第五章-蒸发

化工原理教学与实验中心Page106:40:15化工原理PrinciplesofChemicalEngineering主讲：易均辉化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心Page206:40:15§5.0概述（★）§5.1单效蒸发（★★★）§5.2多效蒸发（★）§5.3蒸发的设备（★）§5.4蒸发的工艺设计（自学）第五章蒸发化工原理教学与实验中心Page306:40:16化工原理教学与实验中心Page406:40:16化工原理教学与实验中心Page506:40:16化工原理教学与实验中心Page606:40:16化工原理教学与实验中心Page706:40:165.0概述一、蒸发过程概述1．蒸发的概念溶剂S溶质A（不挥发）溶剂S加热蒸发是将含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质组成提高的单元操作，所用的设备称为蒸发器。利用加热的方法，使溶液中挥发性溶剂与不挥发性溶质得到分离的一种单元操作。蒸发操作的对象：液体均相混合物化工原理教学与实验中心Page806:40:16（1）稀溶液的增浓直接制取液体产品，或者将浓缩的溶液再经进一步处理（如冷却结晶）制取固体产品（蔗糖水溶液的浓缩以及各种果汁、牛奶的浓缩等）；（2）纯净溶剂的制取（海水蒸发脱盐制取淡水）。（3）同时制备浓溶液和回收溶剂（中药生产中酒精浸出液的蒸发）。二、蒸发操作的目的化工原理教学与实验中心Page906:40:16工业上被蒸发的溶液多为水溶液，本章的讨论仅限于水溶液的蒸发。原则上，水溶液蒸发的基本原理和设备对其它液体的蒸发也是适用的。化工原理教学与实验中心Page1006:40:16单效蒸发多效蒸发二次蒸汽是否用作另一蒸发器的加热蒸汽并流逆流平流操作压力加压蒸发常压蒸发真空（减压）蒸发蒸发器进、出料状况间歇蒸发连续蒸发三．蒸发过程分类化工原理教学与实验中心Page1106:40:16(5)能源利用大量二次蒸汽，利用它的潜热，是蒸发操作中要考虑的四、蒸发过程的特点(1)传热性质传热壁面一侧为加热蒸汽冷凝，另一侧为溶液沸腾，故蒸发过程属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。(2)溶液沸点的改变含有不挥发溶质，蒸气压较同温度下溶剂(即纯水)的低。(3)溶液性质溶液有晶体析出、易结垢和生泡沫，高温下易分解或聚合;黏度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。(4)泡沫夹带二次蒸汽中常夹带大量液沫，冷凝前必须除去，否则不但损失物料，而且会污染冷凝设备。化工原理教学与实验中心Page1206:40:16§5.0概述§5.1单效蒸发§5.2多效蒸发§5.3蒸发的设备§5.4蒸发的工艺设计（自学）第五章蒸发化工原理教学与实验中心Page1306:40:165.1单效蒸发5.1.1溶液的沸点和温度差损失5.1.2单效蒸发的计算5.1.3蒸发器的生产能力和生产强度化工原理教学与实验中心Page1406:40:16溶液在蒸发时，所产生的二次蒸汽不再利用或被用于蒸发器以外的操作，称为单效蒸发。单效蒸发是在一个蒸发器内进行蒸发的操作。1.加热器（室）2.分离器（室）3.冷凝器单效蒸发流程什么是单效蒸发化工原理教学与实验中心Page1506:40:171.溶液的沸点溶液中含有不挥发的溶质，在相同条件下，其蒸气压比纯水的低，所以溶液的沸点就比纯水的要高，两者之差称为因溶液蒸气压下降而引起的沸点升高。由于有沸点升高现象，使同条件下蒸发溶液时的有效温度差下降8.5℃，正好与溶液沸点升高值相等，故沸点升高又称为温度差损失。5.1.1溶液的沸点和温度差损失化工原理教学与实验中心Page1606:40:17例如：常压20％（质量浓度）NaOH水溶液沸点108.5℃，水100℃。沸点升高值8.5℃；用120℃的饱和水蒸气加热20％NaOH，或纯水，使之沸腾，有效温差？NaOH水溶液120－108.5＝11.5℃纯水溶液120－100＝20℃温差损失8.5℃化工原理教学与实验中心Page1706:40:171.因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失Δ′2.因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失Δ″总温度差损失为：2.温度差损失3.因管路流体阻力而引起的温度差损失Δ″′引起蒸发中温差损失（沸点升高）的因素如下。化工原理教学与实验中心Page1806:40:171).因溶液蒸气压下降而引起的温度差损失Δ′溶液的沸点升高主要与溶液类别、组成及操作压强有关，一般由实验测定。获取查手册——常压下（1atm）某些无机盐水溶液的沸点升高与组成的关系见附录21当缺乏实验数据时，可以用下式先估算出沸点升高值———估算（1）吉辛柯公式（2）杜林规则（Duhring’srule）化工原理教学与实验中心Page1906:40:17式中——常压下溶液的沸点升高，可由实验测定的tA值求得，℃；Δ′——操作条件下溶液的沸点升高，℃；f——校正系数，无因次。其经验计算式为：a式中T′——操作压强下二次蒸气（饱和水蒸气）的温度，℃；r′——操作压强下二次蒸气（饱和水蒸气）的汽化热，kJ/kg。afrTf2)273(016.0（1）吉辛柯公式化工原理教学与实验中心Page2006:40:17(2)杜林规则该规则认为：某溶液（或液体）在两种不同压力下两沸点之差与另一标准液体在相应压力下两沸点之差，其比值为一常数，即式中tA、tw—分别为压强pM下溶液的沸点与纯水的沸点，℃tA′、tw′—分别为压强pN下溶液的沸点与纯水的沸点，℃一定浓度下溶液的沸点与相同压强下水的沸点呈直线关系，可以利用杜林线求不同浓度的溶液在任一压力下的沸点。wwAAttttk(5-3)溶液沸点℃tA′tA纯水沸点℃tW′tWC%化工原理教学与实验中心Page2106:40:17图5-12NaOH水溶液的杜林线图当某压强下水的沸点tw=0时，则上式变为式中ym——杜林线的截距，℃mwAAytktt注意：不同浓度的杜林线是不平行的，斜率k与截距ym都是溶液质量浓度x的函数。对NaOH水溶液，k、ym与x的经验关系为10.142kx2150.752.71myxx化工原理教学与实验中心Page2206:40:17【例5-1】在中央循环管蒸发器内将NaOH水溶液由10%浓缩至20%，试求（1）分离室的绝对压力为101.33kPa及50kPa时，利用附录中的数据计算溶液的沸点；（2）利用右图求50kPa时溶液的沸点；（3）利用经验公式计算50kPa时溶液的沸点。解：蒸发器内溶液组成接近完成液组成。由附录：（1）利用附录中的数据计算溶液的沸点101.33kPa时，溶液沸点为tA=100+8.5=108.5oC50kPa时，温度差损失为由吉辛柯公式：af0.88192304.5273)20.0162(81.273)0.0162(22rTf因此，50kPa时溶液沸点为：tA'=81.2+7.496=88.7oC溶液温度差损失随压力变化不大。操作压力（kPa）水沸点（℃）水汽化热（kJ/kg）20%NaOH沸点升高（℃）101.331008.55081.22304.5化工原理教学与实验中心Page2306:40:17（2）利用图5-12求50kPa时溶液的沸点50kPa时，水的沸点为81.2oC，因此根据20%NaOH杜林线图可得到，溶液沸点为88oC。（3）利用经验公式计算50kPa时溶液的沸点。杜林直线斜率为：1.0280.21.04210.1421xk5.4880.22.710.2150.752.71150.752xxym2杜林直线截距为：当某压强下水的沸点tw=0时C88.9681.21.0285.488owmAmwAAtkytytktt050100150200050100150200250boilingpointofsolution/oCboilingpointofH2O/oC81.2oC88oC化工原理教学与实验中心Page2406:40:18蒸发器内的沸腾一般是在加热管内沸腾，加热管内溶液液位维持一定，处于不同深度的溶液受到不同的静压强，所以溶液内部的沸点比液面处的沸点高，两者之差即为由液层静压引起的温度差损失。简化处理：计算时以液层中部的平均压强pm及相应的沸点tm为准，中部的压强为：(5-7)2).因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失Δ″m2glpp'式中pm——液层中部的平均压强，Pap’——液面的压强，即二次蒸气的压强，Pal——液层深度，m化工原理教学与实验中心Page2506:40:18常根据平均压强pm查出纯水的相应沸点tpm，故因静压强而引起的温度差损失为：式中tpm——与平均压强pm相对应纯水的沸点，℃t’p——与二次蒸气压强p′相对应的水的沸点，℃影响Δ″的因素：（1）沸腾时液层内混有气泡，液层的实际密度较计算公式所用的纯液体密度要小，使得算出的Δ″值偏大；（2）当溶液在加热管内的循环速度较大时，就会因流体阻力使平均压强增高。mpp''tt'化工原理教学与实验中心Page2606:40:18【例5-2】在中央循环管蒸发器内，蒸发25%CaCl2水溶液，已测得二次蒸汽的绝对压力为40kPa时。加热管内液层深度为2.3m，溶液平均密度为1200kg/m3。试求因溶液静压力引起的温度差损失Δ及溶液沸点。已知操作条件下因溶液蒸气压下降引起的温度差损失为6.25oC。化工原理教学与实验中心Page2706:40:18分析：ppttm据附录，40kPa时，二次蒸汽温度为75oC53.54kPa1022.39.8112004032glppm附录：tpm=82.76oC因此，由静压力所引起的温度差损失为C7.767582.76oppttmC89.017.766.2575o'''ttwA所以，溶液的沸点为由于静压强而产生的温度差损失在循环型蒸发器中所造成的温度差损失大，不能忽略！化工原理教学与实验中心Page2806:40:18多效蒸发中二次蒸汽由前效经管路送至下效作为加热蒸汽，因管道流动阻力使二次蒸汽的压强稍有降低，温度也相应下降，一般约降1℃。需要注意的是：对于单效蒸发，若指定的是蒸发器内的操作压强，则Δ″′不计入温度差损失中。3).由于管路流动阻力而引起的温度差损失Δ'''取效间二次蒸汽温度下降1℃；末效或单效蒸发器至冷凝器间下降1～1.5℃。化工原理教学与实验中心Page2906:40:185.1.2单效蒸发的计算计算内容：①溶剂的蒸发量；②加热蒸汽消耗量；③蒸发器所需传热面积。通常生产任务中已知的项目有：（1）原料液流量、组成与温度；（2）完成液组成；（3）加热蒸气压强或温度；（4）冷凝器的压强或温度。单效蒸发示意图化工原理教学与实验中心Page3006:40:181.蒸发量W图5-13单效蒸发示意图水分蒸发量根据单效蒸发器作溶质的衡算，得10)(xWFFx)1(10xxFW式中F—原料液流量W—蒸发量x0—原料液的质量组成x1—完成液的组成化工原理教学与实验中心Page3106:40:1801wL()DHFhWHFWhDhQ对蒸发器作热量衡算1.溶液稀释热不可忽略时2.加热蒸汽消耗量DwLhHQFhhWFHWD01)(式中D——加热蒸气的消耗量,kg/hH——加热蒸气的焓,kJ/kgh0——原料液的焓,kJ/kgH’——二次蒸气的焓,kJ/kgh1——完成液的焓,kJ/kghw——冷凝水的焓,kJ/kgQL——热损失,kJ/h化工原理教学与实验中心Page3206:40:18若加热蒸气的冷凝液在蒸气的饱和温度下排除，则式中r——加热蒸气的汽化热，kJ/kg则上式变为rQFhhWFHWDL01)(H-hw=r10()LQDrWHFWhFhQ(5-11b)化工原理教学与实验中心Page3306:40:19稀释热不可忽略时，溶液的焓由专用