效，但仅有第一效使用加热蒸汽W/D大大增加。,7. 蒸发

12、,7.3.1 加热蒸汽的利用率,二、额外蒸汽的引出 将有二次蒸汽移作它用（如用作预热料液）能耗大大降低。 对于多效蒸发，末效多处于负压，二次蒸汽温位太低，难以再利用，可在前几效引出。,7. 蒸发,7.3.1 加热蒸汽的利用率,说明：在相同W下，某效引出Ei，必然要在第一效补加加热蒸汽 ，if ，额外蒸汽引出并无经济效益；而实际上， 在相同W下，经济性好， ，但是整个生产蒸汽利用率 ，因此，只要Ei能被它用， ，加热蒸汽利用率 ，但是太后效引出的二次蒸汽没有用，因为 ，用途有限。,7. 蒸发,三、二次蒸汽的再压缩 特点：(1)二次蒸汽绝热压缩t升高再次作加热剂用 (2)须一定量的压缩功。,7.3

13、.1 加热蒸汽的利用率,7. 蒸发,压缩方法,机械压缩（轴流式离心式压缩机），如下图,蒸汽动力压缩（蒸汽喷射泵），如下图,7.3.1 加热蒸汽的利用率,说明： 1、妥善设计蒸汽再压缩，能量利用可胜过35效的多效蒸发。,7. 蒸发,2、经济效益上升,压缩比不能太大,所以，热泵蒸发不适用于沸点上升较大的情况。 3、压缩机的投资较大，且需维护保养。 四、冷凝水热量的利用 1、热冷凝水可预热料液 2、冷凝水减压自蒸发，汽化的蒸汽与二次蒸汽一起进入后一效。,返回,7.3.2 蒸发设备的生产强度,一、生产强度 单位时间单位传热面积上蒸发的水量，kg/(m2h)。 将蒸发装置（包括冷凝器、泵等辅助设备）的总

14、投资折算成单位传热面积的设备费表示。,7. 蒸发,生产强度,设Q损=0，料液预热至沸点加入，则t0=t=tb,7.3.2 蒸发设备的生产强度,二、提高生产强度的措施 1、加大传热温差真空蒸发,7. 蒸发,受锅炉额定压强限制,真空蒸发,将二次蒸汽引入冷器冷凝,一般须用真空泵不断将不凝性气体抽除。,优点：,(2)适用于热敏性物料,(3)可利用中、低温位的水蒸汽作热源,缺点：,7.3.2 蒸发设备的生产强度,2、提高蒸发器的传热系数K (1)合理设计蒸发器，使U循提高 (2)及时排除加热室中不凝性气体 (3)经常清除垢层等,7. 蒸发,返回,7.3.3 蒸发操作的最优化,多效蒸发能提高蒸汽的利用率，

15、即经济性好，减少加热蒸汽消耗量，但是多效蒸发是以牺牲设备生产强度来提高加热蒸汽的经济性。实际情况，效数增加W/D并非成倍增加（见下表），而设备费成倍增加，所以优化，不是效数越多越好。,7. 蒸发,矛盾,返回,7.4 单效蒸发计算,一、物料衡算 目的：求水分蒸发量W 因溶质蒸发过程不挥发，且蒸发过程是个定态过程，单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即,7. 蒸发,水分蒸发量：,完成液的浓度：,7.4 单效蒸发计算,二、热量衡算 目的：求加热蒸汽消耗量D,7. 蒸发,或,如何求D？查各种溶液在不同浓度和温度下的热焓i0和i,7.4 单效蒸发计算,简化：(1)当浓缩热不大，热焓用比热近似计算 (2)以

16、0作其准 (3)溶液比热近似地按线性加和原则计算,7. 蒸发,蒸发器的热负荷,7.4 单效蒸发计算,7. 蒸发,蒸发器的传热面积,其中,7.4 单效蒸发计算,浓缩热和溶液的焓浓图 如图7-16为NaOH水溶液从0为基准温度的焓浓图。,7. 蒸发,7.4 单效蒸发计算,三、蒸发速率与传热温度差 蒸发速率由传热速率决定，且热流体为饱和蒸汽，冷液体为沸腾溶液。,7. 蒸发,蒸发速率：,当加热蒸汽压强一定时，T0=const，而t=?,温差损失,溶液沸点升量,液柱静压头,7.4 单效蒸发计算,温度差损失的原因 ： 溶液沸点的升高。这是由于溶液蒸汽压较纯溶剂(水)在同一温度下的蒸汽压为低，致使溶液的沸点

17、比纯溶剂(水)高； 蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管是产生的摩擦阻力，都导致溶液沸点的进一步上升。,7. 蒸发,1、溶液沸点升高,7.4 单效蒸发计算,不同浓度的溶液在大气压下的沸点可通过实验测定。比如NaOH水溶液的沸点。,7. 蒸发,在文献和手册中，可查得常压1(atm)下某些溶液在不同浓度时的沸点数据，但是，在蒸发操作中，蒸发室的压力往往不是高于就是低于常压，计算非常压强溶液的沸点的方法很多，最常见的方法是按杜林规则计算。,7.4 单效蒸发计算,杜林(Dubring)发现：在相当宽的压强范围内，溶液的沸点与同压强下溶剂的沸点成线性关系。或者说溶液在两种压力下的沸点之差( )与溶剂在

18、相应的压力下沸点之差( )的比值为一常数。即：,7. 蒸发,7.4 单效蒸发计算,杜林(Dubring)法则如右图 (1)在浓度不太高的范围内，可以认为溶液的沸点升高与压强无关，可取决大气压的数值。 (2)在高溶液范围内，只要已知两个压强溶液的沸点，则其它的压强下溶液的沸点可按水的沸点作线性内插(外插)。,7. 蒸发,7.4 单效蒸发计算,2、液柱静压关,7. 蒸发,蒸发操作须维持一定液位长加热管 液柱重量和溶液沿管内流动阻力损失 溶液p沿管长变化 t沿管长变化 按液面下处L/5溶液的沸腾温度来计算，液体在平均温度下的饱和压力：,Pm所对应的饱和蒸汽温度,P所对应的饱和蒸汽温度,7.4 单效蒸发计算,结论：,7. 蒸发,例7-1：解：由本书附录中的水蒸汽表查出水蒸汽的饱和温度为：,绝压为401.3KPa下：,绝压为48.3KPa下：,由水的沸点80.1时50%NaOH溶液得：,7.4 单效蒸发计算,7. 蒸发,液位高度为3m，取,在57.1KPa压强下，饱和蒸汽温度：,7.4 单效蒸发计算,四、单效蒸发过程的计算,7.