《化工原理蒸发》PPT课件.ppt

化工原理（上册）,化工原理,6 蒸发 6.1 概述 定义： 浓缩溶液 不挥发溶质与挥发性溶剂分离，获得浓度 高的溶液或溶剂； 加热（生）蒸汽、二次蒸汽，蒸发器 分类： 蒸汽利用： 单效、多效蒸发； 压力： 常压蒸发，加压蒸发，减压（真空）蒸发. 减压（真空） 优点： 1） 省传热面积； 2） 利用 低压（废热）蒸汽； 3） 适用热敏性溶液； 4） 热损失减少。 缺点：1） 、K； 2） 减压装置、能耗。 流程： 叙述 P281 图6-1 传热过程 蒸发基本流程.swf,真空泵,缓冲罐,水,分离器,混合冷凝器,冷却水,二次蒸汽,冷凝水,疏水器,加热室,加热蒸汽,原料液,蒸发室,完成液,不凝气体,特点： . 沸点升高， t 变小 节省能源 ， 大量汽化 大量蒸汽消耗 物料的工艺特性， 析晶、结垢、分解、热敏性、 高粘、强腐蚀 设备差异： 与换热器相比 加热室 分离室（蒸发室） 详细在后面介绍 重点： 根据任务选择与设计蒸发器 如何提高设备的生产能力和经济性 可以替代的节能新单元操作： 膜分离技术等 用于海水脱盐，低浓度组分提取，药物浓缩，菌种等热敏 性物质处理,6.2 蒸发器的形式 一 结构和特点 加热室+分离室 循环型 : 自然循环型-中央循环型中央循环管式蒸发器.swf、 悬筐式悬筐蒸发器.swf 、外热式外加热式蒸发器.swf、 列文式列文式蒸发器.swf 强制循环型 强制循环管式蒸发器.swf P282 图6-2、6-3，6-4 单程式（不循环）：升膜升膜式蒸发器.swf、 降膜降膜式蒸发 器.swf、升-降膜、刮板式转子式刮板蒸发器.swf、搅拌薄膜 P285 图6-5，6-6，6-7、10 浸没燃烧式：烟道气直接式 直接接触式蒸发器.swf P286 图6-8 二 选型 原则:满足工艺要求、保证质量，能力大，简单方便，经济。 三 辅助装置 P287 图6-9、10 除沫器 除沫器的主要形式.swf 冷凝器干式逆流高位冷凝器.swf 真空装置-气体压送装置,悬筐 列文 单效外循环 搅拌薄膜,刮板 浸没燃烧 升膜 降膜 三效升降膜,蒸发器,果汁蒸发器 三效蒸发器,加热室,蒸发室,原料 F, x0, t0, c0 , h0,加热蒸汽D,Ts,Hs,完成液 L=F -W, x, t, c, h,冷凝液 D,Ts,hs,二次蒸汽 W,T1,H,热损失 Ql,A,F W L D kg/h , x0 x 质量%, Ts, T1, t0 t, , Hs hs H h kJ/kg , c0,c kJ/(kg.K) , Q l kJ/h,6.3 单效蒸发的计算 单效蒸发计算示意图 P394 图6-13 符号说明,计算项目：蒸发量W kg/h ；加热蒸汽消耗量 D（Q）kg/h ； 蒸发器的传热面积 A m2 已知条件：生产任务与操作条件- 原料液的流量F、温度t0、浓度x0(质量分率) ； 完成液的浓度x； 加热蒸汽的压强ps(pa)(Ts)； 冷凝器内的压强P(pa) 依据： 物料衡算式、 焓衡算式、 传热速率方程式,一、蒸发量的计算 总 F = L + W 溶质不挥发 Fx0 = Lx = (F W)x 二、加热蒸汽消耗量的计算 蒸汽在饱和温度下排出冷凝液 DHs + Fh0 = Lh + WH + Dhs + Ql D(Hs hs) + Fh0 = (F W)h + WH + Q l 则 0液体焓为零（基准）、忽略浓缩热： h s = C*Ts 0 = C*Ts； h0 = C0t0 0 = C0t0 ； h = Ct 0 = Ct； 则 D(Hs C*Ts) + FC0t0 = (F W)Ct + WH +Ql,C0 = C*(1 x0) + CBx0 C = C*(1 x) + CBx C*溶剂 、CB溶质 kJ/kg.K 当x0.2 C0 C*(1 x0) C C*(1 x) 若忽略浓缩热 则 Hs C*Ts = R H Ct r (H C*T= r 若C C*) 如沸点进料t0 = t, 又C C0 及 Ql = 0 则 D = W(H Ct)/R W r/ R or D/W = (H Ct)/R r/R-单位蒸汽消耗量 表示经济程度，11.1,三、 蒸发器的传热面积 Q = D(Hs hs) or Q = DR （热损失通过溶液再从外壁面走） 或 对于标准型的（热损失直接通过外壁面走）Q传 = DR - Ql tm = t = Ts t沸点 P291,关键是的提高,减少污垢、提高流速等 1不凝性气体排放,例1 单效蒸发计算 在单效蒸发器中每小时将2000 kg的某种水溶液从10 连续浓缩到30 ，蒸发操作的平均压强为40 kpa，相应的溶液沸点为80，加热蒸汽绝压为200 kpa，原料液的比热为3.77kJ/kg.K，蒸发器的热损失为12000W，假设溶液的稀释热可忽略，不考虑C与C0的区别，若K=1500 W/(m2.K)， 试求：（1）蒸发量W；（2）原料液温度分别为30。80与120时的加热蒸汽消耗量D，并 比较它们的经济性；（3）30，80，120进料下所需的传热面积A. 解：（1）蒸发量W W=F(1-x0/x)=2000(1-0.1/0.3)=1333kg/h （2）加热蒸汽消耗量D D=F(Ct-C0t0)+Wr+Q1/R 压强为40kpa, 200kpa饱和蒸汽的汽化潜热分别为2312和2205kJ/kg 料液温度为30时的蒸汽消耗量： D=20003.77(80-30)+13332312+120003.6/2205=1588kg/h 单位蒸汽消耗量 D/W=1588/1333=1.19,料液温度为80时，则D=(1333 2312+120003.6)/2205=1417kg/h D/W=1417/1333=1.06 料液温度为120时， 则D=20003.77(80-120)+13332312+120003.6/2205=1280kg/h D/W=1280/1333=0.96 由以上计算可知，原料液的温度越高，蒸发1kg水所消耗的加热蒸汽量越少. （3）A=Q/K(Ts-t1)=DR/K(Ts-t1) 200kpa 沸点Ts =120.2 t1 =80 30 A=158822051000/36001500(120.2-80)=16m2 80 A=141722051000/36001500(120.2-80)=14.4 m2 120 A=128022051000/36001500(120.2-80)=13 m2,四 焓浓图 热效应稀释热（浓缩热）, 焓浓图 P293 图6-12 纵坐标焓, 横坐标溶液浓度, 曲线-等温线 其中h ,h0查图 五 蒸发器的生产能力与生产强度 P299 生产能力 W kg/h Q A 生产强度评价性能 U kg/m2.h Ts t tm 但受限制 K tmU 2 K, 不凝性气体排出， 增大u，清除垢层等可增K。,焓,浓度,一组温度线,焓-浓图,水沸点,溶液沸点,质量浓度线,杜林规则图,6.4 溶液沸点和温度差损失 沸点升高原因：浓度， 液柱高度 =t-T1 t 溶液沸点， T1 相同压力下水的沸点 ， 二次蒸汽饱和温度。 有效温度差 t 理论温度差tT tT-t=（Ts- T1）-（Ts- t）= 沸点升高或温度差损失 引起原因：1 溶液蒸汽压下降 2 液柱静压强 3 管路流体阻力 T1根据冷凝室压强定 =+ T1根据蒸发室压强定 则=+ 温度差损失计算 沸点计算法 杜林规则图 静压强计算 查水蒸气表 1 末效1.5 ,（一） 计算 与种类、浓度 、操作压强有关，=tA-T1 1. tA常压下测定溶液沸点 可查 加减压下=f0 0 常压 可测 T1相同压强下水的沸点, r实际压强下二次蒸汽的汽化潜热 2. 杜林规则计算tA 两组溶液沸点与纯水沸点（压力对应相同）数据构成直线 则其他可查图线 P290 图6-11 （二）计算 pm=p+gL /2 p 二次蒸汽压强 pa =Tpm- Tp 查水沸点 （三）计算 与流速、物性、尺寸有关。可通过阻力公式计算，取1 ,末效11.5. 沸点、选择加热蒸汽压强.,例 1：温度差损失的计算 某垂直长管蒸发器用于蒸发氢氧化钠水溶液。蒸发器内的液面高度约3m，已知完成液的浓度为50%（质量），密度为1500 kg/ m3，加热用饱和蒸汽的压强（表压）为0.3Mpa，冷凝器真空度为53 Kpa，求传热温度差。 解：由附表中的水蒸汽表查出水蒸汽的饱和温度为： 表压0.3Mpa下 Ts=143.5，绝压48.3kpa下 Tp=80.1 蒸发器内的液体充分混合，器内溶液浓度即为完成液的浓度。由图6-11可以查得水的沸点为80.1时50%氢氧化钠溶液的沸点为120。 溶液的沸点升高 =120-80.1=39.9 液面高度L为3m，取Pm=P+1/2gL=48.3*1000+0.5*3*1500*9.81 =70.37 kpa 查此压强下水的沸点Tpm为90.02,故因溶液静压头而引起的温度升高 =90.0-80.1=9.9 因在冷凝器故取= 1.5 总温差损失 =+=39.9+9.9+ 1.5 =51.3 有效传热温差t=（Ts-Tp）-=（143.5-80.1）-51.3=12.1,例 2：单效蒸发器设计型计算 采用真空蒸发将质量浓度为20%的氢氧化钠水溶液在 蒸发器中（上例所述）浓缩到50%，进料温度为60，加料量为1.5kg/s，已知蒸发器的传热系数为1560w/m2k，求加热蒸汽消耗量及蒸发器的传热面积。设蒸发器的热损失为加热蒸汽消耗量的3%. 解：由物料衡算式可求出水份蒸发量 W=F（1-x0/x)=1.5（1-0.2/0.5）=0.9kg/s 按上例，蒸发器中溶液的温度（完成液的沸点）为 t=143.5- 12.1=131.4 由图6-12可查的氢氧化钠水溶液的热焓为： 原料液浓度20% 60 h0=220kJ/kg 完成液浓度50% 131.4 h=650kJ/kg 由水蒸汽表查得 表压0.3Mpa下 143.5 水蒸汽的潜热 R=2138 kJ/kg 绝压48.3kpa下 水蒸汽的热焓 r=2643 kJ/kg,由热量衡算式可得加热蒸汽用量 DR+Fh0=（F-W）h+Wr+0.03DR D=(1/0.97R)F(h-h0)+W(r-h) =(1/0.972138)1.5(650-220)+0.9(2643-650) =1.176 kg/s 加热蒸汽经济性 W/D=0.9/1.176=0.765 蒸发器热负荷 Q=DR=1.172138=2514kw 由传热速率方程式求出传热面积 A=Q/Kt=25141000/（156012.1）=133.2m2,6.5 多效蒸发 节省能量加热蒸发 要求后一效的操作压强和溶液的沸点都要比前一效的低， 后一效的加热室成为前一效二次蒸汽的冷凝器。 单效D/W=1 双效D/W=1/2 三效D/W=1/3 四效1/4 五效1/5 实际 1.1 0.57 0.4 0.3 0.27 由于存在温度差损失和蒸发的热损失Ql 一 多效蒸发流程加料方式 并流（顺流）：溶液和蒸汽的流向相同 并流加料流程.swf 优点 ： 不用泵 ， 自行蒸发闪蒸 P296 图6-14 缺点：C，t，K 逆流：逆流加料蒸发流程1.swf原料液末效进；用泵往前打； 完成液由第一效出，蒸汽由第一效到末效。 优点：C，T， 近似不变 ， K相近； P297 图6-15 缺点：用泵， t0 t， 二次蒸汽少。 宜：随C、 t变化大； 不宜：热敏性,平流：平流加料蒸发流程.swf原料液分别加入各效、完成液分别排 出，蒸汽的流向由第一效到末效。适宜：有结晶析出。P297 图6-16 错流：额外蒸汽引出加热原料 二 计算 已知：F、 x0 、t0 、 Ps 、 P 、 x 项目： ti D Wi Ai 依据：物料衡算、 焓衡算、 传热速率方程，方程联立 ， 试差。 步骤：t末W Wi xit ti xi Wi Qi比较 Ai Ai 相等 三、与单效比较 1 温度差损失 n t ; L. pf 2 经济性 n D/W 3 生产能力与生产强度U Q=KAt , Q=Q1+ Q2+ Q3=KA(t1+t2+t3)= KAt 无时 生产能力W相同 ;有时则 生产能力W; 生产强度U W/A,4 效数限制与最佳效数 n t K;n D/W 操作费 投资费; n W U 电解质 23效 , 非电解质46 ,海水淡化2030 效. 5 提高加热蒸汽经济性的其他措施 a 额外蒸汽引出: 引出额外蒸汽的蒸发流程.swf D=W/n+(n-1)E1/n+(n-2)E2/n+En-1/n E1En-1引出额外蒸汽用于加热原料; EiD 压力不同, 潜热不同, A b 二次蒸汽再压缩热泵蒸发器: p t t0 c 冷凝水自蒸发产生低压蒸汽,蒸发重点：,生蒸汽、二次蒸汽、区别 P280 蒸发流程 P281 真空蒸发特点 蒸发设备 P282 温度差损失、原因与计算 P289 提高K的方法 P292 焓浓图 P293 物料衡算 W P294 焓衡算 D P294 传热面积计算 A P295 多效流程及特点 P296 优缺点 P298 经济性 W/D P298 生产强度 W/A P299 提高经济性的措施 P303,习题课,例1 在单效真空蒸发器中，将流率为10000kg/h的某水溶液从10%浓缩到50%，原料液温度为31 ，估计溶液沸点升高为7 ，蒸发室的绝对压强为20kPa，加热蒸汽压强为200kPa（绝压），冷凝水出口温度为79 ，已知总传热系数为1000W/(m2.K)，热损失可忽略，试估算加热蒸汽消耗量和蒸发器的传热面积。20kPa下饱和蒸汽温度为60.1 ，汽化潜热2355kJ/kg，200kPa下饱和蒸汽温度为120.2 ，汽化潜热2205kJ/kg，焓H=2709 kJ/kg 。,解：溶液沸点 t=T1+ =60.1+7=67.1 水分蒸发量 W=F(1 x0/x)=10000(1-0.1/0.5)=8000kg/h 溶液比热C0=4.187(1- x0 )=4.187(1-0.1)=3