化工原理第六章 蒸发

六章 蒸发 - 述 效蒸发 效蒸发 发设备 六章 蒸发 1. 本章学习目的 通过本章学习 ， 重点掌握蒸发过程 基本原理 ， 并运用这些原理和规律去分析和解决冶金和化工生产中蒸发过程的有关问题 ， 诸如： （ 1） 蒸发过程 基本原理 ， 掌握 溶液沸点升高 及 杜林规则 ； 温差损失 （ 2） 掌握 单效蒸发 的操作流程及原理 ， 熟练掌握 单效蒸发 计算 （ 包括 水分蒸发量 、 蒸汽消耗量 、 有效温度差及传热面积 ） ； （ 3） 掌握 多效蒸发 的操作流程及原理； （ 4） 了解 蒸发器的分类 、 结构 、 特点及选用 。 本章应掌握的内容 （ 1） 溶液沸点升高及杜林规则 ， 温差损失； （ 2） 单效蒸发原理及计算； （ 3） 多效蒸发的操作流程及原理 （ 4） 蒸发器的结构及选用 氧化铝厂蒸发车间 蒸发工序能耗巨大 ,约占氧化铝生产总能耗的 20%25%,蒸发器是氧化铝生产中能耗较大的设备 ,其用能情况直接关系到氧化铝的能耗、成本及产品的质量。 解车间的母液蒸发车间的蒸发原液槽，蒸发工段采用母液部分蒸发工艺， 一部分母液进蒸发器中，蒸发站由一组六效降膜蒸发器和一台强制循环结晶蒸发器及三级闪蒸组成， 蒸发采用逆流流程。原液由末效逐级送到前效蒸发，最后到 I 效。 酸铵水溶液蒸发流程 123 456蒸发过程的设备 蒸发器 工业上常用的浓缩方法是将这些稀溶液加热至沸腾，使其中一部分溶剂汽化，从而获得浓缩过程，称为 蒸发。 冷却水 水 完成液 冷凝水 加热蒸汽 料液 （ 1） 蒸发操作的目的 获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品。 脱除溶剂，将溶液增溶至饱和状态，随后加以冷却，析出固体产物，即采用蒸发，结晶的联合操作以获得固体溶质。 除杂质 ， 获得纯净的溶剂 。 2） 加热蒸汽和二次蒸汽 蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸汽也是水蒸气。为了区别，将加热的蒸汽称为加热蒸汽，而由溶液蒸发出来的蒸汽称之为二次蒸汽。 （ 3） 分类 按蒸发操作空间的压力可分为：常压 ， 加压 ， 或者减压 （ 真空 ） 蒸发 。 按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发。 4） 蒸发操作的特点 沸点升高 蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液。由拉乌尔定律可知：在相同温度下，其蒸汽压纯溶剂的为低，因此，在相同的压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。故当加热蒸汽温一定时，蒸发溶液时的传热温差就比蒸发纯溶剂时来得小，而溶液的浓度越大，这种影响就越显著。 节约能源 物料的工艺特性 本章的重点就是研究上述问题，同时还考虑从二次蒸汽中分离夹带液沫的问题。 单效蒸发计算 发设备中的温差损失 液的沸点升高与杜林规则 空蒸发 效蒸发 效蒸发的流程 生产中最简单的单效真空蒸发 ，且多为水溶液单效蒸发 二次蒸汽不加利用的蒸发 结构：加热室 、 蒸发室 、 冷凝室 、 除沫器 效蒸发计算 于单效蒸发 ， 在给定的生产任务和确定了操作条件以后 ， 通常需要计算以下的这些内容： 水分的蒸发量； 热蒸汽消耗量； 发器的传热面积。 要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程，热量衡算方程和传热速率方程来解决 1） 物料衡算 溶质在蒸发过程中不挥发，且蒸发过程是个定态过程，单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即 (0 水分蒸发量： 完成液的浓度： )1( 00溶质的物料衡算 单效蒸发的物料衡算及焓衡算示意图 D,s F， L=x W,T,H D,Ts,1 (1) (2) (3) 2） 热量衡算 对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出时， 10s )( s 10)( 式中 加热蒸汽消耗量 ， kg/s； ， 料液与完成液的温度 ， ； ， ， 加料液 ， 完成液和冷凝水的热焓 ， kJ/ ， 二次蒸汽和加热蒸汽的热焓， kJ/ 热损失； h s,， L=x W,T,H D,Ts,1 单效蒸发的物料衡算及焓衡算示意图 (4) (5) 于大多数物料的蒸发，可以不计溶液的浓缩热，而由比热求得其焓。习惯上取 0 为基准，即0 时的焓为零，则有 0*s 00000 0 0代入前面的两式得： 100* )()( D,s F， L=x W,T,H D,Ts,1 单效蒸发的物料衡算及焓衡算示意图 (6) (7) (8) (9) 了避免使用不同溶液浓度下的比热，可以近似认为溶液的比热容和所含溶质的浓度呈加和关系，即 0 )1( * )1( 式中 水的比热 ， kJ/ 溶质的比热， kJ/ *0) (11) 式（ 1）或式（ 2）可得加热蒸汽的消耗量为： ss 10 )()(ss 100 )()( 忽略浓缩热 时 考虑到 s * 00 )( (12) (13) (14) 沸点进料 ， ，并忽略热损失和溶液浓度较低时， ，则 0 0 )(1 式中称 为单位蒸汽消耗量，用来表示蒸汽利用的经济程度（或生蒸汽的利用率）。 度为 加热蒸汽的蒸发潜热 (15) (16) 3） 蒸发器传热面积的计算 由传热速率方程得 式中 蒸发器传热面积 ， 热流量 ， w； 传热系数 ， w/ ； 平均传热温差， K。 于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热 ，加热蒸汽的饱和温度蒸发器中溶液的温度 t ， 且蒸发器的热负荷 ，所以有 0m)()( 00 加热蒸汽消耗量 加热蒸汽的蒸发潜热 0(17) (18) 4） 浓缩热和溶液的焓浓图 为基准温度的焓浓图 。 氢氧化钠的焓浓图 有些物料，如 化钙，在稀释时有明显的放热效应； 蒸发时，除了供给水分蒸发所需的汽化潜热外，还需供给和稀释时的热效应相当的浓缩热 。 发设备中的温度差损失 蒸发器中的传热温差等于 ，当加热蒸汽的温度 一定（如用 476 ），若蒸发室的压力为 沸点 ）而不是溶液，此时的传热温差最大，用 表示： )( 01 0 01 5 0T 0%的 常压下其沸点是高于 100 。若其沸点 ，则有效传热温差 ， 比 所减小的值，称为传热温度差损失，简称温度差损失，用 表示 120t 301 2 01 5 0 s t发设备中的温差损失 )()( 00 有效传热温差 温度差损失的原因 ： 溶液沸点的升高 。 这是由于溶液蒸汽压较纯溶剂 （ 水 ） 在同一温度下的蒸汽压为低 ， 致使溶液的沸点比纯溶剂 （ 水 ） 高； 蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管是产生的摩擦阻力，都导致溶液沸点的进一步上升。 (19) 相当宽的压强范围内溶液的沸点与同压强的下溶剂的沸点成线性关系： 00A)( 0 式中 和 代表某中种液体（或者溶液）在两种不同压力下的沸点， 和 代表溶剂在相应压力下的沸点。 液的沸点升高与杜林规则 (20) (21) 的沸点线为一条对角线，即水的沸点线，其它浓度下溶液的沸点线大致为一组平行直线。 溶液的杜林线图 浓度不太高的范围内，由于沸点线近似为一组平行直线，因此可以合理的认为沸点的升高与压强无关，而可取大气压下的数值； 浓度范围只需要知的两个不同压强下溶液的沸点，则其他压强下的溶液沸点可按杜林规则进行计算。 效蒸发过程的计算 设计型计算： 给定蒸发任务，要求设计经济上合理的蒸发器。 给定条件：料液流量 ，浓度 ，温度 以及完成液浓度 ； 设计条件：加热蒸汽的压强以及冷凝器的操作压强主要由可供使用 的冷却水温度来决定； 计算目的：根据选用的蒸发器形式确定传热系数 ，计算所需供热 面积 及加热蒸汽用量 。 F 0w 0t 操作型计算： 已知蒸发器的结构形式和蒸发面积 给定条件： 蒸发器的传热面积 与给热系数 ， 料液的进口状态 与 ， 完成液的浓度要求 ， 加热蒸汽与冷凝器内的压强 。 计算目的： 核算蒸发器的处理能力 和加热蒸汽用量 。 或： 已知条件： ， ， ， ， 。 加热蒸汽与冷凝器内的压强； 计算目的：反算蒸发器的 并求 ； 业上常使溶液在减压下亦即真空下蒸发以降低溶液的沸点。 真空蒸发特点 ： （ 1）在减压下溶液沸点较常压下低，因此可以提高加热蒸汽与沸腾液体间的温差； （ 2）可以利用低压整齐甚至废气作为加热蒸汽； （ 3）可用以浓缩不耐高温的溶液； （ 4）溶液沸点低，蒸发器外界热量损失较小。 加真空设备；传热系数降低；二次蒸汽温度降低。 在蒸发过程中选择蒸发室压力往往是 一个经济核算问题 。 空蒸发 多效蒸发的流程 发设备 效蒸发 单效蒸发中 ， 蒸发 1 在大规模生产中为了节省蒸汽用量 ，同时也为了使析出的晶体及时与溶液分离 ， 一般采用多效蒸发 。 多效蒸发的操作原理是： 将前一效产生的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽 ， 这样仅第一效需要消耗生蒸汽 ， 同时要求后一效的操作压强和溶液的沸点相应降低 ， 这时引入的二次蒸汽才仍能起到加热作用 ， 则后一效的加热室成为前一效的冷凝器 。 如此将多个蒸发器串联起来一同操作的过程 ， 组成了多效蒸发操作流程 。 效数 单效 双效 三效 四效 五效 D/W 发 1 降低能耗 由于各效 (末效除外 )的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽 ， 因而提高了加热蒸汽的利用率； 便于分离晶体 当蒸发过程溶液有晶体析出时 ， 可使晶体在某一效间析出 ， 然后与溶液分离后继续蒸发 ， 这样就避免了单效操作时晶粒和完成液一起排出 ， 可减少结垢 、磨损现象 ， 同时提高对流传热系数 。 可强化传热过程提高蒸发效率 。 效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合 ， 常见的有： 并流： 溶液与蒸汽的流向相同 ， 称并流 。 逆流 ： 溶液与蒸汽的流向相反 ， 称逆流 。 错流 ： 溶液与蒸汽在有些效间成并流 ， 而在有些效间成逆流 。 平流 ： 每一效都加入原料液的方法 。 1） 并流加料流程 优点： 溶液的输送靠效间压强差进行，不另用泵； 前一效溶液进入后一效时，会因过热而自行蒸发，可使后一效产生较多的二次蒸汽，即水分蒸发量多； 缺点： 逐效降低，致使溶液粘度增大较快，使传热系数逐效下降，传热效果一效不如一效。 适于： 热敏性物料的蒸发 并流流程 蒸汽流动方向： 1 2 3 溶液流动方向： 1 2 3 2）逆流加料流程 优点： 随着溶液浓度的逐效提高，温度也相应升高，因而各效溶液粘度大致接近，所以各效传热系数差别不大； 缺点： 1、效间溶液输送需用泵； 2、各效进料温度均低于沸点，产生的二次蒸汽量较并流法少。 适于：液蒸发。 逆流流程 蒸汽流动方向： 1 2 3 溶液流动方向： 321 3）平流加料流程 在实际蒸发中，除了采用这些基本流程外，常根据具体情况进行合并和组合。 此时料液由各效分别加入，同时，完成液也分别由各效排出，各效溶液的流向互相平行。 这种加料流程主要应用于蒸发过程中容易析出结晶的场合，例如食盐水溶液的蒸发，它在较低浓度下即达饱和而有结晶析出。为了避免夹带大量结晶的溶液在各效之间输送，常采用平流加料，并用析晶器将结晶分出。 （ 4）错流加料流程 溶液流动方向： 3 1 2或 2 3 1 蒸汽流动方向： 123 效蒸发和单效蒸发的比较 （ 1） 溶液的温度差损失 若单效和多效蒸发操作条件 (即加热蒸汽压强和冷凝器的操作压强 )相同时 ，其理论传热温差相同而和效数无关 ， 多效蒸发只是将此传热温差分配到各效而已 。由于多效蒸发的每一效中都存在传热温差损失 ， 因而总的有效传热温差必小于单效时 ， 使得传热推动力下降 。 效数愈多 ， 总有效温差愈小 ， 当效数增加到一定程度时 ， 可使总有效温度差为零 ， 此时蒸发将无法进行 ， 即为效数的最大极限 。 （ 2） 加热蒸汽的经济性 当蒸发水分量相同时，多效蒸发所需加热蒸汽消耗量比单效明显减少，因而提高了加热蒸汽的利用率，即经济性。因此在蒸发大量水分时，应采用多效。 发器的生产能力和蒸发强度 无论是生产能力还是生产强度 ， 其大小取决于蒸发器的传热速率 ， 当操作条件一定时 ， 单效的传热速率为 Q=而多效的传热速率 设 T， T， 。 很明显 ， 由于 t将使 Q即多效的生产能力小于单效时的生产能力， 又因多效传热面积为单效时的 因而多效时生产强度远较单效时为小 。 可见多效蒸发是以牺牲生产能力和生产强度为代价换取加热蒸汽的利用率 。 效蒸发效数的限制和选择 （ 1） 技术上的限制 随着效数的增加 ， 总的有效温差因温度差损失的增加而减小 ， 除使设备生产强度降低外 ， 在技术上受到总的有效温差的限制 ， 否则效数过多导致蒸发不能操作下去 。 根据生产经验 ， 分配到每效蒸发器的有效温差不应小于 7 10 ， 因而效数有一限制 。 （ 2） 经济上的限制 随着效数的增加 ， 虽然 D/ 但这种降低不与效数成正比而在逐渐减少 。 将单效增为双效时 ， 每蒸发 1kg/0%， 而由四效增为五效时 ， 这种降低率仅 10%， 而设备费用则几乎是成倍增加 ， 所以当增加的设备费已大于减少的加热蒸汽费用时 ， 就再无必要增加效数 。 由此可看出效数的增加在经济上也有一限制 。 （ 3） 多效蒸发效数的选择 根据以上分析 ， 效数的确定在满足技术上的要求外 ， 原则上应根据设备费与操作费之和最小进行经济核算来选择最佳效数