第四章蒸发

第四章蒸发第一节概述一、蒸发操作及其在工业中的应用蒸发操作主要用于提高溶质的浓度；浓缩溶液和回收溶剂；获得纯净的溶剂等。二、蒸发操作的特点蒸发操作是将溶液加热至沸点，使其中挥发性溶剂与不挥发性溶质的分离过程。蒸发操作进行的条件是供给溶剂汽化所需的热量，并将产生的蒸气及时排除。蒸发器的加热室通常采用间壁式换热器，其两侧为恒温。蒸发过程的特点是（与传热相比较）：1．因溶液沸点升高等因素会引起温度差损失；2．因蒸发过程耗热量很大，所以应充分考虑热能利用；3．因处理物料性质不同，故需充分考虑物料的特性及工艺条件，再选择或设计适宜的蒸发器。三、蒸发操作的分类可按蒸发模式、按操作条件（压力）及效数等进行分类。第二节单效蒸发与真空蒸发一、单效蒸发流程蒸发器由加热器和蒸发室组成，此外还需除沫器、冷凝器等。二、单效蒸发的设计计算1.蒸发水量的计算蒸发操作中，由于溶质是不挥发物质，因此，蒸发前后其质量不变，对它作物料衡算，可得蒸发量，即完成液的浓度为2.加热蒸气消耗量的计算加热蒸气用量由热量衡算确定。若只利用加热蒸气的冷凝潜热，则冷凝液在饱和温度下排出，其用量为若溶液为沸点加热，且不计热损失，则为式中：D/W称为单位蒸气消耗量，r´为加热蒸气的冷凝潜热；r为二次蒸气的冷凝潜热。3.蒸发器传热面积的计算（1）传热平均温度差Δtm的确定在蒸发操作中传热的平均温度差应为，称为有效温度差，式中T为加热蒸气的温度；t1为溶液的沸点，此值需通过计算获得。若蒸发操作的热源为饱和水蒸气，则T可由水蒸气表查得。溶液的沸点t1，通常是根据冷凝器的压力p，查饱和水蒸气表得二次蒸气得冷凝温度T’，再计算出各种温度差损失后，用下式计算：温度差损失包括：a.溶液的沸点升高’常为溶液在常压下因溶质存在而较纯溶剂（水）的沸点升高值，即，其中tA为常压下溶液的沸点，可由手册查取。若蒸发操作在加压或真空条件下进行，则’常需乘以校正系数式中T’和r’均指操作压力下二次蒸气的饱和温度和汽化潜热。b.液柱静压头引起的溶液沸点升高蒸发器加热室中有一定液位，因液面下的压力比液面表面压力高，则液面下的沸点比液面上的高，二者之差称为液柱静压头引起的溶液沸点升高，以表示，其值用料液高度一半处的压力，并用进行近似计算，式中tav、tb分别为pav、p＇压力水蒸气的饱和温度。c.管道阻力产生压降引起的温度差损失该损失是二次蒸气由分离室出口到冷凝器之间的压降所造成的温度差损失，通常取=1℃。因此，蒸发过程中的总温度差损失为＝＋＋溶液的沸点t1（2）总传热系数K的确定蒸发器的总传热系数可按下式计算上式影响K值各因素中，往往是Ri和i成为其设计和操作中的主要问题。由于蒸发过程中，加热面处溶液中的水分汽化，浓度上升,因此溶液很易超过饱和状态，溶质析出并包裹固体杂质，附着于表面，形成污垢，所以Ri往往是蒸发器总热阻的主要部分。为降低污垢热阻，工程中常采用的措施有：加快溶液循环速度，在溶液中加入晶种和微量的阻垢剂等。影响i的因素很多，如溶液的性质，沸腾传热的状况，操作条件和蒸发器的结构等。提高i的有效办法是增加溶液的循环速度和湍动程度等。通常总传热系数K仍主要靠现场实测确定，设计时也可查表取值估计。三、蒸发器的生产能力与生产强度1、蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力可用单位时间内蒸发的水分量来表示。由于蒸发水分量取决于传热量的大小，因此其生产能力也可表示为2、蒸发器的生产强度蒸发器的生产强度u简称蒸发强度，是指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，kg/(m2·h)若为沸点进料，且不计热损失，根据，则由上式可知，若蒸发操作的压力一定，则二次蒸气的汽化热r‘也可视为常数，因此，欲提高蒸发器的生产强度，主要途径是提高总传热系数K和传热温度差Δtm（T－t1）。前者，上面已述。提高传热温度差的方法:采用真空蒸发或选用高温热源，如高温导热油、熔盐或用电加热等。第三节多效蒸发采用多效蒸发的目的是为了减少新鲜蒸气用量，具体方法是将前一效的二次蒸气作为后一效的加热蒸气。一、多效蒸发流程1．并流流程即加热蒸气和原料液均顺次流经各效。这种加料的特点是前一效到后一效可自动加料，后一效中的物料会产生自蒸发，可多蒸出部分水汽，但溶液的黏度会随效数的增加而增大，使传热系数逐效下降，所以并流加料不适宜处理随浓度增加而增加较高的物料。2．逆流流程即加热蒸气走向与并流相同，而物料走向则与并流相反。这种加料的特点是各效中的传热系数较均匀，适于处理黏度随温度变化较大的物料。3．平流流程即加热蒸气走向与并流相同，但原料液和完成液则分别从各效中加入和排出。这种流程适用于处理易结晶物料。二、多效蒸发设计计算多效蒸发需要计算的内容有：各效蒸发水量、加热蒸气消耗量及传热面积。由于其效数多，未知数也多，所以计算远较单效蒸发复杂。因此目前已采用电子计算机进行计算。但基本依据和原理仍然是物料衡算，热量衡算及传热速率方程。鉴于计算中出现未知参数，因此常采用试差法，其步骤如下：1.根据物料衡算求出总蒸发量；2.根据经验设定各效蒸发量，再估算各效溶液浓度。通常各效蒸发量可按各效蒸发量相等的原则设定，即并流加料的蒸发过程，由于有自蒸发现象，则可按如下比例设定：若为两效若为三效根据设定得到各效蒸发量后，即可通过物料衡算求出各完成液的浓度；3.设定各效操作压力以求各效溶液的沸点。通常按各效等压降原则设定，即相邻两效间的压差为:4.应用热量衡算求出各效的加热蒸气用量和蒸发水量；5.按照各效传热面积相等的原则分配各效的有效温度差，并根据传热效率方程求出各效的传热面积；6.校验各效传热面积是否相等，若不等，则还需重新分配各效的有效温度差，重新计算，直到相等或相近时为止。三、多效蒸发效数的限制单效和多效蒸发过程中均存在温度差损失。若二者的操作条件相同，即加热蒸气压力和冷凝器压力相同时，多效蒸发的温度差损失较单效时的大，而且效数越多，温度差损失将越大。不难理解，随着效数的增加，分配到各效的有效温度差就越小，这将导致设备的生产强度下降。若欲完成一定的生产强度，则设备加热面积必须增大，使投资增加。通常，工程上以三效为多。四、蒸发过程的经济性和节能蒸发过程是一个能耗较大的单元操作，通常把能耗也作为评价其优劣的另一个重要评价指标，或称为加热蒸气的经济性，其定义为1kg蒸气可蒸发的水分量，即额外蒸气的引出，供其它设备使用，可大大提高其经济性，同时还降低了冷凝器的负荷，减少冷却水量。采用热泵蒸发也是提高经济性、减少能耗的有效措施。此外，充分利用冷凝水和冷凝水显热也是工程上采用的方法，不过它不适用于蒸气直接冷凝的场合。第四节蒸发设备一、了解各种蒸发器的工作原理、结构、操作特点和应用范围二、了解蒸发器的选型原则三、了解蒸发器附属设备的工作原理、结构及应用场合熟悉蒸发过程与设备的强化途径及开发新型设备的创新思路。