化工原理蒸发第五章.

第五章蒸发•概述•在化工、轻工、食品、医药等工业中，通过化学反应或物理性操作过程经常得到一些含溶质的稀溶液，为了得到符合标准的产品，常将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。•5.1.1蒸发分离的依据•利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性使两者实现分离。7.1.2蒸发操作的目的•获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品•脱除溶剂。此过程常伴随有结晶过程•去除杂质。•蒸发操作的应用••(1)制取液体产品。例如电解食盐水得到的NaOH稀溶液中，含有约18%的NaCl，通过蒸发方法在除去大部分水的同时，将NaCl•(2)生产固体产品。将稀溶液浓缩达到饱和状态，然后冷却使溶质结晶与溶液分离，从而获得固粒产品。例如，食盐精•(3)制取纯溶剂。采用蒸发方法使溶剂汽化并冷凝，使不挥发性杂质分离而得到纯溶剂，例如海水淡化制取淡水等。•蒸发的流程•用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器。•蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化，并移去，由加热室和分离室两部分组成。•蒸发操作时，溶液由分离室底部加入，沿中央循环管流向加热室，在加热室垂直管束内通过时与饱和蒸汽间接换热，被加热至沸腾状态，汽液混合物沿加热管上升，达到分离室时蒸汽与溶液分离。为与加热蒸汽相区别，产生的蒸汽称为二次蒸汽，二次蒸汽进入冷凝器被除去。溶液仍在中央循环管与加热管中进行循环，当达到浓度要求后称为完成液，从蒸发器底部排出。冷凝水加热蒸汽料液二次蒸汽完成液水冷却水不凝性气体•蒸发的分类•按操作压强分：加压蒸发、常压蒸发、真空蒸发•真空蒸发的优点：•1.减压下溶液沸点t1降低，使蒸发器的传热推动力Δt=T-t1增大，因而，对一定的传热量Q，可节省蒸发器的传热面积S。•2.蒸发操作的热源可采用低压蒸汽或废热蒸汽，节省能耗。•P↓,T↓,Δt一定，Q不变•3.适于处理热敏性物料，即在高温下易分解、聚合或变质的物料。•4.减少蒸发器的热损失。•真空操作的缺点：•1.溶液的沸点降低，使粘度增大，导致总传热系数下降•2.动力消耗大。因需要有造成减压的装置。•按蒸发方式分：自然蒸发、沸腾蒸发•自然蒸发：溶液在低于溶液沸点的温度条件下汽化。汽化只在溶液表面进行，汽化面积小，传热速率低，汽化速率低•沸腾蒸发：溶液在沸腾条件下汽化。汽化发生在溶液的各个部位。汽化面积大，传热速率高，汽化速率高•按二次蒸汽是否被利于分：单效蒸发、多效蒸发•单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操作•多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，以利用其冷凝热的串联操作•蒸发的特点•从蒸发的过程可以看出，蒸发操作总是从溶液中分离出部分溶剂，而过程的实质是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液沸腾间的传热过程，溶剂的汽化速率由传热速率控制，故蒸发属于热量传递过程。同时，蒸发器也是一种换热器。但蒸发操作和设备与一般的传热过程有所不同。•蒸发具有下述特点：•传热性质：传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液进行沸腾，故属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。•溶液性质：有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢和产生泡沫；溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。这些性质将影响设备的结构。•溶液沸点的改变(升高)：含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差，两者之差称为温度差损失，而且溶液浓度越高，温度差损失越大•蒸发溶液温度差：Δt=T-t•蒸发纯水温度差：ΔtT=T-T’•∵P一定时，tT’∴ΔtΔtT•泡沫挟带：二次蒸汽中常挟带大量泡沫，冷凝前必须设法除去。否则既损失物料，又污染冷凝设备。•能源利用：蒸发时产生大量二次蒸汽，含有许多潜热，应合理利用这部分潜热。•蒸发设备•常用蒸发器的结构与特点•蒸发器组成：•加热室：加热溶液使之汽化•分离室：分离二次蒸汽和完成液•化工生产中常用的间接加热蒸发器按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，分为两大类：•循环型(非膜式)•单程型(膜式)•循环型(非膜式)•循环型蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作连续的循环运动，溶液在蒸发器内停留时间长，溶液浓度接近于完成液浓度。根据引起循环运动的原因，分为自然循环和强制循环型蒸发器。•自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同，产生密度差而引起的循环运动•强制循环：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动•1中央循环管式(标准式)•优点：•溶液循环好•传热效率高•结构紧凑、制造方便、操作可靠•缺点：•循环速度低•溶液粘度大、沸点高•不易清洗•适于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液•2悬筐式蒸发器•加热室像个筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出。加热蒸汽由壳体上部进入加热室，在管间放热加热管内溶液使其上升，而沿悬筐外壁与蒸发器内壁间环隙通道向下循环流动。•优点：溶液循环速度高•传热速率较高•缺点：设备费高占地面积大;加热管内溶液滞留量大•适于处理易结垢，有晶体析出的溶液•3外热式蒸发器•这种蒸发器将加热室与分离室分开，采用较长的加热管。•优点：•降低了整个蒸发器的高度，便于清洗和更换•循环速度较高，使得对流传热系数提高•结垢程度小•适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液•4列文蒸发器•特点是在加热室上部设置沸腾室，加热室中的溶液因受到附加液柱的作用，必须上升到沸腾室才开始沸腾，这样避免了溶液在加热管中结垢或析出晶体。•优点：•流动阻力小•循环速度高•传热效果好•加热管内不易堵塞•缺点：•设备费高•厂房高，耗用金属多•适于处理有晶体析出或易结垢的溶液•5•在加热室设置循环泵，使溶液沿加热室方向以较高的速度循环流动。•优点：•循环速度高•晶体不易粘结在加热管壁•对流传热系数高•缺点：•动力消耗大•对泵的密封要求高•加热面积小•适于处理粘度大，易结垢、有晶体析出的溶液。•单程型(膜式)•1•特点是加热室内的加热管细而长。•溶液预热到接近沸点时由蒸发器底部送入，进入加热管时立即受热沸腾汽化，溶液在高速上升的二次蒸汽带动下，沿管壁边呈膜状向上流动边蒸发。到达分离室后，完成液与二次蒸汽分离后由分离室底部排出。•适于处理蒸发量较大的稀溶液，热敏性和易生泡沫的溶液；•不适于浓度高、粘度大、有晶体析出溶液的蒸发。•2降膜蒸发器•它的加热室与升膜式类似，但分离室设置在下部。溶液预热后由加热室顶部加入，经管端的液体分布器均匀分配在各加热管内。•这类蒸发器操作的关键是设置良好的液体分布器，以保证溶液均匀成膜和防止二次蒸汽从加热管顶部穿出。常用的膜分布器见书。•适于处理浓度、粘度较大的溶液•不适于处理易结晶、结垢的溶液。•3升－降膜式蒸发器•蒸发器由升膜管束和降膜管束组合而成，蒸发器的底部封头内有一隔板，将加热管束分成两部分。溶液由升膜管束底部进入，流向顶部，然后从降膜管束流下，进入分离室，得到完成液。•适于处理浓缩过程中粘度变化大的溶液、厂房有限制的场合。•4刮板薄膜蒸发器•它是在加热管内部安装一可旋转的搅拌刮板，刮板端部与加热管内壁间隙固定在0.75～1.5mm之间，依靠刮板的作用使溶液成膜状分布在加热管内壁面上。•溶液由蒸发器上部沿切线方向加入，在重力和旋转刮板带动下，在加热管内壁上形成旋转下降的液膜，在下降过程中通过接收加热管外加热蒸汽夹套中蒸汽冷凝热量而被不断蒸发，底部得到完成液，二次蒸汽上升至顶部经分离•缺点：结构复杂，动力消耗大，传热面积小，处理能力低。•适于处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液•直接加热蒸发器•将一定比例的燃烧气与空气直接喷入溶液中，燃烧气的温度可高达1200～1800℃，由于气、液间的温度差大，且气体对溶液产生强烈的鼓泡作用，使水分迅速蒸发，蒸出的二次蒸汽与烟道气一同由顶部排出。•优点：结构简单，不需要固定的传热面，热利用率高•适于处理易结垢、易结晶或有腐蚀性的溶液。•不适于处理不能被燃烧气污染及热敏性的溶液。5.2.1蒸发设备中的温度差损失5.2单效蒸发TttTTTtt)()(00T传热温差损失TtTtt溶液沸点有效传热温差温度差损失的原因：①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，致使溶液的沸点比纯溶剂（水）高；②蒸发器中静压头的影响，导致溶液沸点的上升。③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。（1）溶液的沸点升高和杜林规则在相当宽的压强范围内溶液的沸点与同压强的下溶剂的沸点成线性关系：KttttwwA00A)(0ww0AttKttA不同浓度NaOH水溶液的沸点与对应压强下纯水的沸点的关系，由图可以看出，当NaOH水溶液浓度为零时，它的沸点线为一条对角线，即水的沸点线，其它浓度下溶液的沸点线大致为一组平行直线。45由该图可以看出：①浓度不太高的范围内，由于沸点线近似为一组平行直线，因此可以合理的认为沸点的升高与压强无关，而可取大气压下的数值；②浓度范围只需要知的两个不同压强下溶液的沸点，则其他压强下的溶液沸点可按杜林规则进行计算。（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响按液面下处L/2溶液的沸腾温度来计算，液体在平均温度下的饱和压力：gLpp21m液柱静压强引起的溶液温度升高：)()21(''ptgLpt所以沸腾液体的平均温度为：''')(ptt5.2.2单效蒸发的计算（1）物料衡算溶质在蒸发过程中不挥发，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10)(xWFFx)1(10xxFWWFFxx01水分蒸发量：完成液的浓度：F,x0,t0,h0D,T,HF-W,x1,t1,h1W,T’,H’D,T,hw（2）热量衡算对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出时，损QDhHWhWFFhDHw10)(损QhHWhhFhHDw)()()(001用以上两个式子进行计算时，必须预知溶液在一定浓度和温度下的焓。对于大多数物料的蒸发，可以不计溶液的浓缩热，而由比热求得其焓。习惯上取0℃为基准，即0℃时的焓为零，则有损QtFctcWFHWTcHDw00110)()(TcTch0000000tctch111110tctch代入前面的两式得：为了避免使用不同溶液浓度下的比热，可以近似认为溶液的比热容和所含溶质的浓度呈加和关系，即损QtFctcWFHWTcHDw00110)()(0B00)1(xcxccw1B11)1(xcxccwwWcFccWF01）整理可得：（损QttFctcHWTcHDww)()()(01010可得加热蒸汽的消耗量为：00101)()(TcHQttFctcHWDww损rQttFcrWD损)(010如果沸点进料，且忽略热损失，则rrWDrrWDe单位蒸汽消耗量用来表示蒸汽利用的经济程度（或生蒸汽的利用率）（3）蒸发器传热面积的计算由传热速率方程得mtKQA由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热，，且蒸发器的热负荷，所以有tTtmDrQ)()(tTKDrtTKQA5.3多效蒸发①利用二次蒸汽的潜热②利用冷凝水的显热（如预热原料液)第一效：，1kg生蒸汽在第一效中可产生1kg的二次蒸汽，将此1kg二次蒸汽（）引入第二效又可蒸发1kg水蒸气。11WD1WD1W5.3.1多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）第二效：，1kg生蒸汽在双效中的总蒸发量，所以依次类推：三效，……，效DWW12D3DWnnDW2DWminWDmaxDW效数单效双效三效四效五效1.10.570.40.30.270.911.752.53.333.70但实际上，由于热损失，温度差损失等原因，单位蒸汽消耗量不可能达到如此经济的程度，根据生产经验，最大的的值大致如下：DW/5.3.2多效蒸发流程并流