7化工原理蒸发

过程原理与装备1第七章蒸发过程原理与装备2单效蒸发多效蒸发蒸发：将稀溶液在沸腾状态下进行浓缩的单元操作。概述(Introduction)蒸发分类:常压蒸发加压蒸发减压蒸发蒸发的目的：溶液中溶剂的汽化，获得溶剂产品或不挥发溶质产品。蒸发的必要条件：不断供给热能，不断排除蒸汽，溶剂易挥发。过程原理与装备3真空蒸发：减压（真空）下蒸发。目的：降低溶液沸点。优点：真空下溶液的沸点低，加热蒸汽与沸腾液体间温差大，减小蒸发器的传热面积；利用低压蒸汽或废气作热源；适于热敏性物料；沸点低，蒸发器热损失小。缺点：耗能大；低压沸点低，粘度大，给热系数减小。单效蒸发：1kg水/1kg多生蒸汽多效蒸发：加热蒸汽通入蒸发器，液体受热沸腾产生的蒸汽作为二次蒸汽加以利用引入下一级蒸发器，多个蒸发器依次连接形成多效蒸发。意义:提高蒸汽的利用率（或经济程度）。蒸发同样数量的水W，多效时蒸汽量D远小于单效时。真空蒸发123过程原理与装备4概述(Introduction)蒸发流程：蒸发过程的基本概念:加热蒸汽(生蒸汽)二次蒸汽水蒸气联苯熔盐蒸发过程的特点：（1）沸点升高：（2）能耗大：（3）溶液的特性决定蒸发器的结构特性。过程原理与装备5(1)沸点升高：溶液中含有不挥发性溶质，故溶液的蒸汽压较纯溶剂的蒸汽压为低(沸点高)，当加热蒸汽温度一定，蒸发溶液的传热温差就比蒸发纯溶剂的传热温差小；且浓度越高，沸点越高，温差越小。(2)能耗大：工业蒸发规模很大，需要耗用大量的加热蒸汽，应充分利用二次蒸汽(多效蒸发)，降低过程的能量消耗；(3)溶液的特性决定蒸发器的结构特性。易结垢或析出结晶的溶液，设计上应设法防止或减少垢层的生成，使加热面易于清洗。对热敏性、高粘度或强腐蚀性的物料，应设计或选择适当结构的蒸发器。概述(Introduction)过程原理与装备6物料衡算水分蒸发量W0FLxFWxx01xWFx0FxxFWFx0t0h0c0D,Ts,HsL,x,t,c,hD,Ts,hsW,T,H加热室蒸发室单效蒸发溶质不变：水分蒸发量：完成液浓度：F=L＋W总物料衡算：过程原理与装备7加热蒸汽消耗量D若加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出0lssDHFWHDQhFWhh00(())llssQDWHFQHFWhhhWHFhhQhssThC000hCthCt0(())lssWHFhhQhDHh0001BCCxCx1BCCxCx忽略溶液浓缩热，溶液焓可用比热计算，取0℃为基准物料衡算和热量衡算Fx0t0h0c0D,Ts,HsL,x,t,c,hD,Ts,hsW,T,H加热室蒸发室过程原理与装备8加热蒸汽消耗量D00()lWrFctQctDR物料衡算和热量衡算00(())lssWHFctctQctDHh若为沸点进料(t=t0)，忽略热损失：WrDRRrWDFx0t0h0c0D,Ts,HsL,x,t,c,hD,Ts,hsW,T,H加热室蒸发室D/W—单位蒸汽消耗量，表示蒸汽利用的经济程度。过程原理与装备9若Ql=0，c≈c0时t0=t沸点进料，蒸发1kg水约需1kg加热蒸汽。t0＜t需要预热物料，D/W1。t0＞t不需要外来热量，产生自蒸发过程，自蒸发量较小。物料衡算和热量衡算讨论过程原理与装备11蒸发器的传热面积AmQAKt2221221112111ssmbdddRRKdddKDRQsmttT蒸发器的型式总传热系数K,W/(m2·K)标准式（自然循环）600-3000标准式（强制循环）1200-6000悬筐式600-3000外热式（自然循环）1200-6000外热式（强制循环）1200-7000升膜式1200-6000降膜式1200-3500刮板式600-2000物料衡算和热量衡算()sDRAKTt过程原理与装备12即温度差损失在数值上等于沸点升高。TsTtTstTt()()TsstTTtTttT蒸发纯溶剂的温差蒸发溶液的温差蒸发设备中的温差损失过程原理与装备13温度差损失的原因(1)溶液蒸汽压降低而引起的温度差损失，’；(2)加热管内不同高度静压力不同，使溶液沸点升高，’’；(3)管内流体阻力损失使饱和蒸汽压降低，沸点升高，存在温度差损失，’’’。蒸发器总温差损失过程原理与装备14T'——操作压力下二次蒸汽的饱和温度r’——操作压力下二次蒸汽的汽化潜热溶液蒸汽压降低而引起的温度差损失’KttttwwAA00常压下求’：查文献或手册tTf2'2730.0162Tfr非常压溶液沸点的计算：经验公式：杜林规则：某溶液在两种不同压力下的沸点差与另一标准液体在相应压力下的沸点差的比值为常数。)00(wwttKttAA过程原理与装备15杜林规则(Duhring’srule)法(直线规则法)杜林规则：说明溶液的沸点和相同压强下标准溶液沸点之间呈线性关系。由于纯水在各种压强下的沸点容易获得，故一般选用纯水为标准溶液，只要知道溶液和水在两个不同压强下的沸点，在直角坐标图中以溶液沸点为纵标，以纯水沸点为横标，以溶液浓度为参数，即可得到一条直线。因此，对一定浓度的溶液，只要知道它在两个不同压强下的沸点，再查出相同压强下对应水的沸点，即可绘出该浓度溶液的杜林直线，由此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。溶液沸点，℃tA′tA纯水沸点，℃tW′tWC%过程原理与装备16液柱静压头引起的温度差损失’’溶液内部的沸点按液面和底部平均压力计算，由静力学方程式中：tp+Δp—水在平均压力下的沸点，℃；tp—蒸发室二次蒸汽压力下算得的沸点，℃。gLppp21ppptt二次蒸汽流动阻力引起的温度差损失’’’’’’与流体流速、物性及管道尺寸等有关，一般取为0.5~1.5℃；过程原理与装备17单效蒸发：1kg水/1kg多生蒸汽多效蒸发：加热蒸汽通入蒸发器，液体受热沸腾产生的蒸汽作为二次蒸汽加以利用引入下一级蒸发器，多个蒸发器依次连接形成多效蒸发。123多效蒸发二次蒸汽作为加热蒸汽的条件：该蒸发器的操作压力和溶液温度应低于前一蒸发器。效数单效双效三效四效五效D/W1.10.570.40.30.27蒸发1kg水所需生蒸汽（D/W)D/W—加热蒸汽利用率过程原理与装备18并流加料蒸发流程优点：后一效蒸发室压力较前效低，无需用泵输送；后效溶液沸点较前效低，溶液流入后效由于过热而自蒸发(闪蒸）。缺点：后效溶液浓度较前效大，沸点又较低，粘度较大，后效传热系数较前效小，后两效中尤为严重。多效蒸发流程过程原理与装备19逆流加料蒸发流程优点：随着溶液浓度越高，溶液的温度也越高，故各效溶液粘度不太大，传热系数也不小。缺点：效间溶液需用泵输送，能量消耗较大。由低温到高温，各效进料温度都比沸点低，无自蒸发现象。多效蒸发流程过程原理与装备20多效蒸发流程错流加料蒸发流程特点：各效都是并流和逆流的组合。流向：3→1→2或2→3→1利用两法优点：省去并流部分的泵送，并可使浓溶液在高温下蒸发浓缩，有利于传热蒸发。过程原理与装备21平流加料蒸发流程蒸汽流向不变，料液和完成液分别从各效加入和排出，各效溶液的流向互相平行。适用于蒸发过程中易结晶的物料可避免在各效间输送含有大量结晶的溶液。多效蒸发流程过程原理与装备22蒸发器的生产能力和蒸发强度生产能力：单位时间汽化的水量，可用传热速率来表示。1111QKAt三效蒸发各效热流量：2222QKAt3333QKAt三效总传热速率：123112233123QQQQKAKAKAttt123AAAA123KKKK123()TQKAKAtttt不考虑各效温差损失，假设：Tt—总传热温差结论：效数越多，生产能力越小过程原理与装备23蒸发强度：蒸发器单位面积上的生产能力。若三效蒸发和单效蒸发生产能力相同，每个蒸发器的面积和传热系数相等。则单效蒸发强度：Q/A三效蒸发强度：Q/3A效数越多，有效温差和生产能力越小，蒸发强度越小。多效蒸发效数的限制:蒸发器的生产能力和蒸发强度有效温差的限制设备投资的限制rtKArQAWU提高生产强度：提高总传热系数K和传热温差Δtm多效蒸发的唯一优点：提高蒸汽的经济性过程原理与装备24多效蒸发的计算：W1W2W3Fx0DL3x3L1x1L2x2总物料衡算：溶剂总蒸发量W：W=W1+W2+W3Fx0=L1x1=L2x2=L3x3每一效物料衡算：F=L1+W1L1=L2+W2L2=L3+W3)1(30xxFW过程原理与装备25若沸点进料，Ql=0,D/W=1则W1=DW2=W1-E1=D-E1W3=W2-E2=D-E1-E2水蒸发总量：W=W1+W2+W3=3D-2E1-E2推广至n效：提高加热蒸汽经济性的其他措施2131323DEEW一、额外蒸汽的引出：W1W2W3DE1E2E3t1t2t3121121DEnnEnnEnnnW过程原理与装备26二、冷凝水自蒸发的利用：提高加热蒸汽经济性的措施前一效温度较高的冷凝水通过自蒸发器被减压至下一效加热室的压力时，放出热量，少量冷凝水自蒸发产生蒸汽，作为下一效加热蒸汽，提高生蒸汽的经济程度。t1过程原理与装备27三、热泵蒸发器：通过压缩机提高二次蒸汽的压力，使饱和温度提高至原来的压力时，重新送回蒸发器加热室。提高加热蒸汽经济性的措施过程原理与装备28蒸发器：循环型蒸发器循环型单程型—中央循环管式蒸发器蒸发设备自然循环强制循环结构与工作原理：加热室垂直管束中央循环管优缺点：结构紧凑，传热好；沸点高。分离室过程原理与装备30外热式蒸发器加热室外置，降低蒸发器高度，且加热管较长，循环速度加快。循环型蒸发器过程原理与装备31列文式蒸发器加热室上增设沸腾室，溶液的沸腾传热有加热室转移到沸腾室.优点：避免加热管表面结晶和结垢，适于粘度大的溶液，传热系数大缺点：液柱静压头引起的温差损失大。循环型蒸发器过程原理与装备33升膜式蒸发器单程型蒸发器降膜式蒸发器过程原理与装备34升|降膜式蒸发器单程型蒸发器过程原理与装备35循环型与单程型蒸发器的不同特点单程型比循环型更具优点：溶液只通过加热室一次，不需循环，所以溶液在蒸发室停留时间短，沸点不太高，适于热敏性物料；单程型溶液呈膜状流动，α提高；膜状流动液柱静压头造成的温差损失小，有效温差大；需控制成膜，对进料速度有一定要求。过程原理与装备36刮板式冷凝器单程型蒸发器过程原理与装备37浸没燃烧式蒸发器过程原理与装备38除沫器除沫器、冷凝器和真空装置过程原理与装备39冷凝器及真空装置除沫器、冷凝器和真空装置过程原理与装备40疏水阀防止加热蒸汽和冷凝水一起排出加热室外。(1)热动力式(2)钟形浮子式(3)脉冲式1-冷凝水入口；2-冷凝水出口；3-排出管；4-背压室；5-滤网；6-阀片除沫器、冷凝器和真空装置过程原理与装备41生产强度U：单位时间单位传热面积上蒸发的水量，kg/(m2·h)沸点进料和忽略热损失及浓缩热时，传递的热量Q全部用于水分W蒸发，设溶剂的汽化潜热为r，蒸发水分量：传热量则生产强度欲提高蒸发器的生产强度，必须设法提高蒸发器的总传热系数K和传热温差Δtm。多效蒸发的唯一优点：提高蒸汽的经济性（利用率）。rtKArQAWU蒸发器的生产能力和生产强度rQrDRWtKAQ