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1、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,
2、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
3、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
4、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
5、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
6、*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
7、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
8、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=1
9、417/1333=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
10、(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
11、 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
12、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
13、。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
14、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
