蒸发器 (单效、多效蒸发、蒸发设备).pdf

7蒸发7.1概述7.2 单效蒸发7.3 多效蒸发7.4 蒸发设备7.1概述(1)蒸发操作的目的 获得浓缩的溶液直接作为化工产品 或半成品。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。除杂质，获得纯净的溶剂。(2)蒸发的流程不置性气体M 蒸发装置示意图1小外室；2加收管：3中央循环管;1一.菱堂空；三-徐沫器；6抄便器7.1概述（3）加热蒸汽和二次蒸汽蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而 蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸汽也是水蒸气。为了 区别，将加热的蒸汽称为加热蒸汽，而由溶液蒸发出来的蒸汽称 之为二次蒸汽。（4）分类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。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）蒸发操作的特点沸点升高蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液。由拉乌尔定律可知:在相同温度下，其蒸汽压纯溶剂的为低，因此，在相同的压力 下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。故当加热蒸汽温一定时，蒸发溶液时的传热温差就比蒸发纯溶剂时来得小，而溶液的浓 度越大，这种影响就越显著。节约能源物料的工艺特性本章的重点就是研究上述问题，同时还考虑从二次蒸汽中 分离夹带液沫的问题。7.2单效蒸发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：分的蒸发量；热蒸汽消耗量；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。721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Fw0=（F水分蒸发量：3=尸（1-也）网0w=-完成液的浓度:F-W721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,DIS 十 刀。=（尸一W）i+W/+Dis+Q损（3）0（4，；）=b（i，0）+W（/_i）+Q 损（4）式中 D-加热蒸汽消耗量，kg/s；.加料液与完成液的温度，;i。，i，k加料液，完成液和冷凝水的热焰，kJ/kg；/，人二次蒸汽和加热蒸汽的热焰，kJ/kgo式中热损失。损可视具体条件来取加热蒸汽放热量（Dr）的 某一百分数。(2)热量衡算用以上两个式子进行计算时，必须预知溶液在一定浓度和温度 下的焰。对于大多数物料的蒸发，可以不计溶液的浓缩热，而由比 热求得其焰。习惯上取。为基准，即。时的焰为零，则有Z，0=C00 _ 0=C(/oi=ct Q=ct代入前面的两式得：D(Iis)=F(q-c0?0)+W(/-c?)+。损(2)热量衡算为了避免使用不同溶液浓度下的比热，可以近似认为溶液的比热 容和所含溶质的浓度呈加和关系，即Co=C*(1-WO)+CBWO*c-c(1-w)+cBw式中 C*水的比热，kJ/kg；cB-溶质的比热，kJ/kgo(2)热量衡算由式(3)或式(4)可得加热蒸汽的消耗量为:(Io)+W(/7)+%LJ Is is忽略浓缩热时 D=-.一八浓缩热且一a X r Is-is=rQ(a 0%)+，+。损ro(2)热量衡算沸点进料，并忽略热损失和溶液浓度较低时，。=。0,则A W(I-ct)Wru=-x ro ro或D I-ct r 1=-lW ro ro式中称。/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)。721单效蒸发的计算（3）蒸发器传热面积的计算由传热速率方程得 a=-2-KA&A-蒸发器传热面积，m2；。-传热量，w；K-传热系数，w/m2-K；Arm平均传热温差，Ko（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,&=一，且蒸发器的热负荷。，所以有D7A K（）K（）7.2.1单效蒸发的计算(4)浓缩热和溶液的焰浓图如图7-21为Na OH水溶液从0 为基准温度的焰浓图。120020 40 60 80NaOH浓度/质量分数图7-21 氢氧化钠的培浓图1007.2.2蒸发设备中的温度差损失蒸发器中的传热温差等于T），当加热蒸汽的温度7。一定（如用47kkN/m2（绝压）的水蒸气作为加热蒸汽,T=150）,若蒸 发室的压力为la t m而蒸发的又是水（其沸点T=100）而不是溶液，此时的传热温差最大，用加丁表示:ArT=T0-7=150-100=50如果蒸发的是30%的Na OH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Ay I；150-120=30，4比 4T所减小的值，称为传热温度差损失，简称温度差损失，用表示7.2.2蒸发设备中的温度差损失传热温差损失A=A?=(T0 T)(T。，)t T溶液沸点t=T+A有效传热温差Nt=A?t A温度差损失的原因：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;蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管是产生的摩 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（D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：W W，A=4+K（%-巴）式中人和或代表某中种液体（或者溶液）在两种不同压力下 的沸点，几和E代表溶剂在相应压力下的沸点。(D溶液的沸点升高和杜林规则如图7-22为不同浓度Na OH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Na OH水溶 液浓度为零时，它的沸点线为一条 45。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。5050 100 150 200水的沸点C图7-22 N/OH水溶液的杜林线图(1)溶液的沸点升高和杜林规则由该图可以看出：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；浓度范围只需要知的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5溶液的沸腾温度来计算，液体在平均温度下的饱和压力:1 r Pm=PjLpgp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，mo（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响液柱静压强引起的溶液温度升高：八（+?田）-5）所以沸腾液体的平均温度为：/=在大多数教材中，液柱内部的平均压力取的是液面压力和液柱 底部压力的平均值，即1 rPm=P+LpG及=t（P+：Lpg）T（p）7.2.2蒸发设备中的温度差损失（3）因蒸汽流动阻力引起的温度差损失在多效蒸发中，末效以前的二次蒸汽流到下一效的加热室的过程 中，为克服管道阻力使其压强降低，二次蒸汽的温度也相应的降低，由此引起的温度差损失为，。总的温度差损失 =AA1+A1蒸发过程的传热温度差（有效温度差）：Az=T0 t T A注意：中A，为前一效蒸汽到下一效时由于阻力损失而引起的温度差损失。若单效蒸发，已知入口蒸汽（生蒸汽）的温度，则时要计入I 吗？7.2.2蒸发设备中的温度差损失(4)效蒸发过程的计算设计型计算：给定蒸发任务，要求设计经济上合理的蒸发器。给定条件：料液流量尸，浓度/，温度。以及完成液浓度；设计条件：加热蒸汽的压强以及冷凝器的操作压强主要由可供使用 的冷却水温度来决定；计算目的：根据选用的蒸发器形式确定传热系作，计算所需供热 面积A及加热蒸汽用量。o(4)效蒸发过程的计算操作型计算：已知蒸发器的结构形式和蒸发面积给定条件：蒸发器的传热面积 弱给热系数，料液的进口状态。叫与，完成液的浓度要求，加热蒸汽与冷凝器内的压 F DA 用虽。/tQ w计算目的：核算蒸发器的处理能力和加热蒸汽用量或：已知条件：，。加热蒸汽与冷凝器内的压强;计算目的：反算蒸发器 的并求；73多效蒸发利用二次蒸汽的潜热利用冷凝水的显热（如预热原料液）7.3.1 多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）第一效：。1kg生蒸汽在第一效中可产生1kg的二次蒸汽，将此fkg二次蒸（叱）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=2。，所以电二2w D依次类推：三效也=3,，效上.D n731多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）但实际上，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：效数单效双效三效四效五效3 同min1.10.570.40.30.27nmax0.910.1752.53.333.70732多效蒸发流程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：溶液与蒸汽的流向相同，称并流。逆流：溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。错流：溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流。平流：每一效都加入原料液的方法。下面以三效为例加以说明：(1)并流流程(图7-14)蒸汽流动方向：1 一2一3溶液流动方向：1 一 2一3.732多效蒸发流程(1)并流流程优点：由于前效的压强较后效高，P1，、，料液可借此压强差自动地流向后一效而无须泵送；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,便修用，丁，？便使得工 片 溶液温度，”3,便使得732多效蒸发流程(2)逆流流程图7-15蒸汽流动方向：3 一 2一 1溶液流动方向：1 一 2一3不凝性气体123 T，以2 3T,完成液E*荀水图7-15逆流加料流程W 君 的影响大致抵消，各效的 基本不变。缺点：由于前效压强较后效勘IP2P3,料液从后效往前效要用泵输送。各效进料(末效除外)都较沸点低，自蒸发不会发生,所圣而时舄+&732多效蒸发流程(3)错流流程溶液流向：3一 1 一2或2 一3一 1蒸汽流向：1 一 2一3优点：兼有逆流与并流的优点。缺点：操作较复杂。(4)平流流程图7-16各效分别进料并分别出料，二 次蒸汽多次利用，对易结晶的物料 较合适(因为结晶体不便在效与效 之间输送)。不凝性气体图7-16平流加料流程733多效蒸发的生产能力、蒸发强度和效数的限制（1）蒸发器的生产能力和蒸发强度蒸发器的生产能力可用单位时间内水分总蒸发量w来表示，而生产强度为单位传热面积的蒸发量（=：），在三效蒸发器中，A蒸发器的生产强度为Qi+2+。3W总二叱+%+卬3=毛 丫2 GA 总 4+4+&A+&+&(1)蒸发器的生产能力和蒸发强度假设各效传热面积相等，即4=4=4=A,不考虑温差损失及浓 缩热等，且各效蒸发器的传热面积系数相等，k1=k2=k3=k9由前 面学过的我们可以知道，G、q相差不大，可近似认为相等，Q-Dr0=Wr则+。2+Q _ KlAiAt1+K2A2加2+K3A3加3 _ 必M _ KAtT3 Ar 3Ar 3Ar 3r(1)蒸发器的生产能力和蒸发强度真空蒸发：提高生产强度(u=KAt)的途径之一是增大传热温 A差加，提高加热蒸汽的温度或是降低溶液的沸点均可增加加O加热蒸 汽的温度(及相应压强)受锅炉额定压强的限制，因此，在许多情况下,需要采用真空蒸发以降低溶液免遭破坏，并可利用工厂中低温的水蒸气 作为热源。缺点：但是，溶液沸点的降低使粘度增大，传热系数有所降低，止匕外,为维持真空操作须添加真空设备费用和一定量的动力费，这也是它的缺 点。提高K：提高的另一措施是提高K,而K的主要取决于蒸发器的 结构，操作方式和溶液的物理性质。合理的设计蒸发器结构以建立良好 的溶液循环流动及时排除加热室中不凝性气体，经常清除污垢等均可提 高K o733多效蒸发的生产能力、蒸发强度和效数的限制由于二m=型可以看出，蒸发设备的生产强度取决于4和K，Ar r因此要提高，必须提高4和K。（2）多效蒸发效数的限制前面我们讲过，效数增多，设备的生产强度降低，而加热蒸汽经济性 提高，因此，必须合理选择效数以便设备费和操作费之和最少。这是一 个优化问题。（3）多效蒸发计算描述多效蒸发过程的参数很多，但各类参数之间受到一些基本方程 的约束，这些基本方程可分为：物料衡算式，热量衡算式，传热速率式 及物性函数式（如水蒸气性质，物料热焰及沸点上升等）。(3)多效蒸发计算对于设计型计算，一般给定：原料状态：尸，10,%完成液浓度：叫冷凝器温度与加热蒸汽温度 各效蒸发器的传热系数：KJ 要求加热蒸汽用量：4 每效传热面积：。734提高加热蒸汽经济程度的其他措施（D额外蒸汽的方法不考虑同压力下蒸发潜热的差别，自蒸发的影响和热损失等次 要因素，并假设进料是在沸点下进入，则可认为每1kg加热蒸汽的 蒸发1kg水。以三效蒸发器为例，可推出（见图7-17）图7T7引出额处薨汽的签发流程(1)额外蒸汽的方法WX=DW2=W1-Ex=D E、W.=W2-E2=D-Ex-E2水的总蒸发量：W=叱+%+%=3D-2EE?w?1或 D=-+-E1+-E23 3 1 3 2推广至效：生+0用+匕鸟+工 n n n n由上可以看出：无额外蒸汽引出时，。二上(1)额外蒸汽的方法喳 由于引出额外蒸汽而多消耗的生蒸汽量:AD=El+-E2+-+-En Yl yi yi而引出的蒸汽总量为：n-15 Ej=E、+E2+,+E I i Z 721i=l比较上面两式：可知，AO,，即引出额外蒸汽作为其它加热设备 的热源所需补充的生蒸汽量等于郡出的额外蒸汽的总量，这比从锅炉内引 出生蒸汽作为其他设备的加热热源合算。3Z，广，匕，心，只要二次n n蒸汽的温度能满足要求，即越后效引出越合算，蒸汽利用率越高，太后效 引出的二次蒸汽没有用，因为T，il，P,J相途有限。734提高加热蒸汽经济程度的其他措施（2）二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）（3）冷凝水热量的利用（图7-19）国7T9冷凝水（1蕙发的应用A.R-1I发都；1 一冷概水排出器,2-冷凝水H茎发器7.4蒸发设备蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备7.4.1 蒸发器蒸发器主要由加热室和分离室组成。加热室有多种多样的形 式，以适应各种生产工艺的不同要求。按照溶液在加热室中的运 动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型(不循环)两类。(1)循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。由于 引起循环运动的原因不同。有分为自然循环型和强制循环 型两类。自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起。强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动。(1)循环型蒸发器垂直短管式(图7-2)二次蒸汽完成液国7-2中央循环管式需发号:一夕、壳：2小信室，J中夬循环管；4一携发空：5-除床盘(1)循环型蒸发器热式加热室与蒸发室分开(图7-3)产二次蒸汽1-加热室；2-蒸发室；3-循环管图7-3外管式蒸发器(1)循环型蒸发器循环蒸发器(图7-4)1-加热管；2-循环泵；3-循环管;4-蒸发室；5-除沫器图7-4强制循环型蒸发器（2）单程型蒸发器升膜式蒸发器（图7-5）适用于：蒸发量大（较稀的溶液），热敏 性及易起泡的溶液。不适用于：高粘度，易结晶、结垢的溶液。图7-5升膜式蒸发器（2）单程型蒸发器降膜式蒸发器（图7-6）适用于：粘度大的物料；不适用于：易结晶的物料，固形成 均匀的液膜较难，不高。（2）单程型蒸发器刮片式蒸发器（图7-8）特点：借外力强制料液呈膜状流动，可 适应高粘度，易结晶、结垢的浓 溶液蒸发缺点：结构复杂，制造要求高，加热面 不大，且需要消耗一定的动力t空成液0 7-8转r式刮板重发器1 夹套；2 刮灰742蒸发器的传热系数(1)蒸发器的热阻分析蒸发器的传热热阻可由下式计算K ax+a1a2管外蒸汽冷凝热阻一般很小，但须注意及时排除加热室中不 凝性气体，否则不凝性气体在加热室内不断积累，将使此项热阻明显 增加；管壁热阻。一般可以忽略；a742蒸发器的传热系数管内壁液一侧的垢层热阻?，取决于溶液的性质及管内液体的运动 状况。降低垢层热阻的方法是定期清理加热管，加快流体的循环速度，或加入微量阻垢剂以延缓形成垢层；在处理有结晶析出的物料时可加入 少量晶种，使结晶尽可能地在溶液的主体中，而不是在加热面上析出；管内沸腾给热阻J-主要决定于沸腾液体的流动情况。a?(2)管内汽液两相流动形式(3)管内沸腾给热.743辅助设备蒸发辅助设备有除沫器、冷凝器、输水器、真空泵 等。具体的结构与设计可自己看书或是查阅相关资料，在课程设计中还会详细用到。