化工原理第五章

化工原理第五章蒸发单效蒸发及其计算概述多效蒸发蒸发器知识目标掌握单效蒸发过程中的有效温度差、水分蒸发量、加热蒸气消耗量和传热面积的计算方法。理解蒸发操作的特点和多效蒸发的流程及最佳效数。了解蒸发过程的工业应用与分类。第五章蒸发能力目标通过本章的学习，具备对蒸发过程的计算和设备的选型能力。第五章蒸发第一节概述蒸发过程及特点一、蒸发是将含有不挥发溶质的溶液加热至沸腾，使其中一部分溶剂汽化并及时移除，从而使溶液中的溶质浓度提高的单元操作，所采用的设备称为蒸发器，蒸发操作广泛应用于化工、轻工、食品与制药等工业中。蒸发主要采用饱和蒸气加热，而被蒸发的物料大多是水溶液，故蒸发时产生的蒸气也是水蒸气，为了区别，前者称为加热蒸气，后者称为二次蒸气，遇到高沸点溶质，可选用其他高温载热体及电加热、熔盐加热、烟道气加热等。第一节概述蒸发的目的一是浓缩溶液，如氢氧化钠水溶液、果汁、食糖、抗生素等的浓缩，当需要从稀溶液获得固体溶质时，常常先通过蒸发操作使溶液浓缩，然后利用结晶、干燥等操作得到固体产品；二是制取或回收纯溶剂，如海水淡化、有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯等。蒸发过程的特点如下：第一节概述（1）传热面一侧是加热蒸气冷凝，另一侧是溶液的沸腾，属于间壁两侧均有相变的恒温度差的传热过程；（2）在相同的温度下，溶液的蒸气压比纯溶剂的蒸气压要小，所以，当压强相同时，溶液的沸点比纯溶剂的沸点要高，且一般随浓度的增加而升高；第一节概述（3）有些溶剂在蒸发过程中有晶体析出，易结垢、易产生泡沫、易分解或聚合，溶液的黏度在蒸发过程中逐渐增加，腐蚀性增强；（4）二次蒸气易夹带泡沫，冷凝前需除去，以免损失物料和污染冷凝设备；（5）溶剂的汽化需要吸收能量，热源耗量很大，如何利用二次蒸气，节能降耗，是蒸发操作的关键。第一节概述蒸发操作的分类二、（1）按操作的压力分类，可分为常压、加压或减压（即真空）蒸发。常压操作时，一般采用敞口设备，二次蒸发直接排到大气中，所用的设备和工艺条件都较为简单。采用加压蒸发主要是为了提高二次蒸气的温度，以提高传热的利用率。同时，可使溶液黏度降低，改善传热效果。另外，某些蒸发过程需要与前、后生产过程的外部压强相匹配，如丙烷萃取脱沥青需要在2.8~3.9MPa下进行，宜采用加压蒸发。工业上应用较多的是真空蒸发，在冷凝器后连有真空泵，在负压下将被冷凝的水排出。第一节概述（2）按二次蒸气利用的情况分类，可分为单效和多效蒸发，若二次蒸气不再利用，而直接送至冷凝器冷凝后排出的蒸发流程称为单效蒸发，如把二次蒸气引到另一压力较低的蒸发器，作为加热蒸气使用，这样将多个蒸发器串联，使二次蒸气在蒸发过程中得到多次利用的操作，称为多效蒸发。第一节概述蒸发的基本流程三、图5-1所示的为简单真空蒸发器流程示意图，料液经预热后加入蒸发器，图中1为由许多加热管组成的加热室，加热蒸气在加热室的管间冷凝，放出的热量通过管壁传给管内溶液，使之沸腾汽化。被浓缩后的完成液由蒸发器的底部排出，蒸发器的上部为蒸发室。蒸发时产生的二次蒸气在蒸发室及其顶部的除沫器中将其中夹带的液沫予以分离，然后送至冷凝器3与冷却水相混合而被冷凝，冷凝液由冷凝器的底部排出。溶液中的不凝性气体经分离器4抽出而排至大气中。第一节概述图5-11.加热室2.分离室3.混合冷凝室4.分离器第二节单效蒸发及其计算溶液的沸点和温度差损失一、前已述及蒸发是间壁两侧均有相变的恒温传热过程，其传热的平均温度差Δt为加热蒸气的温度T与溶液的沸点t之间的差值，即Δt=T-t(5-1)Δt称为有效温度差，二次蒸气的温度T′往往小于溶液的沸点温度t，将溶液的沸点温度t与二次蒸气的温度T′之间的差值，称为温度差损失Δ，即Δ=t-T′或t=Δ+T′（5-2）第二节单效蒸发及其计算由式（5-2）知，如果温度差损失Δ已知，二次蒸气的温度T′可根据蒸发压力从饱和水蒸气表中查出，则溶液在蒸发压力下的沸点便可求出。蒸发操作时，造成温度差损失的原因是：由于不挥发溶质的存在，使蒸气压下降引起的温度差损失Δ′，由于蒸发器中液柱静压强而引起的温度差损失Δ″和由于管路流体阻力引起的温度差损失Δ″。第二节单效蒸发及其计算（一）因溶液蒸气压下降而引起的温度差损失Δ′溶液中含有溶质，故其沸点必然高于纯溶剂在同一压力下的沸点，此高出的温度称溶液的沸点升高，即由于蒸气压下降而引起的温度差损失Δ′。溶液的沸点主要与溶液类别、浓度及操作压强有关，一般由实验测定。常压下常见溶液的沸点升高值Δ′与浓度的关系可从相关参考书中查出，由查出的数值即可算出常压下溶液的沸点。有时蒸发操作在加压或减压下进行，因此必须求出各种浓度的溶液在不同压强下的沸点升高，常用的计算Δ′的方法有如下两种：第二节单效蒸发及其计算按吉辛科公式近似计算1.当缺乏实际数据时，可以用吉辛科公式估算出沸点升高值，即Δ′=fΔ′a（5-3式中Δ′a——常压下由于溶液的蒸气压下降而引起的沸点升高（即温度差损失），℃；Δ′——操作压强下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高，℃；F——校正系数，无因次，其经验计算式为式中T′——操作压强下二次蒸气的温度，℃；r′——操作压力下水的汽化热，kJ/kg。第二节单效蒸发及其计算按杜林规则计算2.杜林规则说明溶液的沸点和同压强下标准溶液沸点间呈线性关系。由于容易获得纯水在各种压强下的沸点，故一般选用纯水作为标准溶液。只要知道溶液和水在两个不同压强下的沸点，以溶液沸点为纵坐标，以水的沸点为横坐标，在直角坐标图上标绘相对应的沸点值即可得到一条直线（称为杜林直线）。由此直线就可求得该溶液在其他压强下的沸点。图5-2是由试验测定的不同组成的NaOH水溶液的沸点与对应压力下纯水沸点的关系线图，已知任意压力下水的沸点，可由图查出不同浓度下NaOH的沸点。第二节单效蒸发及其计算图5-2NaOH水溶液的杜林线第二节单效蒸发及其计算若某溶液在两种不同压力下的沸点为t′A及tA，水在相应压力下的沸点为t′w及tw，则有式中k——杜林直线的斜率，无因次；tA，tw——分别为在压强pM下溶液的沸点与纯水的沸点，℃t′A，t′w——分别为在压强pN下溶液的沸点与纯水的沸点，℃。K值求得后，可按下式求出任一压力下某溶液的沸点t′A，即t′A=tA+k(t′w+tw)（5-6）第二节单效蒸发及其计算（二）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失Δ″大多数蒸发器的加热管内都有一定高度的液层，故液体的沸点由液面向底部逐渐加大，液层内部沸点与表面沸点之差称为因液柱静压强而引起的温度差损失Δ″。Δ″值沿液层高度而变，为了简便，计算时以液柱中部的平均压强pm为准，并同时根据pm及二次蒸气压p′分别查出水的沸点tpm及T′，两者之差即为因液柱静压强而引起的温度差损失Δ″，即Δ″=tpm-T′(5-7)式中tpm——液柱中部的沸点，℃；T′——二次蒸气的温度，℃。第二节单效蒸发及其计算中部压强pm的计算式为式中pm——液层中部的压强，Pa；p′——液面的压强，即二次蒸气的压强，Pa；ρ——溶液的密度，kg/m3；l——液层深度，m。应指出，在膜式蒸发器的加热管内，液体沿管壁成膜状流动，管内没有液层，故这类蒸发器中因液柱经压强而引起的温度差损失可以忽略不计。第二节单效蒸发及其计算（三）由于管路阻力而引起的温度差损失Δ″二次蒸气由分离器送至冷凝器要克服管道中流动阻力，所以分离室内二次蒸气压强应略高于冷凝器中规定的压强。相应的蒸气温度也高于冷凝器中蒸气的温度，两者的差值称为由于管路阻力引起的温度差损失Δ″，其值与蒸气的流速、物性及管路特性有关，一般取经验值1～1.5℃。由上分析可得，总的温度差为∑Δ=Δ′+Δ″+Δ″（5-9）溶液的沸点为t1=T′+Δ′+Δ″+Δ″=T′+∑Δ5-10）有效温度差为Δt=T-t1=T-(T′+Δ′+Δ″+Δ″)=T-T′-∑Δ5-11)第二节单效蒸发及其计算第二节单效蒸发及其计算为什么蒸发时溶液的沸点必高于二次蒸气的饱和温度？思考题5-1第二节单效蒸发及其计算将浓度为10%的NaOH水溶液在蒸发器中浓缩至25%。加热蒸气饱和温度为105℃，冷凝器内绝对压强不允许超过15kPa，已知加热管内液层高度为1.6m，浓度为25%的NaOH水溶液的密度为1230Kg/m3，常压下因溶液蒸气压下降而引起的沸点升高Δa为13℃。求：（1）因溶液蒸气压下降而引起的温度差损失Δ′；（2）因液柱静压强而引起的温度差损失Δ″；（3）总温度差损失∑Δ；（4）有效温度差Δt；（5）溶液的沸点t1。【例5-1】第二节单效蒸发及其计算解：（1）求Δ′取冷凝器绝压pk为15kPa，可查出15kPa下水蒸气的饱和温度T′为53.5℃。取因流动阻力而引起的温度差损失Δ1℃，故二次蒸气温度T′=54.5℃。由附表查出二次蒸气其他参数为：T″=54.5℃，p′=15.4kPa,汽化潜热r′=2367.6kJ/kg。第二节单效蒸发及其计算第二节单效蒸发及其计算单效蒸发的计算二、单效蒸发中要计算的内容有：（1）单位时间内由溶液中整除的二次蒸气质量，称为蒸发量；（2）单位时间内消耗的加热蒸气量；（3）所需的蒸发器传热面积S。计算中所采用的手段仍然是物料衡算、热量衡算及传热速率三种基本关系。第二节单效蒸发及其计算（一）W蒸发操作中，加热蒸气冷凝所放出的热量一般消耗于将溶液加热至沸点，将水分蒸发成蒸气及向周围的散失的热量。蒸气的消耗量，可通过热量衡算来确定。对图5-3各流股作热量衡算，得第二节单效蒸发及其计算（二）加热蒸气消耗量D图5-3单效蒸发的物料衡算与热量衡算第二节单效蒸发及其计算第二节单效蒸发及其计算由于饱和水蒸气的汽化热随温度变化不大，即r≈r′，故单效蒸发操作中e≈1，即每蒸发1kg的水分约消耗1kg的加热蒸气，但实际蒸发操作时因有热损失等的影响，e值约为1.1或更大。e值是衡量蒸发装置经济效益的指标。第二节单效蒸发及其计算式(5-16)及式(5-16a)中的溶液比热可以用经验公式求算，即cp=cpw(1-x)+cpBx(5-18式中cpB——溶质的比热，kJ/（kg·℃)；x——溶液中溶质的质量分率。当x0.2时，式(5-18)可以简化为cp=cpw(1-x)（5-19）第二节单效蒸发及其计算在单效蒸发操作中，加热蒸气放出的热量一般消耗于哪些方面？思考题5-2第二节单效蒸发及其计算（三）蒸发器传热面积的确定蒸发器的传热面积可通过第四章介绍的总传热速率方程求得，即式中S——蒸发器的传热面积，m2；Q——传热量，W；K——总传热系数，W/（m2·℃）；Δtm——平均温度差，Δtm=t加热蒸气-t沸，℃。第二节单效蒸发及其计算传热量由生产任务决定，可通过热量衡算求得。传热温度差取决于加热蒸气的压强、各种温度差损失和冷凝器的压强，可由式（5-11）计算。提高加热蒸气的压强或降低冷凝器的压力（如真空操作）可以加大温度差Δtm，但因溶液的沸点降低，使溶液黏度增高，导致沸腾传热系数下降。另外，对于循环型蒸发器，为了控制沸腾操作局限于泡核沸腾区，不宜采用过高的传热温度差。同时受经济指标和操作条件的限制，传热温度差的提高是有一定限度的。第二节单效蒸发及其计算提高管内沸腾的对流传热系数的方法主要是：增加管内流体的湍流程度和减小垢层热阻等。例如，对易结垢和有结晶析出的溶液，蒸发器必须定期清洗，选用适宜的蒸发器型式（如强制循环蒸发器），在溶液中加入微量阻垢剂，以阻止在传热面上形成垢层。第三节多效蒸发为了节约加热蒸气，工业上多采用多效蒸发操作，即将几个蒸发器彼此连接起来，利用减压的方法使后一个蒸发器的操作压强和溶液的沸点均较前一个蒸发器的低，这样可使前一个蒸发器产生的二次蒸气作为后一个蒸发器的热源，而后一个蒸发器的加热室成为前一个蒸发器的冷凝器。每一个蒸发器称为一效，通入加热蒸气的蒸发器称为第一效，用第一效的二次蒸气作为加热蒸气的蒸发器称为第二效，用第二效二次蒸气作为加热蒸气的蒸发器称为第三效，依次类推。第三节多效蒸发在多效蒸发中，各效的操作压力依次降低，相应地，各效的加热蒸气温度及溶液的沸点亦依次降低。因此，只有当提供的新鲜加热蒸气的压力较高或末效