1、2022-6-8料液加热蒸汽完成液冷凝水二次蒸汽第第5章章 蒸蒸 发发5.1 概述概述5.1.1 蒸发及应用蒸发及应用 (1) 蒸发蒸发：蒸发是溶液浓缩的单元操作。它采用加热的方 法，使 溶有不挥发性溶质的溶液沸腾，其中的部分溶剂被气化 除去，而溶液得到浓缩 。 设备设备：蒸发器，冷凝器 。 （2）应用：）应用： 将溶液浓缩后，冷却结晶，获得固体产品； 浓缩溶液，获得纯净的溶剂产品； 获得浓缩的溶液产品。单效蒸发流程：单效蒸发流程：3-中央循环管；不凝性气体冷却水二次蒸汽料液加热蒸汽冷凝水完成液水 硝酸铵水溶液蒸发流程 蒸发流程123451-加热管；2-加热室；4-蒸发室；5-除沫器；6-冷凝
2、器(3) 几个概念几个概念 * 加热蒸汽加热蒸汽(生蒸汽生蒸汽)：蒸发过程所用的加热蒸汽； * 完成液：完成液：浓缩后的溶液； * 单效蒸发单效蒸发 ：产生的二次蒸汽不加利用，直接冷凝排出； * 多效蒸发：多效蒸发：二次蒸汽作为串联使用的下一个蒸发器的加热蒸汽。 5.1.2 分类分类按操作方式：按操作方式：间歇式、连续式；按二次蒸汽的利用情况：按二次蒸汽的利用情况：单效蒸发、多效蒸发；按操作压力：按操作压力：常压、加压、减压（真空）；真空蒸发的优点：真空蒸发的优点：提高传热温差、利用低压蒸汽作为热源、对热敏性物料的蒸发有利。2022-6-85.1.3 蒸发操作的特点蒸发操作的特点（1）蒸发器实
3、质是一种两侧流体发生相变的换热器；（2）溶液的沸点升高 生蒸汽温度一定时，传热温差小于加热纯溶剂时的传热温差。 （3）溶剂汽化时消耗大量能量 为减小能耗必须提高加热蒸汽利用率。（4）根据物料本身特性(如粘度、结晶性、热敏性等) 合理选择设备和操作流程。2022-6-8wqqwqmmm)(w,00,0)1 (0,0w,wwqqmm蒸发水量：w,00,0mmmqqwqw完成液浓度：5.2 单效蒸发单效蒸发 5.2.1 物料衡算物料衡算 目的：目的：计算蒸发水量和完成液浓度 对溶质：对溶质： 加热蒸汽加热蒸汽qmv,T,H料液料液qm0,w0,t0 ,c0 ,h0二次蒸汽二次蒸汽qmwT,H完成液完
4、成液qm0-qmw,w, t,c,h蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水qmv,T,hw加热室单效蒸发的物料衡算，热量衡算示意图2022-6-8Lw,w,0wv ,0,0v ,)(HqhqqhqhqHqmmmmmm 5.3.2 热量衡算热量衡算 目的：目的：计算生蒸汽消耗量 (1) 热量衡算式)(wv,hHqm或：Lw,0,0)()(hHqhhqmm),(0w加热蒸汽的冷凝热rhH.二次蒸汽的质量焓H.,0完成液、料液的质量焓hh加热蒸汽加热蒸汽qmv,T,H料液料液qm0,w0,t0 ,c0 ,h0二次蒸汽二次蒸汽qmwT,H完成液完成液qm0-qmw,w, t,c,h蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水qmv,T,hw加
5、热室2022-6-8J/kg0生蒸汽冷凝热rJ/kg二次蒸汽冷凝热 r(2) 热量衡算式的简化热量衡算式的简化 忽略溶解热、稀释热时，溶液的热焓和比热容取质量平均， 以0C为热焓基准，则有：tchp00,0tchpwcccwcwccpppppp)()1 (b ,w,w,b ,w,0b ,w,w,0b ,0w,0 ,)()1 (wcccwcwccppppppLmpmmrqttcqrqw,00 ,0 ,0v ,)(代入热流量公式得：)(wv,hHqmLw,0,0)()(hHqhhqmm2022-6-80Lw,00 ,0 ,v,)(rrqttcqqmpmm若沸点进料，忽略热损失时，tt 00L0w,
6、v,rrqqmm10v,w,rrqqmmLmpmmrqttcqrqw,00 ,0 ,0v ,)(加热蒸汽消耗量：加热蒸汽消耗量：生蒸汽的经济性（经济程度）生蒸汽的经济性（经济程度）qmw/qmv * 蒸发操作重要经济指标之一，反映蒸发操作能耗的大小; * 实际由于沸点升高和热损失，单效蒸发 qmw/qmv 0.9 。2022-6-8(3) (3) 焓浓图焓浓图 溶解热、稀释热不能忽略时,用平均比热计算误差很大，此时，生蒸汽消耗量可用焓浓图焓浓图计算。)(wv,hHqmLw,00 ,)()(hHqhhqmm5.2.3 传热计算传热计算由蒸发器的传热方程得： (1) 传热度温差在蒸发器中，管外为蒸
7、气冷凝，温度恒定为T，管内为溶液沸腾，温度也多为定值，可视为恒温差传热，故 (2) 传热系数0d0m0i0dii0i01111hRddbddRddhKK蒸发器的传热系数K，目前主要还是根据现场实测数据来选定。mtKAttTtm常见蒸发器管内表面传热系数常见蒸发器管内表面传热系数hi的经验关联：的经验关联：普通自然循环蒸发器：普通自然循环蒸发器：反映压力影响的数群伽利略数贝克来数b22l3bvb7 . 0125. 06 . 041025. 3pdKpgdGaarqdPeKpGaPeNu强制循环蒸发器：强制循环蒸发器：4 . 08 . 0023. 0PrReNu 升膜式蒸发器：升膜式蒸发器：33.
8、 0vl31. 0l69. 0vslv25. 0vl34. 0v9 . 0l23. 0li1225. 03 . 1KpPrRecNuRePrRedSNu核状沸腾区：）（强制对流传热区：（3 ）蒸发器的生产能力和生产强度）蒸发器的生产能力和生产强度 生产能力生产能力为单位时间蒸发水分的质量，由于它主要取决于 过程的热流量，所以常又以热流量来衡量蒸发器 的生产能力 。 生产强度生产强度为单位传热面积的生产能力，以U表示，单位为 kg/(h) mtKA生产能力：tTtm其中，rtKArAqUm/mw,生产强度：2022-6-85.2.4 溶液的沸点升高和传热温差损失溶液的沸点升高和传热温差损失 (1
9、) 溶液的沸点和温度差损失溶液的沸点和温度差损失 溶液沸点 二次蒸汽饱和温度 Tttt沸点升高：引起沸点升高的原因引起沸点升高的原因a a）溶质存在，使溶液饱和蒸汽压降低； 溶液沸点 相同压力下水沸点 。b b）维持一定液位，液柱作用使下部溶液沸点上升； 即：液柱静压头引起沸点升高 。c）二次蒸汽从蒸发室流向冷凝器时，由于存在阻力而压力降低 使冷凝器中二次蒸汽温度低于室中二次蒸汽的温度 。tt t 因此，溶液的沸点：因此，溶液的沸点：ttttt 如果采用蒸发器中的二次蒸气温度，则： tttt 传热温差损失传热温差损失 溶液沸点升高，造成传热温差减小。TTtT理论传热温度差：tTt有效传热温差：
10、tTtTttt传热温度差损失：ttTtttTt 说明：说明：如果采用冷凝器中的二次蒸气温度，则： 2022-6-8（2）溶液的沸点升高的计算）溶液的沸点升高的计算 溶液蒸汽压降低引起的沸点升高溶液蒸汽压降低引起的沸点升高 方法方法1：实验测定溶液的沸点 tb， 由二次蒸汽压力确定其饱和温度T。tTttb 方法方法2：用杜林规则求溶液的沸点。 杜林规则杜林规则 ：一定浓度溶液的沸点，和相同压力下标准液体的 沸点呈线性关系，即有： mkttwb式中， tw：标准液体(一般取水)的沸点； k、m：与溶液种类、浓度有关。2022-6-8杜林规则也可用图形表示杜林规则也可用图形表示说明：说明：由图可见，
11、低浓度下，压力对t影响不大。 t也可按下式估算：rTftftft/0162. 0)273(200校正系数： 液柱静压头引起的沸点升高液柱静压头引起的沸点升高 溶液内部沸点，按平均压力计算：t gLpp21mppmttt则： 二次蒸汽阻力损失引起的沸点升高二次蒸汽阻力损失引起的沸点升高 用冷凝器压力计算二次蒸汽温度时，需考虑。 按经验数值选取：C15 . 0tt 2022-6-8特点：特点：* 料液输送不需要泵（各效压力差）； * 后一效沸点低，可进行自蒸发(闪蒸)； * 一般传热系数逐次下降(由粘度增大造成)。5.3 多效蒸发和提高加热蒸汽经济性的其他措施多效蒸发和提高加热蒸汽经济性的其他措施
12、5.3.1 多效蒸发的流程多效蒸发的流程 (1) 并流加料流程并流加料流程不凝性气体第一效第二效第三效第一效二次蒸汽第二效二次蒸汽第三效二次蒸汽料液加热蒸气完成液水冷却水并流加料蒸发流程2022-6-8(2) 逆流加料流程逆流加料流程特点：特点：* 需要泵输送流体； * 无自蒸发(闪蒸)，且多消耗部分热量； * 各物料粘度较一致，传热系数较均匀。逆流加料蒸发流程完成液加热蒸气料液冷却水水不凝性气体2022-6-8(3) 平流加料流程平流加料流程说明：说明：适用于有结晶析出的蒸发操作。水冷却水不凝性气体料液加热蒸气 平流加料蒸发流程 (1) 温度差损失和有效温度差温度差损失和有效温度差 当完成液
13、浓度相同时，多效蒸发中各效温度差损失之和 大于单效蒸发； 即：温度差损失即：温度差损失 多效蒸发 单效蒸发 当理论传热温度差一定时，多效蒸发的各效有效传热温 度差之和小于单效蒸发。 即：有效传热温差即：有效传热温差 多效蒸发 单效蒸发5.3.2 多效蒸发问题分析多效蒸发问题分析 多效蒸发的生蒸汽经济性理论值与效数成正比，其经验 值也随效数增多而增加，但不成正比。 即：多效蒸发，可提高生蒸汽的经济性即：多效蒸发，可提高生蒸汽的经济性。 (2) 经济性经济性2022-6-8 (3)生产能力和生产强度生产能力和生产强度 在相同条件下，虽然多效蒸发传热面积为单效蒸发的m倍， 但生产能力小于单效蒸发；
14、当多效蒸发的 及各效Ai，Ki ，与单效相同时，多效蒸 发的生产强度小于单效的1/m； 为完成相同的生产任务，多效蒸发所需要的传热面积大于 单效蒸发的m倍，多效蒸发经济性的提高是以增加设备费为 代价的。 即：即： 生产能力生产能力：多效蒸发 单效蒸发 生产强度：生产强度：多效蒸发 单效蒸发Tt(4) 多效蒸发中效数的限制和选择多效蒸发中效数的限制和选择 传热温度差的限制； 设备费用的限制； 效数选择。生蒸汽经济性随效数提高幅度减小，而设备费用始终正比于效数。选取原则选取原则：设备费用和操作费用总和最小， 通常选取23效。5.4.3 多效蒸发的设计型计算多效蒸发的设计型计算需要计算的未知量：需要
15、计算的未知量：Aqqm、vw复杂性：复杂性：效数增加，许多变量间呈非线性关系，计算过程复杂。计算基础：计算基础：物料衡算、热量衡算和传热方程单效双效sts2t2t11TTTT =T-T单效蒸发和双效蒸发有效温度差的比较(1) 额外蒸汽的引出额外蒸汽的引出额外蒸汽：额外蒸汽：在多效蒸发中，可在前几效引出部分二次蒸汽，作为其 它加热设备的热源。说明：说明：引出额外蒸汽时，生蒸汽的消耗量增加，但所增加的生蒸汽量小于引出的额外蒸汽总量，从总体来看，生蒸汽的经济性提高了。5.3.4 提高加热蒸汽经济性的措施提高加热蒸汽经济性的措施料液加热蒸气完成液水冷却水不凝性气体引出额外蒸汽的蒸发流程 额外蒸汽的引出
16、说明：说明：上一效的冷凝水温度较高，可将其通过闪蒸器减压至下一效加热室的压力，则冷凝水由于过热将闪蒸，产生部分蒸气。将它和上一效的二次蒸气一起作为下一效的加热蒸气，就相当于提高了生蒸气的经济性。 (2) 冷凝水的闪蒸冷凝水的闪蒸加热蒸气进料二次蒸气冷凝水12二次蒸气冷凝水完成液ABA,B-蒸发器；1-冷凝水排出器； 2-冷凝水闪蒸器 冷凝水的闪蒸(3) 多效多级闪蒸多效多级闪蒸优点：优点：解决了物料易于在加热管管壁结垢的问题，经济性较高，可利用低压蒸气作为热源，设备简单紧凑，不需要高大的厂房，因而近年来应用渐广。缺点：缺点：动力消耗较大，所需的传热面积稍多。另外，也不适用于沸点上升较大物料的蒸
17、发。 (4) 热泵蒸发热泵蒸发热泵蒸发热泵蒸发： 单效蒸发时，可将二次蒸气绝热压缩以提高其温度，然后送回加热室作为加热蒸气重新利用。热泵蒸发的节能效果一般可相当于35效的多效蒸发。说明：说明：该方法不适用于沸点升高较大物料的蒸发。另外，压缩机的投资费用较高等，限制了它的应用。 完成液加料压缩机冷凝水完成液加料冷凝水高压蒸汽喷射泵去冷凝器(a)(b)热泵蒸发流程5.4 蒸发设备蒸发设备 主体设备：主体设备：蒸发器-主要由加热室和蒸发室组成。 辅助设备辅助设备：除沫器、冷凝器。减压操作时还需真空装置。5.4.1 蒸发器的结构和特点蒸发器的结构和特点 按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类
18、： （1）循环型蒸发器）循环型蒸发器 特点：特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度，操作稳定。根据引起循环的原因不同，又可分为自然循环自然循环和强制循环强制循环。自然循环蒸发器：自然循环蒸发器： 中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器完成液二次蒸气料液加热蒸气冷凝水123451-外壳；2-加热室；3-中央循环管；4-蒸发室；5-除沫器中央循环管式蒸发器优点：优点：结构紧凑、制造方便、传热较好、操作可靠；缺点：缺点：循环速度在0.40.5m/s以下，清洗和维修不方便。 悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器优点：优点：循环速度可稍大、易于检修、热损失较小；缺点：缺点：结构复
19、杂、单位传热面的金属消耗量大；适用：适用：易结晶、结垢溶液的蒸发。1外壳2加热蒸气管3除沫器4加热室5液沫回流罐 外热式蒸发器外热式蒸发器优点：优点：降低了蒸发器的高度、便于清洗和更换、循环速度较大。外热式蒸发器 列文式蒸发器列文式蒸发器优点：优点：气化在沸腾室进行，循环速度大，有利于减轻或避免加热管表面的结晶和结垢，传热效果好。缺点：缺点：温差损失大，设备庞大，消耗材料多，需要高大厂房。列文式蒸发器二次蒸汽加热蒸汽冷凝水料液完成液12376541-加热室；2-加热管；3-循环管；4-蒸发室5-除沫器；6-挡板；7-沸腾室强制循环式蒸发器：强制循环式蒸发器：优点：优点：适用于粘度大、易结晶、易
20、结垢物料的蒸发，循环速度大小可调节，传热系数较大。缺点：缺点：能量消耗大。强制循环蒸发器加热蒸气冷凝水完成液123451-加热室2-循环泵3-循环管4-蒸发室5-除沫器二次蒸气（2）单程型蒸发器）单程型蒸发器 特点：特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。 优点：优点：溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的蒸发； 温度差损失较小，表面传热系数较大。 升膜式蒸发器升膜式蒸发器说明：说明：不适于较浓溶液、粘度大、易结晶、易结垢物料的蒸发。缺点：缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。 降膜式蒸发器降膜式蒸发器优点：优点：传热系数较高，与升膜相比
21、，可以蒸发浓度较高的溶液， 对粘度较大的物料也能适用。缺点：缺点：结构较复杂。（3）直接接触传热蒸发器）直接接触传热蒸发器优点：优点：结构简单，适用于易结晶、易结垢和具有腐蚀性物料的蒸发。传热效果好，热利用率高。缺点：缺点：不适用于不可被烟气污染物料的处理，且二次蒸汽利用受到限制。直接接触传热(浸没燃烧)蒸发器气汽混合物燃料气空气出料进料14231-外壳2-燃烧室3-点火口4-测温管5.2.2 除沫器、冷凝器和真空装置除沫器、冷凝器和真空装置（1）除沫器）除沫器作用：作用：利用液体的惯性使气液分离，以除去液沫。型式：型式：（2）冷凝器和真空装置冷凝器和真空装置冷凝器：冷凝器：冷凝二次蒸汽。多采用气液直接接触的混合式冷凝器，如逆流高位冷凝器。真空装置：真空装置：排除少量不凝性气体，维持蒸发所需要的真空度。水环式真空泵、喷射泵、往复式真空泵。作业： P360 1 2
