蒸发工艺计算讲解课件

项目九蒸发及设备操作大庆职业学院

职业教育环境监测与治理技术专业教学资源库《化工单元操作》课程

任务二、蒸发过程工艺参数的确定---蒸发工艺计算

项目九蒸发及设备操作大庆职业学院1工艺参数单位时间内水分蒸发量W(kg/h)和完成液浓度—物料衡算方程加热蒸汽用量D(kg/h)—热量衡算方程蒸发器的传热面积S(m2)—传热速率方程工艺参数单位时间内水分蒸发量W(kg/h)和完成液浓度—物料2一、水分蒸发量的计算

以蒸发器为系统进行溶质的质量衡算（以kg/h为基准)

：

Fx0=(F-W)x1W=(1-)x1x0F-WFx0x1=水分蒸发量：完成液浓度：一、水分蒸发量的计算以蒸发器为系统进行溶质的质量衡算（以k3二、加热蒸汽的消耗量

以蒸发器为衡算范围，以kJ/h为单位对进出蒸发器的热量进行衡算（以0℃液态为温度与物态基准）：

DH+Fh0=Dhc+WH+(F-W)h1+QL

¢Q=D(H-hc)=F(h1-h0)+W(H-h1)+QL¢注：D-蒸汽消耗量，kg/h；H-加热蒸汽的焓，kJ/kg；H'-二次蒸汽的焓，kJ/kg；h0—原料液的焓，kJ/kg；h1—完成液的焓，kJ/kg；hc—冷凝水的焓，kJ/kgQL-蒸发器的热损失，J/h。二、加热蒸汽的消耗量以蒸发器为衡算范围，以kJ/h4二、加热蒸汽的消耗量讨论１.加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出则H-hc为冷凝潜热r(kJ/kg)二、加热蒸汽的消耗量讨论１.加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排5二、加热蒸汽的消耗量２.溶液的稀释热可以忽略当溶液的稀释热不大，可以忽略不计时，溶液的焓值可用比热计算。以0℃的液体为基准，则：忽略原料液和完成液比热容的差异，即

近似取温度为t1时饱和蒸汽的焓，并忽略溶质浓度对比热容的影响二、加热蒸汽的消耗量２.溶液的稀释热可以忽略当溶液的稀释热6若溶液为沸点进料(tl=t0)，忽略蒸发器热损失蒸汽的汽化潜热随压力变化不大(rr')，故D/W

1，蒸发1kg水约需1kg加热蒸汽。实际上r<r'，加上热损失，D/W>1，其值约为1.1或稍高。二、加热蒸汽的消耗量上式表明，加热蒸汽相变放出的热量用于：①使原料液由t0升温至沸点t1；②使水在tl温度下汽化生成二次蒸汽；③一部分用于蒸发器的热损失。若溶液为沸点进料(tl=t0)，忽略蒸发器热损失二、7三、蒸发器的传热面积Q=KSΔtm由传热速率方程：据此计算蒸发器传热面积S。其中Δtm、K、Q计算如下:

（一）蒸发器的热负荷Q蒸发器的热负荷Q可以根据加热室的热量衡算求得。如果忽略加热室的热损失，则Q即为加热蒸汽冷凝放出的热量：Q=D（H-hC）=Dr三、蒸发器的传热面积Q=KSΔtm由传热速率方程：据此计算8三、蒸发器的传热面积(二)传热系数K1.传热系数原则上可按下式计算:式中：αo—管间蒸汽冷凝时的对流传热系数，W/(m2•K)；αi—管内溶液沸腾时的对流传热系数，W/(m2•K)；Ro—管外污垢热阻，(m2•K)/W；Rw—管壁热阻，(m2•K)/W；Ri—管内污垢热阻，(m2•K)/W。K00ii111aa++++=RRRWddododii三、蒸发器的传热面积(二)传热系数K式中：αo—管间蒸汽冷9三、蒸发器的传热面积2.选用经验值3.现场测定对已有的蒸发设备可用实验方法确定其K值，测定方法和换热器传热系数的测定方法相同。不同类型蒸发器的传热系数的大致范围三、蒸发器的传热面积2.选用经验值3.现场测定不同10三、蒸发器的传热面积（三）平均温度差Δtm蒸发属两相均有相变的恒温传热过程，故传热的平均温度差（亦称有效温度差）为Δtm=T-t1当加热蒸汽选定时，蒸发计算需知道溶液的沸点t1，即可计算传热温度差。在实际生产中，由于溶液的真实沸点不便于测量，常以二次蒸汽冷凝器进口附近处或分离室的压强所对应的饱和蒸汽温度T'来代替。由于T'比溶液的实际沸点t1要低，两者之差称为温差损失，亦称为溶液的沸点升高，用Δ表示，即

t1=T'+Δ三、蒸发器的传热面积（三）平均温度差Δtm蒸发属两相11三、蒸发器的传热面积造成温度差损失（沸点升高）的主要原因是：因溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差Δ'；蒸发器操作时需维持一定液位，因加热管内液柱静压强而使沸点升高Δ″；二次蒸汽由蒸发器分离室流动到冷凝器时产生压强降，导致的温度差损失Δ（若T′指分离室温度时，Δ=0）。即

Δ=Δ'+Δ″+Δ三、蒸发器的传热面积造成温度差损失（沸点升高）的主要原因是12三、蒸发器的传热面积注：Δ'—操作压力下由于溶质存在引起的沸点升高，K；Δ'a—常压下由于溶质存在引起的沸点升高，K；ƒ一校正系数，其值可按下式计算。1.由于不挥发溶质存在引起的沸点升高△′经验公式算法Δ'=ƒΔ'a注：T'—操作压力下二次蒸汽的温度，K；

r′—操作压力下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg。ƒ

=0.0162T'2r′三、蒸发器的传热面积注：Δ'—操作压力下由于溶质存在引起的13三、蒸发器的传热面积应用杜林规则估算溶液沸点杜林规则：溶液的沸点与同压力下溶剂的沸点呈线性关系。在相同压力下分别以某种溶液的沸点为纵坐标，水的沸点为横坐标作图，可得一条直线。对一定浓度的溶液，只要知道它在两个不同压强下的沸点，再查出相同压强下对应水的沸点，即可绘出该浓度溶液的杜林直线，由此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。

注：tB′,tB—压力为p′和p下溶液的沸点，℃；tw′,tw—压力为p′和p下水的沸点，℃；三、蒸发器的传热面积应用杜林规则估算溶液沸点杜林规则：溶液14三、蒸发器的传热面积NaOH水溶液的杜林线如图示。图中每一条直线代表某一组成下该溶液在不同压力下的沸点与对应压力下水的沸点间的关系。由图可知，当溶液的组成较低时，各组成下杜林直线的斜率几乎平行，这表明在任何压力下，NaOH溶液的沸点升高基本上是相同的。杜林规则可用公式表示为tB=ktw+m或三、蒸发器的传热面积NaOH水溶液的杜林线如图示。图中每一15三、蒸发器的传热面积2.加热管内液柱高度而引起的沸点升高△″某些蒸发器的加热管内积有一定高度的液位，使得液面以下液体承受更大的压强，因而导致沸点升高。液层内部沸点与表面沸点之差即为因加热管内液柱静压强而引起的沸点升高（温度差损失）Δ″。根据流体静力学方程，液层的平均压力为注：Pm—液柱的平均压力，Pa；p′—分离室内的压强，Pa；ρ—溶液的平均密度，kg/m3；L—加热管内液柱高度，m。2gL'ppmr+=三、蒸发器的传热面积2.加热管内液柱高度而引起的沸点升高16三、蒸发器的传热面积由于液柱高度而引起的沸点升高为Δ″=tPm-tp'式中：tPm—压强Pm下水的沸点，℃；tp'—与二次蒸汽压强P′对应的水的沸点，℃。3.由于流动阻力引起的沸点升高△二次蒸汽从蒸发室流入冷凝器的过程中，由于管路阻力，其压力下降，温度也相应下降，即蒸发器内蒸汽的冷凝温度高于冷凝器内的冷凝温度。由此造成的沸点升高以△表示。△与二次蒸汽在管道中的流速、物性以及管道尺寸有关，但很难定量分析，一般取经验值，约为1～1.5℃。三、蒸发器的传热面积由于液柱高度而引起的沸点升高为Δ″=t17项目九蒸发及设备操作大庆职业学院

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任务二、蒸发过程工艺参数的确定---蒸发工艺计算

项目九蒸发及设备操作大庆职业学院18工艺参数单位时间内水分蒸发量W(kg/h)和完成液浓度—物料衡算方程加热蒸汽用量D(kg/h)—热量衡算方程蒸发器的传热面积S(m2)—传热速率方程工艺参数单位时间内水分蒸发量W(kg/h)和完成液浓度—物料19一、水分蒸发量的计算

以蒸发器为系统进行溶质的质量衡算（以kg/h为基准)

：

Fx0=(F-W)x1W=(1-)x1x0F-WFx0x1=水分蒸发量：完成液浓度：一、水分蒸发量的计算以蒸发器为系统进行溶质的质量衡算（以k20二、加热蒸汽的消耗量

以蒸发器为衡算范围，以kJ/h为单位对进出蒸发器的热量进行衡算（以0℃液态为温度与物态基准）：

DH+Fh0=Dhc+WH+(F-W)h1+QL

¢Q=D(H-hc)=F(h1-h0)+W(H-h1)+QL¢注：D-蒸汽消耗量，kg/h；H-加热蒸汽的焓，kJ/kg；H'-二次蒸汽的焓，kJ/kg；h0—原料液的焓，kJ/kg；h1—完成液的焓，kJ/kg；hc—冷凝水的焓，kJ/kgQL-蒸发器的热损失，J/h。二、加热蒸汽的消耗量以蒸发器为衡算范围，以kJ/h21二、加热蒸汽的消耗量讨论１.加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出则H-hc为冷凝潜热r(kJ/kg)二、加热蒸汽的消耗量讨论１.加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排22二、加热蒸汽的消耗量２.溶液的稀释热可以忽略当溶液的稀释热不大，可以忽略不计时，溶液的焓值可用比热计算。以0℃的液体为基准，则：忽略原料液和完成液比热容的差异，即

近似取温度为t1时饱和蒸汽的焓，并忽略溶质浓度对比热容的影响二、加热蒸汽的消耗量２.溶液的稀释热可以忽略当溶液的稀释热23若溶液为沸点进料(tl=t0)，忽略蒸发器热损失蒸汽的汽化潜热随压力变化不大(rr')，故D/W

1，蒸发1kg水约需1kg加热蒸汽。实际上r<r'，加上热损失，D/W>1，其值约为1.1或稍高。二、加热蒸汽的消耗量上式表明，加热蒸汽相变放出的热量用于：①使原料液由t0升温至沸点t1；②使水在tl温度下汽化生成二次蒸汽；③一部分用于蒸发器的热损失。若溶液为沸点进料(tl=t0)，忽略蒸发器热损失二、24三、蒸发器的传热面积Q=KSΔtm由传热速率方程：据此计算蒸发器传热面积S。其中Δtm、K、Q计算如下:

（一）蒸发器的热负荷Q蒸发器的热负荷Q可以根据加热室的热量衡算求得。如果忽略加热室的热损失，则Q即为加热蒸汽冷凝放出的热量：Q=D（H-hC）=Dr三、蒸发器的传热面积Q=KSΔtm由传热速率方程：据此计算25三、蒸发器的传热面积(二)传热系数K1.传热系数原则上可按下式计算:式中：αo—管间蒸汽冷凝时的对流传热系数，W/(m2•K)；αi—管内溶液沸腾时的对流传热系数，W/(m2•K)；Ro—管外污垢热阻，(m2•K)/W；Rw—管壁热阻，(m2•K)/W；Ri—管内污垢热阻，(m2•K)/W。K00ii111aa++++=RRRWddododii三、蒸发器的传热面积(二)传热系数K式中：αo—管间蒸汽冷26三、蒸发器的传热面积2.选用经验值3.现场测定对已有的蒸发设备可用实验方法确定其K值，测定方法和换热器传热系数的测定方法相同。不同类型蒸发器的传热系数的大致范围三、蒸发器的传热面积2.选用经验值3.现场测定不同27三、蒸发器的传热面积（三）平均温度差Δtm蒸发属两相均有相变的恒温传热过程，故传热的平均温度差（亦称有效温度差）为Δtm=T-t1当加热蒸汽选定时，蒸发计算需知道溶液的沸点t1，即可计算传热温度差。在实际生产中，由于溶液的真实沸点不便于测量，常以二次蒸汽冷凝器进口附近处或分离室的压强所对应的饱和蒸汽温度T'来代替。由于T'比溶液的实际沸点t1要低，两者之差称为温差损失，亦称为溶液的沸点升高，用Δ表示，即

t1=T'+Δ三、蒸发器的传热面积（三）平均温度差Δtm蒸发属两相28三、蒸发器的传热面积造成温度差损失（沸点升高）的主要原因是：因溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差Δ'；蒸发器操作时需维持一定液位，因加热管内液柱静压强而使沸点升高Δ″；二次蒸汽由蒸发器分离室流动到冷凝器时产生压强降，导致的温度差损失Δ（若T′指分离室温度时，Δ=0）。即

Δ=Δ'+Δ″+Δ三、蒸发器的传热面积造成温度差损失（沸点升高）的主要原因是29三、蒸发器的传热面积注：Δ'—操作压力下由于溶质存在引起的沸点升高，K；Δ'a—常压下由于溶质存在引起的沸点升高，K；ƒ一校正系数，其值可按下式计算。1.由于不挥发溶质存在引起的沸点升高△′经验公式算法Δ'=ƒΔ'a注：T'—操作压力下二次蒸汽的温度，K；

r′—操作压力下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg。ƒ

=0.0162T'2r′三、蒸发器的传热面积注：Δ'—操作压力下由于溶质存在引起的30三、蒸发器的传热面积应用杜林规则估算溶液沸点杜林规则：溶液的沸点与同压力下溶剂的沸点呈线性关系。在相同压力下分别以某种溶液的沸点为纵坐标，水的沸点为横坐标作图，可得一条直线。对一定浓度的溶液，只要知道它在两个不同压强下的沸点，再查出相同压强下对应水的沸点，即可绘出该浓度溶液的杜林直线，由此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。

注：tB′,tB—压力为p′和p下溶液的沸点，℃；tw′,tw—压力为p′和p下水的沸点，℃；三、蒸发器的传热面积应用杜林规则估算溶液沸点杜林规则：溶液31三、蒸发器的传热面积NaOH水溶液的杜林线如图示。图中每