5化工原理蒸发

第5章蒸发1/842020年2月7日第5章蒸发5.0概述5.1蒸发设备5.2单效蒸发5.3多效蒸发第5章蒸发2/842020年2月7日5.0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。5.0.1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。第5章蒸发3/842020年2月7日5.0.2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。第5章蒸发4/842020年2月7日5.0.3蒸发操作的应用在工业上，有三种情况：(1)制取液体产品。烧碱生产，蒸发18%的NaOH，到32%，(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，食盐精制、制糖、制药等。(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。本章仅讨论水溶液的蒸发。第5章蒸发5/842020年2月7日用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器，基本流程如图。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。冷凝器与蒸发器的分离室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。5.0.4蒸发的流程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1.加热室2.加热管3.中央循环管4.分离室5.除沫器6.冷凝器第5章蒸发6/842020年2月7日蒸发操作时，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1.加热室2.加热管3.中央循环管4.分离室5.除沫器6.冷凝器第5章蒸发7/842020年2月7日5.0.5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。第5章蒸发8/842020年2月7日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本章讨论沸腾传热第5章蒸发9/842020年2月7日5.0.6蒸发的特点蒸发的实质是传热。蒸发器也是一种换热器。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。第5章蒸发10/842020年2月7日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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。第5章蒸发11/842020年2月7日5.1蒸发设备5.1.1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)第5章蒸发12/842020年2月7日5.1.1.1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第5章蒸发13/842020年2月7日1.中央循环管式(标准式)加热蒸汽：加热室管束环隙内溶液：管内。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、腐蚀性小的溶液第5章蒸发14/842020年2月7日2.悬筐式蒸发器加热蒸汽：管间溶液：管内优点：溶液循环速度高，改善了管内结构情况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，有晶体析出的溶液第5章蒸发15/842020年2月7日3.外热式蒸发器优点：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、处理量大的溶液第5章蒸发16/842020年2月7日4.列文蒸发器优点：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第5章蒸发17/842020年2月7日5.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。第5章蒸发18/842020年2月7日5.1.1.2单程型(膜式)单程型蒸发器的特点是溶液只通过加热管一次蒸发即可达到要求的浓度。特点：溶液停留时间短，操作时沿加热管壁呈膜状流动，由于操作要求成薄膜流动且一次蒸发完成，因此对设计和操作要求严格。适用于：热敏性物料的蒸发。第5章蒸发19/842020年2月7日1.升膜蒸发器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。第5章蒸发20/842020年2月7日2.降膜蒸发器需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P299图5-7。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。第5章蒸发21/842020年2月7日3.升－降膜式蒸发器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。第5章蒸发22/842020年2月7日4.刮板薄膜蒸发器缺点：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、高粘度的溶液第5章蒸发23/842020年2月7日5.1.1.3直接加热蒸发器优点：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。第5章蒸发24/842020年2月7日5.1.2蒸发器的辅助设备蒸发器的辅助设备主要包括除沫器和冷凝器。1.除沫器目的：用于去除二次蒸气中的雾沫和液滴，防止有用产品的损失或冷凝液污染冷凝器。安装位置：分离室顶部或蒸发器外部。第5章蒸发25/842020年2月7日2.冷凝器和真空装置冷凝器的作用：将二次蒸汽冷凝成水后排出。冷凝器分类：间壁式和直接接触式两类。当二次蒸气为有价值的产品需要回收，或会严重污染冷却水时，应采用间壁式冷凝器；否则可采用直接接触式冷凝器。真空装置作用：将冷凝液中的不凝性气体抽出，维持蒸发操作所需的真空度。真空装置适于：蒸发器采用减压操作；真空装置安装位置：冷凝器后常用的真空装置：喷射泵、往复式真空泵以及水环式真空泵等。第5章蒸发26/842020年2月7日5.1.3蒸发器的选型蒸发器的结构型式很多，选用时应结合生产过程的蒸发任务，选择适宜的蒸发器型式。选型时，一般考虑以下原则：溶液的粘度：蒸发过程中，溶液粘度变化的情况，是选型时很重要的因素。高粘度的溶液应选用对其适应性好的蒸发器，如强制循环型、降膜式、刮板搅拌薄膜式等；溶液的热稳定性：热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留时间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器第5章蒸发27/842020年2月7日有晶体析出的溶液：选用溶液流动速度大的蒸发器，以使晶体在加热管内停留时间短，不易堵塞加热管，如外热式、强制循环蒸发器易发泡的溶液：泡沫的产生，不仅损失物料，而且污染蒸发器，应选用溶液湍动程度剧烈的蒸发器，以抑制或破碎泡沫，如外热式、强制循环式、升膜式等；条件允许时，也可将分离室加大。有腐蚀性的溶液：蒸发此种物料，加热管采用特殊材质制成，或内壁衬以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用浸没燃烧蒸发器第5章蒸发28/842020年2月7日易结垢的溶液：蒸发器使用一段时间后，就会有污垢产生，垢层的导热系数小，从而使传热速率下降。应选用便于清洗和溶液循环速度大的增大器，如悬筐式、强制循环式、浸没燃烧式等溶液的处理量：溶液的处理量也是选型时应考虑的因素。处理量小的，选用尺寸较大的单效蒸发，处理量大的，选用尺寸适宜的多效蒸发。不同类型的蒸发器，各有特点，对溶液的适应性也不相同，见P302表5-1。第5章蒸发29/842020年2月7日5.2单效蒸发5.2.1溶液的沸点和温度差损失1.溶液的沸点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第5章蒸发30/842020年2月7日2.温度差损失(1)因溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差Δ’；(2)蒸发器操作时需维持一定液位，因加热管内液柱静压强而使沸点升高Δ’’(3)二次蒸汽由蒸发器分离室流动到冷凝器(或下一效蒸发器加热室)时产生压强降，导致的温度差损失Δ’’’(若T′指分离室温度时，Δ’’’=0)。总的温度差损失为三项之和，即Δ=Δ’+Δ’’+Δ’’’第5章蒸发31/842020年2月7日1).因溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失Δ′设tA为仅考虑因溶质存在时引起蒸汽压下降时溶液的沸点，则Δ′=tA-T′。Δ值的大小与溶液的种类、浓度以及操作压强有关，通常采用两种方法计算：(1).经验估算法(吉辛科法)对常压下由于蒸汽压下降而引起的沸点升高Δa′进行修正用于操作压强下的温度差损失。Δ′=fΔa′第5章蒸发32/842020年2月7日Δ′=fΔa′式中：Δa′—常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，Δa′=tA-100tA—常压下溶液的沸点，℃，其值可从f—校正系数，无因次，f=0.0162(T′+273)2/r′T′，r′—分别为实际操作压强下二次蒸汽温度，℃和汽化潜热，kJ/kg。第5章蒸发33/842020年2月7日(2).杜林规则法(直线规则法)杜林规则：说明溶液的沸点和相同压强下标准溶液沸点之间呈线性关系。由于纯水在各种压强下的沸点容易获得，故一般选用纯水为标准溶液，只要知道溶液和水在两个不同压强下的沸点，在直角坐标图中以溶液沸点为纵标，以纯水沸点为横标，以溶液浓度为参数，即可得到一条直线。由此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。溶液沸点，℃tA′tA纯水沸