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1、化工原理第七章蒸发7.1概述7.2蒸发设备7.3单效蒸发7.4蒸发操作的经济性第七章蒸发7.1概述1.1蒸发操作的定义含有不挥发性溶质的溶液在沸腾条件下受热，部分溶剂汽化为蒸汽的操作。1.2蒸发操作的目的和方法获取浓缩的溶液，直接作为化工产品或半成品脱除溶剂，与结晶联合操作以获得固体溶质脱除杂质，制取纯净的溶剂7.1概述基本原理：溶剂挥发，溶质不挥发。1.2蒸发操作的特点蒸发操作过程实质是热量传递，属传热过程。蒸发过程的特殊性，体现在经济、过程和物料方面。(1)经济溶剂汽化大量耗热，节能是重要课题。蒸发过程中蒸汽温位的变化：高温位低温位（生蒸汽二次蒸汽能量降质）温位的降低用于两部分：传热需要一
2、定的温差为推动力；溶质的存在造成溶液的沸点升高(2)过程蒸发操作是个沸腾传热过程，工业操作须在核状沸腾区域进行。蒸发操作传热温差不宜过大(3)物料溶质在加热面上析出，形成垢层，使加热过程恶化，热阻变大；溶液物性对蒸发器的结构有特殊要求；热敏性物质不允许长时间停留；溶液粘度上升使传热恶化；例：101kPa下，水的沸点100，12%NaOH水溶液沸点105，加热蒸汽110，传热推动力=5分析：蒸发操作是高温位的蒸汽向低温位转化，生蒸汽与二次蒸汽的温差用于：1）传热推动力2）溶液沸点升高较低温位的二次蒸汽的利用必在很大程度上决定了蒸发操作的经济性。7.2蒸发设备2蒸发设备2.1各种蒸发设备一、蒸发设
3、备蒸发器的主要构件：加热室流动（循环）通道汽液分离空间（蒸发室）辅助设备：除沫器冷凝器疏水器二、蒸发器的种类1、循环性蒸发器垂直短管式（中央循环管式)流体在细管内向上，粗管内向下作循环运动，循环速度0.10.5m/s优点：结构紧凑，制造方便，操作可靠，投资少，循环速度较低，但尚可处理黏性及生垢溶液。缺点：清洗维修不方便，蒸发器内溶液浓度接近于完成液浓度，溶液黏度总是较大，影响传热。二、蒸发器的种类1、循环性蒸发器外加热式采用长加热管，且循环管不再受热，循环速度1.5m/s优点：适应性较大，加热面积不受限制（可达数百平方米），溶液循环速度较大，便于维修和清洗。缺点：结构不够紧密，设备较高。1、循
4、环性蒸发器强制循环蒸发器采用泵进行强制循环，循环速度1.85m/s优点：溶液循环速度大，传热系数很大，在相同的生产任务下，蒸发器的传热面积较小，减小了加热面上的结垢现象。缺点：动力消耗大。2.单程型蒸发器物料一次通过加热面即可完成浓缩要求，受热时间大为缩短，适合热敏物料。升膜式蒸发器加热管束长达310m，二次蒸发具有较高速度，常压下为2050m/s，传热温差和传热系数大，不适宜用于处理粘度大，易结晶，易结垢的溶液。降膜式蒸发器料液经分布器分布后呈膜状向下流动，可处理粘度较大的物料，但不适宜处理易结晶，结垢的溶液。旋转刮片式蒸发器借外力强制料液呈膜状流动，适用于高粘度，易结晶、结垢的浓溶液的蒸发
5、。2.2蒸发器的传热系数一蒸发器的热阻分析：管外蒸汽冷凝热阻，一般很小：加热管壁的热阻，一般可以忽略：管内壁液体一侧的垢层热阻，一般较大可定期清理加热管；加快流体的循环运动速度；加入阻垢剂：管内沸腾给热热阻，是蒸发传热的主要热阻二.管内气液两相流动型式管内沸腾形成气液两相流a.气泡流b.塞状流c.翻腾流d.环状流e.雾流影响因素：设备条件：管径、倾斜度操作条件：气液两相流量物性：粘度、密度、表面张力三管内沸腾给热值一般为为提高全管长内的平均给热系数，应扩大环状流动区域。四传热系数的经验值主要靠现场实际测定7.3单效蒸发3.单效蒸发3.1物料衡算溶质不挥发水分蒸发量问题：若将某溶液从0.01浓缩
6、至0.1与从1浓缩至10相比，哪一个能耗大？问题：若将某溶液从0.01浓缩至0.1与从1浓缩至10相比，哪一个能耗大？答：一样大，W并不与w0 成正比，而与w0/w 有关忽略溶液的浓缩热：D 加热蒸汽的消耗量 C0 料液的比热容 料液的进口温度蒸发器的热负荷：取的某一百分数3.2热量衡算对蒸发器作热量衡算3.3蒸发速率与传热温度差过程速率方程式T加热蒸汽的饱和温度t蒸发器内溶液的沸点，即为完成液的温度溶液沸点t 不仅取决于操作压强，还于下述因素有关。（1）溶质造成溶液沸点升高溶质的存在使溶液的蒸汽压降低，沸点升高实验数据：实测或文献杜林法则推算a.低浓度用常压下的数据；b.高浓度下用两点线性内
7、插例：101.3Kpa下，50的NaOH水溶液的沸点为142根据杜林法则：（2）液柱静压头引起的 液柱自身重量及管内流动阻力造成的沸点升高。考虑到蒸发时液体中含气泡取平均P：液面上方的压强，通常以冷凝器压强代替L：蒸发器内的液面高度=ts(pm)-ts(p)温差损失=+，以 为主蒸发器中沸腾液体的平均温度：冷凝温度(即二次蒸气温度)：t0=（p）传热温差t=T-t=(T-t0)-由于溶液沸点、液柱静压及流动阻力等因素，传热温差减小。3.4单效蒸发过程的计算（1）设计型计算给定条件：F，w0，t0，w设计条件：加热蒸汽压强(T)，冷凝器压强(t0)计算目的：K，A，D公式：物料衡算：热量衡算：传
8、热速率式：T-t=(T-t0)-=+（2）操作型计算特点：设备一定（设备结构、传热面积已知），校核工艺条件，需试差求解。类型1已知：K，A，w0，t0，w，T，t0求：F，D，W，t类型2已知：A，F，w0，t0，w，T，t0求：K，D，t，W7.4蒸发操作的经济性4.1.衡量蒸发操作经济性的方法蒸发操作消耗的费用包括设备费和操作费。一、加热蒸汽的经济性定义：每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量（单位加热蒸汽能蒸发的二次蒸汽量）称为加热蒸汽的经济性。它是蒸发操作是否经济的重要指标。单效蒸发：W/D1（忽略热损失，汽化热差别等）二、蒸发设备的生产强度定义：单位传热面的蒸汽量为蒸发器的生产强度对多效蒸发
9、若不计热损失和浓缩热，料液预热至沸点加入，则蒸汽器的传热速率：提高生产强度的途径（1）增大传热温差真空蒸发（降低溶液沸点）（2）提高蒸发器的传热系数建立良好的溶液循环流动；排不凝性气体；除垢4.2蒸发操作的节能方法1多效蒸发蒸发操作中二次蒸汽的利用是提高过程经济性的重要方面。具体操作方式有：（1）并流加料（加图31-11）原料液无须泵送，末效传热条件较劣。（2）逆流加料（加图31-12）原料液须泵送，各效加热条件大致相同（3）平流加料对易结晶的物料较为合适2、额外蒸汽引出3、二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）将二次蒸汽绝热压缩，使其饱和温度升高，重新作为加热蒸汽使用，但须消耗电能。4、冷凝水的能量回收4.3蒸发操作的最优化蒸发操作中，设备生产强度的提高和减少操作费用往往是矛盾的。单效蒸发：多效蒸发：假定各效的等各自相等，则结论：多效蒸发是以牺牲设备的生产强度来提高蒸汽的经济性的。多效蒸发最合理的效数的决定是个优化问题，真空蒸发的操作压强的决定也是个优化问题。重重 点点 总总 结结1、蒸发过程及设备；蒸发过程的目的、方法及特点；常用蒸发器的结构；管内气液两相流动型式；2、二次蒸汽和加热蒸汽的能位差别；沸点升高和传热温度差损失；加热蒸汽的经济性；蒸发设备的生产强度。3、单效蒸发的计算-物料衡算、热量衡算和传热速率方程。