第5章真空蒸发2

1、第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 蒸发计算的主要项目有： (一)蒸发量； (二)加热蒸汽消耗量； (三)蒸发器的传热面积。 在多效蒸发中，有总蒸发量，各效蒸发量； 加热蒸汽消耗量及各效传热面积。这些值都可 以通过物料衡算，热量衡算及传热方程式求得 解答。 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 一、单效真空蒸发的工艺计算 1、物料衡算： 在蒸发过程中，溶质是不汽化的，在理想 情况下，设没有其它损失，则溶质是在蒸发前 后是相等的。 设水份蒸发量为w，进料量为S，进料浓度 为B0，出料浓度为B1。 S Bo=(SW)B1 式中：W水份蒸发量公斤时 S物料进入量公斤时 Bo进入

2、物料的浓度 B1浓缩液的浓度 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 一、单效真空蒸发的工艺计算 1、物料衡算： W=S(1- Bo/ B1) 公斤时 2、热量衡算： 根据热量守恒的原则，如果蒸发时不计算 周围的热量损失，则： 加热蒸汽带入热+物料带入热=二次蒸汽带 走热+浓缩液带走热+加热蒸汽冷凝成冷凝水带 走的热。 WS SB B 0 1 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 一、单效真空蒸发的工艺计算 2、热量衡算： 即 D* i1+SCt1=Wi2+(SW)C2t2+Dik 由上式就可算出加热蒸汽消耗量，式中： D加热蒸汽用量公斤时 i1加热蒸汽热焓千卡公斤 C进料液

3、的比热千卡公斤 C2浓缩液的比热千卡公斤 t1溶液进料的温度 i2二次蒸汽热焓千卡公斤 t2溶液浓缩终了温度 ik加热蒸汽凝结成冷凝水之热焓千卡公斤 S进料量公斤时 水的比热=1千卡公斤 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 一、单效真空蒸发的工艺计算 而 (SW)C2=SC-W 所以：D* i1+SCt1=Wi2+(SC-W)t2+Dik 展开：D* i1+SCt1=Wi2+SCt2-Wt2+Dik 整理： D* i1-Dik=Wi2-Wt2-SCt1+SCt2 则 (54) 如果需要考虑到周围热损失时，蒸汽消耗量就 要增加，根据一般经验，周围环境之热损失约 为总热量的23. k

4、ii ttSCtiW D 1 2122 )()( 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 一、单效真空蒸发的工艺计算 则公式(54)改写成： (55) 式中： n热损失系数，一般n =0.970.98 nk ii ttSCtiW D )( )()( 1 2122 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 n r ttSCWr D 2 211 )( 一、单效真空蒸发的工艺计算 设 r1=i2-t2 二次蒸汽蒸发潜热，千卡公斤 r2=i1-ik 加热蒸汽蒸发潜热，千卡 公斤 可将公式(55)改写成： 公斤/时 (56) 如果进料时温度为沸点进料(即t2=t1)。同时不 考虑周围热损失

5、。公式(56)可化简为： 2 1 r Wr D 2 1 r r W D 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 一、单效真空蒸发的工艺计算 由于r1与r2在数值上几乎差不多，说明蒸发 一公斤水需一公斤的加热蒸汽，所以在单效蒸 发过程里DW=1，若同时需考虑周围热损失 时，则加热蒸汽耗量为1.11.2kg 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 )( 2 2 ttK Dr tK Q F n 一、单效真空蒸发的工艺计算 3、传热面积计算 根据一般传热公式：Q=KFt 热量Q为每小时加入加热蒸汽给的热量，全部 由由加热蒸汽提供 式中 tn加热蒸汽的饱和温度 t2被蒸发溶液的沸腾温度

6、K传热系数千卡米方米时度 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 一、单效真空蒸发的工艺计算 例题：采用真空蒸发，将浓度20%的物料蒸发 到50%，加料量1000kg/h,沸点进料，已知蒸发 器的传热系数K=1500Kcal/m2hoC，加热蒸汽表 压0.5kg/m2,真空度600mmHg，求生蒸汽耗量 及蒸发器的传热面积（热损失按2%计） 解：由物料衡算式求水分蒸发量 W=S(1-B0/B1) =1000(1-20/50) =600kg/h 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 一、单效真空蒸发的工艺计算 按 求蒸汽消耗量 其中：W蒸发量=600kg/h i2二次蒸汽的热焓

7、 ，查饱和蒸汽表 由真空度600 mmHg=0.21kg/cm2 得：蒸发温度t2=61 i2=623.5Kcal/kg i1加热蒸汽的焓，按表压=0.5kg/cm2 得温度111 i1=643.2Kcal/kg n r ttSCWr D 2 211 )( 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 一、单效真空蒸发的工艺计算 ik=冷凝水的热焓，查饱和蒸汽表， ik=111.2Kcal/kg 则 hkg r ttSCWr D n /89.649 98. 0)2 .1112 .643( )615 .623(600 )( 2 211 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 2 2 2

8、 51. 4 )61111(1500 )2 .1114 .632(89.649 )( m ttK Dr tK Q F n 一、单效真空蒸发的工艺计算 传热面积 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 各符号代表的意义： W1，W2.Wn 各效的蒸发量,kg/h W 总蒸发量,kg/h S 原料进料量,kg/h B0，B1，B2Bn 原料及各效完成液的浓度,% t0 原料液的温度， t1，t2tn 各效溶液的沸点， 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 各符号代表的意义： C 原料液的比热 D1 加热蒸汽的耗量,kg/h

9、I0 加热蒸汽的焓,kcal/kg i1,i2.in 各效二次蒸汽的焓,kcal/kg F1，F2.Fn 各效的加热面积,m2 T1，T2.Tn 各效二次蒸汽的的温度， 1,2n 各效蒸汽冷凝水的温度， 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 1、物料衡算： 进料与最终产品中所含溶质量应相等。 S Bo=(SW)Bn 式中：S原料液量(公斤小时) Bo原料液浓度() Bn 末效产品料液浓度() W 总蒸发水量(公斤小时) )1 ( )( 00 nn n B B S B BBS W 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 1

10、、物料衡算： 以W1，W2.Wn 代表各效的蒸发量，以B1， B2Bn 原料及各效完成液的浓度,，则有： SB0 =(S-W1)B1 =(S-W1-W2)B2 =(S-W1-W2.Wi) Bi =(S-W1-W2-Wi-Wn) Bn 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 ).( 21 0 i i WWWS SB B 二、多效真空蒸发的工艺计算 1、物料衡算： 则对于任意一效的完成液的浓度： SB0=(S-W1-W2.Wi) Bi 最终产品的浓度： n n nn B SB S BSSB 0 0 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 1、物料衡算：

11、由于在多效蒸发计算中，一般仅知道原料 液和完成也的浓度，而其他各效完成液的浓度 均未知，因此采用上式仅能求得总蒸发量，至 于各效的蒸发量和浓度，还需结合热量衡算才 能求得。 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 wii iii Cti ttC)( 1 二、多效真空蒸发的工艺计算 2、热量衡算： 自蒸发系数 在并流操作中，每公斤溶液从前一效进入 次一效时带入的热量为Ci* ti-1 (千卡公斤)， 由于在第i效中溶液温度从ti-1降至 ti，则每公斤 溶液放出的热量为Ci* （ti-1 -ti） (千卡/公斤). 此项放出的热量，导致溶液的自蒸发因 此多产生了二次蒸汽量为： 热量 每蒸

12、发1kg水需要的热量 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 i ii ii ti tt )( 1 二、多效真空蒸发的工艺计算 2、热量衡算： 自蒸发系数 令 称为自蒸发系数，数值很小，一般0.010.1 i 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 i wii ii Cti I )( 二、多效真空蒸发的工艺计算 2、热量衡算： 蒸发系数 每公斤加热蒸汽冷凝时放出的蒸发潜热为 (Ii-i*Cw)此热量可以蒸发出的水分量为 称为蒸发系数 如果溶剂是水，则蒸发系数可近似取1 i 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 3、各效热量的计算： 在多效蒸

13、发装置中，进入第一效的热量为原料 液带入的热量(SCt0)和加热蒸汽供给的热量 D1 (I1-1)，从第一效带出的热量为浓缩液带出 的热量 (S-W)C2t1=(SCW1)t1，以及二次蒸汽 带出的热量(W1*i1) 所以对第一效进行热量衡算若不计热损 失则可得出： D1(l1-1)+SCt0=(SC-W1)t1+W1ti 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 3、各效热量的计算： D1(l1-1)+SCt0=(SC-W1)t1+W1ti 整理得：D1(I1-1)=W1(i1-t1)-SC(t0-t1) 对于第二效就有： D2(I2-2)=W2(i2-t2

14、)-(S-W1)C2(t1-t2) D2(I2-2)=W2(i2-t2)-(SC-W1)(t1-t2) 对于第i效就有： Di(Ii-i)=Wi(ii-ti) -(SC-W1-W2-Wi-1)(ti-1-ti) Wi(ii-ti)=Di(Ii-i) -(SC-W1-W2-Wi-1)(ti-1-ti) 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 3、各效热量的计算： Wi(ii-ti)=Di(Ii-i) -(SC-W1-W2-Wi-1)(ti-1-ti) 故：Wi=Dii -(SC-W1-W2-Wi-1)i 对于第一效：W1=D11 SC1 对于第二效：W2=D2

15、2 -(SC-W1)2 ii ii i ii ii ii ti tt WWWSC ti I DW 1 121 )( 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 3、各效热量的计算： 由于在任一效中蒸发出的水，即产生的二 次蒸汽，如无额外蒸汽的引出，则全部被引至 下一效作为加热蒸汽用，也就是W1相当于第二 效的加热蒸汽用量D2，W2相当于第三效的加热 蒸汽用叠D3其余类推 如果计算时要计入外界热量损失要乘以 热利用系数再取i=1 则得第i效的水份蒸发量： Wi=Di -(SC-W1-W2-Wi-1)ii Wi(ii-ti)=Di(Ii-i) -(SC-W1-W2-

16、Wi-1)(ti-1-ti) 故：Wi=Dii -(SC-W1-W2-Wi-1)i 对于第一效：W1=D11 SC1 对于第二效：W2=D22 -(SC-W1)2 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 3、各效热量的计算： W1=D1 SC11 W2=D2 -(SC-W1)22 对于值，一般去0.98，也就是热损失按2%计。 其余各项可以类推均可将各效蒸发量表示成 加热蒸汽量D的函数式 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 4、传热面积计算： 公式还是 但是因为是多效蒸发传 热面积如何令理，计算较为复杂可用试算法 在传

17、热公式中先确定1-2个参数，然后进行试 算再核算其定数值是否合适，经过反复几次 运算才能完成，一般凭经验可先确定K值。然 后再合理分配有效温度差。 tK Q F 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 4、传热面积计算： 多效蒸发的有效温度差的分配： 根据蒸发操作得出任何一效的加热蒸温度 (T)必须高于溶液的沸点温度(t)即有一定的 温度(Tt)，蒸发操作才能正常进行 各效的温度差若用1 ，2n表示， 则 第一效温差t1=T1t1 第二效温差t2=T2t2 第三效温差t3=T3t3 t总= 1 +2+n =T-tn 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺

18、计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 4、传热面积计算： 若不考虑热损失，各效温差总和应该和总温度 差相等，实际上由于各效均有温度损失所以 总的有效温差的数值t t总 两者之间的差，称为温度差损失，即 = t 总-t 温度差损失主要有下面3项 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 a、溶液沸点的升高： 由于有溶质的存在，溶液的蒸汽压强总是比 较纯溶剂低，因此，当液面的压强一定时，溶 液的沸点要比纯溶剂沸点高。高出的温度，用 i表示。 溶液沸点的升高随溶液的浓度而变，牛奶在不 同浓度下的溶液沸点可用下式计算： 常压下： a=0.38e0.05+0.045B B=

19、牛奶的固形物含量，%。 在其他压强下，要乘以一个系数f 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 a、溶液沸点的升高： f=0.00387 T2/r T=此压强下水的沸点 r=此压强下水的汽化潜热。 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 a、溶液沸点的升高： 也可按下式计算： 某液体在两种不同压强下，两沸点之差与水在 同样压强下两沸点之差的比值为常数 式中：TA物料在大气压时的沸腾温度 TA物料在真空时的沸腾温度 TB水在大气压时的沸腾温度 TB水在真空时的沸腾温度 K。沸点降低常数比值(对于牛奶K。=0.81) 0 K

20、tt tt BB AA 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 b、静压所引起的溶液沸点升高： 对于间歇操作的设备而言，溶液因为在蒸 发器内停留一段时间，即溶液在蒸发器内保持 相当高度，溶液在底部时所受到的压强较在溶 液的表面所受的压强为高，所以底部溶液的沸 点高于溶液表面的沸点，在工艺计算中，如沸 点取溶液表面温度则偏低，如取底部温度又偏 高，在工程上采取表面与底部的平均值。设溶 液表面压强为P0，而底部溶液受的压强为 (P0+RH)。其中H为溶液的高度(米)，R为溶液 的重度(公斤/米3) 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 b、静压所引起的溶液沸点升高： 所以溶液的平均静压强为： Kg/m3 Kg/cm3 式中：R一溶液的比重公斤米3。 P0+P为溶液平均高度H2处的压强，在 水蒸汽表中，可查得相应的沸点。再以所求得 的沸点减去P0时的沸点。其差值即为溶液因受 静压而引起的沸点升高. 20000 2 )( 00 RH PRHP P 第五章 真空蒸发装置 第六节蒸发设备的工艺计算 二、多效真空蒸发的工艺计算 b、静压所引起的溶液沸点升高： 由于溶液在沸腾时形成汽液混合物，故溶 液的重度大为减小，实际上沸点升高值较算出 来的值为小，现在设计蒸发器时，必须考虑到 尽量减少