化工原理-蒸发

化工原理（上册）化工原理6蒸发6.1概述定义：浓缩溶液不挥发溶质与挥发性溶剂分离，获得浓度高的溶液或溶剂；加热（生）蒸汽、二次蒸汽，蒸发器分类：蒸汽利用：单效、多效蒸发；压力：常压蒸发，加压蒸发，减压（真空）蒸发.减压（真空）优点：1）省传热面积；2）利用低压（废热）蒸汽；3）适用热敏性溶液；4）热损失减少。缺点：1）μ↗、α↙、K↙；2）减压装置、能耗。流程：叙述P281图6-1传热过程蒸发基本流程.swf真空泵缓冲罐水分离器混合冷凝器冷却水二次蒸汽冷凝水疏水器加热室加热蒸汽原料液蒸发室完成液不凝气体特点：１.沸点升高，Δt变小２．节省能源，大量汽化大量蒸汽消耗３．物料的工艺特性，析晶、结垢、分解、热敏性、高粘、强腐蚀设备差异：与换热器相比加热室＋分离室（蒸发室）详细在后面介绍重点：１．根据任务选择与设计蒸发器２．如何提高设备的生产能力和经济性可以替代的节能新单元操作：膜分离技术等用于海水脱盐，低浓度组分提取，药物浓缩，菌种等热敏性物质处理6.2蒸发器的形式一结构和特点加热室+分离室循环型:自然循环型--中央循环型中央循环管式蒸发器.swf、悬筐式悬筐蒸发器.swf、外热式外加热式蒸发器.swf、列文式列文式蒸发器.swf强制循环型强制循环管式蒸发器.swfP282图6-2、6-3，6-4单程式（不循环）：升膜升膜式蒸发器.swf、降膜降膜式蒸发器.swf、升-降膜、刮板式转子式刮板蒸发器.swf、搅拌薄膜P285图6-5，6-6，6-7、10浸没燃烧式：烟道气直接式直接接触式蒸发器.swfP286图6-8二选型原则:满足工艺要求、保证质量，能力大，简单方便，经济。三辅助装置P287图6-9、10除沫器除沫器的主要形式.swf冷凝器干式逆流高位冷凝器.swf真空装置---气体压送装置悬筐列文单效外循环搅拌薄膜刮板浸没燃烧升膜降膜三效升降膜蒸发器果汁蒸发器三效蒸发器加热室蒸发室原料F,x0,t0,c0,h0加热蒸汽D,Ts,Hs完成液L=F--W,x,t,c,h冷凝液D,Ts,hs二次蒸汽W,T1',H热损失QlAFWLDkg/h,x0x质量%,Ts,T1',t0t,℃,HshsHhkJ/kg,c0,ckJ/(kg.K),QlkJ/h6.3单效蒸发的计算单效蒸发计算示意图—P394图6-13符号说明计算项目：蒸发量Wkg/h；加热蒸汽消耗量D（Q）kg/h；蒸发器的传热面积Am2已知条件：生产任务与操作条件-------原料液的流量F、温度t0、浓度x0(质量分率)；完成液的浓度x；加热蒸汽的压强ps(pa)(Ts)；冷凝器内的压强P(pa)依据：物料衡算式、焓衡算式、传热速率方程式一、蒸发量的计算总F=L+W溶质不挥发Fx0=Lx=(F–W)x二、加热蒸汽消耗量的计算蒸汽在饱和温度下排出冷凝液DHs+Fh0=Lh+WH+Dhs+QlD(Hs–hs)+Fh0=(F–W)h+WH+Ql则0℃液体焓为零（基准）、忽略浓缩热：hs=C*Ts–0=C*Ts；h0=C0t0–0=C0t0；h=Ct–0=Ct；则D(Hs–C*Ts)+FC0t0=(F–W)Ct+WH+Ql001,,FxxWForxxFW0lssFhhWHhQDHhC0=C*(1–x0)+CBx0C=C*(1–x)+CBxC*溶剂、CB溶质kJ/kg.K当x0.2C0≈C*(1–x0)C≈C*(1–x)若忽略浓缩热则∵Hs–C*Ts=RH–Ct≈r(H–C*T=r若C≈C*)如沸点进料t0=t,又C≈C0及Ql=0则D=W(H–Ct)/R≈Wr/RorD/W=(H–Ct)/R≈r/R--单位蒸汽消耗量表示经济程度，1~1.100lssFCtCtWHCtQDHCT00lsFCtCtWrQDR三、蒸发器的传热面积Q=D(Hs–hs)orQ=DR（热损失通过溶液再从外壁面走）或对于标准型的（热损失直接通过外壁面走）Q传=DR--QlΔtm=Δt=Ts–t沸点P291,关键是α２的提高,减少污垢、提高流速等α1不凝性气体排放ssssDHhDRAKTtKTt11112122211ssmKbdddRRdddmQAKt例1单效蒸发计算在单效蒸发器中每小时将2000kg的某种水溶液从10℅连续浓缩到30℅，蒸发操作的平均压强为40kpa，相应的溶液沸点为80℃，加热蒸汽绝压为200kpa，原料液的比热为3.77kJ/kg.K，蒸发器的热损失为12000W，假设溶液的稀释热可忽略，不考虑C与C0的区别，若K=1500W/(m2.K)，试求：（1）蒸发量W；（2）原料液温度分别为30℃。80℃与120℃时的加热蒸汽消耗量D，并比较它们的经济性；（3）30℃，80℃，120℃进料下所需的传热面积A.解：（1）蒸发量WW=F(1-x0/x)=2000(1-0.1/0.3)=1333kg/h（2）加热蒸汽消耗量DD=[F(Ct-C0t0)+Wr+Q1]/R压强为40kpa,200kpa饱和蒸汽的汽化潜热分别为2312和2205kJ/kg料液温度为30℃时的蒸汽消耗量：D=[20003.77(80-30)+13332312+120003.6]/2205=1588kg/h单位蒸汽消耗量D/W=1588/1333=1.19料液温度为80℃时，则D=(13332312+120003.6)/2205=1417kg/hD/W=1417/1333=1.06料液温度为120℃时，则D=[20003.77(80-120)+13332312+120003.6]/2205=1280kg/hD/W=1280/1333=0.96由以上计算可知，原料液的温度越高，蒸发1kg水所消耗的加热蒸汽量越少.（3）A=Q/{K(Ts-t1)}=DR/{K(Ts-t1)}200kpa沸点Ts=120.2℃t1=80℃30℃A=[158822051000]/[36001500(120.2-80)]=16m280℃A=[141722051000]/[36001500(120.2-80)]=14.4m2120℃A=[128022051000]/[36001500(120.2-80)]=13m2四焓浓图热效应—稀释热（浓缩热）,焓浓图P293图6-12纵坐标—焓,横坐标—溶液浓度,曲线---等温线其中h,h0查图五蒸发器的生产能力与生产强度P299生产能力Wkg/hQA生产强度—评价性能Ukg/m2.hTst→Δtm但受限制K↑Δtm↑→U↑α2→K,不凝性气体排出，增大u，清除垢层等可增K。mKtWQUAArr0()()lssFhhWHhQDHhmsQKAtKATtWr焓浓度一组温度线焓--浓图水沸点溶液沸点质量浓度线杜林规则图6.4溶液沸点和温度差损失沸点升高原因：浓度↑，液柱高度↑Δ=t-T1ˊt溶液沸点，T1ˊ相同压力下水的沸点，二次蒸汽饱和温度。有效温度差Δt理论温度差ΔtTΔtT-Δt=（Ts-T1ˊ）-（Ts-t）=Δ沸点升高或温度差损失Δ引起原因：1溶液蒸汽压下降Δˊ2液柱静压强Δˊˊ3管路流体阻力ΔˊˊˊT1ˊ根据冷凝室压强定Δ=Δˊ+Δˊˊ+ΔˊˊˊT1ˊ根据蒸发室压强定则Δ=Δˊ+Δˊˊ温度差损失计算Δˊ沸点计算法杜林规则图Δˊˊ静压强计算查水蒸气表Δˊˊˊ1℃末效1.5℃（一）Δˊ计算Δˊ与种类、浓度、操作压强有关，Δˊ=tA-T1ˊ1.tA常压下测定溶液沸点可查加减压下Δˊ=fΔ0ˊΔ0ˊ—常压可测T1ˊ相同压强下水的沸点,rˊ实际压强下二次蒸汽的汽化潜热2.杜林规则计算tA两组溶液沸点与纯水沸点（压力对应相同）数据构成直线则其他可查图线P290图6-11（二）Δˊˊ计算pm=p+ρgL/2p二次蒸汽压强paΔˊˊ=Tpm-Tp查水沸点（三）Δˊˊˊ计算与流速、物性、尺寸有关。可通过阻力公式计算，取1℃,末效1~1.5℃.Δ—沸点、选择加热蒸汽压强.rTf212730162.0例1：温度差损失的计算某垂直长管蒸发器用于蒸发氢氧化钠水溶液。蒸发器内的液面高度约3m，已知完成液的浓度为50%（质量），密度为1500kg/m3，加热用饱和蒸汽的压强（表压）为0.3Mpa，冷凝器真空度为53Kpa，求传热温度差。解：由附表中的水蒸汽表查出水蒸汽的饱和温度为：表压0.3Mpa下Ts=143.5℃，绝压48.3kpa下Tp=80.1℃蒸发器内的液体充分混合，器内溶液浓度即为完成液的浓度。由图6-11可以查得水的沸点为80.1℃时50%氢氧化钠溶液的沸点为120℃。溶液的沸点升高Δ′=120-80.1=39.9℃液面高度L为3m，取Pm=P+1/2ρgL=48.3*1000+0.5*3*1500*9.81=70.37kpa查此压强下水的沸点Tpm为90.02℃,故因溶液静压头而引起的温度升高Δ′′=90.0-80.1=9.9℃因在冷凝器故取Δ′′′=1.5℃总温差损失Δ=Δ′+Δ′′+Δ′′′=39.9+9.9+1.5=51.3℃有效传热温差Δt=（Ts-Tp）-Δ=（143.5-80.1）-51.3=12.1℃例2：单效蒸发器设计型计算采用真空蒸发将质量浓度为20%的氢氧化钠水溶液在蒸发器中（上例所述）浓缩到50%，进料温度为60℃，加料量为1.5kg/s，已知蒸发器的传热系数为1560w/m2k，求加热蒸汽消耗量及蒸发器的传热面积。设蒸发器的热损失为加热蒸汽消耗量的3%.解：由物料衡算式可求出水份蒸发量W=F（1-x0/x)=1.5（1-0.2/0.5）=0.9kg/s按上例，蒸发器中溶液的温度（完成液的沸点）为t=143.5-12.1=131.4℃由图6-12可查的氢氧化钠水溶液的热焓为：原料液浓度20%60℃h0=220kJ/kg完成液浓度50%131.4℃h=650kJ/kg由水蒸汽表查得表压0.3Mpa下143.5℃水蒸汽的潜热R=2138kJ/kg绝压48.3kpa下水蒸汽的热焓r=2643kJ/kg由热量衡算式可得加热蒸汽用量DR+Fh0=（F-W）h+Wr+0.03DRD=(1/0.97R)[F(h-h0)+W(r-h)]=[(1/0.972138)][1.5(650-220)+0.9(2643-650)]=1.176kg/s加热蒸汽经济性W/D=0.9/1.176=0.765蒸发器热负荷Q=DR=1.172138=2514kw由传热速率方程式求出传热面积A=Q/KΔt=25141000/（156012.1）=133.2m26.5多效蒸发节省能量—加热蒸发要求后一效的操作压强和溶液的沸点都要比前一效的低，后一效的加热室成为前一效二次蒸汽的冷凝器。单效D/W=1双效D/W=1/2三效D/W=1/3四效1/4五效1/5实际1.10.570.40.30.27由于存在温度差损失和蒸发的热损失Ql一多效蒸发流程—加料方式并流（顺流）：溶液和蒸汽的流向相同并流加料流程.swf优点：不用泵，自行蒸发—闪蒸P296图6-14缺点：C↑，t↓，K↓逆流：逆流加料蒸发流程1.swf原料液末效进；用泵往前打；完成液由第一效出，蒸汽由第一效到末效。优点：C↑，T↑，μ近似不变，K相近；P297图6-15缺点：用泵，t0t，二次蒸汽少。宜：μ随C、t变化大；不宜：热敏性平流：平流加料蒸发流程.swf原料液分别加入各效、完成液分别排出，蒸汽的流向由第一效到末效。适宜：有结晶析出。P297图6-16错流：额外蒸汽引出—加热原料二计算已知：F、x0、t0、Ps、P、x项目：tiDWiAi依据：物料衡算、焓衡算、传热速率方程，方程联立，试差。步骤：t末→ΣWWixi→ΔtΔti→xiWiQi比较→Ai→Ai相等三、与单效比较1温度差损失n↑Δ↑Δt↓;L.Δpf2经济性n↑D/W↓3生产能力与生产强度UQ=KAΔt,Q=Q1+Q2+Q3=KA(Δt1+Δt2+Δt3)=KAΔt无Δ时生产能力W相同;有Δ时则生产能力W↓;