大学课件-化工原理-第5章蒸发

不凝性气体冷却水二次蒸汽料液加热蒸汽冷凝水完成液水图5-1硝酸铵水溶液蒸发流程123451-加热管；2-加热室；3-中央循环管；4-蒸发室；5-除沫器；6-冷凝器第5章蒸发5.1概述(1)蒸发：蒸发是溶液浓缩的单元操作。它采用加热的方法，使溶有不挥发性溶质的溶液沸腾，其中的部分溶剂被气化除去，而溶液得到浓缩。设备：蒸发器，冷凝器料液加热蒸气完成液水冷却水不凝性气体并流加料蒸发流程第一效第二效第三效第一效二次蒸汽第二效二次蒸汽第三效二次蒸汽多效蒸发并流流程(2)几个概念*加热蒸汽(生蒸汽)*二次蒸汽*完成液*单效蒸发*多效蒸发(3)蒸发操作的特点*蒸发器实质是一种两侧流体相变的换热器；*溶液的沸点升高由于不挥发溶质的存在，溶液的蒸气压低于同温度下纯溶剂的蒸气压。因此，在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点，这种现象称为溶液的沸点升高。溶液的沸点升高导致蒸发的传热温差的降低。*溶剂汽化时消耗大量能量为减小能耗必须提高加热蒸汽利用率；*根据物料本身特性(如粘度、结晶性、热敏性等)，合理选择设备和操作流程。5.2蒸发设备蒸发的主体设备:蒸发器-----主要由加热室和蒸发室组成。蒸发的辅助设备：除沫器、冷凝器。减压操作时还需真空装置。5.2.1蒸发器的结构和特点按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：（1）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度。操作稳定。根据引起循环的原因不同，又可分为自然循环和强制循环。强制循环蒸发器◆结构：如图5.2.5所示。溶液循环需用输送设备完成。◆优点：循环速度大（2～3.5m/s），且可调节；可用于蒸发粘度大，易结晶结垢的物料；传热系数较大。◆缺点：输送设备能耗大，每平方米加热面积约需0.4-0.8kW。（2）单程型蒸发器特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。优点：溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的蒸发；温度差损失较小，表面传热系数较大。缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。蒸发室加热室D,T,HF,x0,t0,C0,h0W,T',H'D,T,h*F-W,xt,c,h,单效蒸发的物料衡算，热量衡算示意图加热蒸汽qmv,T,H料液qm0,w0,t0,c0,h0二次蒸汽qmwT,H完成液qm0-qmw,w,t,c,h蒸汽冷凝水qmv,T,hw5.3单效蒸发5.3.1物料衡算目的：计算蒸发水量和完成液浓度。溶质：wqqwqwmmm)(,0,00,)1(:00,,wwqqmwm蒸发水量wmmmqqwqw,0,00,:完成液浓度蒸发室加热室D,T,HF,x0,t0,C0,h0W,T',H'D,T,h*F-W,xt,c,h,单效蒸发的物料衡算，热量衡算示意图加热蒸汽qmv,T,H料液qm0,w0,t0,c0,h0二次蒸汽qmwT,H完成液qm0-qmw,w,t,c,h蒸汽冷凝水qmv,T,hwLwmwmmwvmmvmHqhqqhqhqHq,,0,,00,,)(5.3.2热量衡算（焓衡算）目的：计算生蒸汽消耗量(1)蒸发器热量衡算：)(,wvmhHq蒸发器热流量LwmmhHqhhq)()(,00,)(0加热蒸汽的冷凝热rhHw二次蒸汽的质量焓H完成液、料液的质量焓hh,0)(,wvmhHqLwmmhHqhhq)()(,00,kgJr/0生蒸汽潜热kgJr/二次蒸汽潜热(2)热量衡算式的简化忽略熔解热、稀释热时，溶液的热焓和比热取质量平均即tchp00,0tchpwcccwcwccbpwpwpbpwpp)()1(,,,,,0,,,0,0,0,)()1(wcccwcwccbpwpwpbpwppLwmpmvmrqttcqrq,00,0,0,)(代入热流量公式得：0,00,0,,)(rrqttcqqLwmpmvm若沸点进料，忽略热损失时，tt00L0,,rrqqwmvm10,,rrqqvmwmLwmpmvmrqttcqrq,00,0,0,)(加热蒸汽消耗量：生蒸汽的经济性qmw/qmv*蒸发操作经济指标之一。*单效蒸发，蒸发1kg水约需要1kg蒸汽。*实际由于沸点升高和热损失，qmw/qmv≈0.9。(3)浓缩热的影响（P355图5.3.2）溶解热、稀释热不能忽略时,用平均比热计算误差很大，此时，生蒸汽消耗量可用焓浓图计算5.3.3蒸发器的传热面积由蒸发器的传热方程得：(1)传热度温差在蒸发器中，管外为蒸气冷凝，温度恒定为T，管内为溶液沸腾，温度也多为定值，可视为恒温差传热。(2)传热系数0001111hRddbddRddhKKdomiodiiio常见蒸发器管内表面传热系数hi的经验关联见教材p358，蒸发器的传热系数K，目前主要还是根据现场实测数据来选定。（3）蒸发器的生产能力和生产强度生产能力--定义为单位时间蒸发水分的质量，由于它主要取决于过程的热流量，所以常又以热流量来衡量蒸发器的生产能力。生产强度--定义为单位传热面积的生产能力，以U表示，kg/(㎡*h)mtKA生产能力tTtmrtKArAqUmwm/,生产强度5.3.4溶液的沸点升高和传热温差损失(1)溶液的沸点升高指：溶液沸点二次蒸汽饱和温度Tttt沸点升高：引起沸点升高的原因1）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2）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。3）二次蒸汽从蒸发室流向冷凝器时，存在阻力，压力降低。冷凝器中二次蒸汽温度低于蒸发室中的温度。(2)传热温差损失溶液沸点升高，造成传热温差减小。理论传热温差：有效传热温差：传热温差损失：TTtTtTttTtTttt料液加热蒸气完成液水冷却水不凝性气体并流加料蒸发流程第一效第二效第三效第一效二次蒸汽第二效二次蒸汽第三效二次蒸汽多效蒸发并流流程特点*料液输送不需要泵（各效压力差）；*后一效沸点低，可进行自蒸发(闪蒸)；*一般传热系数逐次下降(由粘度增大造成)。5.4多效蒸发5.4.1多效蒸发的流程及加料方式(1)并流加料流程完成液加热蒸气料液冷却水水不凝性气体逆流加料蒸发流程(2)逆流加料流程特点：*需要泵输送流体；*无自蒸发(闪蒸)，且多消耗部分热量；*各物料粘度较一致，传热系数较均匀。水冷却水不凝性气体料液加热蒸气平流加料蒸发流程(3)平流加料流程适用于有结晶析出的蒸发操作(1)温度差损失和有效温度差▲当完成液浓度相同时，多效蒸发中各效温度差损失之和大于单效蒸发；▲当理论传热温度差一定时，多效蒸发的各效有效传热温度差之和小于单效蒸发。即：有效传热温差：多效蒸发单效蒸发5.4.2多效蒸发问题分析加热蒸汽消耗量vmwmqq,,单双三效仿四效12340.911.752.53.33▲多效蒸发的生蒸气经济性理论值与效数成正比，其经验值也随效数增多而增加，但不成正比。即：多效蒸发，可提高生蒸汽的经济性。(2)经济性(3)生产能力和生产强度▲在相同条件下，虽然多效蒸发传热面积为单效蒸发的m倍，但生产能力小于单效蒸发；▲当多效蒸发的及各效Ai、Ki与单效相同时，多效蒸发的生产强度小于单效的1/m；▲为完成相同的生产任务，多效蒸发所需要的传热面积大于单效蒸发的m倍，多效蒸发经济性的提高是以增加设备费为代价的。即：生产能力：多效蒸发单效蒸发生产强度：多效蒸发单效蒸发Tt(4)多效蒸发中效数的限制和选择传热温度差的限制实际生产中加热蒸气压力和冷凝器的真空度都有一定的限制，因此理论传热温度差也有一定限制。而随效数增加，各效传热温度差损失之和增大。如果效数过多，蒸发操作无法完成。对沸点升高较大的溶液，效数对有效传热温度差的影响尤其显著。设备费用的限制如前所述，对一定的蒸发任务W，所需传热面积的增加，即设备费的增加比效数增加得要快，但由表5.4.1可知，生蒸气经济性提高的幅度随效数增加而减小。如果在设备的折旧年限内，再增加一效后节约的蒸气费用不足以抵消其设备投资时，则不能再增加效数。效数选择：生蒸汽经济性随效数提高幅度减小，而设备费用始终正比于效数。选取原则：设备费用和操作费用总和最小，通常选取2-3效。5.4.4提高加热蒸汽经济性的措施(1)额外蒸汽的引出(2)冷凝水的闪蒸(3)多效变级闪蒸(4)热泵蒸发(1)额外蒸汽的引出在多效蒸发中，可在前几效引出部分二次蒸气，称为额外蒸气,作为其它加热设备的热源。引出额外蒸气时，生蒸气的消耗量增加，但所增加的生蒸气量小于引出的额外蒸气总量，从总体来看，生蒸气的经济性提高了.上一效的冷凝水温度较高，可将其通过闪蒸器减压至下一效加热室的压力，则冷凝水由于过热将闪蒸产生部分蒸气。将它和上一效的二次蒸气一起作为下一效的加热蒸气，就相当于提高了生蒸气的经济性。(2)冷凝水的闪蒸(3)多效多级闪蒸优点：解决了物料易于在加热管管壁结垢的问题，经济性较高，可利用低压蒸气作为热源，设备简单紧凑，不需要高大的厂房，因而近年来应用渐广。缺点：动力消耗较大，所需的传热面积稍多。另外也不适用于沸点上升较大物料的蒸发。(4)热泵蒸发◆单效蒸发时，可将二次蒸气绝热压缩以提高其温度，然后送回加热室作为加热蒸气重新利用，这种方法常称为热泵蒸发。热泵蒸发的节能效果一般可相当于3～5效的多效蒸发。◆不适用于沸点升高较大物料的蒸发。另外，压缩机的投资费用较高等，限制了它的应用。作业:P3771、2、35.2.3多效蒸发的设计型计算已知：求：ppxtxF,,,,,00W，D，A（以平流流程为例）(1)物料衡算和热量衡算1)物料衡算总溶质：)1()(001nnniixxFWxWFFxWW任一效溶质：iixWWFFx)...(10)...(10iiWWFFxx2)热量衡算方法同单效（对第I效进行衡算）iiiiiiiiiiitcHttWcWCFctcHTcHDW*/1110')....(iiiiitcHTcHi'效蒸发系数第iiiiitcHtti'1效自蒸发系数第(2)蒸发器的传热面积计算和有效温差分配各效有：一般取：得：iiiitKQA333222111321::::AKQAKQAKQtttnAAAA....321332211321::::KQKQKQtttiiitKQKQt111/iiiiiitKQKQt/一般式：：各效有效温差itiritt