蒸发和蒸发器的介绍.pdf

教学目标:ea掌握内容：Q蒸发操作的基本原理；Q典型蒸发器的构造、特点、适用范围；单效蒸发的流程与工艺计算。ca理解内容：Q蒸发操作的基本原理；。典型蒸发器的构造、特点、适用范围；Q单效蒸发的流程与工艺计算。由了解内容：。蒸发操作的节能措施与多效蒸发：流程，效数限度。蒸发操作原理及典型设备的构造、特点;。单效蒸发工艺计算；。蒸发操作的节能措施。难点：。蒸发设备的构造、原理；O温度差损失概念的理解与确定。一、基本概念将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称为 蒸发。利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特 性使两者实现分离。蒸发操作的目的：A获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品。A脱除溶剂。此过程常伴随有结晶过程A去除杂质。(1)制取液体产品。(2)生产固体产品；(3)制取纯溶剂；(4)同时制取浓缩液和回收溶剂。被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其它溶液，而工业上处 理的溶液大多为水溶液，所以本章仅讨论水溶液的蒸发。稀溶液（料液）经过预热加 入蒸发器。蒸发器的下部是由许 多加热管组成的加热室，在管外 用加热蒸汽加热管内的溶液，并 使之沸腾汽化，经溶缩后的完成 液从蒸发器底部排出。蒸发器的 上部为蒸发室，汽化所产生的蒸 汽在蒸发室及其顶部的除沫器中 将其中夹带的液沫易于分离，然 后送往冷凝器被冷凝而除去。蒸发流程的两个必要的组成部分:加热溶液使溶剂汽化一蒸发器 不断除去气化的蒸发溶剂一冷凝器二次蒸汽热源 水蒸气-加热蒸汽蒸发时蒸汽 水蒸气-二次蒸汽通常采用冷凝的方式将二次蒸汽排除。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 度差的降低。能耗较大：蒸发操作所汽化的溶剂量较大，需要消耗大量的加热蒸 气。因此需要考虑热量的利用的问题。溶液特性：有些物料浓缩时易于结晶，结垢；有些热敏性物料由于 沸点升高更易于变性；有些则具有较大的粘度或较强的腐蚀性，等等。需要根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备。三.蒸发操作的分类L按二次蒸气的利用情况分：单效蒸发和多效蒸发单效蒸发:将二次蒸气不在利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸 发操作。多效蒸发:若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸气,则可提高加热蒸气（生蒸气）的利用率，这种串联蒸发 操作称为多效蒸发。常压、加压、减压(真空)蒸发常压蒸发:设备简单，操作方便，可采用敞口设备，二次蒸汽 可直接排放在大气中，但会造成大气污染，适用于临时性或小 批量的生产。加压蒸发:可提高二次蒸汽的温度，有利于二次蒸汽的利用，但要求加热蒸汽的压力较高。+减压蒸发:沸点低优点：(1)传热温度差A3 T；(2)可利用低压蒸汽或废汽作为加热蒸汽；(3)可防止热敏性物料变质或分解；(4)沸点温度低，减少热损失。缺点：真空装置，需消耗动力和增加设备适用于处理热敏性物料。3.按操作过程是否连续分:间歇蒸发，连续蒸发间歇蒸发:一次加料一最终Xi出料或连续加料维持液面，Xi一次出 料。溶液浓度和沸点随时间改变，为不稳定操作，适于小规模，多 品种的场合。连续蒸发:稳定操作,适于大规模的生产过程。第二节蒸发设备加热室分离室蒸发器除沫器冷却始不鬟性气体 混合冷凝叫:二次次才军昌蒸发设备I辅助设备r除沫器（汽液分离器）冷凝器真空装置用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器原料液加热蒸汽/蒸发室/加热室 琉水器冷凝水完成液V水蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化，并移去,由加热室和分离室两部分组成。蒸发设备简图冷凝器与蒸发器的分离室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，分为两大类：循 环型和单程型（不循环）。（一）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，溶液在蒸发器内停留时间长，溶 液浓度接近于完成液浓度。由于引起循环运动的原因不同，分为自然循环型和强制循环型两类。，自然循环型:由于溶液受热程度不同产生密度差引起。80的饱和水蒸汽的汽化潜热分别为 2205kJ/kg 23087kJ/kga原料液温度为0。W+尸 ggf+Ql r1333x2308+20003.77x(8030)[phone]/10002205b原料液温度龙0。加+bcG幻+GLJ-=158&g/zr1333x2308+2000 x3.77x(80-80)[phone]/10002205c.原料液温度为2(JC。%+尸 CG%0)+QlLJ-=1417kg/hr1333x2308+2000 x3.77x(80-120)+12000AtT,称为理论传 热温差。由于各种原因导致溶液沸点升高使的实际传热温差(FL)较理论传 热温差要小，其差值称为温度差损失AA=AtrAt=(T-T,)-(T-t1)=t1-Tr由于因此实际传热温差At=AtA,即只要已知温度差损失A就可得 到实际传热温度差。造成温度差损失的主要原因是：(1)因溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差A，；(2)蒸发器操作时需维持一定液位，因加热管内液柱静压强而使沸 点升高A(3)二次蒸汽由蒸发器分离室流动到冷凝器(或下一效蒸发器加热室)时产生压强降，导致的温度差损失A，(若T，指分离室温度时，A =0)。总的温度差损失为三项之和，即人=工+人”+人”，（1）因溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失A，设tA为仅考虑因溶质存在时引起蒸汽压下降时溶液的沸点，则 A，=tzT，。A值的大小与溶液的种类、浓度以及操作压强有关，通常 采用两种方法计算：.经验估算法（吉辛科法）对常压下由于蒸汽压下降而引起的沸点升高Aa，进行修正用于操 作压强下的温度差损失。Ar=fAa，式中：Aa，一常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，Aar=tA-100tA常压下溶液的沸点，,f校正系数，无因次，f=0.0162Tr2/rrr,分别为实际操作压强下水的沸点，K和汽 化潜热，kJ/kgo杜林规则：说明溶液的沸点和 相同压强下标准溶液沸点之间呈线 性关系。由于纯水在各种压强下的沸点 容易获得，故一般选用纯水为标准 溶液，只要知道溶液和水在两个不 同压强下的沸点，在直角坐标图中 以溶液沸点为纵标，以纯水沸点为 横标，以溶液浓度为参数，即可得 到一条直线。纯水沸点因此，对一定浓度的溶液，只要知道它在两个不同压强下的沸点,再查出相同压强下对应水的沸点，即可绘出该浓度溶液的杜林直线，由此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。对查图法已知 p-r-tA-Ar=tA-Tr截距法在图中杜林直线上任选两点M、N,其对应压强分别为Pm、Pn，对 应压强下溶液的沸点、水的沸点分 别为 tA、tW twr,如图：则直线斜率为:若某压强下水的沸点tw=0,则上式整理成截距计算式为:1a 工人 k twr=ym浓度不同的溶液之杜林直线互不平行，但斜率k与截距ym均为溶液质 量浓度X,即：Bk=f(x)ym=g(x)如NaOH水溶液：k=l+0.142xym=150.75x2-2.71x计算过程：A据质量浓度x计算七%A代入截距方程ym=t/-k tw懈的tAAr=tA-Tro o o o o5 0 5 0 5 2 2 1150 100 150 200水的沸点CNaOH水溶液的杜林线图0在中央循环管蒸发器内将NaOH水溶液由10%浓缩到20%，求:采用经验估算法计算50kPa时溶液的沸点利用杜林直线采用查图法计算50kPa时溶液的沸点(3)利用杜林直线采用截距法计算50kPa时溶液的沸点查附录得20%m011水溶液在10133下沸点升高值为 Aa9=8.5查附录得50kPa时水的饱和温度为T9=81.2,水的汽化热 r9=2304.5kJ/kgc 0.016XT+273)2 0.016宜81.2+273)2 ooinI=-=-=O.oo 1923045rAz=fA/=0.8819 X 8.5=7.5 溶液沸点：tA=A+T=7.5+8L2=88.7 据50kPa下水的沸点为8L2,查P296“NaOH水溶液的杜林线图”的20%直线，得纵标，即溶液沸点tA=88(3)Na0H水溶液杜林直线：y=1+0.142x=1+0.142x 0.2=1.028ym=15Q75%2 2.7lx=15Q75x 0.22-2.7lx0.2=5.488，v ym=tA-%=ym+kt=5.488+1.028x81.2=88.96（2）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失某些蒸发器的加热管内积有一定高度的液位，使得液面以下液体承 受更大的压强，因而导致沸点升高。液层内部沸点与表面沸点之差即 为因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失取液层中部平均压强Pm下对应的沸点tpm为依据。设分离室压强为明 Pa,液面高度为J则液层底部压强为：Pm=p，+必土溶液的平均密度，kg/m2；L液层高度，mo对应的温度差损失:N=tp-tpm 压强Pm下水的沸点，（因溶液沸点难于查取，故取该压强下纯 水沸点近似作为溶液沸点）tp，与二次蒸汽压强p，对应的水的沸点，p 一液体密度，kg/m3o(3)由于管路流动阻力而引起的温度差损失及二次蒸汽由分离室流到冷凝器(或下一效加热室)时，因管道流动 阻力使二次蒸汽的压强有所降低，温度也相应下降，由此引起的温度 差损失即为八。因二次蒸汽产生的压强降，随管路的布置情况而异，其计算较繁。通常根据生产经验值选取：单效蒸发：二次蒸汽蒸发器一冷凝器 A=115多效蒸发：二次蒸汽蒸发器一冷凝器。A=115多效蒸发：二次蒸汽 蒸发器一下一效加热室在三种温差损失的计算中，以为最大，为一主要影响因素。选用经验值表5-3列出了不同类型蒸发器的传热系数的大致范围，供参考。现场查定对已有的蒸发设备可用实验方法确定其K值，测定方法和换热 器传热系数的测定方法相同。公式计算：K=-f+、+&+一%X%K 值约为6006000W/m2K1K=-j-+用+万+尺（）+%z a0 Qs=KAtmQ=Dr A*=TF将10%的NaOH水溶液蒸发到45%,处理量为1800kg/h,原料液 温度60,比热为3.4kJ/kg,加热蒸汽和分离室压强分别为400kPa 和50kPa,蒸发器内液面高度为2m,溶液平均密度为1400kg/m3,总 传热系数K。为1500W/(m2C),若热损失为传热量的10%,忽略稀释 热，试计算加热蒸汽消耗量，水分蒸发量，产品量及所需传热面积。解:查附表十:p=400kPa下蒸汽T=1434，r=2138.5kJ/kg p=50kPa下二次蒸汽T=812，rr=2304.5kJ/kg水分蒸发量W=F 1-k X1?/0 1、=180(11 幺 0.45)=1400 kg/h产品量 G=(F-W)=1800-1400=400kg/h(3)加热蒸汽用量Dr=Wr+FCp0(t1-t0)+QLV QL=0.1Dr:.Dr=l.lWr+FCpo(t/to)/r 其中：t1=T,+A=81.2+A,+A,A,zA，的计算采用杜林规则的截距法：因溶液在蒸发器中循环接近完成液，故取x=0.45k=l+0.142x=l+0.142 X 0.45=1.0639ym=150.75x2-2.71x=150.75 X 0.452-2.71 X 0.45=29.313=Ym+ktw，*A Ka。twr=ym+(k-1)twr=29.31+(1.0639-1)X81.2=34.5A 的计算:,PgL“1400 x9.81x2 pm=p!+-=50+-=63.73 kPam 2 2x1000查得：Pm=63.73kPa下水沸点tpm=87.2Ar-tDm-t/=87.2-81.2=6.0取A力=L2Ct1=81.2+34.5+6.0+1.2=122.9 故:D=l.l X 1400 X 2304.5+1800 X 3.4 X(122.9-60)/2138.5=1858kg/h(4)传热量：Q=Dr=1858 X 2138.5/3600=1103.7 kW传热面积:S0=QKo(T-tl)11037001500k(143.4-1229)=36m2第四节节能与多一、蒸发器的生产能力与蒸汽的经济性(一)1、茎 二 用单位时间内蒸发的水分量表示，即蒸发量W(kg/h)：Q KSAtW=-=-2、蒸发器的生产强度U简称蒸发强度，是指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量,kg/(m2-h)亚 1U=IS,1沸点进料，且不计热损失 Q=及必2=Dr=Wrr常数u是评价蒸发器在一定操作条件能优劣的重要指标。U的影响因素主要为总传热系数和传热温度差O操作条件下r为常量.kT因此，提高蒸发器的生产强度的途径有二:A提高热源的温度：如采用高温热源A降低溶液的沸点：如采用真空蒸发(2)增大总传热系数K增大管内对流传热系数a j减少管内侧污垢热阻（二）加热蒸汽的经济性加热蒸汽的经济性是指1kg加热蒸汽可蒸发的水量。若原料液在沸点下进入蒸发器，忽略热损失，则有:D。-W re称为单位蒸汽消耗量，表示每蒸发1kg水所需消耗的加热蒸 汽量，可用来说明加热蒸汽的利用率。为节约能源，降低能耗，需提高加热蒸汽的经济性。其中最 主要的途径是采用多效蒸发。L并流流程又称为顺流加料加料流程，是工 业上最常见的加料模式。蒸汽流动方向：一 2一 3溶液流动方向：f2-3料液可自动流入下一效，无需泵输送；溶液会发生闪蒸而产生更多的蒸汽；传热推动力依次减小；K依次减小；完成液并流多效蒸发2,逆流流程:蒸汽流动方向：3 一2 一 1溶液流动方向：1-2-3优、缺点：料液需用泵送入下一效;传热推动力较为均匀；不凝性气体完成液少“司水逆流多效蒸发az注注班力 aa q各效独立进料，传 热状况均较好；物料停留时间较短适于：较大的溶液蒸发平流多效蒸发器本流程的特点是在各效间兼用并流和逆流加料法。溶液流向：3一 1 一2或2 一3一 1蒸汽流向：1-2-3优、缺点：兼有并、逆流的优点;操作复杂；适于：料液粘度随浓度显著增 加的场合。（二）多效蒸发的经济性及酮L加热蒸汽的经济性多效蒸发单位生蒸汽消耗量D/W比单效蒸发小，操作费比单效蒸发小;效数 单效双效三效四效五效（D/w）min 的 1 0.5 0.33 0.25 0.2理论值/W）加加的 1.1 0.57 0.4 0.3 0.27实测值说明蒸发同样数量的水分，采用多效蒸发时为小，可节省生 蒸汽用量，提高生蒸汽的利用率。是不是效数越多 越好？随着效数的增多，（D/W）min下降的幅 度不断减小；设备的费用是随着效数的增加而增加的；技术上的限制效数不能随意增加，一般常见23效。总费用效数注：必须对设备费和操作费进行权衡以决定合理的效数。三、提高加热蒸汽经济性的其他措施蒸发的过程是一耗能较大的单元操作，而蒸发过程的主要热源为加热 蒸汽，因此，如何提高加热蒸汽的经济效率，是蒸发操作节能的重要 途径。1.二次蒸汽的部分利用（额外蒸汽的引出）将蒸发器蒸出的二次蒸汽引 出作其他加热设备的热源，则此 二次蒸汽称为额外蒸汽2.冷凝水显热的利用在多效蒸发操作中，因后一效的加热蒸汽是前一效的二次蒸汽，所 以加热蒸汽的压力是逐效降低的，这样就可以利用前一效中冷凝水压力 高于后一效加热蒸汽压力的特点（其对应的温度亦高）将冷凝水减压至 后一效加热蒸汽的压力，冷凝水必因自蒸发而产生一部分蒸汽，这部分 蒸汽和前一效的二次蒸汽一起作为后一效的加热蒸汽，从而提了生蒸汽 的经济程度。3.二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）热泵蒸发器是对二次蒸汽作功，提高其压力，从而提高其饱和温度，当温度 提高到满足蒸发器内传热需要的温度除时，再送回远蒸发器中作为加热蒸汽。这 样除了开工时需要生蒸汽外，正常操作后，对二次蒸汽作功，可以达到循环使用 二次蒸汽的目的。热泵蒸发流程用于蒸发沸点升高小的溶液时较为有利，对沸点升高较大的不适用