单效蒸发计算课件.pdf

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7.1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。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 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溶液的性质往往对蒸发器的结构设计提出特殊的要求。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，节婕蒸发操作应予考虑的重要问题。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-effect evaporation)721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)速缩热和溶液的焰浓图722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：水分的蒸发量；加热蒸汽消耗量；-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，单式中分别为料液、完成液的质量分数。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，DHS+=(F-W)入+WH+Dhs+Qt(3)D(Hs-hs)=F(h-hQ)+W(H-h)+Qt(4)式中 D-加热蒸汽消耗量，kg/s;t-加料液与完成液的温度，;九o,h,hs-加料液，完成液和冷凝水的热燃，kj/kg;H,Hs二次蒸汽和加热蒸汽的热始，kj/kgo式中热损失0可视具体条件来取加热蒸汽放热量(。火)的某一百分数。7.2.1单效蒸发的计算(2)热量衡算始值的计算：习惯上取0为基准，即0时的始为零，则有h=cT*3 kJo=。0,0-=C(/oh=ct-0=ct代入前面的两式得.D(H s _ g=F 力。)+W(H+Q,式中c。、c-料液和完成液的比热，kJ/kg-Ko7.2.1单效蒸发的计算(2)热量衡算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c0=c*(l-x0)+cBx0 c=c(l-x)+cBx式中 C-水的比热，kj/kg-K;cB溶质的比热，kj/kg K o7.2.1单效蒸发的计算一（2）热量衡算由式（3）或式（4）可得加热蒸汽的消耗量为:LJ H h忽略浓缩热时 d=尸（c,_c（A）+W（_8）+2 一 H-kJ J忽略浓缩热且 hct七丫 h _ h=Rs sF（cr-coro）+Wr+Qu R7.2.1单效蒸发的计算(2)热量衡算沸点进料，并忽略热损失和溶液浓度较低时,c=c0,贝4 W(H-ct)WrR R或D H-ct r 1=-lW R R式中称z/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)。7.2.1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 0A-乂式中 A蒸发器传热面积，m2;。一传热量，w；K传热系数，W/m2K;平均传热温差，Ko由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热,Arm=Ts-6且蒸发器的热负荷。=OR,所以有.Q drA=-=-K(Ts-t)K(Ts-t)7.2.1单效蒸发的计算（4）浓缩热和溶液的焰浓图如图73为NaOH水溶液以0 为基准温度的始浓图。0O O2o o o o O o o o o O0 8 6 4 21Aqm/n)、i?s塔B20 40 60 80 100NaOH浓度/质量分数图7-21氢氧化钠的皓液图7.2.2蒸发设备中的温度差损失蒸发器中的传热温差：*=（4-）加热蒸汽的温度：7；（若为150）蒸发室的压力为latm而蒸发的又是水：Z=T=100 C此时的传热温差最大，用片表示：Azt=7-7=150-100=50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=120,则有效传热温差，&=（7=150-120=30/比片所减小的值，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=ArT-A=(To-T)-(T0-t)=t-T 溶液沸点：z=T+A有效传热温差：Af=AfT-A一温度若损失的原因：_.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:以=或+型%e)式中小，4 某种溶液在两种不同压力下的沸点;4，t溶剂在相应压力下的沸点。722蒸发设备中的温度差损失一(1)溶液的沸点升高和杜林规则230如图74为不同浓度NaOH水溶液的沸点与 200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T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。:|01 了、岷想柜峡JOJO 100 150 200水的沸点/纥图7-22 N.OH水溶液的杜林线图722蒸发设备中的温度差损失一(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；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。230o o O 5 0 5-J0 100 150 200水的沸点/纥图7-22 N.OH水溶液的杜林线图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2溶液的沸腾温度来计算，液体在平均温度下的饱和压力：1Pm=P+LPg 乙式中 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，mo液柱静压强引起的溶液温度升高：An-1-t-h p+Lpg/2)Ip)所以沸腾液体的平均温度为：，=()+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A”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 A=A4AMA过程的传热温度差（有效温度差）：At=Ts-t=Ts-t（p）-A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A，”二l 吗？7.2.2蒸发设备中的温度差损失(4)单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。已知：F,x0,Zo,x设计条件：Po，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4及加热蒸汽用量O。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,匹)，4，工,Po，0女计算目的：核算蒸发器的处理能力方和加热蒸汽用量 或已知：A,F,%o，“,Po,Pk计算目的：反算蒸发器的K并求O。7.2.2蒸发设备中的温度差损失解题指南例题14，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4.91xi（）4pa,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lOnP,蒸 发海内遂液密度为L1350kg/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/Pa 10.13 x 104 4.91 x 104 2.94 x 1（）4溶液的沸点/107 74.4纯水的沸点/100 80.9 68.77.3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731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/O）（或用溶液中 蒸发出1kg水所需消耗的生蒸汽的量 O/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=lo实 际上，由于有热损失等原因，W/D 12.%731加热蒸汽的经济性第一效：1kg生蒸汽在第一效中可产生 1kg的二次蒸汽，将此1kg二 次蒸（%）引入第二效又可 蒸发1kg水，即第二效:W2=Wy=D 1kg 生 蒸汽在双效中的总蒸发量W=Wr+W2=2D,则 W/D=2依次类推：第三效：W/D=3,效：W/D=n o731加热蒸汽的经济性实际由于热损失，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/Z）的 值大致如下：效数 单效 双效 三效 四效 五效记minf 1.10.570.40.30.275max0.910.1752.53.333.707.3.2 多效蒸发(Multi-effect evaporation)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(cocurrent or forward feed):溶液与蒸汽的流向相同，称并流。逆流(coimtercurrent or backward feed):溶液与蒸汽的流向 相反，称逆流。错流(cross flow or mixed feed):溶液与蒸汽在有些效间成并 流，而在有些效间成逆流。平流(parallel flow or parallel feed):每一效都加入原料液 的方法。7.3.2 多效蒸发(Multi-effect evaporation)以三效为例加以说明：(1)并流流程蒸汽流动方向：2f 3溶液流动方向：1-2-37.3.2 多效蒸发(Multieffect evaporation)优点：a、由于前效的压强较后效高，PiP2P3，料液可借此压 强差自动地流向后一效而无须泵送；b、2X3，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，x3 X1X1,X t,t,3 2 1；溶液温度，tr ttv t t,J.3 2“1。这两个因素使得后一效粘度较前一效双倍提高，KI 1,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-effect evaporation)(2)逆流流程蒸汽流动方向：1-2-3 溶液流动方向：3T2Tl7.3.2 多效蒸发(Multi-effect evaporation)优点：Xj X2X3,X t,t,2 3；ti z2r3,n,i,41V 3。%、/对的影响大致抵消，各效的K基本不变。_缺点:_ _a、由于前效压强较后效高，PiP23，料液从后效 往前一效要用泵输送。b、各效进料(末效除外)都较沸点低，自蒸发不会 发生，所需要热量大。注：逆流流程不适用于热敏性物料(heat sensitive materials),为什么？7.3.2 多效蒸发(Multi-effect evaporation)(3)错流流程蒸汽流向：1-2-3惜流加料三效流程图 惜流加料三效流程图料液3-1-2料液2f 3Tl7.3.2 多效蒸发(Multi-effect evaporation)优点：兼有逆流与并流的优点。缺点：操作较复杂。7.3.2 多效蒸发(Multi-effect evaporation)(4)平流流程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)。7.3.3蒸发设备的生产能力、蒸发强度和效数的限制（1）蒸发器的生产能力和蒸发强度生产能力：单位时间内水分总蒸发量生产强度：单位传热面积的蒸发量（U=W/4）；在三效蒸发器中，蒸发器的生产强度为：。2。3Wl+W2+W3 _ 4 r2 r3 A1+A2+A3 A+A2+A3733蒸发设备的生产能力、蒸发强度和效数的限制假设：A1=A2=A3=A,不考虑温差损失及浓缩热等，且 各效蒸发器的传热系数相等，（二K2=&二K，小，2、，3 相差不大，可近似认为相等，即Q=贝Q。2。3U 二 丫2,3 一。1+。2+。3，A+A2+A3 3 ArK1A1t1+K2A2t2+K3A3At3 KAAtT KAtT3 Ar 3Ar 3rNt、+A2+M3=Ts tn7.3.3蒸发设备的生产能力、蒸发强度和效数的限制生产强 U=-=KAt-Ar r度：要增大U,可通过以下两个措施：增大传热温差,如提高加热蒸汽的温度或是降低 溶液的沸点（真空蒸发）。提高K。7.3.3蒸发设备的生产能力、蒸发强度和效数的限制真空蒸发：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 液的沸点。采用真空蒸发除可提高传热温差外，还可使热敏性 物料免遭破坏，并可利用工厂中低温的水蒸气作为热源。缺点：溶液沸点的降低使粘度增大，传热系数有所降低，此外，为维持真空操作须添加真空设备费用和一定量的动力 费。提高K：提高。的另一措施是提高K,而K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。7.3.3蒸发设备的生产能力、蒸发强度和效数的限制（2）多效蒸发效数的限制效数增多，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。O如图为单效蒸发和双效 蒸发传热温差的变化情况。At加热蒸汽温度图724单效蒸发改为双效蒸发 时，有效温差的变化7.3.3蒸发设备的生产能力、蒸发强度和效数的限制（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 热蛤及沸点上升等）。对于设计型计算，一般给定：原料状态：F,r0,x0；完成液浓度：xn;冷凝器温度与加热蒸汽温度：TiTs;各效蒸发器的传热系数：0；求：加热蒸汽用量：D;每效传热面积：A.o7.3.4提高加热蒸汽经济程度的其他措施(1)额外蒸汽的引出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加热蒸汽能蒸发1kg水。7.3.4提高加热蒸汽经济程度的其他措施以三效蒸发器为“=例，W2=W1-El=D-Elw2=w1-e2=d-e1-e1总蒸发水分量：W=Wi+W2+W3=3D-2E1-E2或 d=-+e1+-e23 3 1 3 2推广至效：D=+Ei+上A?+-En_r n n n n由上式可以看出：无额外蒸汽引出时，D=W/n由于引出额外蒸汽而多消耗的生蒸汽量：八 一1n n-2AZ)=-E H-E2+HEn7.3.4提高加热蒸汽经济程度的其他措施A0=i+2+-in n nn-l而引出的蒸汽总量 工区=1+4+段一1为：i=1 n-l比较上面两式：可知，AD 1,只要二 n次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。但是太后效引出的二次蒸汽没有用，因为if,pj,其用途有限。73.4提高加热蒸汽经济程度的其他措施73.4提高加热蒸汽经济程度的其他措施(3)冷凝水热量的利用(冷凝水闪蒸)73.4提高加热蒸汽经济程度的其他措施(4)逆流流程时 的溶液闪蒸溶液闪蒸的应用73.5蒸发操作的最优化冷凝水闪蒸器效冷凝水闪蒸器冷凝水闪蒸器 效冷凝水闪蒸器直接排掉错流多效蒸发系统流程图73.5蒸发操作的最优化4 a2 a3 a4 a5 a6 a7 Al 42 43 44 45 A 6 47/41 42 43&4&5&6 47/42&3&4&5&6 47/人41人42人43人44445人46人47/人51 人52 人53 44 45 56 人57/4 4 Ao匕8 49 20%8 49 A。438 49人40岂8人49 40458 49 60工68 469 4()178 49 Ao188 49人9098 A99 AoO_X修 b2 之 凡当 线_修0_=Al 人2 63 人4&65 666 仆67/41 42 人73 A74 475 476 477/41 42 43 44 45 人86 487/_A%A92 A93 A94 A95 496 A97/取不同值该模型就可以用于计算不同效数的多效蒸发过程。只要 保留或舍弃矩阵方程中的相关块矩阵，就可以简化为有或无引出额外蒸 汽预热原料液、有或无冷凝水闪蒸、有或无溶液闪蒸以及不同情况任意 组合的错流多效蒸发过程，还可以简化为并流流程或逆流流程。73.5蒸发操作的最优化1阮奇，陈文波，叶长桑，黄诗煌.复杂并流多效蒸发系统的数学模型与矩阵解法J.中国 工程科学，2001,3(4)：36-41.2阮奇，叶长槃，陈文波，叶长桀.复杂逆流多效蒸发系统常规设计的模型与算法J.化工 学报，2001,52(7)：616-627.3阮奇，黄诗煌，叶长桑，陈文波.多效蒸发系统优化设计目标函数的建立与求解J.计算 机与应用化学，2001,18(1)：69-75.4阮奇，叶长槊，陈文波，叶长桀.复杂逆流多效蒸发系统优化设计的模型与算法J.化工 学报，2001,52(8)：715-720.5阮奇，李玲，王勇，叶长桀，黄诗煌.并流多效蒸发淡碱浓缩工艺优化设计研究J.纺织 学报，2004,25-(6：49-53.6阮奇，黄诗煌，叶长桀，陈文波.用Visual Basic语言开发多效蒸发系统优化设计软件J.计算机与应用化学，2001,18(2)：152-156.7方佳林，阮奇，李微，林述英.有固相析出并流多效蒸发常规模型与算法J.四川大学学 报，2002,34(5).8李玲，阮奇，方佳林，林晓勤.有固相析出的并流多效蒸发系统优化设计研究J.四川大 学学报，2002,34(6)：62-65.9李玲，阮奇.有固相析出的逆流多效蒸发系统的新设计方法J.福州大学学报，2004,32(2)：235-241.10阮奇，李玲，陈文波，叶长槊，黄诗煌.并流多效蒸发淡碱浓缩的矩阵算法.纺织学 报.2004,25(1)：33-3611陈文波，陈华新，施得志，阮奇.并流多效蒸发系统的计算机辅助计算.福州大学学报(自然科学版).2001,29(3)：100-1047.4蒸发设备蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备。7.2.1 蒸发器(evaporator)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(circulation evaporator)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，又分为自然循环型和强制 循环型两类。自然循环(natural circulation):由于溶液受热程度不同产 生密度差引起。强制循环(forced circulation):用泵迫使溶液沿一定方向 流动。7.4.1 蒸发器(evaporator)(1)循环型蒸发器(circulation evaporator)垂直短管式二次蒸汽图7-2中央循环管式蒸发器741 蒸发器(evaporator)(1)循环型蒸发器(circulation evaporator)7.4.1 蒸发器(evaporator)(1)循环型蒸发器(circulation evaporator)外加热式（加热室与蒸发室分 开）741 蒸发器(evaporator)(1)循环型蒸发器(circulation evaporator)7.4.1 蒸发器(evaporator)(1)循环型蒸发器(circulation evaporator)强制循环蒸发器(forced circulat ion evaporat or)1-加热管；2-循环泵；3-循环管;4-蒸发窒；5-除沫器图7-4强制籥环型蒸发器741 蒸发器(evaporator)(1)循环型蒸发器(circulation evaporator)进料图7-5升膜式蒸发器7.4.1 蒸发器(evaporator)(2)单程型蒸发器(once-through evaporator)升膜式蒸发器(upward flow or climbingfilm evaporator)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，易结吗竺:晶、结垢的溶液。泠凝水 X741 蒸发器(evaporator)(2)单程型蒸发器(oncethrough evaporator)降膜式蒸发器(downward flow orfalling-film evaporator)加嘘适用于：粘度大的物料；不适用于：易结晶的物 料，因形成均匀的液膜较 难，K不图。mf液一二；(distributor)/I/二次蒸气separator完成液1-加热室2-分离 3-液体分布器3E.图7-6降膜式蒸发器741 蒸发器(evaporator)(2)单程型蒸发器(once-through evaporator)旋转刮片式蒸发器(agitated-film evaporator)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充成漉图7-8刮板式蒸发器(转子式)1-加热夹套；2-刮板7.4.2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 ar A a2 管外蒸汽冷凝热阻1/%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3/一般可以忽略；7.4.2蒸发器的传热系数 管内壁液体一侧的垢层热阻刷 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，件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1/%主要决定于沸腾液体的流动情 况。7.4.2蒸发器的传热系数(2)管内汽液两相流动形式在蒸发器、冷凝器或再沸器中，常出现管内气液两相同 时流动的情况。在不同的设备条件、操作条件和物性下，管 内呈现不同的流动型式。垂直管内汽液两相流动的型式有：a、气泡流；b、塞状流；c、翻腾流；d、环状流；e雾流。未同的流动型式对管内的流动阻力和给热系数带来不同的影 响。(3)管内沸腾给热7.4.3辅助设备除沫器冷凝器真空泵 疏水器