华南理工大学化工原理课件 第七章 蒸 发

第二节 单效蒸发
式中
p均 ——蒸发器中溶液的平均压力，Pa；
p0 ——液面处的压力，即二次蒸汽压力，Pa；
——溶液的密度，㎏／m3； h ——液层高度，m。 根据上式计算得平均压力可以查得相应的溶液的沸点， 因此可按下式计算
∆'' = t p − t p
均 0
ρ
（6-14） 式中
tp tp
均
0
——根据平均压力求得的水的沸点，℃； ——根据二次蒸汽压力求得的水的沸点，℃。
第三节 多效蒸发
图6-4 逆流加料法的蒸发流程示意图
第三节 多效蒸发
优点： （1） 蒸发的温度随溶液浓度的增大而增高，这样各效 的黏度相差很小，传热系数大致相同； （2） 完成液排出温度较高，可以在减压下进一步闪蒸 增浓。 缺点： （1）辅助设备多，各效间须设料液泵； （2）各效均在低于沸点温度下进料，须设预热器（否 则二次蒸汽量减少），故能量消耗增大。 一般来说，逆流加料法宜于处理黏度随温度和浓度变化 较大的料液蒸发，但不适用于热敏性物料的蒸发。
第三节 多效蒸发
（3）辅助设备少，流程紧凑；因而热量损失少，操作 方便，工艺条件稳定。 缺点： 后效温度更低而溶液浓度更高，故溶液的黏度逐效增 大，降低了传热系数，往往需要更多的传热面积。因此， 黏度随浓度增加很快的料液不宜采用此法。 2．逆流加料法的蒸发流程 料液与蒸汽的流向相反，如图6-4所示。料液从末效 加入，必须用泵送入前一效；而蒸汽从第一效加入，依次 至末效。
Fw0 = ( F − W ) w1
或
w W = F 1 − 0 w1
（6-1）
第二节 单效蒸发
式中 ——原料液的流量，kg/h； ——单位时间从溶液中蒸发的水分量，即蒸 发量，kg/h； ——原料液中溶质的质量分数； ——完成液中溶质的质量分数。 2．加热蒸汽消耗量 加热蒸汽消耗量通过热量衡算求得。通常，加热蒸汽 为饱和蒸汽，且冷凝后在饱和温度下排出，则加热蒸汽仅 放出潜热用于蒸发。若料液在低于沸点温度下进料，对热 量衡算式整理得： Q = Dr = Fc (t − t ) + Wr + Q （6-2）
第二节 单效蒸发
（3）由于管路流动阻力引起的温度差损失 二次蒸汽由蒸发器流到冷凝器的过程中，因有流动阻 力使其压力降低，蒸汽的饱和温度也相应降低，由此引起 的温度差损失即。 ∆'''值的大小与二次蒸汽在管道中的流速、物性及管道尺 ∆''' 寸等有关。根据经验，一般取 为0.5～1.5℃，对于多 效蒸发，在计算末效以前各效的温度差损失时，同样也要 计算二次蒸汽由前一效蒸发室通往后一效加热室时，由于 ∆''' 管道阻力引起的温度差损失 ，其值一般取为1℃。
第二节 单效蒸发
W, T’, H’
蒸发室
F,w0,t0,h0
D, T, H
加 热 室
(F-W)，w1, t1, h1
D, T, hw
图6-2 单效蒸发示意图
第二节 单效蒸发
二、单效蒸发的计算
单效蒸发计算的主要内容有：水分蒸发量；加热蒸气 消耗量；蒸发器的传热面积。 计算的依据是：物料衡算、热量衡算和传热速率方程。 1．水分蒸发量的计算 对图6-2所示单效蒸发器作溶质的衡算，得
1 0
'
'
'
第二节 单效蒸发
3．蒸发器的传热面积计算 根据传热基本方程，得出传热面积
A= Q K∆t 均
A
为： （6-7）
式中
A ——换热器的传热面积，m2；
Q ——蒸发器的热负荷，W；
∆t 均——传热平均温差，℃；
K
——换热器的总传热系数，W/( m2·℃)。
第二节 单效蒸发
根据热量衡算，蒸发器的热负荷Q=Dr；蒸发过程为加 热蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温传热， △t均=T-t1 ；值 可按传热章提供的公式计算，由于管内沸腾对流传热系数， 其值受溶液性质、蒸发器的结构及操作条件等诸多因素的 影响，目前还缺乏可靠的计算方法，因此，蒸发器的总传 热系数主要是通过实验测定或选用经验数值。
第一节 基本概念
（1）溶液中含有不挥发性溶质，故其蒸汽压较同温度 下溶剂（其纯水）的为低，换言之，在相同的压强下，溶 液的沸点高于纯水的沸点。相同条件下，蒸发溶液的传热 温差就比蒸发纯溶剂的传热温差小，溶液浓度越高这种现 象越显著。因此，溶液的沸点升高是蒸发操作必须考虑的 重要问题。 （2）工业规模下，溶剂的蒸发量往往是很大的，需要 耗用大量的加热蒸汽，同时产生大量的二次蒸汽，如何利 用二次蒸汽的潜热，是蒸发操作中要考虑的关键问题。 （3）溶液的特殊性决定了蒸发器的特殊结构，例如， 某些溶液在蒸发时可能结垢或析出结晶，在蒸发器的结构 设计上应设法防止或减少垢层的生成，并应使加热面易于 清洗。有些物料具有热敏性，有些则具有较大的黏度或具 有较强的腐蚀性等等，需要根据物料的这些特性，设计或 选择适宜结构的蒸发器。
三、溶液的沸点和温度差损失
1.溶液的沸点 溶液中溶质不挥发，在相同的条件下溶液的蒸汽压比 纯溶剂的蒸汽压要低，因而相同压力下溶液的沸点总是比 相同压力下水的沸点，即二次蒸汽的温度高。例如，常压 下20%（质量分数）NaOH水溶液的沸点为108.5℃，而饱和 水蒸汽的温度为100℃ ，溶液沸点升高8.5℃。
(6-4)
第二节 单效蒸发
若溶液为沸点进料，则 t = t ，设蒸发器的热损失 忽略不计，则式6-4可简化为 Wr （6-5） D= r 或 D r = （6-6） W r 式中D/W为蒸发1㎏水时的蒸汽消耗量，称为单位蒸汽 消耗量。 由于蒸汽的潜热随压力变化不大，即 r ≈ r ， 故 D W ≈ 1 。但实际上因蒸发器有热损失等的影响，D/W约 为1.1或稍高。
第二节 单效蒸发
式中
f
——较正系数，无因次。由下式计算得到 （6-12） 0.0162(T + 273 )
f =
' 2
r'
式中
T ' ——操作压强下二次蒸汽的温度，℃； r'
—— ——操作压强下二次蒸汽的汽化热，kJ/㎏。 （2）因液柱静压力引起的温度差损失 '' ∆ 某些蒸发器在工作时，器内溶液需要维持一定的液位， 因而蒸发器的加热管内溶液的压力均大于液面的压力，管 内溶液的沸点高于液面溶液的沸点，两者之差即为因溶液 静压力引起的温度差损失 ∆'' 。为简单起见，溶液内部的 沸点按液面和底部的平均压力计算，根据静力学基本方程 可得： ρgh p均 = p0 + （6-13） 2
化工原理
第七章 蒸发
第一节 基本概念
蒸发操作可以在常压、加压或减压下进行。常压蒸发 可用敞口设备，使二次蒸汽排入大气中。真空蒸发时溶液 侧的操作压强低于大气压强，要依靠真空泵抽出不凝气体 并维持系统的真空度。加压蒸发在加压下进行，因而溶液 的沸点升高，产生的二次蒸汽的温度也高，就有可能利用 二次蒸汽作为其他设备的加热剂。 由上所述，蒸发过程的实质是传热壁面一侧的蒸汽冷 凝与另一侧的溶液沸腾间的传热过程，因此，蒸发器也是 一种换热器。但蒸发过程又具有不同于一般传热过程的特 殊性：
第三节 多效蒸发
一、多效蒸发的操作原理
由蒸发器的热量恒算可知，在单效蒸发器中每蒸发1㎏的水需要 消耗1㎏多的生蒸汽。在大规模的工业生产中，水分蒸发量很大，需 要消耗大量的生蒸汽。如果能将二次蒸汽用作另一蒸发器的加热蒸汽， 则可减少生蒸汽消耗量。由于二次蒸汽的压力和温度低于生蒸汽的压 力和温度，因此，二次蒸汽作为加热蒸汽的条件是：该蒸发器的操作 压力和溶液沸点应低于前一蒸发器。采用抽真空的方法可以很方便地 降低蒸发器的操作压力和溶液的沸点。每一个蒸发器称为一效，这样， 在第一效蒸发器中通入生蒸汽，产生的二次蒸汽引入第二效蒸发器， 第二效的二次蒸汽再引入第三效蒸发器，以此类推，末效蒸发器的二 次蒸汽通入冷凝器冷凝，冷凝器后接真空装置对系统抽真空。于是， 从第一效到最末效，蒸发器的操作压力和溶液的沸点依次降低，因此 可以引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加热室成为 前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽，这就是多效蒸发 的操作原理。
' p0 1 0 损
第二节 单效蒸发
式中 Q——蒸发器的热负荷或传热量，kJ/h ； D——加热蒸气消耗量，kg/h； Cp0——原料液比热容，kJ/(㎏·℃)； t0——原料液的温度，℃； t1——溶液的沸点，℃； r ——加热蒸汽的汽化潜热，kJ/㎏; r’——二次蒸汽的汽化潜热，kJ/㎏； Q损 ——蒸发器的热损失，kJ/h 。
第三节 多效蒸发
图6-3 并流加料三效蒸发流程示意图
第三节 多效蒸发
二、多效蒸发的流程
在多数蒸发中，物料与二次蒸汽的流向不同，可以组 合成不同的流程。以三效为例，常用的多效蒸发流程有以 下几种。 1．并流（顺流）加料法的蒸发流程 料液与蒸汽的流向相同，如图6-3所示。料液和蒸汽都是 由第一效依次流至末效。 优点： （1）溶液的输送可以利用各效间的压力差，自动的从 前一效进入后一效，因而各效间可省去输送泵； （2）前效的操作压力和温度高于后效，料液从前效进 入后效时因过热而自蒸发，在各效间不必设预热器；
第二节 单效蒸发
溶液在由单个蒸发器和附属设备所组成的装置内蒸发， 所产生的二次蒸汽不再利用的蒸发操作，称为单效蒸发。 在生产规模不大的情况下，多采用单效蒸发。 一、单效蒸发流程 最常见的单效蒸发为减压单效蒸发，前述的硝酸铵溶 液的蒸发即为单效真空蒸发，其流程如图6-1所示。加热 蒸汽在加热室的管间冷凝，所放出的热量通过管壁传给沸 腾的溶液。被蒸发的溶液自分离室加入，经蒸发后的浓缩 液由器底排出。汽化产生的二次蒸汽在分离室及其顶部的 除沫器中将夹带的液沫加以分离后送往冷凝器与冷却水相 混而被冷凝，冷凝液由冷凝器的底部排出。溶液中的不凝 性气体用真空泵抽走。
第二节 单Байду номын сангаас蒸发
沸点升高对蒸发操作的传热推动力温度差不利，例如 用120℃的饱和水蒸汽分别加热20%（质量分数）NaOH水溶 液和纯水，并使之沸腾，有效温度差分别为 20%（质量分数）NaOH水溶液 ∆t ∆t =T − t =120-108.5=11.5℃ ∆t = T − T =120-100=20℃ 纯水 由于溶液的沸点升高，致使蒸发溶液的传热温度差较 蒸发纯水的传热温度差下降了8.5℃，下降的度数称为温 度差损失，用 ∆ 表示。由于 ∆ = ∆t − ∆t = (T − T ) − (T − t ) = t − T （6-8）
第二节 单效蒸发
原料液的比热容可按下面的经验式计算 c = c (1 − w ) + c w （6-3）
p0 p水 0 pB 0
式中
c p水 ——水的比热容，kJ/(㎏·℃)； c pB ——溶质的比热容，kJ/(㎏·℃)。 由式6-2得加热蒸汽消耗量为
‘ Fc p0 (t1 − t0 ) + Wr + Q损 D= r
第二节 单效蒸发
若二次蒸汽的温度根据蒸发器分离室的压力（即不是 冷凝器的压力）确定时，则 （6-10） ∆ = ∆' + ∆'' （1）因溶液沸点升高引起的温度差损失 ∆' ∆' 值主要和溶液的种类、浓度以及蒸发压力有关，其 值由实验测定。在一般手册中，可以查得常压下某些溶液 在不同浓度时的沸点升高数据。常压下，某些无机盐水溶 液的沸点升高与浓度的关系见附录。 蒸发操作有时在加压或减压下进行，必须求得各种浓 度的溶液在不同压力下的温度差损失。当缺乏数据时，可 由常压下溶液的温度差损失 ∆'0 用下式估算出 ∆' （6-11） ∆' = f∆'0 （6-11）
1
'
T
'
'
T
1
1
第二节 单效蒸发
即温度差损失在数值上与相同条件下的沸点升高值相 同。因此，在蒸发的计算中，首先设法确定△的值，进而 求得溶液的沸点（t1=T+△）和实际的传热温度差 （ △t=△tT-△）。实际上还有其它因素使温度差损失，下 面分别加以分析。 2.温度差损失 蒸发操作时，温度差损失的原因可能有：因溶液沸点 升高引起的温度差损失 △’ ；因加热管内液柱静压力而 引起的温度差损失 △’’；由于管路流动阻力而引起的温 度差损失△’’’ 。总温度差损失为： （6-9） ∆ = ∆' + ∆'' + ∆'''
第二节 单效蒸发
工业上的蒸发操作经常在减压下进行，减压操作具有 下列特点： （1）减压下溶液的沸点下降，有利于处理热敏性的物 料，且可利用低压的蒸汽或废蒸汽作为加热剂。 （2）溶液的沸点随所处的压强减小而降低，故对相同 压强的加热蒸汽而言，当溶液处于减压时可以提高传热总 温度差；但与此同时，溶液的黏度加大，使总传热系数下 降。 （3）真空蒸发系统要求有造成减压的装置，使系统的 投资费和操作费提高。