蒸发ppt课件

若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失，上式 简化为：
D Wr r
（5-25a）
e D r Wr
（5-26）
式中 e——蒸发1kg水分时，加热蒸气的消耗量，称为单位 蒸气耗量，kg/kg。
3 单位蒸气消耗量
➢ 单效蒸发操作中e≈1，每蒸发1kg 的水分约消耗1kg 的加热 蒸气（由于蒸汽的汽化热随压强变化不大，即r≈r′） ；
ΔtT ——理论上的传热温度差， ℃ t —— 溶液的沸点， ℃ T——纯水在操作沸点， ℃ Ts——加热蒸气的温度， ℃
例：用476kN/m2（绝压）的水蒸气作为加热蒸汽（Ts=150 ℃），蒸发室内压力为1atm，蒸发30%的NaOH溶液，沸点为 t=115 ℃，其最大传热温度差，用ΔtT来表示：
➢ 实际蒸发操作中e值约为1.1或更大； （1）温度差的损失的存在； （2）二次蒸汽的气化潜热总是大于加热蒸汽的气化潜热。
➢ e值是衡量蒸发装置经济程度的指标。
3.1 传热面积S0
蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：
QS0K0tm
S0
Q K 0 t m
（5-27）
式中 S0——蒸发器的传热面积，m2 K0——基于外面积的总传热系数；kw/(m2•℃) Δtm ——平均温度差，℃ Q——蒸发器的热负荷，即蒸发器的传热速率，kw。
D W H (FW )h 1F0 hQ L （5-14a） r
式中 r——加热蒸气的汽化热，kJ/kg
稀释热不可忽略时，溶液的焓可由专用的焓浓图查得。
2.2 溶液的稀释热可以忽略时
溶液的稀释热可以忽略时，溶液的焓可由比热算出，即
h0=cp0(t-0)=cp0t0 h1=cp1(t-0)=cp1t1 hw=cpw(t-0)=cpwtw
式中 tpm ——与平均压强pm相对应纯水的沸点，℃ tp′——与二次蒸气压强p′相对应的水的沸点，℃
影响Δ″的因素：
（1）沸腾时液层内混有气泡，液层的实际密度较计算公式所 用的纯液体密度要小，使得算出的Δ″值偏大；
（2）当溶液在加热管内的循环速度较大时，就会因流体阻力 使平均压强增高。
采用多效蒸发时，二次蒸气在离开前一效蒸发室 流往后一效加热室的过程中要克服管道的流动阻力， 从而导致蒸汽温度下降。此项温度差损失与蒸汽的流 速、物性和管道的尺寸有关，一般取0.5~1.5℃。
(2) 料液流量F
T′——与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的 饱和温度，℃
在文献和手册中，可以查到常压（1atm）下某些溶液在不 同浓度时的沸点数据。非常压下的溶液沸点则需计算，估算方 法有两种。
(1) fa
（5-5）
式中 a ——常压下溶液的沸点升高，可由实验测定的tA值
求得，℃； Δ′——操作条件下溶液的 a沸点升高，℃； f——校正系数，无因次。其经验计算式为：
注意：若加热蒸气的冷凝水在饱和温度下排除，则s0可根据式 5-27直接算出，否则应分段计算。下面按前者情况进行讨论。
3.1.1 平均温度差Δtm
在蒸发过程中，加热两侧流体均处于恒温、变相状态下，故：
Δtm =T-t
（5-28）
式中
T——加热蒸气的温度，℃； t——操作条件下溶液的沸点，℃。
3.1.2 基于传热外面积的总传热系数K0
解：根据加热蒸气压力和二次蒸气压力，由蒸气表查得：
294 kN/m2（绝压）时：蒸气焓H=2728kJ/kg 冷凝水的焓hw=556.5kJ/kg 汽化热r=2171.5kJ/kg 温度T=132.9℃
19.6 kN/m2（绝压）时：
蒸气的焓H*=2605kJ/kg
饱和温度T′=59.7℃
二次蒸气的焓 H′=2605+1.88×(100-59.7)=2681kJ/kg,
K01d0 ai di
Rsi
d0 di
1
bddm 0 Rsoa1o
（5-29）
式中 a——对流传热系数，W/(m2•℃)
d——管径，m
Ri——垢层热阻，m2•℃/W b——管壁厚度，m
λ——管材的导热系数，W/(m•℃)
下标i表示管内侧、o表示外侧、m表示平均。
垢层热阻值可按经验数值估算。管外侧的蒸气冷凝传热系数 可按膜式冷凝传热系数公式计算，管内侧溶液沸腾传热系数则 按管内沸腾传热系数关联式计算。
f 0.01(6T27)32 r
（5-6）
式中 T′——操作压强下二次蒸气的温度，℃； r′——操作压强下二次蒸气的汽化热，kJ/kg。
(2) 杜林规则
该规则认为：某溶液（或液体）在两种不同压力下两沸点之
差与另一标准液体在相应压力下两沸点之差，其比值为一常数，
即
k
t A tw
tA tw
（5-7）
二、单效蒸发的计算
单效蒸发的计算项目有： （1）蒸发量； （2）加热蒸气消耗量； （3）蒸发器的传热面积
通常生产任务中已知的项目有： （1）原料液流量、组成与温度； （2）完成液组成； （3）加热蒸气压强或温度； （4）冷凝器的压强或温度。
F,x0,t0,h0
D,T,H
W,T’,H’ 蒸发室
QL
式中 ym——杜林线的截距，℃
注意：不同浓度的杜林线是不平行的，斜率k与截距ym都 是溶液质量浓度x的函数。
对NaOH水溶液，k、ym与x的关系为：
k=1+0.142x
ym=150.75x2-2.71x
式中 x——溶液的质量浓度
(5-9a) (5-9b)
2 液柱静压强引起的温度差损失
液层内的溶液的沸点高于液面的，液层内部沸点与表面沸 点之差即为因液柱静压强而引起的温度差损失。
加热室
D,T,hw
(F-W),x1 t1,h1
1 蒸发量w
对单效蒸发器作溶质衡算，得
F0x(FW )x1
W F(1 x0 ) x1
式中
F—原料液流量 W—蒸发量 x0—原料液的质量组成 x1—完成液的组成
（5-12）
2 加热蒸气消耗量D
蒸发操作中，加热蒸气的热量一般用于将溶液加热至沸 点，将水分蒸发为蒸气以及向周围散失的热量。
蒸发过程中引起温度差损失的原因有：
（1）因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失Δ′； （2）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失Δ″；
（3）因管路流体阻力而引起的温度差损失 。
总温度差损失为：
（5-3）
1 溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失
tAT （5-4）
式中
tA——溶液沸点，℃，主要与溶液的类别、浓度及操 作压强有关。
对于某些溶液，如CaCl2、NaOH、H2SO4等水溶液稀释 时释放出热量，则当其蒸发浓缩时应考虑供给和稀释热相当 的浓缩热。
2.1 溶液稀释热不可忽略时
对单效蒸发器作物料的热量衡算，得
D F H 0 W h H ( F W ) h 1 D w Q L h （5-13）
DW H(FW )h1F0h Q L Hhw
第五章 蒸发
本章重点和难点：
掌握蒸发浓缩的操作原理、特点及其
工艺计算方法；
熟悉单效真空的工艺设备的配置； 了解多效蒸发流程及计算原理。
第一节 概述
一、蒸发的定义
使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使
溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发，所用的设备称为蒸
发器。
二、加热蒸气和二次蒸气
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，蒸发时产生的蒸气也是水蒸气。
简化处理：计算时以液层中部的平均压强pm及相应的沸点 tAm为准，中部的压强为：
pm
p
gl
2
（5-10）
式中 pm——液层中部的平均压强，Pa p′——液面的压强，即二次蒸气的压强，Pa l——液层深度，m
常根据平均压强pm查出纯水的相应沸点tpm，故因静压强而 引起的温度差损失为：
Δ″=tpm-tp′ （5-11）
为了易于区别，前者称为加热蒸气或生蒸气，后者称为二次蒸 气。
三、分类
1、按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发
2、按二次蒸气的利用情况分：单效和多效蒸发
单效蒸发：将二次蒸气不在利用而直接送到冷凝器冷凝以
除去的蒸发操作。
多效蒸发：若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为
加热蒸气，则可提高加热蒸气（生蒸气）的利用率，这种 串联蒸发操作称为多效蒸发。
式中 tA 、tw—分别为压强pM下溶液的沸点与纯水的沸点，℃ tA′、tw′—分别为压强pN下溶液的沸点与纯水的沸点，℃
一定浓度下溶液的沸点与相同压强下水的沸点呈直线关系， 可以利用杜林线求不同浓度的溶液在任一压力下的沸点。
当某压强下水的沸点tw=0时，则上式变为：
tAtAktw ym （5-8）
（5-14）
式中 D——加热蒸气的消耗量,kg/h
H——加热蒸气的焓,kJ/kg H’——二次蒸气的焓, kJ/kg hw——冷凝水的焓,kJ/kg
h0——原料液的焓, kJ/kg h1——完成液的焓, kJ/kg QL——热损失, kJ/h
若加热蒸气的冷凝液在蒸气的饱和温度下排除，则
则上式变为
来自百度文库
H-hw=r
为简化计算，上式中完成液的比热可用原料液的比热表示。
计算原料液及完成液的比热可分别写成：
Cp0=cpw(1-x0)+cpBx0=cpw-(cpw-cpB)x0 Cp1=cpw(1-x1)+cpBx1 =cpw-(cpw-cpB)x1
联立上两式，得
(cp0-cpw)x1= (cp1-cpw)x0
（5-20）
由于
H-cpwT≈r
(5-23)
H΄-cpwt1≈r′
(5-24)
式中 r——加热蒸气的汽化热，kJ/kg；
r′——二次蒸气的汽化热，kJ/kg。
将上两式代入式5-22，并简化得：
Q=Dr=Wr′+Fcp0(t1-t0)+QL
DW rFpc 0(t1t0)Q L r
（5-25）
上式说明加热蒸气的热量用于将原料液加热到沸点、蒸发 水分以及向周围的热损失。
溶液沸点升高的计算公式：
tT （5-1）
式中
Δ——溶液的沸点升高，℃ t ——溶液的沸点，℃ T/——与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的
饱和温度，℃
传热温度差损失：在一定操作压强条件下溶液的沸点升高。
计算公式为：
Δ= ΔtT- Δt
（5-2）
Δt=Ts-t ΔtT =Ts-T
式中
Δt——传热的有效温度差， ℃
(cp0-cpw)x1= (cp1-cpw)x0 Fx0=(F-W)x1
(F-W)cp1=Fcp0-Wcpw
（5-21）
上式即为完成液比热与原料液比热间的关系式。
将式5-21代入5-18，并整理得：
D ( H c p T ) w W ( H c p t 1 ) w F p 0 ( t 1 c t 0 ) Q L （5-22）
（5-15） （5-16） （5-17）
代入蒸发器物料的热量衡算式中，则有
D(H-cpwT)=WH’+(F-W)cp1t1-Fcp0t0+QL （5-18）
计算溶液比热的经验公式为：
Cp=cpw(1-x)+cpBx
（5-19）
当x<0.2时，上式简化为：
Cp=cpw(1-x)
（5-19a）
式中
Cp——溶液的比热,kJ/(kg• ℃); Cpw——纯水的比热, kJ/(kg• ℃); CpB——溶质的比热, kJ/(kg• ℃).
(1.88为水蒸气的比热,kJ/kg·k)
(1) 加热蒸气消耗量D
QQ
D
Hhw r
由传热速率方程得：
Q=KA(T-t)=1000×30×(132.9-100)=9.87×105w/m2·℃
D 9 .8 7 150 /10 0 0 .40 k 5/g s 5 16 k/4 g h0 27 5 2.5 5 86
ΔtT=Ts-T=150-100=50℃ 有效温度差为：
Δt=Ts-t=150-115=35℃ 则温度差损失为：
Δ= ΔtT- Δt=（ Ts-T）-（ Ts-t）=t-T=15 ℃
即传热温度差损失等于溶液的沸点与同压下水的沸点之差。 只有求得Δ，才可求得溶液的沸点t（=T+ Δ ）和有效传热温度 差Δt （=ΔtT- Δ ）。
3.2 蒸发器的热负荷Q
若加热蒸气的冷凝水在饱和温度下排除，且忽略热损失， 则蒸发器的热负荷为：
Q=Dr
(5-30)
上面算出的传热面积，应视具体情况选用适当的安全系数 加以校正。
例题 有一传热面积为30m2的单效蒸发器，将35℃，浓度为 20%（质量）的NaOH溶液浓缩至50%（质量）。已知加热用 饱和水蒸气的压力为294kN/m2（绝压），蒸发室内压力为19.6 kN/m2（绝压），溶液的沸点为100℃，又蒸发器的总传热系数 为1000W/m2•k,热损失可取为传热量的3%，试计算加热蒸气消 耗量D和料液处理量F。