化工原理 蒸发

第五章蒸发5.1概述5.2蒸发设备5.3单效蒸发5.4多效蒸发5.1概述将含有不挥发性溶质的稀溶液中部分溶剂加热沸腾汽化、并移出汽化蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作。1、什么是蒸发？2、本质与特点：间壁式换热器两侧均有相变(蒸汽冷凝和液体沸腾)的传热过程。溶剂的汽化速率由传热速率控制。★生蒸汽：饱和水蒸气（加热剂）。★二次蒸汽：从溶液中蒸出的蒸汽。★单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，不再利用其冷凝热的操作。★多效蒸发：将二次蒸汽引入下一蒸发器作为加热蒸汽，以利用其冷凝热的操作。推动力=T生－t溶液。4、蒸发操作的用途：（1）获得浓缩的溶液（烧碱溶液等）（2）制取纯溶剂（3）同时制取浓溶液和纯溶剂（4）结晶操作的前一步骤（三大民生产业：制盐、制糖和制碱）3、蒸发操作的类型：（1）连续式、间歇式。（2）加压、常压、减压。一般减压：优点：①有利于处理热敏性物质；②推动力大。缺点：①µ↑K↓；②设备投资大。（3）间壁式、直接接触式。冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液单效蒸发器除沫器二次蒸汽分离室加热室不凝性气体（生蒸汽）冷凝器5.2蒸发设备一、主要构造蒸发器(加热室,分离室)除沫器冷凝器真空装置辅助装置二、蒸发器类型连续式、间歇式常压式、减压式、加压式间壁式蒸发器：*直接接触式蒸发器：浸没燃烧蒸发器特点：溶液在蒸发器中作良好的循环流动，以提高传热效果、缓和溶液结垢情况。特点：①溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不作循环流动，停留时间短，适宜热敏性物质。②溶液通过加热室时，在管壁上呈膜状流动，该流动传热效果最佳，故习惯上又称为液膜式蒸发器。强制循环式自然循环式：单程式（膜式）循环式中央循环管式悬框式外热式升膜式蒸发器降膜式蒸发器刮板式蒸发器升-降膜式蒸发器------------优点：结构紧凑、制造方便、传热较好及操作可靠等，应用十分广泛。缺点：（1）循环速度较低，管内流速0.5m/s；（2）溶液在加热室中不断循环，使其浓度始终接近完成液的浓度，因而溶液粘度大、沸点高，有效温度差小。（3）设备的清洗和维修也不够方便。（1）中央循环管式蒸发器（自然循环型）其截面积一般为其它加热管总截面积的40～100%1、循环型料液生蒸汽应用广泛，适用于处理量大、结垢不严重的物系。（2）悬框式蒸发器（自然循环型）溶液沿加热管中央上升，而后循着悬筐式加热室外壁与蒸发器内壁间的环隙向下流动而构成循环。溶液循环速度比标准式蒸发器大，可达1.5m/s。优点：这种蒸发器的加热室可由顶部取出进行清洗、检修或更换，而且热损失也较小。缺点：结构复杂，单位传热面积的金属消耗较多。其截面积一般为其它加热管总截面积的100～150%加热室（3）外热式蒸发器蒸发室循环管加热室加热室单独放置，好处之一是可以降低整个蒸发器的高度，便于清洗和更换；好处之二是可将加热管做得长些，循环管不受热，从而加速液体循环。循环速度可达1.5m/s。对循环型蒸发器，除了上述自然循环外，还可以采用强制循环，循环速度的大小可通过泵的流量调节来控制，一般在2.5m/s以上。循环型（强制循环型）强制循环型料液在加热管内受热汽化，生成的蒸汽在加热管内高速上升（常压下汽速为20～50m/s，减压下汽速可达100至160m/s或更大些）。溶液被上升的蒸汽所带动，沿管壁成膜状上升并继续蒸发，汽、液混合物在分离器内分离。2、单程型（膜式）（1）升膜式蒸发器加热管直径约为25～50mm，管长和管径之比约为100～150分离器升膜式蒸发器优点：溶液在蒸发器中不循环，停留时间很短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发；整个溶液的浓度，不象循环型那样总是接近于完成液的浓度，因而这种蒸发器的有效温差较大。由于溶液呈膜状流动，因而对流传热系数较大。缺点：对进料负荷的波动相当敏感，当设计或操作不适当时不易成膜，此时，对流传热系数将明显下降。适用场合：适用于黏度较小的（小于0.05Pa·s）、蒸发量较大、易受热分解的热敏性溶液者；不适用于粘度很大，易结晶或易结垢的物料的蒸发。（2）降膜式蒸发器料液是从蒸发器的顶部加入，在重力作用下沿管壁成膜状下降，并在此过程中蒸发增浓，在其底部得到浓缩液。降膜式蒸发器可以蒸发浓度较高、粘度较大（0.05～0.45Pa·s）、蒸发量较小、热敏性的物料。但因液膜在管内分布不易均匀，传热系数比升膜式蒸发器的较小，仍不适用易结晶或易结垢的物料。（3）刮板式蒸发器适用于黏度较大（大于1～10Pa·s及以上者）。简称薄膜蒸发器，是一种利用外加动力成膜的单程型蒸发器。优点：热阻影响小，传热系数大，停留时间短，一般为数秒或几十秒，故可适应于高粘度（如栲胶、蜂蜜等）和易结晶、结垢、含固体、热敏性的物料。缺点：结构复杂，动力消耗大，处理量很小且制造安装要求高。刮板（4）升、降膜式蒸发器预热室升膜加热室降膜加热室升降膜式蒸发器将升膜和降膜蒸发器装在了一起，料液先经升膜蒸发器上升，然后由降膜蒸发器下降。适用于：蒸发过程中溶液黏度变化很大、蒸发量不大场合。三、蒸发器选型P308~309一、溶液的沸点及温度差损失5.3单效蒸发溶液沸点t二次蒸汽饱和温度Tt）：沸点升高（温度差损失引起沸点升高的原因a）溶质存在，使溶液饱和蒸汽压降低；溶液沸点＞相同压力下水沸点b）维持一定液位，液柱作用使下部溶液沸点上升；即：液柱静压头引起沸点升高1、溶液沸点t(tb)T推动力=T生－t溶液。有效传热温差=T生－t溶液。说明：★如果采用蒸发器中的二次蒸气饱和温度，则溶液的沸点：'''Tt★如果采用冷凝器中的二次蒸气温度，则：''''''''Tt'''为由于流动阻力引起的温度差损失。T''T'溶液蒸汽压降低引起的沸点升高''液柱静压头引起的沸点升高2020/1/192、溶液沸点升高的计算①溶液蒸汽压降低引起的沸点升高方法1：实验测定溶液的沸点tb，由二次蒸汽压力确定其饱和温度T′。'''Ttb方法2：用杜林规则求溶液的沸点。杜林规则：一定浓度溶液的沸点，和相同压力下纯溶剂的沸点呈线性关系，即有：mkttwb式中，tw：水的沸点；k、m：与溶液种类、浓度有关。杜林规则也可用图形表示说明：由图可见，各线近似平行，说明压力对Δ′影响不大；溶质浓度越大，Δ′越大。rTffa/0162.0''2：校正系数'a----为常压下的值(查附录表获取)方法3：Δ′也可按下式估算：②液柱静压头引起的沸点升高溶液内部沸点，按平均压力计算：''gLppm21ppmtt''则：③二次蒸汽阻力损失引起的沸点升高用冷凝器压力计算二次蒸汽温度时，需考虑。按经验数值选取：C5.1~1''''''在多效蒸发中，末效以前的二次蒸汽流到下一效的加热室的过程中，为克服管道阻力使其压强降低，二次蒸汽的温度也相应的降低，由此引起的温度差损失为。二、单效蒸发的计算加热蒸汽D,T,H原料液F,x0,t0,cp0,h0二次蒸汽W,T’,H’完成液F-W,x1,t1,cp1,h1蒸汽冷凝水D,T,hw加热室单效蒸发计算示意图•已知项：–原料液组成、流量、温度–完成液组成–加热蒸汽的温度–蒸发室压强或冷凝器的温度•待求项–蒸发量-------------------物料衡算–生蒸汽消耗量----------热量衡算–蒸发器的传热面积----传热计算1、物料衡算对溶质衡算→定态蒸发过程，单位时间进入和离开蒸发器的溶质量相等，即10)(xWFFx)1(10xxFWWFFxx01水分蒸发量：完成液的浓度：加热蒸汽D原料液F,x0二次蒸汽W完成液L(F-W),x1蒸汽冷凝水D加热室物料衡算示意图二次蒸汽W，Tˊ，Hˊ料液分离室F,t0,h0,cp0D,Ts,Hs加热室完成液L，t1，h1,cp1D,Ts,hw2、热量衡算lwsQDhhWFWHFhDH10'wslhHQhHWhhFD101'txfh,-----查焓浓图无明显浓缩热的体系：lQWrhhFDr'01lpQWrttFCDr'010xCxCCpBpwp)1(溶液的恒压比热容：工业上，加热蒸汽一般是相变给热lQ沸点进料时：若忽略热损失：Ql0，则：实际：e值约为1.1，-----------衡量蒸发器经济性的指标。'WrDrrrWDe'1——单位蒸汽耗量：汽化1kg水所消耗的蒸汽量，其值约为1。lpQWrttFCDr'010lQWrDr'节能★考虑热损失：①具体数据；②总蒸汽消耗量的20%或蒸发器热负荷的20%；③总传热量的20%。3、加热面积A的计算（基于加热管外壁面）mtAKQ00DrQ冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液单效蒸发器K值约为600~6000W/m2KtTtsmPˊt取决于：蒸发室压强、溶液浓度、蒸发室内液层深度。t'TrTDs,,iiiimddddRdbdRK00000011P4、α的计算关联式三、蒸发器的生产能力和生产强度•生产能力：单位时间的蒸发量，用W表示，Kg/h。（或用单位时间的传热量来表示）传热速率与蒸发量的关系受进料情况影响：•沸点进料•低于沸点进料•高于沸点进料•生产强度：单位时间、单位面积的蒸发量。U=W/A。------评价蒸发器优劣的重要指标沸点进料，不计热损失：Q=Wr’=KA⊿tU=K⊿t/r’强化？特点：热阻有三个方面造成，主要在管内垢层及管内沸腾给热一方。但须注意及时排除加热室中不凝性气体，否则不凝性气体在加热室内不断积累，将使此项热阻明显增加。提高传热系数的措施：1、定期清理垢层；2、减缓垢层形成；★加热微量阻垢剂；★在处理有结晶物析出的物料时，可加入少量晶种（结晶颗粒），使结晶尽可能在溶液主体中进行，而不是在加热面进行；★添加表面活性剂：表面活性剂降低了相界面之间的张力，从而产生了润湿、抗再黏附作用。既增大了沸腾给热系数、又可使沸腾侧的加热面不易结垢层。3、加快管内流体的循环速度（α↑、减缓结垢）：自然循环→强制循环；扩大管内沸腾环状流动区；降低单程汽化率，避免局部浓度过高等。★提高传热系数的方法一、多效蒸发及其流程平流流程错流流程逆流流程并流流程向分为按料液与二次蒸汽的走5.4多效蒸发1T冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液并流多效蒸发器P二次蒸汽1232T3T1、并流流程优、缺点：①料液可自动流入下一效，无需泵输送；②溶液会发生闪蒸而产生更多的蒸汽；③传热推动力依次减小；④K依次减小；特点：节省生蒸汽的用量，提高经济效益。冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液逆流多效蒸发器P1T二次蒸汽1232T3T逆流流程优、缺点：①料液需用泵送入下一效；②传热推动力较为均匀。2、逆流流程：★一般这种流程只有在溶液粘度随温度变化较大的场合才被采用。料液冷却水加热蒸汽冷凝水水完成液错流多效蒸发器（2→3→1）P1T二次蒸汽1232T3T错流流程优、缺点：①兼有并、逆流的优点；②操作复杂。3、错流流程：料液冷却水加热蒸汽冷凝水水完成液平流多效蒸发器P1T1232T3T平流流程优、缺点：①各效独立进料，传热状况均较好；②物料停留时间较短。4、平流流程：★这种流程适用于处理易结晶物料，例如食盐水溶液等的蒸发。二、多效蒸发与单效蒸发的比较多效蒸发单位生蒸汽消耗量D/W比单效蒸发小，提高了生蒸汽的利用率，操作费比单效蒸发小；多效蒸发比单效蒸发的温度差损失大，且效数越多，温度差损失越大，推动力下降；多效蒸发生产能力和生产强度都比单效蒸发小，效数越多，降低越多，故设备费比单效蒸发大。所以，权衡总费用最佳效数•采用多效；•额外蒸汽的引出；•采用热泵蒸发流程；•冷凝水的自蒸发；•冷凝水显热的利用。三、提高生蒸汽热能利用程度的措施