蒸发及系统工程应用

蒸发及系统工程应用1概述2单效蒸发3多效蒸发4蒸发设备1概述（1）蒸发操作的目的①获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品。②脱除溶剂，将溶液增溶至饱和状态，随后加以冷却，析出固体产物，即采用蒸发，结晶的联合操作以获得固体溶质。③除杂质，获得纯净的溶剂。（2）蒸发的流程（见附图）1概述（3）加热蒸汽和二次蒸汽（热源）蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸汽也是水蒸气。为了区别，将加热的蒸汽称为加热蒸汽，而由溶液蒸发出来的蒸汽称之为二次蒸汽。在一些要求对温度要求高的蒸发系统运用过程中，还用到导热油、熔盐等。（4）分类①按蒸发操作空间的压力可分为：常压，加压，或者减压（真空）蒸发。②按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发。1概述（5）蒸发操作的特点①沸点升高蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液。由拉乌尔定律可知：在相同温度下，其蒸汽压纯溶剂的为低，因此，在相同的压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。故当加热蒸汽温一定时，蒸发溶液时的传热温差就比蒸发纯溶剂时来得小，而溶液的浓度越大，这种影响就越显著。沸点升高：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。c）二次蒸汽从蒸发室流向冷凝器时，由于存在阻力而压力降低使冷凝器中二次蒸汽温度低于室中二次蒸汽的温度②节约能源（能源的多次利用－多效及热泵）③物料的工艺特性（讨论一下分离器的结构和除沫器）2单效蒸发单效蒸发的计算对于单效蒸发，在给定的生产任务和确定了操作条件以后，通常需要计算以下的这些内容：①分的蒸发量；②热蒸汽消耗量；③发器的传热面积。要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程，热量衡算方程和传热速率方程来解决。（采用单效蒸发一般为蒸发量小的蒸发系统）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)3.1多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）minWDmaxDW效数单效双效三效四效五效1.10.570.40.30.270.910.1752.53.333.70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/3.2多效蒸发流程多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合，常见的有：并流：溶液与蒸汽的流向相同，称并流。逆流：溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。错流：溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流。平流：每一效都加入原料液的方法。下面以三效为例加以说明：（1）并流流程（图7-14）蒸汽流动方向：1→2→3溶液流动方向：1→2→33.2多效蒸发流程（1）并流流程优点：①由于前效的压强较后效高，，料液可借此压强差自动地流向后一效而无须泵送；②，溶液由前一效流入后一效处于过热状态会放出溶液的过热量形成自蒸发，可产生更多的二次蒸汽，因此第三效的蒸发量最大。缺点：溶液浓度，，↑，↑，便使得溶液温度，，↑，↓，便使得321ppp321ttt123w123321tttt1233.2多效蒸发流程（2）逆流流程图7-15蒸汽流动方向：3→2→1溶液流动方向：1→2→3优点：，↑，↑，，↑，↓，、对的影响大致抵消，各效的基本不变。缺点：①由于前效压强较后效高，，料液从后效往前一效要用泵输送。②各效进料（末效除外）都较沸点低，自蒸发不会发生，所需要热量大。321w321321tttt321wtK321ppp3.2多效蒸发流程（3）错流流程溶液流向：3→1→2或2→3→1蒸汽流向：1→2→3优点：兼有逆流与并流的优点。缺点：操作较复杂。（4）平流流程图7-16各效分别进料并分别出料，二次蒸汽多次利用，对易结晶的物料较合适（因为结晶体不便在效与效之间输送）。（3）多效蒸发计算对于设计型计算，一般给定：原料状态：，，完成液浓度：冷凝器温度与加热蒸汽温度：，各效蒸发器的传热系数：要求加热蒸汽用量：每效传热面积：F0t0wnwTnTjKDjA3.4提高加热蒸汽经济程度的其他措施（1）额外蒸汽的方法（进料温度对蒸发系统的影响）不考虑同压力下蒸发潜热的差别，自蒸发的影响和热损失等次要因素，并假设进料是在沸点下进入，则可认为每1kg加热蒸汽的蒸发1kg水。以三效蒸发器为例，可推出（见图7-17）（1）额外蒸汽的方法水的总蒸发量：或推广至效：DW11112EDEWW21223EEDEWW2132123EED2131323EEWDn1211.....21nEnEnnEnnnWD由上可以看出：①无额外蒸汽引出时，nWD（1）额外蒸汽的方法②由于引出额外蒸汽而多消耗的生蒸汽量：而引出的蒸汽总量为：比较上面两式：可知，，即引出额外蒸汽作为其它加热设备的热源所需补充的生蒸汽量等于引出的额外蒸汽的总量，这比从锅炉内引出生蒸汽作为其他设备的加热热源合算。，↑，↓，↓，只要二次蒸汽的温度能满足要求，即越后效引出越合算，蒸汽利用率越高，太后效引出的二次蒸汽没有用，因为↑，↓，↓，用途有限。11niiEDiEninininDiipiT121121nEnEnnEnnD11121niniEEEE3.4提高加热蒸汽经济程度的其他措施（2）二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）（3）冷凝水热量的利用（图7-19）（另蒸发冷凝水的对物料的预热）4蒸发设备蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备7.4.1蒸发器蒸发器主要由加热室和分离室组成。加热室有多种多样的形式，以适应各种生产工艺的不同要求。按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。（1）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。由于引起循环运动的原因不同。有分为自然循环型和强制循环型两类。自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起。强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动。（1）循环型蒸发器①垂直短管式（图7-2）（1）循环型蒸发器②热式加热室与蒸发室分开（图7-3）（1）循环型蒸发器③循环蒸发器（图7-4）（2）单程型蒸发器①升膜式蒸发器（图7-5）适用于：蒸发量大（较稀的溶液），热敏性及易起泡的溶液。不适用于：高粘度，易结晶、结垢的溶液。（2）单程型蒸发器②降膜式蒸发器（图7-6）适用于：粘度大的物料；不适用于：易结晶的物料，固形成均匀的液膜较难，不高。（2）单程型蒸发器③刮片式蒸发器（图7-8）特点：借外力强制料液呈膜状流动，可适应高粘度，易结晶、结垢的浓溶液蒸发缺点：结构复杂，制造要求高，加热面不大，且需要消耗一定的动力4.3辅助设备蒸发辅助设备有除沫器、冷凝器、输水器、真空泵等。具体的结构与设计可自己看书或是查阅相关资料，在课程设计中还会详细用到。