蒸发器原理分析

1第五章蒸发2要求：1.了解蒸发器的结构及选型；2.掌握温度差损失的计算、单效蒸发的计算及蒸发器的生产能力和生产强度；3.了解多效蒸发流程及计算；4.掌握多效蒸发与单效蒸发的比较；5.了解蒸发器的工艺设计。3重点：1.温度差损失的计算、单效蒸发的计算；2.多效蒸发与单效蒸发的比较。4蒸发：使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。56加压蒸发常压蒸发真空蒸发分类：单效蒸发多效蒸发7真空蒸发的特点：溶液沸点下降，有利于处理热敏性物料，且可利用低压强的蒸汽或废蒸汽作为热源；对相同压强的加热蒸汽，可提高传热总温度差；溶液的粘度加大，总传热系数降低；对减压系统，系统的投资费和操作费增加。8蒸发过程的特点：（1）传热性质：热、冷流体都发生相变。（2）溶液性质：蒸发过程中有结晶吸出、易结垢、产生泡沫、粘度变化大、有腐蚀性。（3）溶液沸点的改变（4）泡沫夹带：二次蒸汽中常挟带大量泡沫。（5）能源利用：如何利用二次蒸汽的能量。95.1蒸发设备5.1.1蒸发器的结构蒸发器结构：加热室、分离器循环型（非膜式）间接加热蒸发器单程型（膜式）直接加热蒸发器101.循环型（非膜式）蒸发器1）中央循环管式（标准式）蒸发器中央循环管截面积一般为加热管总截面积的40～100%，循环速度：0.4～0.5m/s以下，适宜用于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液。11122）悬筐式蒸发器环形截面积一般为加热管总截面积的100～150%，循环速度：1.0～1.5m/s之间，适宜用于蒸发有晶体的溶液。缺点是设备耗材量大、占地面大、加热管内的溶液滞留量大。13143）外热式蒸发器加热管长径比为50～100，循环速度：可达1.5m/s。15164）列文蒸发器循环管截面积一般为加热管总截面积的200～350%，阻力小，循环速度高达2.0～3.0m/s，适宜处理晶体析出或易结垢的溶液。17185）强制循环蒸发器循环速度高达2.0～5.0m/s。处理粘度大、易结沟或易结晶的溶液。19202.膜式式（单程型）蒸发器1）升膜蒸发器：加热管长径比为100～150，管径为25～50mm。二次蒸汽在加热管内的速度为20～50m/s，减压下为：100～160m/s。处理蒸发量较大的稀溶液以及热敏性或生泡的溶液。不适合处理易结晶、易结垢或粘度特大的溶液。21222）降膜式蒸发器处理粘度较大的溶液、热敏性物料。不适合处理易结晶、易结垢或粘度特大的溶液。233）升—降膜蒸发器处理粘度变化大的溶液。244）刮板搅拌薄膜蒸发器叶片边缘与管内壁的间隙为0.25～1.5mm。处理高粘度、易结晶、易结垢或热敏性溶液。结构复杂、动力消耗大。25263.直接加热蒸发器274.蒸发器的改进与发展1）开发新型蒸发器2）改善蒸发器内液体的流动状况3）改进溶液的性质285.1.2蒸发器的辅助设备除沫器、冷凝器、真空系统装置29305.1.3蒸发器的选型从以下因素考虑：（1）溶液的粘度（2）溶液的热稳定性（3）有晶体析出时的溶液（4）易发泡的溶液（5）有腐蚀性的溶液（6）易结垢的溶液（7）溶液的处理315.2单效蒸发5.2.1溶液的沸点和温度差损失1.溶液沸点升高=t-T1：溶液沸点升高值，oC；t：溶液的沸点，oC；T1：与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸汽的饱和温度，oC。322.传热的温度差损失tT-t=tT：理论上传热的温度差，oC；t：实际传热的温度差，oC。33蒸发过程温度差损失的原因：（1）溶液的饱和蒸汽压下降；（2）加热管内液柱静压强；（3）管路流体阻力（多效蒸发）341）由于溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失1TtA*常压：附录二十三非常压：经验公式、杜林规则rTf22730162.0。的汽化热，：操作压强下二次蒸汽kJ/kgr35362）由于加热管内液柱静压强而引起的温度差损失112glppm相对应的水的温度。：与相对应的水的温度；：与蒸汽的压强；：液面的压强，即二次；：液层中部的平均压强ptptpppmmmpmmtpppmtt373）由于管路流体阻力而引起的温度差损失111（末效）CC5.11,1385.2.2单效蒸发的计算计算项目：（1）单位时间内蒸发出的水分量，即蒸发量；（2）加热蒸汽的消耗量；（3）蒸发器的传热面积。39401.蒸发量W10101xxFWxWFFx2.加热蒸汽消耗量D1）溶液稀释热不可忽略时LwQDhhWFHWFhDH10wLhHQFhhWFHWD0141若加热蒸汽的冷凝液在蒸汽的饱和温度下排除，则：rQFhhWFHWDL0142432）溶液的稀释热可以忽略时溶液的焓可以由比热算出，则：TcTchtctchtctchpwpwwpppp0001111100000LppwpwpwppLpppwQttFctcHWTcHDWcFccWFQtFctcWFHWTcHD0101010011rtcHrTcHpwpw144若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且热损失可忽略，则：rrWDerrWD单位蒸汽耗量，kg/kg。rQttFcrWDLp010453.传热面积S0mootKSQmootKQSosomoiosiioiomRddbddRddKtTt111464.管内沸腾传热系数的关联式1）标准型蒸发器38.06.08.038.06.08.0008.0008.0LwLLpLLLmiiLiLwrLeLcuddPRNu2）强制型蒸发器4.08.0023.0rLeLiLiPRd473）升膜蒸发器LVVLrLeVeLiLiiPRRdd25.09.034.023.01283.14）降膜蒸发器485.2.3蒸发器的生产能力和生产强度1.蒸发器的生产能力生产能力：单位时间内蒸发的水分量，即蒸发量，单位：kg/h。生产能力的大小取决于传热速率Q，因此可用蒸发器的传热速率来衡量其生产能力。492.蒸发器的生产强度生产强度：单位传热面积上单位时间内的蒸发量，单位：kg/(m2﹒h)SWU若原料沸点进料，且热损失可忽略，则：rtKrSQUtKSrWQ50强化途径：（1）适量增大传热温度差加热蒸汽最高压强：300～500kPa冷凝器最低压强：10～20kPa（2）增大总传热系数溶液沸腾传热系数、污垢热阻515.3多效蒸发为了降低加热蒸汽的消耗量，可采用多效蒸发。效数一效二效三效四效五效(D/W)min1.10.570.40.30.27单位蒸汽消耗量525.3.1多效蒸发的操作流程按加料方式不同，多效蒸发流程有以下几种:1.并流（顺流）加料法的蒸发流程优点：不用泵；多闪蒸一部分蒸汽。缺点：随着浓度的升高，总传热系数下降。适用场合：处理粘度随温度和浓度变化不大的溶液。53542.逆流加料法的蒸发流程优点：各效的总传热系数大致相同。缺点：需要泵；二次蒸汽量较小。适用场合：处理粘度随温度和浓度变化较大的溶液，不宜处理热敏性的溶液。55563.平流加料法的蒸发流程处理有结晶吸出的溶液。575.3.2多效蒸发的计算已知条件：原料液的流量、浓度、温度；加热蒸汽（生蒸汽）的压强、冷凝器的真空度、末效完成液的浓度。设计项目：生蒸汽的消耗量；各效的蒸发量；各效的传热面积。计算方法：利用蒸发系统的物料衡算、焓衡算、传热速率三个方程进行试差计算。58D1,T1,H1F,x0,T0T1x1,t1H1',W1T2D2,T2,H2x2,t2H2',W2Tixi,tiHi',WiHn',WnTnxn,tnDi,Ti,HiDn,Tn,Hn12inxi-1,ti-1xn-1,tn-1591.基本关系1）物料衡算对整个蒸发系统作溶质衡算，可得：nxWFFx0nnnxxFxxxFW001n2160对任一效作溶质衡算，可得：2210ixii210612）焓衡算以00C的液体为基准，忽略热损失，可得：第一效：11111110HWhWFhHDFhw若溶液的稀释热，且加热蒸汽的冷凝液在饱和温度下排出，可得：111010111rWttFcrDQp62111210iiiipwipwpwpiiirWttcWcWcWFcrDQ第i效：1112101iiipwipwpwpiiiirttcWcWcWFcrrDW111111iiiiiiirWQrrWD633）总有效温度差t及各效溶液的沸点总有效温度差:niiKTTt11温度差损失总和：nnii211各效溶液的沸点：nKnTtTtTt21221111644）有效温度差在各效中的分配以三效为例：333322221111tKQStKQStKQSSSSS321333322221111tSKQtSKQtSKQ要求：65133312221111tSKQtSKQtSKQStStStStttt332211131211StStStStStSt331322121111ttStStSS332211662.多效蒸发计算举例例题：（自学）675.3.3多效蒸发和单效蒸发的比较1.溶液的温度差损失若操作条件相同，则多效蒸发的总温度差损失较单效蒸发要大。6850709011013050706013050703011013010050709011013010012020101020温度，°C单效双效三效692.经济性单位蒸汽消耗量效数一效二效三效四效五效(D/W)min1.10.570.40.30.27703.蒸发器的生产能力和生产强度由于多效蒸发时的温度差损失较单效时要大，故多效蒸发时的生产能力较小。由于多效蒸发面积、温度差损失大，故多效蒸发时的生产强度较小。714.多效蒸发中效数的限制及最佳效数由于多效蒸发的总温度差损失受总有效温度差的限制，所以多效蒸发的效数也有一定的限制。在多效蒸发中，效数增加，单位蒸汽消耗量减小，操作费用降低；但装置的投资费增加；且生产能力降低。所以，多效蒸发的效数存在最佳值，即最佳效数。725.3.4提高加热蒸汽经济性的其他措施1.抽出额外蒸汽2.冷凝水显热的利用3.热泵蒸发735.4蒸发器的工艺设计已知条件：溶液、完成液浓度、加热蒸汽压强。步骤：（1）根据溶液性质，选定蒸发器型式、冷凝器压强、加料方式、最佳效数；（2）选出或计算总传热系数，再计算传热面积；74（3）选定或计算出蒸发器的主要工艺尺寸：加热管尺寸及管数、循环管尺寸、加热室外壳尺寸、分离室尺寸及附属设备的计算或选用。例5-4（P319）