第六章蒸发 第一节概述 Key words: Evaporation, Single effect evaporation 蒸发的概念: 挥发性溶剂,不挥发溶质一一加热、沸腾一→溶剂部分汽化:溶液浓缩 热量供给→>汽化热量衡算 传热速率方程 特点蒸汽移出→浓缩→物料衡算 沸腾现象溶液→〉沸点升高 装置: 下部有加热室(管式换热器) 管外:加热饱和蒸汽 蒸发器管内:溶液沸腾汽化 浓缩液底部排出 上部:分离室蒸汽与液沫分离, 挡板除沫 冷凝器 、蒸发过程的分类: ()操作压力∫常压沸点>100饱和蒸汽压力高 减压沸点低:①↑△tm②可利用废汽 ③热敏性物质④沸点温度低,减少热损失 缺点:①真空装置②沸点↓,μ↑,a↓,K↓ ③二次蒸汽t↓,冷凝器温差 (2)二次蒸汽利用「单效蒸发 多效蒸发「二次蒸汽用于下一效 操作压力、沸点低于上效 (3操作情况「连续式以X1出料沸点最高 间隙式「一次加料→最终x1出料 连续加料维持液面,X1一次出料 间隙式时,x值一直变化M初>△终=△终(连续) 间隙式生产能力>连续式(操作情况下),但间隙式存在非生产时间。 三、蒸发过程总结: ①实质是传热过程②沸点升高,传热温差小于蒸发纯溶剂 ③重视体系特性结垢、结晶 热敏物质 粘度与腐蚀性等 第二节单效蒸发 Key words: Evaporation Single-effect evaporation, Boiling point elevation, Duhring's rule Effect of liquid head and friction 讨论对象:连续稳态操作 已知条件:加料量Fkg/h;质量分数x;初温t;要求完成液浓度x 加热蒸汽Tps)饱和蒸汽;操作压力pc
74 第六章 蒸发 第一节 概述 Key words: Evaporation, Single effect evaporation 一、蒸发的概念： 挥发性溶剂，不挥发溶质――加热、沸腾－→ 溶剂部分汽化；溶液浓缩 热量供给 → 汽化 → 热量衡算 传热速率方程 特点 蒸汽移出 → 浓缩 → 物料衡算 沸腾现象 溶液 → 沸点升高 装置： 下部有加热室（管式换热器） 管外：加热饱和蒸汽 蒸发器 管内：溶液沸腾汽化 浓缩液底部排出 上部：分离室 蒸汽与液沫分离， 挡板除沫 冷凝器 二、蒸发过程的分类： ⑴ 操作压力 常压 沸点>100℃ 饱和蒸汽压力高 减压 沸点低：①↑Δtm ② 可利用废汽 ③ 热敏性物质 ④ 沸点温度低，减少热损失 缺点：①真空装置 ②沸点↓，μ↑，α↓，K↓ ③二次蒸汽 t↓, 冷凝器温差 ⑵ 二次蒸汽利用 单效蒸发 多效蒸发 二次蒸汽用于下一效 操作压力、沸点低于上效 ⑶操作情况 连续式 以 X1 出料 沸点最高 间隙式 一次加料→最终 X1 出料 连续加料 维持液面，X1 一次出料 间隙式时， x 值一直变化 t t t 初 终 终（连续） ＝ 间隙式生产能力>连续式（操作情况下），但间隙式存在非生产时间。 三、蒸发过程总结： ① 实质是传热过程 ②沸点升高，传热温差小于蒸发纯溶剂 ③重视体系特性 结垢、结晶 热敏物质 粘度与腐蚀性等 第二节 单效蒸发 Key words： Evaporation, Single-effect evaporation, Boiling point elevation, DÜhring's rule, Effect of liquid head and friction 讨论对象：连续稳态操作 已知条件：加料量 F kg/h；质量分数 0 x ； 初温 0 t ；要求完成液浓度 1 x 加热蒸汽 TS(pS) 饱和蒸汽； 操作压力 pC
任务:①计算水分蒸发量(二次蒸汽量)Wkg/h ②加热蒸汽消耗量Dkgh ③蒸发器传热面积S 单效蒸发器的计算: 物料衡算 热量衡算 传热速率方程 沸点升高关系式 1、蒸发量 以单位时间为基准,物料衡算:Fx0=(F-)x F(1 2、加热蒸汽消耗量D: 以单位时间为基准,焓衡算,0℃焓值为0 DH+ Fh=wH+ Dh,+(F-w)h,+O. Q=D(H-h)=F(h-h)+w(H-h)+or H:T(P)下饱和蒸汽的焓值;H:二次蒸汽焓值 h:T下饱和冷凝水的焓值;,h使用焓浓图查得 Fch-h)+w(H-h)+O 如果不考虑溶液的稀释热:ho=cmoo,cpo=cp(1-x0)+cmxo pl=Cp(-x1)+Cps" F(CpIA4-Cpo4o)+w(H'-Cp41)+eL 忽略cp0Cp差别,且H-cn÷r Fcpo(A-to)+wr+QL r:二次蒸汽的汽化潜热r:饱和蒸汽(加热)汽化潜热 讨论:①若沸点进料,=41,且Q2=0 D="或D=”(蒸发1kg水蒸汽量) ②由于蒸汽汽化潜热随温度(p)变化不大 D 考虑到r与r'的差别及Q2D=1lw
75 任务：①计算水分蒸发量（二次蒸汽量）W kg/h ②加热蒸汽消耗量 D kg/h ③蒸发器传热面积 S 一、单效蒸发器的计算： 物料衡算 热量衡算 传热速率方程 沸点升高关系式 1、蒸发量 w ： 以单位时间为基准，物料衡算： 0 1 F x F w x = − ( ) 0 1 0 1 (1 ) x w F x Fx x F w = − = − 2、加热蒸汽消耗量 D： 以单位时间为基准，焓衡算，0℃焓值为 0 0 1 1 0 1 ( ) ( ) ( ) ( ) w L w L DH Fh wH Dh F w h Q Q D H h F h h w H h Q + = + + − + = − = − + − + H : ( ) T p S S 下饱和蒸汽的焓值； H : 二次蒸汽焓值 hw：TS 下饱和冷凝水的焓值； 0 1 h h, 使用焓浓图查得。 1 0 1 ( ) ( ) L w F h h w H h Q D H h − + − + = − 如果不考虑溶液的稀释热： , 0 0 0 h c t = p 0 0 0 c c (1 x ) c x p = pw − + ps , 1 1 1 h c t = p 1 1 1 c c (1 x ) c x p = pw − + ps ( p p p L 1 1 0 0 1 1 ) ( ) w F c t c t w H c t Q D H h − + − + = − 忽略 p p 0, 1 c c 差别，且 H c t r p1 1 − Fc t t wr Q P L 0 1 0 ( ) D r − + + r ’：二次蒸汽的汽化潜热 r：饱和蒸汽（加热）汽化潜热 讨论：①若沸点进料， 0 1 t t = ， 且 QL = 0 wr D r = 或 D r w r = （蒸发 1kg 水蒸汽量） ②由于蒸汽汽化潜热随温度（ p ）变化不大 , 1 D r r w 考虑到 r 与 r 的差别及 Q D w L 1.1
3、蒸发器的传热面积:S=Q/KM 若不考虑热损失:Q=Dr且整个蒸发过程是恒温差过程Mn=Ts-1 K值的计算:a冷>a沸腾 物性 管内溶液沸腾传热的影响因素」蒸发器形状 沸腾传热形式 操作条件 K值一般为实验求取。 二、浓缩热与溶液的焓浓图: NaCl、CaCl2稀释时放热, 浓缩时需加热, 浓度变大时影响越大。 溶液的焓值由焓浓图查出 实例:不考虑浓缩热 相同传热面积S下,处理量F与实际的高6%。 、蒸发设备中的温度差损失 △a=Ts-ttc:冷凝器压强下的水的沸点M有数=7-1 t实际条件下的沸点(①溶液沸点升高 ②蒸发器液层压强 ③蒸发器→)冷凝器的压降 温差损失△=Amx-△有效=1-l=4+△"+△ 1、溶液沸点升高一一杜林规则 Δ:与溶液的种类、浓度、蒸汽压力有关 ①手册上可以查到常压下的溶液沸点 ②杜林规则:(压强影响) A=K 两种不同压力下溶液的沸点差与另一种标准液体在相应压力下的沸点差的比值为常数。 t4=K(tn-)+t标准:水 ①水的关系可以查图表 ②已知两组数据t与1,可求另 2、液体静压头和加热管内磨擦损失影响 ①保持一定的液位:(加热管长的1/2-2/3) ②动液位→取平均压强一—加热管中部 pm=p+Ap=p+pgL/2 p:液面上的压强,L:加热管底部以上液层高,ρ:液体的平均密度 加热管内流速较大时,磨擦损失增大液体平均压强
76 3、蒸发器的传热面积： / S Q K t = m 若不考虑热损失：Q=Dr 且整个蒸发过程是恒温差过程 m S 1 = − t T t K 值的计算： α冷凝 > α沸腾 物性 管内溶液沸腾传热的影响因素 蒸发器形状 沸腾传热形式 操作条件 K 值一般为实验求取。 二、浓缩热与溶液的焓浓图： NaCl、CaCl2 稀释时放热， 浓缩时需加热， 浓度变大时影响越大。 溶液的焓值由焓浓图查出 实例：不考虑浓缩热， 相同传热面积 S 下，处理量 F 与实际的高 6％。 三、蒸发设备中的温度差损失： max S C = − t T t c t ：冷凝器压强下的水的沸点 S 1 t T t 有效 ＝ － t1 实际条件下的沸点 ① 溶液沸点升高 ② 蒸发器液层压强 ③ 蒸发器 → 冷凝器的压降 温差损失 max c 1 = − − = + + t t t t 有效 ＝ 1、溶液沸点升高――杜林规则 ’：与溶液的种类、浓度、蒸汽压力有关 ① 手册上可以查到常压下的溶液沸点 ② 杜林规则：（压强影响） 0 0 A A w w t t K t t − = − 两种不同压力下溶液的沸点差与另一种标准液体在相应压力下的沸点差的比值为常数。 0 0 ( ) A w w A t K t t t = − + 标准：水 ① 水的关系可以查图表 ② 已知两组数据 A t 与 0 A t ，可求另一 A t ’ 2、液体静压头和加热管内磨擦损失影响： ① 保持一定的液位：（加热管长的 1/2－2/3） ② 动液位 → 取平均压强 ―― 加热管中部 p p p p gL m = + = + / 2 p：液面上的压强，L：加热管底部以上液层高，ρ：液体的平均密度 * 加热管内流速较大时，磨擦损失增大液体平均压强 ( ) ( ) p p p t t + − ＝
3、管道流体阻力产生压降的影响: p1kg水沸点进料(各级),QL=0 二效lkg蒸汽→2kg水}温度差损失 效1kg蒸汽→>3kg水 不同压力下的尸值 实际上,DW 34 1.10.5704030.27 、多效蒸发的流程 溶液与加热蒸汽成并流 并流 溶液与加热蒸汽成逆流一一-→逆流 溶液与加热蒸汽间或并逆流一→错流 每一效加入原料液一 1、并流法: pc 自流 ②t>t1>t2>.>tc 闪蒸(高于沸点进料) ③浓度↑,T↓,μ↑,a↓(最后两效严重) 2、逆流法:利用泵将物料打入下一效 除末效外,低于沸点进料 X↑,T↑,μ不致太大,a不致过小 3、错流法:合并1,2,如NaOH2-3-1,3-1-2等 4、平流法:有结晶析出 *部分二次蒸汽可作预热料液 、多效蒸发器的温差损失和效数限制: 以三效为例:加热蒸汽T, 第一效:t1>7241-72=(+△"+△") 第二效:12>T2-7=(A+△"+△ 第三效:t3>TCt3-t=(△+△"+△")m nax
77 3、管道流体阻力产生压降的影响： pC p1 > p2 > … > pC 自流 ② t > t1 > t2 > … > tC 闪蒸（高于沸点进料） ③浓度↑，T↓，μ↑，α↓ （最后两效严重） 2、逆流法： 利用泵将物料打入下一效 除末效外，低于沸点进料 X↑，T↑，μ不致太大，α不致过小 3、错流法： 合并 1，2， 如 NaOH 2-3-1，3-1-2 等 4、平流法：有结晶析出 * 部分二次蒸汽可作预热料液 二、多效蒸发器的温差损失和效数限制： 以三效为例：加热蒸汽 T， 第一效： 1 2 1 2 t T t T − = + + ( ) Ⅰ 第二效： 2 3 2 3 t T t T − = + + ( ) Ⅱ 第三效： 3 3 ( ) C C t T t t − = + + Ⅲ max C = − t T t
△有效=m-C∑+∑△n+∑△m) (T-41)+(72-12)+(73-t3) 相同条件下Δtg<单效Mts,沸点↑越大,下降幅度越大,效数↑,Δt↓,各效Δ越小 *维持泡核沸腾5-7℃,(效数限制) 电解质溶液2一3效:糖水4-6效:海水淡化,(稀溶液)多一些。 三、单效蒸发器与多效蒸发器生产能力比较: 1、生产能力和生产强度:生产能力:单位时间内的蒸发水量 若Q=0,t=t1,传热量全部用于蒸发 蒸发量正比于传热速率:Q=KSM=KS(T-41) 生产强度:单位时间单位面积蒸发水量U=WS 若Q2=0,tt1(忽略稀释热)Cpo=C U=W/S=Q/Sr'=K△/r △t↑「饱和蒸汽压↑ 不凝气 操作压力↓ 提高K结垢 α:物性、操作条件 2、单效与多效的比较: Q=0,浓缩热Cpo=Cpl,沸点进料, 单效:Q=KSM=(-t∑△) 多效:Q=Q+Q2+Q3=kSM1+k2SM2+kSM3 若S相同,取均值K:Q=k{T-t-∑4+∑4n+∑Am 若不考虑温度损失:Q1≈Q,∴单效生产强度=3倍三效生产强度 去掉假设:多效生产强度小于单效生产强度 提高了加热蒸汽利用率 效数的选择「1、Mt有→泡核 2、生蒸汽的消耗 3、设备投资 单→双 1.1-0.57 50%,4→50.3-0.27
78 max ( ) I II III − + + t t 有效 ＝ 1 2 2 3 3 = − + − + − ( ) ( ) ( ) T t T t T t 相同条件下t 总<单效t 总，沸点↑越大，下降幅度越大，效数↑，t 总↓，各效越小。 *维持泡核沸腾 5－7℃，（效数限制） 电解质溶液 2－3 效；糖水 4－6 效；海水淡化，（稀溶液）多一些。 三、单效蒸发器与多效蒸发器生产能力比较： 1、生产能力和生产强度：生产能力：单位时间内的蒸发水量 若 QL=0，t0=t1 ，传热量全部用于蒸发 蒸发量正比于传热速率： 1 Q KS t KS T t = = − ( ) 生产强度：单位时间单位面积蒸发水量 U=W/S 若 QL=0，t0=t1（忽略稀释热）Cp0 = Cp1 U W S Q Sr K t r = = = / / ' / ' Δt↑ 饱和蒸汽压↑ 不凝气 操作压力↓ 提高 K 结垢 i：物性、操作条件 2、单效与多效的比较： QL=0，浓缩热 Cp0 = Cp1， 沸点进料， 单效： ) Q KS t KS I = 有效＝ (T－t -C I 多效： Q Q Q Q k S t k S t k S t = + + = + + 1 2 3 1 1 2 2 3 3 若 S 相同，取均值 K：Q kS T tC I II III ( ) = − − + + 若不考虑温度损失：QI ≈ Q，∴单效生产强度＝3 倍三效生产强度 去掉假设：多效生产强度小于单效生产强度 提高了加热蒸汽利用率 效数的选择 1、t 有效 → 泡核 2、生蒸汽的消耗 3、设备投资 单 → 双 D W ： 1.1 0.57 50% 1.1 − = ， 4 5 → 0.3 0.27 10% 0.3 − =