大学课件-化工原理-第5章蒸发.ppt

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1、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,(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

2、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（23.5m/s），且可调节；可用于蒸发粘度大，易

3、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。,5.3 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：,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：,(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,代入热流量公式得：,若

4、沸点进料，忽略热损失时，,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,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，

5、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),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,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

6、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：,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,(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。,(3) 平流加料流程 适用于有结晶析出的蒸发操作,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

7、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,单 双 三效仿 四效,2 3 4 0.91 1.75 2.5 3.33, 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

8、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,(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

9、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

10、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35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: P377 1、2、3,5.2.3 多效蒸发的设计型计算 已知： 求：,W，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：,任一效溶质：,2) 热量衡算 方法同单效（对第 I 效进行衡算）,(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：,