第7章-化工原理蒸發(fā)

第7章蒸發(fā)第一節(jié)概述第二節(jié)蒸發(fā)設備第三節(jié)單效蒸發(fā)第四節(jié)多效蒸發(fā)2024/4/121蒸發(fā)將含有不揮發(fā)溶質的溶液加熱至沸騰，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稱為蒸發(fā)。蒸發(fā)操作的基本要點是向蒸發(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7.1概述2024/4/122蒸發(fā)操作的目的（1）制取增濃的液體產品如電解燒堿液的濃縮，牛乳制奶粉生產中牛乳的濃縮、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）同時制備濃溶液和回收溶劑如中藥生產中酒精浸出液的蒸發(fā)。2024/4/123二．蒸發(fā)的概念圖7-1液體蒸發(fā)的簡化流程2024/4/124三．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)2024/4/125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2024/4/126四．蒸發(fā)操作的特點1．溶液的沸點升高由于不揮發(fā)溶質的存在使溶液的沸點高于純溶劑的沸點。對于垂直管式蒸發(fā)器，管內液柱的靜壓力及蒸汽在管道內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。2024/4/1272．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)操作的特點2024/4/1283．溶液的工藝特性蒸發(fā)過程中溶液的某些性質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，尤其是蒸發(fā)器的防垢除垢技術，是世界性的熱門研究課題。四．蒸發(fā)操作的特點2024/4/129溶液的沸點高于純溶劑的沸點。主要原因：

（1）蒸發(fā)室空間壓強下，溶液的沸點高于同壓強下溶劑的沸點；

（2）蒸發(fā)室液面下實際發(fā)生汽化之處的壓強大于蒸發(fā)室空間的壓強。2024/4/12102、蒸發(fā)設備為什么冷凝器架設安置得很高？2024/4/12117.2蒸發(fā)設備7.2.1循環(huán)型蒸發(fā)器2024/4/1212一、垂直短管型蒸發(fā)器中央循環(huán)管蒸發(fā)器圖7-21―加熱室；2―中央循環(huán)管；3―蒸發(fā)室；4―外殼2024/4/1213強制循環(huán)性蒸發(fā)器圖7-41―加熱管；2―循環(huán)泵；3―循環(huán)管；4―蒸發(fā)室；5―除沫器二、垂直長管型蒸發(fā)器2024/4/12147.2.2單程型蒸發(fā)器

2024/4/1215一．升膜式蒸發(fā)器升膜式蒸發(fā)器圖7-51―蒸發(fā)器；2―分離室；2024/4/1216降膜式蒸發(fā)器圖7-61―蒸發(fā)器；2―分離室；3―布膜器二．降膜式蒸發(fā)器2024/4/1217四．旋轉刮板式蒸發(fā)器旋轉刮板式蒸發(fā)器2024/4/1218五．單程型蒸發(fā)器性能的比較單程型蒸發(fā)器的特點是溶液沿加熱管壁呈膜狀流動而進行傳熱和蒸發(fā)，一次通過加熱室即達到所要求的組成。其突出優(yōu)點是傳熱效率高，蒸發(fā)速度快，溶液在蒸發(fā)器內停留時間短，特別適用于熱敏性物料的蒸發(fā)，因而在食品、生物制品、制藥等工業(yè)部門得到廣泛應用。2024/4/12197.2.2蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)措施：①定期清洗，去除垢層，加快流速，減少結垢。②擴大管內兩相流動的“環(huán)狀流”區(qū)域。2024/4/12207.2.3蒸發(fā)輔助設備（1）除沫器

2024/4/1221（2）疏水器1－冷凝水入口；2－冷凝水出口；3－排出管；4－變壓室；5－濾網(wǎng)；6－閥片2024/4/12227.3

單效蒸發(fā)7.3.1物料衡算完成液的流量水分蒸發(fā)量完成液的組成2024/4/1223在初始濃度不太高的情況下，隨水分蒸發(fā)量的增加，溶液濃度變化不大，只是到后期才明顯變化。因為蒸發(fā)器溶液濃度等于完成液濃度，如果在一個蒸發(fā)器內蒸發(fā)，則溶液濃度和粘度較大，對蒸發(fā)不利?？稍谝粋€蒸發(fā)器中將大部分水分蒸發(fā)，然后在另一個蒸發(fā)器中蒸發(fā)得到所需的濃度。2024/4/12247.3.2熱量衡算損或損（1）濃縮熱顯著的溶液損此時2024/4/1225圖7-15氫氧化鈉的焓濃圖2024/4/1226損（2）不計濃縮熱的熱量衡算對溶液濃度變化不大、濃縮熱不大的溶液蒸發(fā)器的熱負荷為2024/4/12277.3.3蒸發(fā)速率與傳熱溫度差蒸發(fā)速率：通常用單位時間的蒸發(fā)量W表示。蒸發(fā)過程的速率是由傳熱速率決定的。溶液的沸點：

溶液的沸點不僅取決于蒸發(fā)器的操作壓強，而且還與溶質存在使溶液的沸點升高和蒸發(fā)器內液體的靜壓強有關。2024/4/1228一．溶質造成的沸點升高圖7-16NaOH水溶液的杜林線圖獲取查手冊估算——杜林規(guī)則①在濃度不太高的范圍內，可認為溶液的沸點升高與壓強無關，而取1大氣壓下的數(shù)值。②在高濃度范圍內，只要已知兩個不同壓強下溶液的沸點，則其他壓強下的沸點可按水的沸點作內插或外推。溶液中不揮發(fā)溶質引起飽和蒸汽壓下降，使溶液沸點升高。2024/4/1229杜林規(guī)則：在相當寬的壓強范圍內，溶液的沸點與同壓強下溶劑的沸點成線性關系。水的沸點：oC溶液的沸點℃2024/4/1230例：壓強，MPa0.10.080.060.050.04某溶液沸點，oC12096t260t1某溶劑沸點，oC10080605040按杜林規(guī)則分別確定0.04MPa、0.06MPa下，溶液的沸點。故故2024/4/1231二、蒸發(fā)器內液柱的靜壓強使溶液的沸點升高。由水蒸汽表查出壓強pm、

p所對應的飽和蒸汽溫度，兩者之差可作為液柱靜壓強引起的沸點升高。三、溶液的沸點t式中t0為冷凝器操作壓力下水的飽和溫度。蒸發(fā)過程的傳熱溫度差由于溶液的沸點升高使蒸發(fā)傳熱溫度差減小，故△稱為溫度差損失。2024/4/12327.4

蒸發(fā)操作的經(jīng)濟性和多效蒸發(fā)一、衡量蒸發(fā)操作經(jīng)濟性的方法蒸發(fā)操作消耗的費用包括設備費和操作費（主要是能耗）兩部分。若不計熱損失和濃縮熱、料液預熱到沸點加入，則蒸發(fā)器傳熱速率Q＝Wr，則1、蒸發(fā)設備的生產強度2024/4/12332、加熱蒸汽的利用率（4）冷凝水的利用。通常將每kg加熱蒸汽所能蒸發(fā)的水量稱為加熱蒸汽的經(jīng)濟性，它是蒸發(fā)操作是否經(jīng)濟的重要標志。2024/4/1234二、蒸發(fā)操作的節(jié)能方法1、多效蒸發(fā)因為二次蒸汽的溫度低于加熱蒸汽的溫度，后一效蒸發(fā)器的操作壓強及其對應的飽和溫度必較前一效為低，即二次蒸汽的溫度必然逐級降低。2024/4/1235特點：1）料液在壓強差的作用下自流到后一效；2）后效操作壓強低，蒸發(fā)溫度低，系統(tǒng)的能量利用較為合理；3）末效溶液濃度高、粘度大，故傳熱系數(shù)小。末效所需的傳熱面積應更大些。4）由于二次蒸汽溫度的降低，后效的傳熱溫度差有所減小。①并流加料2024/4/1236②逆流流程特點：

1）

隨著料液組成提高，溫度相應提高，黏度變化小，各效濃度和溫度對于液體粘度的影響大致相抵消，各效的傳熱條件（傳熱系數(shù)、傳熱溫度差）大致相同；

2）由于后效壓強小于前效，溶液在各效之間的流動必須泵送。2024/4/1237特點：平流加料對易結晶的物料更為適合。③平流流程2024/4/12382、額外蒸汽的引出只要引出蒸汽的溫位足夠，引出效數(shù)越往后，引出等量的額外蒸汽所需補加的加熱蒸汽量越少。2024/4/1239又稱熱泵蒸發(fā)，不適用于沸點上升較大的情況。3、二次蒸汽的再壓縮加熱蒸汽→加熱蒸汽→2024/4/12404、冷凝水熱量的利用預熱料液；減壓自蒸發(fā)，汽化的蒸汽與二次蒸汽一并加入后一效加熱室。2024/4/1241三、多效蒸發(fā)過程分析1、各效溫度和濃度分布多效蒸發(fā)是多個蒸發(fā)器串聯(lián)操作，就其中任一蒸發(fā)器而言，都可以按單效蒸發(fā)處理。但各效之間相互聯(lián)系，過程參數(shù)相互制約。2024/4/1242對多效蒸發(fā)，可得以下結論：①各效蒸發(fā)器的溫度僅與端點溫度有關，在操作中自動形成某種分布。②各效濃度僅取決于端點溫度及料液的初始濃度，在操作中自動形成某種分布。對于一定的溶液，溶液的蒸氣壓大小取決于溫度和濃度，故蒸氣壓在操作中自動形成某種分布。2024/4/12432、多效蒸發(fā)效數(shù)的限制①對同一蒸發(fā)任務，增加效數(shù)可以提高加熱蒸汽的經(jīng)濟性，但因為有溫度差損失，故效數(shù)受限。②效數(shù)越多，則溫度差損失之和越大，使各效的傳熱推動力減小，甚至無法完成蒸發(fā)任務。2024/4/12443、蒸發(fā)操作的最優(yōu)化生產強度的提高和減少操作費用往往存在著矛盾。生產強度直接與熱流密度有關。當加熱蒸汽和冷凝器壓強已定，蒸發(fā)器的總傳熱溫度差也相應而定。如采用多效蒸發(fā)，因有溫度差損失等原因，各效溫度差之和遠小于總溫度差，故多效蒸發(fā)的生產強度遠小于單效蒸發(fā)。故多效蒸發(fā)是以犧牲生產強度來提高加熱蒸汽的經(jīng)濟性的。對真空蒸發(fā)，提高冷凝器的真空度雖然增加了傳熱推動力，提高了生產強度，但功耗增大。2024/4/1245

蒸發(fā)室空間的壓強約等于二次蒸汽冷凝器內的壓強。而冷凝器內的壓強，不是僅取決于真空泵所能抽到的真空程度，因為真空泵及時抽出的主要是不凝性氣體。二次蒸汽在冷凝器內要及時的冷凝下來，因此，二次蒸汽冷凝器內的壓強（或蒸發(fā)室空間的壓強）主要取決于冷凝器所使用的冷卻水（直接冷卻）溫度下的飽和蒸汽壓。冷卻水溫度愈低，蒸發(fā)室所能達到的壓強愈低。冷凝器內的壓強（或蒸發(fā)室空間的壓強）主要取決于什么？2024/4/1246

例7-1(P250)溫度差損失的計算用蒸發(fā)器增濃NaOH水溶液，蒸發(fā)器內的液面高度約3m，已知完成液的濃度為50%（wt%)，密度為1500kg/m3，加熱所用飽和蒸汽的壓強（表壓）為0.3MPa，冷凝器真空度為53kPa，求傳熱溫度差。解：加熱蒸汽表壓0.3MPaT=143.5oC蒸發(fā)室內的絕對壓：101.3-53=48.3kPa,to=80.1oC

理論溫度差：T-to=143.5-80.1=63.4oC在蒸發(fā)室的壓強下，飽和水蒸汽的溫度為80.1oC，即純水的沸騰溫度是80.1oC，50%NaOH水溶液的沸點為120oC，溶液的沸點上升為：在液面以下L/5處的壓強：2024/4/1247在pm=57.3kPa壓強下，水的沸點為84.3oC，故因溶液靜壓頭而引起的液溫升高：溶液的實際溫度是：實際傳熱溫度差：理論溫度差：T-to=143.5-80.1=63.4oC溫度差損失：2024/4/1248設計型命題：給定條件：F,w0,t0,w設計條件：加熱蒸汽的壓強及冷凝器的操作壓強（主要由可供使用的冷卻水溫度決定）；計算目的：根據(jù)選用的蒸發(fā)器形式確定傳熱系數(shù)K，計算A,D。操作型命題：已知條件：傳熱面積A，傳熱系數(shù)K，料液的進口狀態(tài)w0與

t0，完成液的濃度要求w，加熱蒸汽的壓強和與冷凝器內的壓強；計算目的：料液處理量F和加熱蒸汽消耗量D。2024/4/1249例7-2單效蒸發(fā)器設計型計算采用真空蒸發(fā)將質量濃度為20%的NaOH水溶液在上例的蒸發(fā)器中濃縮至50%，進料溫度為60oC，加料量為1.5kg/s。已知蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)為1560W/(m2.K)，操作條件同上例，求加熱蒸汽消耗量及蒸發(fā)器的傳熱面積。設蒸發(fā)器的熱損失為加熱蒸汽放熱量的3%。解：蒸發(fā)器中溶液的沸點：原料液濃度20%、60oCi0=220kJ/kg(圖7-15,P252)完成液濃度50%、124.2oCi=630kJ/kg水蒸氣表壓為0.3MPar0=2138kJ/kg水蒸氣絕壓為48.3kPa（蒸發(fā)室壓強）I=2643kJ/kg2024/4/1250加熱蒸汽的經(jīng)濟性：蒸發(fā)器的熱負荷：所需傳熱面積：2024/4/1251例：單效蒸發(fā)器操作型問題的計算有一傳熱面積為30m2的單效蒸發(fā)器，將35oC、濃度為20%（wt）的NaOH溶液濃縮至50%。已知加熱用飽和水蒸氣的壓力為294kPa（絕壓），蒸發(fā)室壓力為19.6kPa（絕壓），溶液的沸點為100oC，蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)為1000W/(m2.K)，熱損失可取傳熱量的3%，試計算加熱蒸汽消耗量D和料液處理量F。解：水蒸氣絕壓294kPa,Ts=132.9oC,r0=2171.5kJ/kg,蒸發(fā)室絕壓19.6kPa,Ts’=59.7oC,Is=2605kJ/kg,二次蒸汽的焓

I=Is+cp(t-59.7)=2605+1.88(100-59.7)=2681kJ/kg1、加熱蒸汽的用量：2024/4/1252

2、料液的處理量料液35oC,20%(wt)i0=120kJ/kg完成液100oC,50%(wt)i=540kJ/kg解得：F=0.56kg/sW=0.6F=0.34kg/s2024/4/1253習題7-3(P256)設計型問題解：查：50oC10%NaOH溶液，i0=170kJ/kg90oC30%NaOH溶液，i=350kJ/kg蒸發(fā)室內絕對壓：101.3-67=34.3kPa，水的沸點to=70.1oC，水的汽化潛熱rs=2324.5kJ/kg，30%NaOH水溶液的沸點：t=90oC2024/4/1254加熱蒸汽絕對壓：101.3+50=151.3kPa,查：T=111.1oC,r0=2239.4kJ/kg二次蒸汽的焓：I=cp(t-to)+rs=1.88(90-70.1)+2324.5=2362.1kJ/kg習題3設計型問題2024/4/1255習題4操作型問題解：1、忽略沸點升高，在操作室壓力0.1MPa下，查水的沸點t=100oCr=2258.4kJ/kg忽略熱量損失或者考慮熱量損失3%2024/4/1256可以假設K值不變。2、F’=6800kg/h2024/4/1257一．