化工原理蒸发

《化工原理》电子教案/目录1目录第七章蒸发第一节概述一、什么是蒸发二、蒸发的目的三、蒸发的基本流程四、蒸发的特点第二节单效蒸发一、物料衡算二、能量衡算三、加热面积的计算四、传热温差损失《化工原理》电子教案/目录2目录第三节多效蒸发一、多效蒸发及其流程二、多效蒸发与单效蒸发的经济性比较三、多效蒸发效数的限制原因第四节提高生蒸汽热能利用程度的措施第五节蒸发设备一、循环型二、单程型《化工原理》电子教案/目录3目录第六节强化传热的方法第七章小结第三版第18次印刷的教材更正《化工原理》电子教案/第七章4/56第七章蒸发第一节概述一、什么是蒸发?二、蒸发的目的溶剂S溶质A（不挥发）溶剂S加热（1）获得浓缩的溶液（2）获得固体溶质（3）除去杂质将含有不挥发性溶质的稀溶液加热，使其中部分溶剂汽化、除去的单元操作，称为～。溶液《化工原理》电子教案/第七章5/56第一节概述三、蒸发的基本流程冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液单效蒸发流程除沫器二次蒸汽蒸发室加热室不凝性气体（生蒸汽）冷凝器蒸发器(加热室，蒸发室)除沫器冷凝器真空装置(间壁式换热器)思考2：如图为真空式操作设备，为什么图中冷凝器的放置高度要很高？思考1：生蒸汽与二次蒸汽何者温度高？《化工原理》电子教案/第七章6/56第一节概述按冷凝器压力分按二次蒸汽是否用作生蒸汽单效蒸发：如上图多效蒸发：真空常压加压《化工原理》电子教案/第七章7/56第一节概述四、蒸发的特点能耗大----要将含有不挥发物质的溶液加热到沸点；沸点升高----要比纯溶剂沸点高；传热温差逐渐减小----从料液进口到出口浓度↑，沸点↑）传热条件有逐渐恶化的趋势----溶液易结晶、易结垢、粘度逐渐变大而使传热条件恶化。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蒸发室加热室（生蒸汽）不凝性气体冷凝器传热、传质共存，传热是为了传质。不同与一般相变传热之处：《化工原理》电子教案/第七章8/56第二节单效蒸发已知：F、x0、t0、x计算内容：完成液量L、二次蒸汽量W、加热蒸汽量D、加热面积A一、物料衡算二次蒸汽W，T料液蒸发室F,x0,t0加热室完成液L，x,t0FxLxWLFxxFW01DADxxFL0《化工原理》电子教案/第七章9/56二、能量衡算二次蒸汽W，T，H料液蒸发室F,t0,h0,c0D,Ts,Hs加热室完成液L，t，h,cD,Ts,hslssQDhhWFWHFhDH0sslhHQhHWhhFD0已知：F、x0、t0、x计算内容：完成液量L、二次蒸汽量W、加热蒸汽量D、加热面积A式中，F已知，W可由物料衡算得到，而H、Hs、hs均为温度的函数，易查取。但溶液的焓h、h0不易直接得到。txfh,《化工原理》电子教案/第七章10/56二次蒸汽W，T，H料液蒸发室F,t0,h0,c0D,Ts,Hs加热室完成液L，t，h,cD,Ts,hsb.无明显浓缩热的体系000tchcthh需查焓浓图，如图7-3。a.有明显浓缩热的体系稀释热《化工原理》电子教案/第七章11/56二次蒸汽W，T，H料液蒸发室F,t0,h0,c0D,Ts,Hs加热室完成液L，t，h,cD,Ts,hssslhHQhHWhhFD0假定：①Hs-hs=R（加热蒸汽汽化热）；②hh0（沸点进料）③H-hr（二次蒸汽汽化热）；④Ql0------汽化1kg水所消耗的生蒸汽量RWrDRrWDD/W1实际上：D/W=1.1≥1kg的生蒸汽换1kg二次蒸汽，可见能耗之大！《化工原理》电子教案/第七章12/56三、加热面积的计算mtKAQlQDRQ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Pt取决于：操作压力P、溶液浓度、蒸发室内液层深度，因此，tT。tTRTDs,,PTTs△=t-T-----传热温差损失已知：F、x0、t0、x计算内容：完成液量L、二次蒸汽量W、加热蒸汽量D、加热面积A《化工原理》电子教案/第七章13/56冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液单效蒸发器PtTRTDs,,P引起传热温差损失△的原因：△=t-T-----传热温度差损失P（1）由二次蒸汽的阻力损失引起的，记作。此项影响很小，通常忽略不计或取=1℃四、传热温差损失（2）由蒸发器内液层深度引起的，记作。与设备结构有关，有些设备液柱可高达3~6m，有些设备中此项损失可不计。压力P→水的沸点t1gLPP2＝tw－t1压力P→水的沸点tw计算如下：《化工原理》电子教案/第七章14/56冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液单效蒸发器PtTRTDs,,P（3）溶液沸点升高（与同压力下纯溶剂相比），记作---杜林规则△=△+△+△----传热温度差损失P四、传热温差损失压力P→水的沸点tw→由杜林线或杜林规则查得某一浓度下的溶液沸点t。＝t－tw某液体（或溶液）在两种压力下的沸点之差与某标准液体（如水）在该压力下的沸点之差的比值近似为常数。如图。计算如下：水20％40％水的沸点溶液的沸点《化工原理》电子教案/第七章15/56四、传热温差损失冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液单效蒸发器PtTRTDs,,PP（1）取＝1℃（2）取PP【例1】浓缩KOH水溶液，完成液浓度为60gKOH/100g水，P＝21.07kPa，液面高度L=1m，溶液密度1600kg/m3。PagLPP331092.2881.91600211007.212（3）由P＝21.07kPa查得水的沸点为T=61.2℃由P=28.92查得水的沸点为tw=68.2℃＝68.2－61.2=7℃【解】《化工原理》电子教案/第七章16/56四、传热温差损失冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液单效蒸发器PtTRTDs,,PP（4）由P=28.92查得的水的沸点68.2℃，查KOH水溶液的杜林线（图7-5）得t=87.7℃＝87.7－68.2=19.5℃=++=19.5+7+1=27.5℃!!!错误的解法：由P＝21.07kPa查得的水的沸点T=61.2℃，查KOH水溶液的杜林线（图7-5）得t=80℃＝80－61.2=18.8℃《化工原理》电子教案/第七章17/56单效蒸发举例【例1】将7%（质量分率，下同）的某种水溶液在常压单效蒸发器中浓缩到24%。原料液的温度为20℃。估计出溶液沸点升高引起的温度差损失为3.5℃，因静压强引起的温度差损失为3℃，因二次蒸汽流动阻力引起的温度差损失为1℃。加热蒸汽温度为132.9℃，蒸发器的传热面积为43m2。试求原料液量。已知蒸发器的总传热系数为1100W/(m2·K)，热损失为蒸发器传热量的5%，132.9℃下水蒸汽焓2728.12kJ/kg，100℃下水蒸汽焓为2677.2kJ/kg。溶液的比热cp≈4.187(1-x)kJ/(kg·K)。《化工原理》电子教案/第七章18/56【解】x0=0.07，x=0.24，t0=20℃，=3.5℃，=3℃，=1℃，T=100℃，Ts=132.9℃，A=43m2，K=1100W/m2K，Ql=5%Q，Hs=2728.12kJ/kg，H=2277.2kJ/kg，cp=4.187(1-x)kJ/kgK0FxLxWLFmtKAlssQDhLhWHFhDH0物能lQDRQtTtsmTt000tchcthlQctWFWHtFcDR00ctWFWHtFctKAm00ctWFWHtFcTTKAs0024.007.0110FxxFW135.310024.01187.42.22772007.01187.4135.31009.132431.1WFWF-----（1）-----（2）《化工原理》电子教案/第七章19/56解方程（1）、（2）得：skgFskgW/735.0/52.0《化工原理》电子教案/第七章20/56第三节多效蒸发一、多效蒸发及其流程多效蒸发是将多个蒸发器（如图所示为三个）连接起来的系统：冷却水冷凝水水多效蒸发P二次蒸汽生蒸汽1T1232T3T后一效的操作压力和溶液沸点均较前一效低；在第一效加入新鲜的加热蒸汽，所产生的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽。因此多效蒸发明显地减少了加热蒸汽的消耗量；最末效往往是在真空下操作的；只有末效的二次蒸汽才用冷却介质冷凝。因此多效蒸发明显地减少了冷却水的消耗量。321321TTTPPP《化工原理》电子教案/第七章21/56冷却水冷凝水水多效蒸发料液第三节多效蒸发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；P二次蒸汽生蒸汽1T1232T3T完成液并流流程适宜处理在高浓度下为热敏性的溶液。适用场合：《化工原理》电子教案/第七章22/56第三节多效蒸发逆流流程：①料液需用泵送入下一效；②传热推动力较为均匀；易于处理黏度随温度和浓度变化较大的溶液，而不宜处理热敏性溶液。适用场合：优、缺点：冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液逆流多效蒸发器P1T1232T3T《化工原理》电子教案/第七章23/56第三节多效蒸发错流流程：适用场合：优、缺点：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）P1T1232T3T①兼有并、逆流的优点而避其缺点；②操作复杂，要有完善的自控仪表才能实现其稳定操作。我国目前主要用于造纸工业的碱回收系统。《化工原理》电子教案/第七章24/56第三节多效蒸发平流流程：适用场合：优、缺点：①各效独立进料，传热状况均较好；②物料停留时间较短适用于饱和溶液的蒸发。料液冷却水加热蒸汽冷凝水水完成液完成液完成液平流多效蒸发器P1T1232T3T《化工原理》电子教案/第七章25/56二、多效蒸发与单效蒸发的经济性比较生产能力：单位时间的传热量或蒸发的水分量，用Q或W表示。生产强度：单位时间、单位面积的传热量或蒸发的水分量，用q或W/A表示。多效蒸发单位生蒸汽消耗量D/W、单位冷却水消耗量均比单效蒸发小，故操作费比单效蒸发的小；多效蒸发生产能力比单效蒸发小，生产强度比单效蒸发小，故设备费比单效蒸发的大。《化工原理》电子教案/第七章26/56二、多效蒸发与单效蒸发的经济性比较多效蒸发单位生蒸汽消耗量D/W、单位冷却水消耗量均比单效蒸发小，故操作费比单效蒸发的小；冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液逆流多效蒸发器DWDWDWD1WD单效时假设属理想情况，每一效D/W=1证明：DWWD2,21二效时DWWD3,31三效时可见，效数越多，D/W值越小。《化工原理》电子教案/第七章27/56二、多效蒸发与单效蒸发的经济性比较冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液逆流多效蒸发器DWDWDWD单位冷却水消耗量：Wmw单效时Wmw2二效时Wmw3三效时可见，效数越多，单位冷却水消耗量越小。《化工原理》电子教案/第七章28/56冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液逆流多效蒸发器DWWWDDD多效时操作费少注意：操作费减小的幅度并不与效数成正比，效数越多，操作费减小的幅度成下降趋势。D/W实际值单位冷却水消耗量*mw/W单效1.113.5二效0.576.75三效0.44.5四效0.33.38五效0.272.7*按冷却水允许温升40℃计算《化工原理》电子教案/第七章29/56mtKA