化工原理课件7-蒸发-(Evaporation)

7蒸发(Evaporation)7.1概述7.2单效蒸发计算7.3蒸发操作的经济性和操作方式7.4蒸发设备7.1概述（1）蒸发操作的目的（2）蒸发的流程（3）加热蒸汽和二次蒸汽（4）分类（5）蒸发操作的特点7.1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。7.1概述（2）蒸发的流程7.1概述（3）加热蒸汽和二次蒸汽加热蒸汽：用于加热的蒸汽二次蒸汽：由溶液蒸发出来的蒸汽（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。7.1概述（5）蒸发操作的特点①沸点升高②溶液的性质往往对蒸发器的结构设计提出特殊的要求。③溶剂汽化需吸收大量汽化热，因此蒸发操作是大量耗热的过程，节能是蒸发操作应予考虑的重要问题。④浓溶液在沸腾汽化过程中常在加热表面上析出溶质而形成垢层，使传热过程恶化。7.2单效蒸发(single-effectevaporation)7.2.1单效蒸发的计算（1）物料衡算（2）热量衡算（3）蒸发器传热面积的计算（4）浓缩热和溶液的焓浓图7.2.2蒸发设备中的温度差损失（1）溶液的沸点升高和杜林规则（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响（3）因蒸汽流动阻力引起的温度差损失（4）单效蒸发过程的计算7.2.1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水分的蒸发量；②加热蒸汽消耗量；③蒸发器的传热面积。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。7.2.1单效蒸发的计算（1）物料衡算溶质在蒸发过程中不挥发，且蒸发过程是个定态过程，单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即F,x0,t0,h0加料D,Ts,Hs加热蒸汽蒸发室二次蒸汽W,H,T加热D,Ts,hs(F-W),x,t,h,c完成液式中x0，x——分别为料液、完成液的质量分数。xWFFx)(0)1(0xxFW水分蒸发量：（1）WFFxx0完成液的浓度：（2）7.2.1单效蒸发的计算（2）热量衡算对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出时，式中D——加热蒸汽消耗量，kg/s；t0，t——加料液与完成液的温度，℃；h0，h，hs——加料液，完成液和冷凝水的热焓，kJ/kg；H，Hs——二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，kJ/kg。式中热损失Ql可视具体条件来取加热蒸汽放热量（DR）的某一百分数。lsQDhWHhWFFhDH)(0s（3）lssQhHWhhFhHD)()()(0（4）7.2.1单效蒸发的计算—（2）热量衡算焓值的计算：习惯上取0℃为基准，即0℃时的焓为零，则有ssTch*000000tctchctcth0代入前面的两式得：lssQctHWtcctFhHD)()()(00式中c0、c——料液和完成液的比热，kJ/kg·K。7.2.1单效蒸发的计算—（2）热量衡算式中——水的比热，kJ/kg·K；——溶质的比热，kJ/kg·K。*cBc为了避免使用不同溶液浓度下的比热，可近似认为溶液的比热容和所含溶质的浓度呈加和关系，即0B0*0)1(xcxccxcxccB*)1(7.2.1单效蒸发的计算—（2）热量衡算由式（3）或式（4）可得加热蒸汽的消耗量为：sslhHQhHWhhFD)()(0sslhHQctHWtcctFD)()(00①忽略浓缩热时RQWrtcctFDl)(00rctHRhHss②忽略浓缩热且7.2.1单效蒸发的计算—（2）热量衡算③沸点进料，t0=t，并忽略热损失和溶液浓度较低时，c=c0，则式中称D/W为单位蒸汽消耗量，用来表示蒸汽利用的经济程度（或生蒸汽的利用率）。1RrRctHWD或RWrRctHWD)(7.2.1单效蒸发的计算（3）蒸发器传热面积的计算由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热，Δtm=Ts-t，且蒸发器的热负荷Q=DR，所以有)()(tTKDRtTKQAss式中A——蒸发器传热面积，m2；Q——传热量，W；K——传热系数，W/m2·K；Δtm——平均传热温差，K。mtKQA由传热速率方程得7.2.1单效蒸发的计算（4）浓缩热和溶液的焓浓图如图7-3为NaOH水溶液以0℃为基准温度的焓浓图。7.2.2蒸发设备中的温度差损失蒸发器中的传热温差：Δtm=（Ts-t）加热蒸汽的温度：Ts（若为150℃）蒸发室的压力为1atm而蒸发的又是水：t=T=100℃此时的传热温差最大，用ΔtT表示：50100150TTTts如果蒸发的是30%的NaOH水溶液，在常压下其沸点是高于100℃。若其沸点t=120℃，则有效传热温差，30120150tTtsΔt比ΔtT所减小的值，称为传热温度差损失，简称温度差损失，用Δ表示7.2.2蒸发设备中的温度差损失TttTTTtt)()(00T传热温差损失：TtTtt溶液沸点：有效传热温差：温度差损失的原因：①溶液沸点的升高。这是由于溶液蒸汽压较纯溶剂（水）在同一温度下的蒸汽压为低，致使溶液的沸点比纯溶剂（水）高；②蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管时产生的摩擦阻力，都导致溶液沸点的进一步上升。7.2.2蒸发设备中的温度差损失（1）溶液的沸点升高和杜林规则在相当宽的压强范围内溶液的沸点与同压强的下溶剂的沸点成线性关系：Ktttt0ww0AA)(0ww0AAttKtt式中tA，——某种溶液在两种不同压力下的沸点；tw，——溶剂在相应压力下的沸点。0At0wt7.2.2蒸发设备中的温度差损失—（1）溶液的沸点升高和杜林规则如图7-4为不同浓度NaOH水溶液的沸点与对应压强下纯水的沸点的关系，由图可以看出，当NaOH水溶液浓度为零时，它的沸点线为一条对角线，即水的沸点线，其它浓度下溶液的沸点线大致为一组平行直线。457.2.2蒸发设备中的温度差损失—（1）溶液的沸点升高和杜林规则由该图可以看出：①浓度不太高的范围内，由于沸点线近似为一组平行直线，因此可以合理的认为沸点的升高与压强无关，而可取大气压下的数值；②在高浓度范围内只要已知两个不同压强下溶液的沸点，则其他压强下的溶液沸点可按杜林规则进行计算。7.2.2蒸发设备中的温度差损失（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响按液面下处L/2溶液的沸腾温度来计算，液体在平均温度下的饱和压力：式中p——液面上方二次蒸汽的压强（通常可以用冷凝器压强代替），Pa；L——蒸发器内的液面高度，m。gLpp21m所以沸腾液体的平均温度为：''')(ptt液柱静压强引起的溶液温度升高：)()2/(''pgLptt7.2.2蒸发设备中的温度差损失在多效蒸发中，二次蒸汽流到下一效的过程中为克服管道阻力使压强降低，引起二次蒸汽的温度降低，由此引起的温度差损失为。'''总的温度差损失''''''过程的传热温度差（有效温度差）：)(ptTtTtss注意：问若为单效蒸发，已知入口蒸汽（生蒸汽）的温度及蒸发室的压力，则此时要计入℃吗？1''''''（3）因蒸汽流动阻力引起的温度差损失7.2.2蒸发设备中的温度差损失（4）单效蒸发过程的计算①设计型计算：给定蒸发任务，要求设计经济上合理的蒸发器。已知：F，x0，t0，x设计条件：p0，pk计算目的：根据选用的蒸发器形式确定K，计算所需加热面积A及加热蒸汽用量D。②操作型计算：已知蒸发器的结构形式和蒸发面积给定条件：A，K，x0，t0，x，p0，pk计算目的：核算蒸发器的处理能力F和加热蒸汽用量D。或已知：A，F，x0，t0，x，p0，pk计算目的：反算蒸发器的K并求D。7.2.2蒸发设备中的温度差损失《解题指南》例题14-1单效蒸发器中，将10%（质量分数，下同）的某水溶液浓缩到30%，原料液流量为900kg/h，温度为30℃，蒸发室压力为4.91×104Pa，原料液的比热容为3.77kJ/(kg·℃)，二次蒸汽的汽化潜热为2332kJ/kg，蒸发器的传热面积为10m2，蒸发器内溶液密度为1350kg/m3，液面高度为1m，总传热系数为1000W/（m2·℃）。试求：（1）溶液的沸点及因蒸汽压下降引起的温度差损失；（2）设加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出，并忽略热损失和浓缩热时，完成上述蒸发任务所需加热蒸汽温度。已知数据如下：蒸汽压力/Pa10.13×1044.91×1042.94×104溶液的沸点/℃10774.4纯水的沸点/℃10080.968.77.3蒸发操作的经济性和操作方式7.3.1加热蒸汽的经济性7.3.2多效蒸发流程7.3.3蒸发设备的生产能力和效数的限制7.3.4提高加热蒸汽经济程度的其他措施7.3.5蒸发操作的最优化7.3.1加热蒸汽的经济性蒸汽的经济性：每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量（W/D）（或用溶液中蒸发出1kg水所需消耗的生蒸汽的量D/W表示蒸汽的利用率）。若物料的水溶液先预热至沸点后加入蒸发器，忽略生蒸汽与产生的二次蒸汽的汽化潜热的差异，不计热损失，则每1kg加热蒸汽可汽化1kg水，即W/D=1。实际上，由于有热损失等原因，W/D1。怎样才能节省加热蒸汽的消耗量，提高生蒸汽的利用率呢？①利用二次蒸汽的潜热；②利用冷凝水的显热。7.3.1加热蒸汽的经济性nppp21nttt217.3.1加热蒸汽的经济性第一效：W1/D=1→D=W1，1kg生蒸汽在第一效中可产生1kg的二次蒸汽，将此1kg二次蒸（W1）引入第二效又可蒸发1kg水，即第二效：W2=W1=D，1kg生蒸汽在双效中的总蒸发量W=W1+W2=2D，则W/D=2依次类推：第三效：W/D=3，…，n效：W/D=n。7.3.1加热蒸汽的经济性minWDmaxDW3.703.332.50.1750.910.270.30.40.571.1五效四效三效双效单效效数实际由于热损失，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W/D的值大致如下：7.3.2多效蒸发(Multi-effectevaporation)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(cocurrentorforwardfeed)：溶液与蒸汽的流向相同，称并流。逆流(countercurrentorbackwardfeed)：溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。错流(crossflowormixedfeed)：溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流。平流(parallelfloworparallelfeed)：每一效都加入原料液的方法。以三效为例加以说明：（1）并流流程蒸汽流动方向:1→2→3溶液流动方向:1→2→37.3.2多效蒸发(Multi-effectevaporation)优点：a、由于前效的压强较后效高，p1p2p3，料液可借此压强差自动地流向后一效而无须泵送；b、t1t2t3，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，x3x2x1，x↑，μ↑，∴μ3μ2μ1;溶液温度，t1t2t3，t↑，μ↓，∴μ3μ2μ1。这两个因素使得后一效粘度较前一效双倍提高，K↓↓，在最后的一、二效尤其严重，使整个系统的蒸发能力降低。7.3.2多效蒸发(Multi-effectevaporation)（2）逆流流程蒸汽流动方向：1→2→3溶液流动方向：3→2→17.3.2多效蒸发(Multi-effectevaporation)优点：x1x2x3，x↑，μ↑，∴μ1μ2μ3;t1t2t3，t↑，μ↓，∴μ1μ2