化工原理-蒸發(fā)2

第七章蒸發(fā)（Evaporation）（3）脫除雜質(zhì)，制取純凈的溶劑7.1概述（General）

含有不揮發(fā)性溶質(zhì)（如鹽類）的溶液在沸騰條件下受熱，使部分溶劑化為蒸氣的操作稱為蒸發(fā)。目的：（1）稀溶液濃縮（成品、半成品）（2）脫除溶劑（不揮發(fā)性溶質(zhì)為產(chǎn)品）蒸發(fā)裝置：蒸發(fā)器冷凝器系統(tǒng)加熱蒸汽凝結(jié)水排出系統(tǒng)7.1.1蒸發(fā)操作的目的和方法常壓；減壓（真空）；加壓分類：連續(xù)；間歇單效；多效7.1.2蒸發(fā)操作的特點蒸發(fā)屬于熱量傳遞過程，但又不同于一般的傳熱（2）溶質(zhì)濃度引起沸點升高（3）溶劑氣化，耗熱量大（4）溶質(zhì)特殊物性（析出結(jié)晶、產(chǎn)生泡沫、熱敏性物料在高溫下變質(zhì)或分解、粘度增高等）（1）有相變化的恒溫傳熱7.2蒸發(fā)設備（EvaporationDevices）

7.2.1常用蒸發(fā)器一、循環(huán)型蒸發(fā)器（TheCirculationEvaporator）

1、垂直短管式（中央循環(huán)管式蒸發(fā)器）循環(huán)動力：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，操作可靠，傳熱效果好，造價低；缺點：循環(huán)速度低，易積污垢，操作周期短，清洗不便。密度差2、外加熱式循環(huán)動力：密度差結(jié)構(gòu)：

優(yōu)點：

循環(huán)速度高，降低了設備高度，易于清洗；采用長的加熱管，下降管不再受熱，加熱室與下降管分開；缺點：靜壓引起的溫差損失大3、強制循環(huán)型蒸發(fā)器

循環(huán)動力：

機械能優(yōu)點：

循環(huán)速度高可用于粘稠物料可獲得高濃物料延緩積垢缺點：

消耗外加動力二、單程型蒸發(fā)器（SinglePassEvaporator）

1、升膜式蒸發(fā)器（RisingFilmEvaporator）優(yōu)點：

成膜好，傳熱系數(shù)大缺點：

僅適用于低粘度、 稀溶液，不適用易結(jié)晶、 易結(jié)垢物料2、降膜式蒸發(fā)器（FallingFilmEvaporator）優(yōu)點：

物料停留時間短，可用于粘度較高、濃度較大的流體

缺點：成膜困難，傳熱系數(shù)不大，不適用易結(jié)晶、易結(jié)垢物料（1）加熱蒸汽側(cè)：排不凝性氣體；7.2.2蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)仍用下式計算：強化蒸發(fā)器的傳熱：（3）加熱管內(nèi)為汽液兩相流，（2）管壁除垢，尤其對于易結(jié)晶的液體；

為增大管內(nèi)沸騰給熱系數(shù)，應盡可能擴大環(huán)狀流動區(qū)域。為強化傳熱熱：應減小小預熱段，，使沸騰段段呈環(huán)狀流流各段給熱系系數(shù)不同：：環(huán)狀流α最大常用蒸發(fā)器器傳熱系數(shù)數(shù)的經(jīng)驗值值除沫器：7.2.3蒸發(fā)輔助設設備（Subsidiary）防止二次蒸蒸汽夾帶液液沫絲網(wǎng)式，折折流板式，，百葉窗式式，旋風式式，離心式式冷凝二次蒸蒸汽，排除除不凝性氣氣體；冷凝器和真空系統(tǒng)統(tǒng)：阻汽排水，，同時能方方便排出不不凝性氣體體。疏水器：機械式，熱熱膨脹式，，熱動力式式F——物料量，kg/s7.3單效蒸發(fā)7.3.1物料衡算設：蒸發(fā)過過程沒有溶溶質(zhì)的損失失w0、w——料液、完成成液的濃度度（％質(zhì)量量）W——蒸發(fā)水量，，kg/s內(nèi)容：①蒸發(fā)水量ＷＷ（物料衡衡算）②加熱蒸汽消消耗量Ｄ（（熱量衡算算）③蒸發(fā)器傳熱熱面積Ａ（（傳熱速率率方程）D——加熱蒸汽量量，kg/si0、i——料液、完成成液的焓，，kJ/kgr0、r——加熱汽、二二次汽潛熱熱，kJ/kgI——二次汽焓，，kJ/kg7.3.2熱量衡算1、溶液濃縮縮熱不可忽忽略（7-4）2、溶液濃縮縮熱可以忽忽略（要求濃縮縮熱不大時時）溶液的焓：：c0、c——料液、完成成液的比熱熱容，kJ/(kg·℃)t0——原料液進料料溫度，℃℃t——完成液溫度度，即蒸發(fā)發(fā)器內(nèi)溶液液溫度℃將i0、i代入(7-4)中整理得：（7-5）二次汽潛熱熱加熱蒸汽冷冷凝放出的的熱量用于于水分汽化、原料液升溫溫至沸點和熱損耗。無焓濃圖時時可用式有焓濃圖時時用式進行計算近似計算（（但要求濃濃縮熱不大大時）Q=Dr0=KA（T-t）7.3.3蒸發(fā)速率與與傳熱溫度度差Q=Dr0一個蒸發(fā)器器蒸發(fā)能力力的大小，，由蒸發(fā)器器的傳熱速速率控制。。（K、A、T、t）傳熱速率：：熱負荷：加熱蒸汽的飽和溫度溶液的沸點溫度蒸發(fā)速率蒸發(fā)器的傳傳熱溫差不不僅與蒸汽汽壓力、溶溶液沸點有有關，還存存在溫度差差損失。溶液的沸點點溫度差損失失的定義蒸發(fā)操作中中，有效傳傳熱溫度差差低于理論論傳熱溫度度差的值，，稱作溫度差損失失（Δ）。理論傳熱溫溫差：有效（實際際）傳熱溫溫差：溫度差損失失：溶液沸點冷凝器操作壓力下水的飽和溫度加熱蒸汽的飽和溫度溶質(zhì)的存在在可使溶液液蒸汽壓降降低而沸點點升高（主主要是無機機鹽溶液沸沸點升高Δ′較大）。確定方法：：t'的獲得：①利用杜林規(guī)則（有一定壓壓力）②查有關資料料、實驗測測定（常壓壓）7.3.3.1溶質(zhì)造成的的沸點升高高Δ′與t0同壓強下溶液的沸點純水的沸點不同壓力下下溶液的沸沸點與同壓壓強下溶劑劑的沸點成成線性關系系——杜林規(guī)則某一濃度溶溶液的杜林林線與濃度度為零的直直線之間的的垂直距離離即為相應壓壓力下該溶溶液的沸點點升高Δ′。③不同壓力下下溶液的沸沸點與同壓壓強下溶劑劑的沸點成成線性關系系杜林線圖中中可得三個個結(jié)論：②濃度升高，，溶液沸點點顯著增加加；①溶液濃度小小時，Δ′與壓強關系系不大，可可取常壓下下數(shù)據(jù)Δ′′a。由于于液液柱柱本本身身的的重重量量及及在在管管內(nèi)內(nèi)流流動動阻阻力力損損失失，，溶溶液液壓壓強強是是變變化化的的，，相相應應沸沸點點也也是是不不同同的的。。作為平均溫度度的粗略估計計，按液面下下1/5L處的沸點溫度度進行計算：：7.3.3.2液柱靜壓頭使溶液沸點升高Pm——平均溫度下的的飽和壓力P——液面上方二次次蒸汽的壓強強（通?？梢砸岳淠?器壓壓強代替）ρ——溶液密度L——蒸發(fā)器內(nèi)的液液面高度查出Pm及P對應下水的飽和蒸汽溫度tm及則to——冷凝器操作壓壓力下水的飽飽和溫度蒸發(fā)器內(nèi)溶液液沸點：蒸發(fā)操作傳熱熱溫度差（有有效）為：（7-10）T——加熱蒸汽的飽飽和溫度溫度差損失Δ：（7-9）Δ中分別由溶液沸點升高、液柱靜壓頭引起。t——溶液沸點某垂直長管蒸蒸發(fā)器用以增增濃NaOH水溶液，蒸發(fā)發(fā)器內(nèi)的液面面高度約3m。已知完成液液的濃度為50%（質(zhì)量），密密度為1500kg/m3，加熱用飽和和蒸汽的壓強強（表壓）為為0.3MPa，冷凝器真空空度為53kPa，求傳熱溫度度差。例7-1溫度差損失的的計算Δ′=120－80.1=39.9℃解： 水蒸汽汽的飽和溫度度為：表壓為0.3MPa下，T=143.5℃絕壓為48.3kPa下，to=80.1℃由圖7-17可查得水的沸沸點為80.1℃℃時50%NaOH溶液沸點為120℃，溶液的沸點升升高：Δt=(T－to)－Δ=(143.5－80.1)－44.1=19.3℃液面高高度為為3m，則平平均溫溫度下下的飽飽和壓壓力：：在此壓壓強下下水的的沸點點為84.3℃℃故因溶溶液靜靜壓頭頭而引引起的的液溫溫升高高：Δ′′′=84.3－80.1=4.2℃℃總溫差差損失失：Δ=ΔΔ′+Δ′′′=39.9+4.2=44.1℃℃有效傳傳熱溫溫差：：7.3.4單效蒸蒸發(fā)過過程的的計算算物料衡衡算式式：熱量衡衡算式式過程速速率方方程式式：聯(lián)立上上述各各式求解方方法：：例１：用單單效蒸蒸發(fā)器器將1000kg/h的NaCl水溶液液由5%（質(zhì)量量）濃濃縮到到30%（質(zhì)量量），，加熱熱蒸汽汽壓力力為118kPa，蒸發(fā)發(fā)室壓壓力為為19.6kPa，蒸發(fā)發(fā)器內(nèi)內(nèi)溶液液沸點點75℃℃，溶液液比熱熱4.013kJ/kg，進料料溫度度為30℃℃，蒸發(fā)發(fā)器傳傳熱系系數(shù)1500W/m2℃。若不不計濃濃縮熱熱及熱熱損失失，試試求：：①完成液液量②加熱蒸蒸汽消消耗量量及加加熱蒸蒸汽經(jīng)經(jīng)濟性性③蒸發(fā)器器傳熱熱面積積及生生產(chǎn)強強度解：①①蒸發(fā)發(fā)水量量：完成液液量：：F-W=1000-833.3=166.7（kg/h）②加熱蒸蒸汽消消耗量量c0=4.013kJ/kg··℃℃t=75℃℃t0=30℃℃根據(jù)蒸發(fā)室室壓力力查二次次蒸汽汽汽化化熱：：r=2355kJ/kg對應的的飽和和蒸汽汽溫度度t0＝59.7℃℃根據(jù)加熱蒸蒸汽壓壓力查蒸汽汽汽化化熱：：r0=2247kJ/kg對應溫溫度T＝104℃加熱蒸蒸汽消消耗量量：蒸汽的的經(jīng)濟濟性：：③蒸發(fā)器器傳熱熱面積積：：生產(chǎn)強強度：：討論：：１、若若改為為沸點點進料料：（t0＝t）經(jīng)濟性性提高2、若100℃進料（（過熱熱進料料），，忽略略溶液液比熱熱變化化因為有有自蒸蒸發(fā)（（閃蒸蒸）3、濃縮縮熱的的影響響采用真真空蒸蒸發(fā)將將質(zhì)量量濃度度為20%的NaOH水溶液液在蒸蒸發(fā)器器中濃濃縮至至50%，進料料溫度度為60℃℃，加料料量為為1.5kg/s。加熱熱用飽飽和蒸蒸汽的的壓強強（表表壓））為0.3MPa，冷凝凝器真真空度度為53kPa，有效效傳熱熱溫度度差為為19.3℃℃。已知知蒸發(fā)發(fā)器的的傳熱熱系數(shù)數(shù)為1560W/(m2·K)，設蒸蒸發(fā)器器的熱熱損失失為加加熱蒸蒸汽放放熱量量的3%。例7-2單效效蒸蒸發(fā)發(fā)器器設設計計型型計計算算求：：（（1）加加熱熱蒸蒸汽汽消消耗耗量量及及經(jīng)經(jīng)濟濟性性；；（2）蒸蒸發(fā)發(fā)器器的的傳傳熱熱面面積積；；（3）蒸蒸發(fā)發(fā)器器的的生生產(chǎn)產(chǎn)強強度度。。i=630kJ/kg解：：水水分分蒸蒸發(fā)發(fā)量量：：蒸發(fā)發(fā)器器中中溶溶液液的的溫溫度度（（完完成成液液的沸沸點點））為為：：t=143.5－19.3=124.2℃℃由圖圖查查得得NaOH水溶溶液液的的熱熱焓焓為為：：原料料液液濃濃度度20%、溫溫度度60℃℃：i0=220kJ/kg完成成液液濃濃度度50%、溫溫度度124.2℃℃：表壓壓為為0.3MPa下，，加加熱熱用用水水蒸蒸汽汽的的飽飽和和溫溫度度T=143.5℃℃（1）由由熱熱量量衡衡算算式式可可得得加熱熱蒸蒸汽汽用用量量：：由水水蒸蒸氣氣表表查查得得：：表壓壓為為0.3MPa下，，水水蒸蒸氣氣的的潛潛熱熱r0=2138kJ/kg絕壓壓為為48.3kPa下，，水水蒸蒸氣氣的的熱熱焓焓I=2643kJ/kgQ=Dr0=1.17××2138=2501kW加熱熱蒸蒸汽汽經(jīng)經(jīng)濟濟性性：：（2）蒸蒸發(fā)發(fā)器器的的傳傳熱熱面面積積：：蒸發(fā)發(fā)器器的的熱熱負負荷荷：：（3）蒸蒸發(fā)發(fā)器器的的生產(chǎn)產(chǎn)強強度度：：蒸發(fā)發(fā)器器的的傳熱熱面面積積：：蒸發(fā)發(fā)裝裝置置設設備備費費用用大大小小直直接接與與傳傳熱熱面面積積有有關關，，通通常常用用生生產(chǎn)產(chǎn)強強度度來來表表征征傳傳熱熱面面的的大大小小，，即即設設備備費費的的多多少少，，生產(chǎn)產(chǎn)強強度度高高說說明明所所需需傳傳熱熱面面小小，，設設備備費費少少。（kg/s·m2）若沸沸點點進進料料，，而而且且不不計計熱熱損損失失和和濃濃縮縮熱熱有有：：1、蒸蒸發(fā)發(fā)設設備備的的生生產(chǎn)產(chǎn)強強度度單位位傳傳熱熱面面積積單單位位時時間間蒸蒸發(fā)發(fā)出出的的水水量量。。7.4蒸發(fā)發(fā)操操作作的的經(jīng)經(jīng)濟濟性性和和操操作作方方式式7.4.1衡量量蒸蒸發(fā)發(fā)操操作作經(jīng)經(jīng)濟濟性性的的方方法法生產(chǎn)產(chǎn)強強度度：：（7-11）（7-12）與結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)是是否否合合理理、、操操作作方方式式、、物物料料性性質(zhì)質(zhì)等等有有關關。。應應常常清清洗洗、、排排出出不不凝凝性性氣氣體體、、料料液液要要有有良良好好的的循循環(huán)環(huán)。。提高高生生產(chǎn)產(chǎn)強強度度的的途途徑徑關鍵鍵是是提提高高傳傳熱熱系系數(shù)數(shù)ＫＫ與與有有效效溫溫度度差差（1）真真空空蒸蒸發(fā)發(fā)：：可降低沸點，，有利于熱敏敏性物料的蒸蒸發(fā)；增大傳傳熱溫差，但但同時增加了了真空系統(tǒng)，，設備費用增增加。（3）提高蒸發(fā)器器的傳熱系數(shù)數(shù)：增大傳熱溫差差（2）提高加熱蒸蒸汽的溫度：：若沸點進料，，不計熱損失失和汽化潛熱熱的差別，則則每汽化1kg水需要1kg的蒸汽?？梢妴涡д舭l(fā)發(fā)經(jīng)濟性理論論值（加熱蒸汽Dr0=Wr二次蒸汽，r0≈r）被蒸發(fā)的水量（kg/s）

將每1kg加熱蒸汽所能蒸發(fā)的水量（）稱為加熱蒸汽的經(jīng)濟性。蒸汽量（kg/s）

2、加熱蒸汽的的利用率體現(xiàn)了蒸發(fā)的的操作費以上措施都是是為了節(jié)省、、減少操作費費用（節(jié)省蒸蒸汽）為提高加熱蒸蒸汽的利用率率，蒸發(fā)操作作可有多種安安排：1多效蒸發(fā)2額外蒸汽的引引出3二次蒸汽的再再壓縮（熱泵蒸發(fā)））4冷凝水熱量的的利用7.4.2蒸發(fā)操作的節(jié)節(jié)能方法7.4.2.1多效蒸發(fā)（MultipleEffect）一、多效蒸發(fā)發(fā)原理（ThePrincipleofMultipleEffect）前一個蒸發(fā)產(chǎn)產(chǎn)生的二次蒸蒸汽通入后一一蒸發(fā)器器的加熱室室；后一個蒸蒸發(fā)器的加熱熱室成為前前一個蒸蒸發(fā)器的冷凝凝器。1、原理：2、特點：①蒸發(fā)室壓力逐逐效降低，溶溶液沸點逐效效降低。②沸點進料且忽忽略熱損失，，單效經(jīng)濟性≈1，n效二、多效蒸發(fā)發(fā)流程（TheWorkFlow）根據(jù)加料方式式，多效蒸發(fā)發(fā)流程如下：：１、并流（ParallelFlow）壓力：P1>P2>P3溫度：t1>t2>t3k1>k2>k3濃度：w1<w2<w3物料與蒸汽同同向流動K值：物料流動不用用輸送機械料液有自蒸發(fā)發(fā)不適用粘度隨隨濃度增加而而顯著增加的的物料。2、逆流（Counterflow）物料與蒸汽逆逆向流動壓力：溫度：濃度：K值：大致相等物料流動需要要機械輸送料液無自蒸發(fā)發(fā)不適用于熱敏敏性物料P1>P2>P3t1>t2>t3w1>w2>w33、平流（SynchronicFlow）溶液只流經(jīng)一一個蒸發(fā)器可處理易結(jié)晶晶物料可同時處理不不同物料壓力：溫度：濃度：P1>P2>P3t1>t2>t3差別不大7.4.2.2額外蒸汽的引引出額外蒸汽：從某效的二次次蒸汽中抽出出一部分，不不進入下一效效加熱室，而而加熱其他換換熱設備。這這部分蒸汽被被稱作額外蒸蒸汽。7.4.2.3二次蒸汽的再再壓縮途徑：①機械壓縮（電電價低于蒸汽汽價格）②蒸汽動力壓縮縮（熱泵技術術）7.4.2.4冷凝水熱量的的利用方法：①利用壓差，串串級自蒸發(fā)②直接作熱介質(zhì)質(zhì)加熱其他物物料7.4.3.3蒸發(fā)操作最優(yōu)優(yōu)化多效蒸發(fā)加熱熱蒸汽經(jīng)濟性性的經(jīng)驗值效數(shù)

單效

雙效

三效

四效

五效W/D0.911.752.53.333.70上表說明：效效數(shù)↑，W/D并不按比例↑↑，但設備費費卻成倍↑，，因此要選擇擇合理的效數(shù)數(shù)。多效蒸發(fā)的傳傳熱面積是單單效蒸發(fā)的n倍，因此多效效蒸發(fā)的U較單效小得多多。理論上：多效蒸發(fā)是以以犧牲設備生生產(chǎn)強度來提提高加熱蒸汽汽的經(jīng)濟性的的。比較單效和多多效生產(chǎn)強度度的前提：2、冷凝器操作作壓力相同（（排出系統(tǒng)二二次蒸汽溫度度相同）1、加熱蒸汽壓壓力相同（進進入系統(tǒng)蒸汽汽溫度相同））3、總蒸發(fā)水量量相同（生產(chǎn)產(chǎn)任務相同））蒸發(fā)的經(jīng)濟性性與生產(chǎn)強度度二者相矛盾盾，如多效可可提高經(jīng)濟性性，但多效的的生產(chǎn)強度低低，要綜合考考慮，一般效效數(shù)