化工原理：蒸发.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,/56,化工原理,电子教案,/,第七章,目录,第七章 蒸 发,第一节 概述,一、什么是蒸发,二、蒸发的目的,三、蒸发的基本流程,四、蒸发的特点,第二节单效蒸发,一、物料衡算,二、能量衡算,三、加热面积的计算,四、传热温差损失,1,化工原理,电子教案,/,目录,目录,第三节 多效蒸发,一、多效蒸发及其流程,二、多效蒸发与单效蒸发的经济性比较,三、多效蒸发效数的限制原因,第四节,提高生蒸汽热能利用程度的措施,第五节,蒸发设备,一、循环型,二、单程型,2,化工原理,电子教案,/,目录,目录,第六节 强化传热的方法,第七章小结,第三版第,18,次印刷的教材更正,3,化工原理,电子教案,/,目录,第七章 蒸发,第一节概述,一、什么是蒸发,?,二、蒸发的目的,溶剂,S,溶质,A（,不挥发）,溶剂,S,加热,（1）获得浓缩的溶液,（2）获得固体溶质,（3）除去杂质,将含有不挥发性溶质的稀溶液加热，使其中部分溶剂汽化、除去的单元操作，称为。,溶液,4,第一节概述,三、蒸发的基本流程,除沫器,二次蒸汽,蒸发室,加热室,不凝性气体,（生蒸汽）,冷凝器,蒸发器,(,加热室,，,蒸发室,),除沫器,冷凝器,真空装置,(,间壁式换热器,),思考,2,：,如图为真空式操作设备，为什么图中冷凝器的放置高度要很高？,思考,1,：,生蒸汽与二次蒸汽何者温度高？,5,第一节概述,按冷凝器压力分,按二次蒸汽是否用作生蒸汽,单效蒸发：如上图,多效蒸发：,真空,常压,加压,6,第一节概述,四、蒸发的特点,能耗大,-,要将含有不挥发物质的溶液加热到沸点；,沸点升高,-,要比纯溶剂沸点高；,传热温差逐渐减小,-,从料液进口到出口浓度，沸点）,传热条件有逐渐恶化的趋势,-,溶液易结晶、易结垢、粘度逐渐变大而使传热条件恶化。,除沫器,二次蒸汽,蒸发室,加热室,（生蒸汽）,不凝性气体,冷凝器,传热、传质共存，传热是为了传质。,不同与一般相变传热之处：,7,第二节单效蒸发,已知：,F、x,0,、t,0,、x,计算内容：,完成液量,L、,二次蒸汽量,W、,加热蒸汽量,D、,加热面积,A,一、物料衡算,D,A,D,8,二、能量衡算,已知：,F、x,0,、t,0,、x,计算内容：,完成液量,L、,二次蒸汽量,W、,加热蒸汽量,D、,加热面积,A,式中，,F,已知，,W,可由物料衡算得到，而,H,、,H,s,、,h,s,均为温度的函数，易查取。但溶液的焓,h,、,h,0,不易直接得到。,9,b.,无明显浓缩热的体系,h,需查焓浓图，如图,7-3,。,a.,有明显浓缩热的体系,稀释热,10,假定：,H,s,-,h,s,=R（,加热蒸汽汽化热）；,h,h,0,（沸点进料）,H,-,h,r（,二次蒸汽汽化热）；,Q,l,0,-,汽化1,kg,水所消耗的生蒸汽量,D/W,1,实际上：,D/W=1.1,1kg,的生蒸汽换,1kg,二次蒸汽，可见能耗之大！,11,三、加热面积的计算,K,值约为6006000,W/m,2,K,P,t,取决于：,操作压力,P,、溶液浓度、蒸发室内液层深度，因此，,t T。,P,=t-T-,传热温差损失,已知：,F、x,0,、t,0,、x,计算内容：,完成液量,L、,二次蒸汽量,W、,加热蒸汽量,D、,加热面积,A,12,P,P,引起传热温差损失的原因：,=t-T-,传热温度差损失,P,（,1,）由二次蒸汽的阻力损失引起的，记作,。,此项影响很小，通常忽略不计或取,=1,四、传热温差损失,（2）由蒸发器内液层深度引起的，记作,。,与设备结构有关，有些设备液柱可高达36,m，,有些设备中此项损失可不计。,压力,P,水的沸点,t,1,t,w,t,1,压力,P,水的沸点,t,w,计算如下：,13,P,P,（,3,）溶液沸点升高（与同压力下纯溶剂相比）,，记作,-杜林规则,=,+,+,-,传热温度差损失,P,四、传热温差损失,压力,P,水的沸点,t,w,由杜林线或杜林规则查得某一浓度下的溶液沸点,t,。,t,t,w,某液体（或溶液）在两种压力下的沸点之差与某标准液体（如水）在该压力下的沸点之差的比值近似为常数。如图。,计算如下：,水,20,40,水的沸点,溶液的沸点,14,四、传热温差损失,P,P,P,（,1,）取,1,（,2,）取,P,P,【,例,1】,浓缩,KOH,水溶液，完成液浓度为,60g KOH,/100g,水，,P,21.07kPa,，液面高度,L=1m,，溶液密度,1600kg/m,3,。,（,3,）由,P,21.07kPa,查得水的沸点为,T=61.2,由,P=28.92,查得水的沸点为,t,w,=68.2,68.2,61.2=7,【,解,】,15,四、传热温差损失,P,P,P,（,4,）由,P=28.92,查得的水的沸点,68.2,，查,KOH,水溶液的杜林线（图,7-5,）得,t=87.7,87.7,68.2=19.5,=,+,+,=19.5+7+1=27.5,!,错误的解法：,由,P,21.07kPa,查得的水的沸点,T=61.2,，查,KOH,水溶液的杜林线（图,7-5,）得,t=80,80,61.2=18.8,教材更正：,P223,例,7-6,，,t,求解错误。,16,单效蒸发举例,【,例,1】,将,7%,（质量分率，下同）的某种水溶液在常压单效蒸发器中浓缩到,24%,。原料液的温度为,20,。估计出溶液沸点升高引起的温度差损失为,3.5,，因静压强引起的温度差损失为,3,，因二次蒸汽流动阻力引起的温度差损失为,1,。加热蒸汽温度为,132.9,，蒸发器的传热面积为,43m,2,。试求原料液量。,已知,蒸发器的总传热系数为,1100 W/(m,2,K),，热损失为蒸发器传热量的,5%,，,132.9,下水蒸汽焓,2728.12kJ/kg,，,100,下,水,蒸汽焓为,2677.2kJ/kg,。溶液的比热,c,p,4.187(1-,x,)kJ/(,kgK,),。,17,【,解,】,x,0,=0.07,，,x,=0.24,，,t,0,=20,，,=3.5,，,=3,，,=1,，,T,=100,，,T,s,=132.9,，,A=43m,2,，,K=1100W/m,2,K,，,Q,l,=5%Q,，,H,s,=2728.12kJ/kg,，,H=2277.2kJ/kg,，,c,p,=4.187(1-,x,)kJ/,kg,K,物,能,-,（,1,）,-,（,2,）,18,解方程（,1,）、（,2,）得：,作业：,19,第三节 多效蒸发,一、多效蒸发及其流程,多效蒸发是将多个蒸发器（如图所示为三个）连接起来的系统：,P,二次蒸汽,生蒸汽,1,2,3,后一效的操作压力和溶液沸点均较前一效低；,在第一效加入新鲜的加热蒸汽，所产生的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽。因此多效蒸发明显地减少了加热蒸汽的消耗量；,最末效往往是在真空下操作的；,只有末效的二次蒸汽才用冷却介质冷凝。因此多效蒸发明显地减少了冷却水的消耗量。,20,料液,第三节 多效蒸发,并流流程：,优、缺点：,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；,P,二次蒸汽,生蒸汽,1,2,3,完成液,并流流程适宜处理在高浓度下为热敏性的溶液。,适用场合：,21,第三节 多效蒸发,逆流流程：,料液需用泵送入下一效；,传热推动力较为均匀,；,易于处理黏度随温度和浓度变化较大的溶液，而不宜处理热敏性溶液。,适用场合：,优、缺点：,P,1,2,3,22,第三节 多效蒸发,错流流程：,适用场合：,优、缺点：,P,1,2,3,兼有并、逆流的优点,而避其缺点,；,操作复杂，,要有完善的自控仪表才能实现其稳定操作。,我国目前主要用于造纸工业的碱回收系统。,23,第三节 多效蒸发,平流流程：,适用场合：,优、缺点：,各效独立进料，传热状况均较好；,物料停留时间较短,适用于饱和溶液的蒸发。,P,1,2,3,24,二、多效蒸发与单效蒸发的经济性比较,生产能力：,单位时间的传热量或蒸发的水分量，用,Q,或,W,表示。,生产强度：,单位时间、单位面积的传热量或蒸发的水分量，用,q,或,W/A,表示。,多效蒸发,单位生蒸汽消耗量,D/W,、,单位冷却水消耗量均,比单效蒸发小，,故,操作费比单效蒸发的小；,多效蒸发生产能力比单效蒸发小,，,生产强度比单效蒸发小，故,设备费比单效蒸发的大。,下面证明上述结论的正确性。,25,二、多效蒸发与单效蒸发的经济性比较,多效蒸发,单位生蒸汽消耗量,D/W,、,单位冷却水消耗量均,比单效蒸发小，,故,操作费比单效蒸发的小；,假设属理想情况，每一效,D/W=1,证明：,可见，效数越多，,D/W,值越小。,26,二、多效蒸发与单效蒸发的经济性比较,单位冷却水消耗量：,可见，效数越多，单位冷却水消耗量越小。,27,注意：,操作费减小的幅度并不与效数成正比，效数越多，操作费减小的幅度成下降趋势。,D/W,实际值,单位冷却水消耗量*,m,w,/W,单效,1.1,13.5,二效,0.57,6.75,三效,0.4,4.5,四效,0.3,3.38,五效,0.27,2.7,*,按冷却水允许温升,40,计算,28,P,P,A/3,A/3,A/3,多效蒸发生产能力比单效蒸发小,，,生产强度比单效蒸发小，故,设备费比单效蒸发的大。,证明：,29,二、多效蒸发与单效蒸发的经济性比较,故相同生产能力下，,A,A。,因此，多效蒸发的设备费大。,而且，,效数越多，设备费增大的幅度越大。,因为,P,P,A/3,A/3,A/3,30,三、多效蒸发效数的限制原因,由于经济性的限制，效数不可过多，一般在,6,效以下，常用的为,2,3,效。,此外，由于传热温差的限制，效数不可过多。,第一效的加热蒸汽压力和末效的真空度都有一定限制，所以，流程的总传热温差是一定的。效数越多，在各效中分配的有效传热温差就越小。若有效传热温差过小，就不能维持正常操作。,返回目录,31,第四节,提高生蒸汽热能利用程度的措施,采用多效,额外蒸汽的引出,采用热泵蒸发流程,冷凝水的自蒸发,32,第四节,提高生蒸汽热能利用程度的措施,采用多效,D/W,实际值,单效,1.1,二效,0.57,三效,0.4,四效,0.3,五效,0.27,33,第四节,提高生蒸汽热能利用程度的措施,额外蒸汽的引出,-1,kg,生蒸汽可换取2kg的额外蒸汽(理想情况),假设有,n+1,效，除最后一效外，每一效均抽出额外蒸汽，分别为,E,1,、E,2,、E,n,。,于是,34,第四节,提高生蒸汽热能利用程度的措施,不引出额外蒸汽时，有,35,第四节,提高生蒸汽热能利用程度的措施,则总的额外蒸汽引出量,E=n,kg,36,第四节,提高生蒸汽热能利用程度的措施,采用热泵蒸发流程,二次蒸汽的汽化潜热比生蒸汽的大，若利用热泵给二次蒸汽加能，,输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。,提高其温度、压力，使其循环使用，可使单效蒸发的能量利用率胜过35效的蒸发流程。,热泵蒸发流程用于蒸发沸点升高小的溶液时较为有利。,37,第四节,提高生蒸汽热能利用程度的措施,冷凝水的自蒸发,将冷凝水减压而自蒸发，与二次蒸汽一起进入下一效作为加热蒸汽用。,38,第五节,蒸发设备,连续式、间歇式,常压式、减压式、加压式,间壁式蒸发器：,直接接触式蒸发器：,特点：溶液在蒸发器中作循环流动。,转下一页,转第,42,页,转第,49,页,39,一、循环型,优点：,结构紧凑、制造方便、传热较好及操作可靠等，应用十分广泛。,缺点：,（1）循环速度较低，管内流速0.5,m/s；,（2）,溶液在加热室中不断循环，使其浓度始终接近完成液的浓度，因而溶液粘度大、沸点高，有效温度差小。,（3）设备的清洗和维修也不够方便。,中央循环管式蒸发器（自然循环型）,其截面积一般为其它加热管总截面积的,40,100%。,料液,生蒸汽,适用场合：,应用广泛，适用于处理量大、结垢不严重的物系。,其单位体积溶液占有的传热面，比沸腾管内单位溶液所占有的要小。,40,一、循环型,悬框式蒸发器（自然循环型）,溶液沿加热管中央上升，而后循着悬筐式加热室外壁与蒸发器内壁间的环隙向下流动而构成循环。溶液循环速度比标准式蒸发器大，可达,1.5,m/s,。,优点：,这种蒸发器的加热室可由顶部取出进行清洗、检修或更换，而且热损失也较小。,缺点：,结构复杂，单位传热面积的金属消耗较多。,其截面积一般为其它加热管总截面积的,100,150%,加热室,适用场合：,适用于易结晶、易结垢的物系。,41,一、循环型,列文式蒸发器（外循环式）,加热室中的溶液不沸腾，在沸腾室内才开始沸腾，因而溶液的沸腾汽化由加热室移到了没有传热面的沸腾室，从而避免了加热管内结晶或污垢的形成。,优点：,溶液循环速度可达,2.5,至,3,m/s,以上，故总传热系数亦较大。,缺点：,液柱静压头效应引起的温度差损失 较大，要求加热蒸汽有较高的压力。,设备庞大，消耗的材料多，需要高大 的厂房。,加热室,沸腾室,蒸发室,循环管,除沫器,其截面积约为加热管的总截面积的,2,3倍。,挡板,适用场合：,适用于黏度大、易结晶、易结垢的物系。,42,一、循环型,外热式蒸发器,蒸发室,循环管,加热室,加热室单独放置，好处之一是可以降低整个蒸发器的高度，便于清洗和更换；好处之二是可将加热管做得长些，循环管不受热，从而加速液体循环。循环速度可达,1.5,m/s,。,43,一、循环型,对循环型蒸发器，除了上述自然循环外，还可以采用强制循环，循环速度的大小可通过泵的流量调节来控制，一般在,2.5,m/s,以上。,强制循环型,返回第,36,页,44,二、单程型,特点：,不作循环流动-溶液在蒸发器中只通过加热室一次；,溶液在加热室呈膜状流动-习惯上又称为液膜式蒸发器。,适于热敏性、高粘性、易结垢产品的浓缩、蒸馏或提纯。,溶液不循环的好处有：,（,1,）溶液在蒸发器中的停留时间很短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发；,（,2,）整个溶液的浓度，不象循环型那样总是接近于完成液的浓度，因而这种蒸发器的有效温差较大。,升膜式蒸发器-价廉,降膜式蒸发器-价廉,刮板式蒸发器,升,-,降膜式蒸发器,45,二、单程型,料液在加热管内受热汽化，生成的蒸汽在加热管内高速上升（常压下汽速为2050,m/s，,减压下汽速可达100至160,m/s,或更大些）。溶液被上升的蒸汽所带动，沿管壁成膜状上升并继续蒸发，汽、液混合物在分离器内分离。,升膜式蒸发器,加热管直径约为,25,50,mm，,管长和管径之比约为,100,150,分离器,46,优点：,溶液在蒸发器中不循环，停留时间很短，因而特 别适用于热敏性物料的蒸发；,整个溶液的浓度，不象循环型那样总是接近于完 成液的浓度，因而这种蒸发器的有效温差较大。,由于溶液呈膜状流动，因而对流传热系数较大。,缺点：,对进料负荷的波动相当敏感，当设计或操作不适当时不易成膜，此时，对流传热系数将明显下降。,适用场合：,适用于黏度较小的（小于0.05,Pa,s）、,蒸发量较大、易受热分解的热敏性溶液者；,不适用于粘度很大，易结晶或易结垢的物料的蒸发。,47,二、单程型,降膜式蒸发器,料液是从蒸发器的顶部加入，在重力作用下沿管壁成膜状下降，并在此过程中蒸发增浓，在其底部得到浓缩液。,降膜式蒸发器可以蒸发浓度较高、粘度较大（0.050.45,Pa,s,）、,蒸发量较小、,热敏性的物料。但因液膜在管内分布不易均匀，传热系数比升膜式蒸发器的较小，仍不适用易结晶或易结垢的物料。,48,二、单程型,刮板式蒸发器,适用场合：,黏度较大（大于1,10Pa,s,及以上者）。,简称薄膜蒸发器,，,是一种利用外加动力成膜的单程型蒸发器。,优点：,热阻影响小，传热系数大，停留时间短，一般为数秒或几十秒，故可适应于高粘度（如栲胶、蜂蜜等）和易结晶、结垢、含固体、热敏性的物料。,缺点：,结构复杂，动力消耗大，处理量很小且制造安装要求高。,刮板,49,二、单程型,升、降膜式蒸发器,预热室,升膜加热室,降膜加热室,升降膜式蒸发器将升膜和降膜蒸发器装在了一起，料液先经升膜蒸发器上升，然后由降膜蒸发器下降。,适用场合：,蒸发过程中溶液黏度变化很大、蒸发量不大场合。,50,常用蒸发器传热系数,K,的经验值,蒸发器的型式,总传热系数,K,W/(m,2,K,),标准式（自然循环）,6003000,标准式（强制循环）,12006000,悬筐式,6003000,升膜式,12006000,降膜式,12003500,返回第,36,页,51,浸没燃烧蒸发器,优点：,传热效果很好，热利用率高-因是直接触接传热,结构简单-,由于,不需要固定的传热壁面,特别适用于易结晶、结垢和具有腐蚀性物料的蒸发。,缺点：,若蒸发的料液不允许被烟气所污染，则该类蒸发器一般不适用。,由于有大量烟气的存在，限制了二次蒸气的利用。,此外喷嘴由于浸没在高温液体中，较易损坏。,直接接触式蒸发器,52,蒸发器附件,除沫器,(,分离器,),冷凝器,真空装置,返回目录,53,第六节 强化传热的方法,特点：热阻在管内垢层及管内沸腾传热一方,提高传热系数的措施：,1、定期清理垢层；,2、加快流体的循环速度：,自然循环强制循环,3、加热微量阻垢剂以延缓形成垢层,；,在处理有结晶物析出的物料时，可加入少量晶种,（结晶颗粒），使结晶尽可能在溶液主体中进行，而不是在加热面进行。,添加表面活性剂：,表面活性剂降低了相界面之间的张力，从而产生了润湿、抗再黏附作用。既增大了沸腾传热系数、又可使沸腾侧的加热面不生成垢层。,54,4、管型改造：,表面多孔管：,在普通金属管内或外表面加上一薄层多孔金属,，,使换热表面具有大量稳定的汽化核心，使沸腾传热系数比光管提高10倍以上。,返回目录,55,小结,蒸发特点,单效蒸发计算（物料衡算、能量衡算）,产生传热温度差损失的原因,多效蒸发流程及其特点,提高生蒸汽热能利用程度的措施,限制效数的原因,返回目录,56,