化工原理第六章

1、1第六章 蒸發(fā) 通過本章學習，掌握蒸發(fā)操作的特點、蒸發(fā)器的類型、蒸發(fā)過程計算，能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝要求和物料特性，合理選擇蒸發(fā)器類型并確定適宜操作流程和條件。學習目的與要求26.1 概述第六章 蒸發(fā)3蒸發(fā) 將含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液加熱至沸騰，使部分揮發(fā)性溶劑汽化并移除，從而獲得濃縮溶液或回收溶劑的操作。 向蒸發(fā)器連續(xù)提供足夠的熱量并及時移除汽化的溶劑。 蒸發(fā)操作的基本要點一蒸發(fā)的目的4蒸發(fā)操作的目的（1）制取增濃的液體產(chǎn)品 如電解燒堿液的濃縮，牛乳制奶粉生產(chǎn)中牛乳的濃縮，蔗糖水溶液及各種果汁的濃縮等。（2）純凈溶劑的制取 如海水淡化等。（3）同時制備濃縮溶液和回收溶劑 如中藥生產(chǎn)中酒精浸出液的蒸發(fā)。

2、一蒸發(fā)的目的5二蒸發(fā)的概念圖6-1 液體蒸發(fā)的簡化流程6三蒸發(fā)過程分類加壓蒸發(fā)常壓蒸發(fā)真空（減壓）蒸發(fā) 操作壓力蒸發(fā)器進、出料狀況間歇蒸發(fā)連續(xù)蒸發(fā)7單效蒸發(fā)多效蒸發(fā) 二次蒸汽是否用作另一蒸發(fā)器的加熱蒸汽并流逆流平流三蒸發(fā)過程分類8四蒸發(fā)操作的特點1溶液的沸點升高 由于不揮發(fā)溶質(zhì)的存在使溶液的沸點高于純?nèi)軇┑姆悬c。 對于垂直管式蒸發(fā)器，管內(nèi)液柱的靜壓力及蒸汽在管道內(nèi)的流動阻力也會引起溶液的沸點升高。 沸點升高使傳熱推動力降低。 92熱能的綜合利用 蒸發(fā)時需要消耗大量加熱蒸汽，而溶劑汽化又產(chǎn)生相應量的二次蒸汽，因而強化與改善蒸發(fā)器的傳熱效果，充分利用二次蒸汽的潛熱，應給予足夠的重視。四蒸發(fā)操作的特

3、點103溶液的工藝特性 蒸發(fā)過程中溶液的某些性質(zhì)隨著溶液的組成而改變。有些物料在濃縮過程中可能析出結晶、發(fā)泡、嚴重結垢、變性分解、黏度增高、腐蝕性增大等。在選擇蒸發(fā)工藝和設備時需要認真考慮。四蒸發(fā)操作的特點11第六章 蒸發(fā)6.2 蒸發(fā)設備 6.2.1 循環(huán)型蒸發(fā)器12一、垂直短管型蒸發(fā)器圖6-2 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器1加熱室；2中央循環(huán)管；3蒸發(fā)室；4外殼13一、垂直短管型蒸發(fā)器圖6-3 懸筐式蒸發(fā)器1分離室；2加熱室；3除沫器；4液沫回流管14二、垂直長管型蒸發(fā)器圖6-4 外加熱式蒸發(fā)器1加熱室；2分離室；3循環(huán)管 15圖6-5 列文式蒸發(fā)器1加熱室；2加熱管；3循環(huán)管；4蒸發(fā)室；5除沫器；6

4、擋板；7沸騰室二、垂直長管型蒸發(fā)器16圖6-6 強制循環(huán)式蒸發(fā)器 1加熱管；2循環(huán)泵；3循環(huán)管；4分離室；5除沫器 二、垂直長管型蒸發(fā)器17三、直接接觸傳熱蒸發(fā)器圖6-7直接接觸傳熱蒸發(fā)器1燃燒室；2點火管；3測溫管；4外殼18四循環(huán)型蒸發(fā)器的主要類型及其性能比較常用循環(huán)型蒸發(fā)器的結構特點及主要性能匯總于表6-1。19第六章 蒸發(fā)6.2 蒸發(fā)設備 6.2.1 循環(huán)型蒸發(fā)器6.2.2 單程型蒸發(fā)器 20一升膜式蒸發(fā)器圖6-8 升膜式蒸發(fā)器1蒸發(fā)器；2分離室；21圖6-9 降膜式蒸發(fā)器1蒸發(fā)器；2分離室；3布膜器二降膜式蒸發(fā)器22三升降膜式蒸發(fā)器圖6-11 升降膜蒸發(fā)器1預熱器；2升膜加熱室；3降

5、膜加熱室；4分離室23四刮板薄膜蒸發(fā)器 圖6-12 刮板薄膜蒸發(fā)器 24五單程型蒸發(fā)器性能的比較 幾種單程型蒸發(fā)器的結構特點與操作性能如表6-2所示。 25第六章 蒸發(fā)6.2 蒸發(fā)設備 6.2.1 循環(huán)型蒸發(fā)器6.2.2 單程型蒸發(fā)器 6.2.3 蒸發(fā)設備和蒸發(fā)技術的進展26一開發(fā)新型、高效蒸發(fā)器新型高效蒸發(fā)器的研究開發(fā)有如下途徑：（1）研制設備更加緊湊、提高液體速度、增加液膜湍動、縮短料液在設備中停留時間的高效、節(jié)能型蒸發(fā)器。（2）通過改進加熱表面形狀來提高加熱效果。 27（3）在蒸發(fā)器中插入不同形式的湍流元件，可使沸騰液體側的對流傳熱系數(shù)大幅度提高。（4）不同結構蒸發(fā)器的組合。一開發(fā)新型、

6、高效蒸發(fā)器28二蒸發(fā)與其它單元操作相結合 將蒸發(fā)與其它化工單元操作結合，構成集成式的工藝流程，如蒸發(fā)干燥、蒸發(fā)分餾、蒸發(fā)結晶等。29三、蒸發(fā)器傳熱的強化及防除垢技術（1）通過改變加熱表面形狀或其它增加液膜湍動措施來強化傳熱，并減緩結垢。（2）通過改變料液性質(zhì)來提高傳熱效果。（3）氣液固三相流化床蒸發(fā)器在蒸發(fā)中的防除垢及強化傳熱效果十分顯著，具有高效、多功能、易操作等一系列優(yōu)點。 30第六章 蒸發(fā)6.2 蒸發(fā)設備 6.2.1 循環(huán)型蒸發(fā)器6.2.2 單程型蒸發(fā)器6.2.3 蒸發(fā)設備和蒸發(fā)技術的發(fā)展6.2.4 蒸發(fā)器的選型31蒸發(fā)器的選型原則 對物料的工藝特性有良好的適應性，其中對黏度在蒸發(fā)過程中

7、的增加程度及結垢情況應給予特別注意。 滿足生產(chǎn)工藝對完成液質(zhì)和量的要求。 結構簡單，操作可靠，造價和操作費用低廉，經(jīng)濟合理，維修方便。 32第六章 蒸發(fā)6.2 蒸發(fā)設備 6.2.1 循環(huán)型蒸發(fā)器6.2.2 單程型蒸發(fā)器6.2.3 蒸發(fā)設備和蒸發(fā)技術的發(fā)展6.2.4 蒸發(fā)器的選型6.2.5 蒸發(fā)器的輔助設備（自學）33第六章 蒸發(fā)6.3 單效蒸發(fā)的計算6.3.1 物料衡算與熱量衡算34一物料衡算11()oFxFWxLx01(1)xWFx完成液的流量001FxFxxFWL水分蒸發(fā)量 完成液的組成 35二熱量衡算01()cLDHFhWHFW hDhQ10() ()cLQD HhWHFW hFhQ對蒸

8、發(fā)器作熱量衡算 蒸發(fā)器的熱負荷 蒸發(fā)器的熱損失361.溶液稀釋熱較大的情況 某些鹽、堿的水溶液，在稀釋時其放熱效應非常顯著。 蒸發(fā)是稀釋的逆過程。 需通過實驗測定焓值隨組成和溫度的變化。二熱量衡算37圖6-15 氫氧化鈉的焓濃圖二熱量衡算3810 ()LWHFW hFhQDr10()LQDrWHFW hFhQ加熱蒸汽消耗量 加熱蒸汽的冷凝潛熱蒸發(fā)器的熱負荷 二熱量衡算10() ()cLQD HhWHFW hFhQ冷凝水在飽和溫度下排出時 392. 溶液稀釋熱可忽略的情況 大多數(shù)溶液在溶質(zhì)含量不太高時，其稀釋熱不顯著，?？珊雎?。對于這類溶液，其焓值可由比熱容近似計算。以0的溶液為基準，則00 0

9、hc t11 1hc t原料液比熱容完成液的比熱容二熱量衡算40000(1)WBccxc x 水溶液的比熱容可由水的比熱容和溶質(zhì)的比熱容近似按線性加和原則計算 111(1)WBccxc x溶質(zhì)的比熱容水的比熱容二熱量衡算41聯(lián)立物料衡算和熱量衡算式，可得 1010()()WLDrW Hc tFc ttQ熱損失使水在t1下汽化成二次蒸汽將原料液由t0升溫至沸點t1加熱蒸汽供熱二熱量衡算42近似取 1WHc tr水在t1的汽化熱 則有010()LWrFc ttQDr若原料液在沸點下加入蒸發(fā)器并忽略熱損失，則 單位蒸汽消耗量DreWr二熱量衡算43對于單效蒸發(fā)，若忽略水的汽化熱隨壓力的變化，理論上：

10、 實際上由于熱損失和濃縮的熱效應等原因 1.1e 1e 二熱量衡算44第六章 蒸發(fā)6.3 單效蒸發(fā)的計算6.3.1 物料衡算與熱量衡算6.3.2 蒸發(fā)器的傳熱面積45蒸發(fā)器的傳熱面積由傳熱速率方程計算，即 00mQSKt由蒸發(fā)器的熱量衡算確定大多取經(jīng)驗數(shù)值必須考慮溶液沸點升高46一溶液的溫度差損失1mtTt單效蒸發(fā)傳熱的有效溫度差 單效蒸發(fā)傳熱的理論總溫度差 TctTt總溫度差損失1Tmctttt 47 引起蒸發(fā)中溫差損失（沸點升高）的因素包括如下三個方面：溶液中不揮發(fā)溶質(zhì)引起的飽和蒸汽壓下降；一溶液的溫度差損失垂直傳熱管中液柱靜壓力（膜式蒸發(fā)器除外）使液面下的靜壓力高于液面上分離空間的靜壓力

11、；二次蒸汽在管道內(nèi)的流動阻力和熱損失。 所以48二溶液沸點升高的計算1溶質(zhì)存在引起的沸點升高BtT 與溶液壓力相等時水的沸點溶液的沸點49溶液沸點：與操作壓力、溶液種類及其組成有關。獲取查手冊附錄中估算杜林規(guī)則（Duhrings rule） 二溶液沸點升高的計算50杜林規(guī)則（Duhrings rule） 一定組成的某種溶液的沸點與相同壓力下標準液體（一般以水為標準液體）的沸點呈線性關系。 BWtkty杜林線的截距杜林線的斜率二溶液沸點升高的計算51圖6-16 NaOH水溶液的杜林線圖二溶液沸點升高的計算52 其他壓力下溶液的沸點升高，在缺乏實驗數(shù)據(jù)時可用下面經(jīng)驗公式近似估算，即af 常壓下(1

12、01.3kPa)由于溶質(zhì)存在引起的沸點升高操作壓力下由于溶質(zhì)存在引起的沸點升高校正系數(shù)22730.0162WTfr二溶液沸點升高的計算532液柱靜壓頭引起的沸點升高 以液層中部點的壓力和沸點代表整個液層的平均壓力和沸點 2mmgLpp液面處壓力 液層平均壓力mBtt 與壓力pm對應的溶液沸點與壓力p對應的溶液沸點 二溶液沸點升高的計算543流動阻力引起的沸點升高 由于管路中流動阻力，使蒸發(fā)器內(nèi)二次蒸汽的溫度高于冷凝器內(nèi)的溫度，稱為流動阻力引起的沸點升高。 一般取經(jīng)驗值，從蒸發(fā)器至冷凝器取11.5，各效之間取為1。二溶液沸點升高的計算55第六章 蒸發(fā)6.3 單效蒸發(fā)的計算6.3.1 物料衡算與熱

13、量衡算6.3.2 蒸發(fā)器的傳熱面積6.3.3 蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度56生產(chǎn)能力一蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力單位時間內(nèi)蒸發(fā)的水分量，其單位為kg/h。 00WmK StQrr57二蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度（蒸發(fā)強度）生產(chǎn)強度 單位時間內(nèi)單位傳熱面積上蒸發(fā)的水分量，用U表示，其單位為kg/（m2h）。 00mKtWUSr 提高蒸發(fā)強度的基本途徑是提高總傳熱系數(shù)和傳熱平均溫度差。 58第六章 蒸發(fā)6.3 單效蒸發(fā)的計算6.3.1 物料衡算與熱量衡算6.3.2 蒸發(fā)器的傳熱面積6.3.3 蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度6.3.4 加熱蒸汽的經(jīng)濟性和蒸發(fā)過程 的節(jié)能措施59加熱蒸汽的經(jīng)濟性1kg加熱蒸汽所能蒸發(fā)的水分量 1WEDe 實際蒸

14、發(fā)裝置中，由于熱損失、濃縮熱的存在，其經(jīng)濟性必然小于1。一加熱蒸氣的經(jīng)濟性60二蒸發(fā)過程的節(jié)能措施為了提高加熱蒸汽的經(jīng)濟性，可采用的措施：1多效蒸發(fā)2額外蒸汽的采出3熱泵蒸發(fā)4冷凝水熱量的利用圖6-17 蒸汽熱泵蒸發(fā)流程61第六章 蒸發(fā)6.4 多效蒸發(fā)6.4.1 多效蒸發(fā)的流程62一、并流63 1利用各效間壓差自動進料，可省去輸液泵。 2前效溫度高于后效，進料呈過熱狀態(tài)，產(chǎn)生自蒸發(fā)，各效間可不設預熱器。 3輔助設備少，裝置緊湊，溫差損失少。 4操作簡便，工藝穩(wěn)定。 優(yōu)點一、并流64缺點 后效溫度低，組成高，料液黏度增大，降低了傳熱系數(shù)。 一、并流65二、逆流66二、逆流 1隨著料液組成提高，溫

15、度相應提高，黏度變化小，各效傳熱系數(shù)相差不大，可充分發(fā)揮設備潛力。 2完成液排出溫度較高，可利用顯熱在減壓下閃蒸增濃，提高完成液組成。 優(yōu)點67二、逆流缺點 1輔助設備多，動力消耗大 2不適于處理熱敏性溶液 3操作復雜，工藝不易穩(wěn)定 68三、錯流69三、錯流 1兼有并、逆流優(yōu)點。 2供料方式可調(diào)整。 優(yōu)點缺點 操作復雜，需有完善的自動儀表控制系統(tǒng)來保證實現(xiàn)穩(wěn)定操作 70四、平流71第六章 蒸發(fā)6.4 多效蒸發(fā)6.4.1 多效蒸發(fā)的流程6.4.2 多效蒸發(fā)的計算（自學）72第六章 蒸發(fā)6.4 多效蒸發(fā)6.4.1 多效蒸發(fā)的流程6.4.2 多效蒸發(fā)的計算6.4.3 多效蒸發(fā)與單效蒸發(fā)的比較73一加

16、熱蒸汽的經(jīng)濟性 多效蒸發(fā)中通過二次蒸汽的再利用而提高加熱蒸汽的經(jīng)濟性。理想情況下，單效蒸發(fā)11DeWn效蒸發(fā)11/neenn 實際蒸發(fā)操作中，存在熱損失，各種溫度差損失、濃縮熱及不同壓力下汽化熱的差別等因素。74二蒸發(fā)強度假設： 單效蒸發(fā)與多效蒸發(fā)的生產(chǎn)任務和操作條件（包括加熱蒸汽壓力、冷凝器的操作壓力）均相同，且假設各效蒸發(fā)器的傳熱面積及傳熱系數(shù)也與單效蒸發(fā)器的相等，則多效蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度為 010()nTiiiiKQUtr nSr n 多效蒸發(fā)中，加熱蒸汽經(jīng)濟性的提高是以降低蒸發(fā)強度為代價換得的。75三溶液的溫度差損失圖6-19 單效、雙效和三效蒸發(fā)裝置中的溫度差損失 76第六章 蒸發(fā)6.

17、4 多效蒸發(fā)6.4.1 多效蒸發(fā)的流程6.4.2 多效蒸發(fā)的計算6.4.3 多效蒸發(fā)與單效蒸發(fā)的比較6.4.4 多效蒸發(fā)的適宜效數(shù)77多效蒸發(fā)的適宜效數(shù) 多效蒸發(fā)受如下因素制約，使其效數(shù)受到一定限制： 隨著效數(shù)增加，溫度差損失加大。 隨著效數(shù)的增加，加熱蒸汽的經(jīng)濟性提高的幅度降低，在逆流加料蒸發(fā)中，動力消耗卻加大。 隨著效數(shù)增加，蒸發(fā)強度下降，設備投資費用增大。 為了使蒸發(fā)操作有效進行，各效蒸發(fā)器中有效溫度差不得小于57。78第六章 蒸發(fā)6.5 生物溶液的增濃6.5.1 生物溶液的蒸發(fā)79一生物溶液的特性生物溶液具有如下工藝特性：（1）熱敏性，溶液中的溶質(zhì)易粘連到傳熱壁面上，造成局部過熱，甚至焦化。（2）在蒸發(fā)過程中，有些物料中細菌增長很快，而且附著在設備壁面上，因此，要求設備應便于清洗。（3）溶液的沸點升高小，?？珊雎?。80二.蒸發(fā)設備和操作條件的選擇降低操作溫度，宜采用真空蒸發(fā)縮短受熱時間，設備必須提供很高的傳熱速率81第六章 蒸發(fā)6.5 生物溶液的增濃6.5.1 生物溶液的蒸發(fā)