第五章蒸發(fā)ppt

1、第五章第五章 蒸發(fā)蒸發(fā)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 一、基本概念 （1）蒸發(fā)概念 將溶液加熱，使其中部分溶劑汽化并不斷除去，以提高溶液中溶質(zhì)濃度的操作。 （2）蒸發(fā)的方式 自然蒸發(fā) 溶液中的溶劑在低于沸點(diǎn)下汽化，溶劑的汽化僅發(fā)生在溶液表面，蒸發(fā)速率慢。 沸騰蒸發(fā) 溶液中的溶劑在沸點(diǎn)下汽化，溶液的各個部分幾乎都同時發(fā)生汽化，蒸發(fā)速率快。工業(yè)上大多采用沸騰蒸發(fā)。 （3）蒸發(fā)操作的必要條件 不斷供熱使溶劑汽化； 汽化后的溶劑要及時地移除。 二、蒸發(fā)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 （1）濃縮稀溶液，制取產(chǎn)品或半成品 （2）制取純凈的溶劑作為產(chǎn)品 （3）同時制取濃縮液和回收溶劑 三、蒸發(fā)操作的特點(diǎn) 蒸發(fā)是間壁兩側(cè)均發(fā)生相

2、變化的傳熱過程，蒸發(fā)速率取決于傳熱速率，工程上常把它歸類為傳熱過程，但和一般傳熱過程相比有以下特點(diǎn)。 蒸發(fā)的物料是溶有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液，在進(jìn)行蒸發(fā)設(shè)備的計(jì)算時，必須考慮溶液沸點(diǎn)的升高。 被蒸發(fā)的溶液本身常具有某些特性，在選擇蒸發(fā)方法和設(shè)備時，必須考慮物料的特性，如熱敏性、腐蝕性、結(jié)垢、結(jié)晶或產(chǎn)生泡沫等。 蒸發(fā)時需要大量的加熱蒸汽，節(jié)能問題比一般傳熱過程更為突出。 四、蒸發(fā)操作的分類 1.按操作壓強(qiáng)分 （1）常壓蒸發(fā) 蒸發(fā)在常壓下進(jìn)行，可用敞口設(shè)備，二次蒸汽直接排到大氣中。 （2）減壓蒸發(fā) 也叫真空蒸發(fā)，操作壓強(qiáng)低于外界大氣壓，在密閉的設(shè)備內(nèi)進(jìn)行。二次蒸汽在冷凝器中冷凝，并用真空泵抽取其中的不

3、凝性氣體，以造成設(shè)備的真空。 減壓蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)是： 降低了溶液的沸點(diǎn)，在加熱蒸汽溫度一定時，蒸發(fā)器的傳熱溫度差增大，可減少蒸發(fā)器的傳熱面積； 由于溶液沸點(diǎn)降低，可以利用低壓蒸汽或廢熱蒸汽作為加熱蒸汽，以充分利用能源； 溶液沸點(diǎn)低，可防止熱敏性物料變性或分解，適用于一些熱敏性物料的蒸發(fā)； 由于操作溫度低，可減少設(shè)備的熱損失。 減壓蒸發(fā)的缺點(diǎn)： 由于溫度降低，溶液的黏度增大，使蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)減小，同時，減壓蒸發(fā)時，造成真空需要增加設(shè)備和動力。 （3）加壓蒸發(fā) 操作壓強(qiáng)高于外界大氣壓，在密閉的設(shè)備內(nèi)進(jìn)行。在加壓下進(jìn)行操作，提高了二次蒸汽的溫度，就有可能利用二次蒸汽作為其他設(shè)備（如預(yù)熱器）的加熱劑，以

4、提高熱能的利用率。同時，溶液的沸點(diǎn)升高，使溶液的流動性能曾強(qiáng)，有利于提高傳熱效果。 2.按二次蒸汽的利用情況分 （1）單效蒸發(fā) 溶液在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)時，所產(chǎn)生的二次蒸汽不再利用或被利用于蒸發(fā)器以外的操作，稱為單放蒸發(fā)。 （2）多效蒸發(fā) 將二次蒸汽引至另一壓強(qiáng)較低的蒸發(fā)器的加熱室，作為加熱蒸汽來使用，以提高加熱蒸汽的利用率，這種將多個蒸發(fā)器串聯(lián)，使二次蒸汽在蒸發(fā)過程中，得到再利用的蒸發(fā)操作稱為多效蒸發(fā)。 3.按操作方式分 （1）間歇蒸發(fā) 它又可分為一次進(jìn)料、一次出料和連續(xù)進(jìn)料、一次出料兩種形式。間歇蒸發(fā)的特點(diǎn)是蒸發(fā)過程中，溶液的濃度和沸點(diǎn)隨時間改變，所以是不穩(wěn)定操作，適合于小規(guī)模、多品種的場合。

5、（2）連續(xù)蒸發(fā) 連續(xù)進(jìn)料，完成液連續(xù)排出，蒸發(fā)為穩(wěn)定操作，適合于大規(guī)模的生產(chǎn)過程。第二節(jié)第二節(jié) 單效蒸發(fā)單效蒸發(fā) 一、單效蒸發(fā)流程 圖5-1為單效真空蒸發(fā)的基本流程。其中蒸發(fā)器為主體設(shè)備，由加熱室和蒸發(fā)室構(gòu)成。 二、單效蒸發(fā)的計(jì)算 單效蒸發(fā)是在一個蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)操作，對于單效蒸發(fā)，在給定生產(chǎn)任務(wù)和確定了操作條件后，則可應(yīng)用物料衡算、熱量衡算和傳熱基本方程式，計(jì)算蒸發(fā)操作中水分蒸發(fā)量、加熱蒸汽消耗量和蒸發(fā)器的傳熱面積。 1水分蒸發(fā)量的計(jì)算 對圖5-2所示的單效蒸發(fā)器作溶質(zhì)的物料衡算，在穩(wěn)定連續(xù)操作中，單位時間進(jìn)入和離開蒸發(fā)器的溶質(zhì)數(shù)量應(yīng)相等，即 w0=()w1 由物料衡算式可得水分蒸發(fā)量為 （

6、5-1） 完成液的濃度 （5-2） 完成液量 （5-3）)1 (10wwFWWFFww0110wFwWF 2加熱蒸汽消耗量的計(jì)算 對圖5-2所示的單效蒸發(fā)器作熱量衡算。當(dāng)加熱蒸汽為飽和蒸汽，冷凝液在飽和溫度下排出時，單位時間內(nèi)加熱蒸汽放出的熱量為 Q =Dr （5-4） 加熱蒸汽放出的熱量主要用于以下三個方面： （1）將原料液由進(jìn)料溫度t0升溫到沸點(diǎn)t沸，所需的熱量為Q1 Q1=Fc(t沸-t0) （5-5） （2）使水在t沸溫度下汽化成二次蒸汽，所需的熱量為Q2 Q2=Wr （5-6） （3）補(bǔ)償蒸發(fā)器的熱損失Q損。 根據(jù)熱量衡算原則，有 Q =Q1+Q2+Q損 即 Dr=Fc(t沸-t0)

7、+W r+Q損 所以 （5-7）rrWttFcD損0沸)(QQ 若原料液在沸點(diǎn)下進(jìn)入蒸發(fā)器，并同時忽略熱損失，由式（5-7）可得單位蒸汽消耗量為 或 (5-8) 式中，稱為單位蒸汽消耗量，即蒸發(fā)1kg水時的蒸汽消耗量，常用以表示蒸汽的經(jīng)濟(jì)程度。由于蒸汽的潛熱隨溫度的變化不大，即rr則，即蒸發(fā)kg的水需要1kg的加熱蒸汽。但實(shí)際上，由于熱損失等因素，的數(shù)值約為1.1或更大。rrWDrrWD 3蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算 蒸發(fā)器的傳熱面積可依傳熱基本方程式求得，即 （5-9） 式中的熱負(fù)荷依熱量衡算求取，若加熱蒸汽的冷凝水在飽和溫度下排出，且忽略熱損失，則蒸發(fā)器的熱負(fù)荷為=r。由于蒸發(fā)過程為蒸汽冷凝和溶

8、液沸騰之間的恒溫傳熱，tm=T-t沸，故有： （5-10） 傳熱系數(shù)值大多根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)值來選定。表5-1列出了幾種常用蒸發(fā)器K值的大致范圍，可供參考。mtKAQ)(沸tTKrDA第三節(jié)第三節(jié) 多效蒸發(fā)多效蒸發(fā) 多效蒸發(fā)的操作原理： 利用減壓的方法使后一個蒸發(fā)器的操作壓強(qiáng)和溶液的沸點(diǎn)均較前一個蒸發(fā)器的為低，以使前一個蒸發(fā)器引出的二次蒸汽作為后一個蒸發(fā)器的加熱蒸汽，且后一個蒸發(fā)器的加熱室為前一個蒸發(fā)器的冷凝器。按此原則將幾個蒸發(fā)器順次連接起來協(xié)同操作。每一個蒸發(fā)器稱為一效。 多效蒸發(fā)對節(jié)能的意義： 蒸發(fā)操作費(fèi)用主要是汽化溶劑（如水）所需消耗的蒸汽動力費(fèi)。單效蒸發(fā)時，單位蒸汽消耗量大于1，采用

9、多效蒸發(fā)時，隨著效數(shù)的增加，單位蒸汽消耗量減小，相應(yīng)的操作費(fèi)用降低。由表5-2可知，效數(shù)越多，單位蒸汽消耗量越少，操作費(fèi)用越低，所以在蒸發(fā)大量水分時，廣泛采用多效蒸發(fā)。效 數(shù)單 效雙 效三 效 四 效五 效（D/W）最小1.10.570.40.30.27表5-2 最小單位蒸汽消耗量 一、多效蒸流程 1并流法 并流加料法是工業(yè)中常用的加料法。如圖5-3所示，溶液流向與蒸汽相同，即由第一效順序流至末效。 并流加料的優(yōu)點(diǎn)為： 由于后一效蒸發(fā)室的壓強(qiáng)較前一效為低，故溶液在效間的輸送不需用泵，就能自動從前效進(jìn)入后效。 由于后一效溶液的沸點(diǎn)較前一效為低，故前一效的溶液進(jìn)入后一效時，會因過熱而自行蒸發(fā),因而

10、可產(chǎn)生較多的二次蒸汽。 由末效引出完成液，因其沸點(diǎn)最低，故帶走的熱量最少，減少了熱量損失。 并流加料的缺點(diǎn)是： 由于后一效溶液的濃度較前一效為大，且溫度又較低，所以料液黏度沿流動方向逐效增大，致使后效的傳熱系數(shù)降低。故對黏度隨濃度的增加而迅速增大的溶液，不宜采用并流法進(jìn)行多效蒸發(fā)。 2逆流法 如圖5-4所示，原料液由末效加入，用泵送入前一效，完成液由第一效底部排出，而加熱蒸汽仍是加入第一效加熱室，與并流法蒸汽流向相同。 逆流法的優(yōu)點(diǎn)在于隨著溶液濃度的增大，溫度也隨著升高，因而各效溶液的黏度較為接近，使各效的傳熱系數(shù)也大致相同。 其缺點(diǎn)是效間溶液需用泵輸送，增加設(shè)備和能量消耗；又除末效外各效進(jìn)料

11、溫度都低于沸點(diǎn)，故無自蒸發(fā)現(xiàn)象，與并流法相比較，所產(chǎn)生的二次蒸汽量較少。 此法宜用于處理黏度隨溫度和濃度變化較大的溶液，而不適宜于處理熱敏性物料。 3平流法 此法是按各效分別加料并分別出料的方式進(jìn)行操作。而加熱蒸汽仍是加入第一效的加熱室，其流向與并流相同，如圖5-5所示。 平流法適用于在蒸發(fā)過程中同時有結(jié)晶析出的場合，因其可避免結(jié)晶體在效間輸送時堵塞管道，或用于對稀溶液稍加濃縮的場合。 此法缺點(diǎn)是每效皆處于最大濃度下進(jìn)行蒸發(fā)，所以溶液黏度大，使傳熱系數(shù)較小。 二、多效蒸發(fā)中效數(shù)的限制 多效蒸發(fā)可以提高加熱蒸汽的利用率，所以多效蒸發(fā)的操作費(fèi)用是隨著效數(shù)的增加而減少。但從表5-2可知，雖然（/）最

12、小是隨著效數(shù)的增加而不斷減小，但所節(jié)省的加熱蒸汽量亦隨之減小，例如由單效改為雙效，可節(jié)省加熱蒸汽量約為50，而從四效增為五效，可節(jié)省加熱蒸汽量就已降為10。另一方面，增加效數(shù)就需要增加設(shè)備費(fèi)用，而當(dāng)增加一效的設(shè)備費(fèi)用不能與所節(jié)省的加熱蒸汽的收益相抵時，就沒有必要再增加效數(shù)，所以多效蒸發(fā)的效數(shù)是有一定限度的，必須對設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)進(jìn)行權(quán)衡以決定最適宜的效數(shù)。第四節(jié)第四節(jié) 蒸蒸 發(fā)發(fā) 設(shè)設(shè) 備備 由上述可知，蒸發(fā)實(shí)屬于傳熱過程，因此蒸發(fā)器也是一種換熱器。但蒸發(fā)時需要不斷地除去汽化所產(chǎn)生的二次蒸汽，所以，蒸發(fā)設(shè)備除了用來進(jìn)行加熱及汽、液分離的蒸發(fā)器這一主體設(shè)備外，還有使二次蒸汽中液沫得以進(jìn)一步分離的除

13、沫裝置和使二次蒸汽全部冷凝的冷凝器。真空蒸發(fā)時還需抽真空裝置。 一、蒸發(fā)器 蒸發(fā)器有多種型式，但它們均由加熱室和分離室兩部分組成。 1循環(huán)型蒸發(fā)器 由于引起循環(huán)的原因不同，又分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩類。 （1）中央循環(huán)管式蒸發(fā)器 這種蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖5-6所示。 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是：構(gòu)造簡單，傳熱效果好，操作可靠。應(yīng)用十分廣泛，有所謂“標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器”之稱。 但由于循環(huán)速度較低，一般在0.5m/s以下，且因溶液在加熱室中不斷循環(huán)，操作中蒸發(fā)器內(nèi)溶液總是處于接近于完成液濃度，因而溶液的沸點(diǎn)高、黏度大影響了傳熱效果。此外，蒸發(fā)器的加熱室不易清洗。 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器適用于蒸發(fā)結(jié)垢不嚴(yán)重，有少

14、量結(jié)晶析出和腐蝕性較小的溶液。 （2）外熱式蒸發(fā)器 這種蒸發(fā)器如圖5-7所示。其加熱室安裝在蒸發(fā)器外面，因此不僅可以便于加熱室的清洗和更換，而且可以降低蒸發(fā)器的高度。它的加熱管束較長，而循環(huán)管內(nèi)的溶液又沒有受到蒸汽的加熱，因此溶液的循環(huán)速度較大?？蛇_(dá) 1.5m/s。 （3）強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器 上述兩種蒸發(fā)器都屬于自然循環(huán)蒸發(fā)器，溶液的循環(huán)速度都較低。圖5-8所示為強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器，溶液的循環(huán)是借外力的作用，在循環(huán)通道中裝置一臺循環(huán)泵，迫使溶液沿一定方向流動而產(chǎn)生循環(huán)，循環(huán)速度一般為25m/s。強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)較自然循環(huán)蒸發(fā)器的為大，但是其動力消耗較大，它適用于高黏度和易生泡沫溶液的蒸發(fā)。 2

15、單程型蒸發(fā)器 這一類型蒸發(fā)器的主要特點(diǎn)是溶液通過加熱室一次，不作循環(huán)流動即達(dá)到所需要的濃度而排出，而停留時間僅數(shù)秒鐘，且溶液沿加熱管呈膜狀流動，故習(xí)慣上又稱為液膜式蒸發(fā)器。 （1）升膜式蒸發(fā)器 如圖5-9所示。 它適用于處理蒸發(fā)量較大的稀溶液，熱敏性及易生泡沫的溶液，不適用于高黏度、有晶體析出或易結(jié)垢溶液的蒸發(fā)。 （2）降膜式蒸發(fā)器 如圖5-10所示。 它與升膜式蒸發(fā)器的區(qū)別是料液從蒸發(fā)器的加熱室頂部加入，在重力作用下沿管壁呈膜狀下降，并在此過程中不斷被蒸發(fā)而增濃，汽液混合物流至底部進(jìn)入分離器，完成液由分離器底部排出。 降膜式蒸發(fā)器可以蒸發(fā)濃度、黏度較大的溶液（例如黏度在0.050.45PaS

16、范圍內(nèi)），但也不適用于結(jié)晶析出或易結(jié)垢的溶液。 圖5-11列出幾種常見的液體分布器。 （3）刮板式攪拌薄膜蒸發(fā)器 這是一種利用外加動力成膜的單程型蒸發(fā)器，其結(jié)構(gòu)如圖5-12所示。 這種蒸發(fā)器適用于處理易結(jié)晶、易結(jié)垢、高黏度的溶液。在某些情況下可將溶液蒸干而由底部直接獲得固體產(chǎn)物。 其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動力消耗較大，處理量較小。 二、蒸發(fā)器的輔助裝置 1除沫器 常見的如圖5-13所示。圖中由（a）到（c）直接安裝在蒸發(fā)器內(nèi)頂部；（d）為旋風(fēng)式分離器則安裝在蒸發(fā)器的外面。它們主要是利用液沫的慣性以達(dá)到汽液的分離。 2冷凝器和真空裝置 在蒸發(fā)操作中，當(dāng)二次蒸氣是有價值的產(chǎn)品，需要加以回收，或著它會嚴(yán)重

17、污染冷卻水時，則應(yīng)采用間壁式冷凝器；否則可采用氣液直接接觸的混合式冷凝器。常用的干式逆流高位冷凝器見第四章內(nèi)容中圖4-2所示。 當(dāng)蒸發(fā)器采用減壓操作時，無論用哪一種冷凝器，均需要在冷凝器后安裝真空裝置，排除不凝性氣體，以維持蒸發(fā)操作所要求的真空度。常用的真空度裝置有噴射泵、水環(huán)式真空泵及往復(fù)式真空泵等。 三、提高蒸發(fā)器生產(chǎn)強(qiáng)度的途徑 1.蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度 蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度簡稱蒸發(fā)強(qiáng)度，是指單位傳熱面積上每單位時間內(nèi)所蒸發(fā)的水分量，用U表示，其單位為kg/（m2h），即 （5-11） 蒸發(fā)強(qiáng)度是評價蒸發(fā)器優(yōu)劣的重要指標(biāo)。對于給定的蒸發(fā)量來說，蒸發(fā)強(qiáng)度越大，所需的傳熱面積越小，因而蒸發(fā)設(shè)備的投資費(fèi)用越小。 若溶液在沸點(diǎn)下進(jìn)料，并忽略蒸發(fā)器的熱損失，將式(5