蒸發(fā)過程工藝參數(shù)的確定2精

1、傳熱設備操作與控制教案情境3蒸發(fā)器的操作與控制學習任務2蒸發(fā)過程工藝參數(shù)的確定計劃學時6職業(yè)能力目標專業(yè)能力社會能力方法能力能夠根據(jù)給定的具體任務確定下列參數(shù)1. 水分蒸發(fā)量2. 加熱蒸汽用量3. 換熱面積團隊工作能力溝通能力小組成員的協(xié)作能力相應的信息收集能力制定工作計劃能獨立使用各種媒介完成 學習任務工作結(jié)果的評價與反思學習情境描述接到車間主任指令：根據(jù)給定的蒸發(fā)任務，確定完成任務所需蒸發(fā)水分量、 加熱蒸汽用量、溶液的沸點、換熱面積。組長接受任務后組織學員通過資訊、 計劃、決策、實施和檢查、評估等過程完成學習任務。教學環(huán)境分析石油化工崗位操作技能實訓中心、教材、輔導資料、化工工藝設計手冊、

2、 化工單兀操作學習光盤、學習軟件、可以上網(wǎng)查閱資料的電腦、工作臺、拆裝 工具等教學方法采用頭腦風暴法明確蒸發(fā)操作的工藝參數(shù)；采用角色扮演法交代任務； 用引導文和小組討論法完成決策和計劃的制定，采用任務驅(qū)動法實施工作任務。教學組織分組，分工，協(xié)作共同完成，分成小組，每組56人要做好記錄，由各小組長展示學習成果評議各小組展示的學習成果教師對每個小組及每個學生進行監(jiān)視，做好記錄，作為成績評定的依據(jù)。實施步驟資訊蒸發(fā)過程工藝參數(shù)的確定一、水分蒸發(fā)量的計算已知加料量F(kg/h),加料組成x°(質(zhì)量分數(shù))和加料溫度t°(C)，將溶液濃縮到 ,(質(zhì)量分數(shù))， 選定加熱蒸氣的壓力為P(P

3、a)，冷凝器的操作壓力為Pc(Pa)，要求確定：(1) 水的蒸發(fā)量 W(kg/h)或完成液的量(F-W)(kg/h);(2) 加熱蒸氣消耗量D (kg/h);(3) 蒸發(fā)器所需的傳熱面積S(m2)。如圖3-14所示，以蒸發(fā)器為系統(tǒng)進行溶質(zhì)的質(zhì)量衡算：Rio = ( F WO jj巧(3-1)_F評(3-1a)式中：F 原料液流量，kg/h ;W水分蒸發(fā)量，kg/h ;傳熱設備操作與控制教案X0原料液中溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù); X1 完成液中溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)。(3-13)昂 I一Qj- -V| ti圖3-14 單效蒸發(fā)的物料衡算和熱量衡算二、蒸汽用量的計算參考圖3-14，仍取整個蒸發(fā)器為系統(tǒng)，設加熱蒸汽的冷凝

4、液在飽和溫度下排出，則熱量衡算得DH + Fh 0 = Dh c +(3W)+(F-W)hi + QlQ=D(H-hc)=(F-W)hi-Fho+WH' + QlWH ' (F -W)hi - Fh。QlH 九(3-2a)式中：D蒸汽消耗量，kg/h ；H 加熱蒸氣的焓，kJ/kg ； H'二次蒸氣的焓，kJ/kg ； ho原料液的焓，kJ/kg;h1完成液的焓，kJ/kg ； he冷凝水的焓，kJ/kg ； Ql-蒸發(fā)器的熱損失，kJ/h。由式(3-2)可知，只要知道各物流的焓值和熱損失Q,即可求出加熱蒸氣用量Do對于濃縮熱(或稀釋熱)不大的溶液，其焓值可由其平均比熱

5、容近似計算。 則若以0C的溶液為基準,ho=eoto(3-3)ho=eiti(3-4)式中：co原料液在0to之間的平均等壓比熱容，kJ/(kg.K)；Ci完成液在0ti之間的平均等壓比熱容，kJ/(kg.K)；to原料液進口溫度，Cti 完成液出口溫度，可認為等于溶液的沸點，Co對于溶解時熱效應不大的溶液，其比熱容Co、Ci又可近似地用下式計算C0= cw ( i-Xo) + CBXo(3-5)C1= Cw ( 1-X1)+ CBX1(3-6)式中：cw水的平均等壓比熱容，kJ/（kg.K）;CB 溶質(zhì)的平均等壓比熱容，kJ/（kg.K）。將式（3-5 ）、式（3-6 ）聯(lián)立消去Cb,并代入

6、式（3-1a）可得（F-W） ci=Fco-Wcw（3-7）將式（3-3 ）、式（3-4 ）、式（3-7 ）代入式（3-2a）中得D= W （H '- Cw ti） +Fco （ti - to） + Ql若加熱蒸汽的冷凝水在飽和溫度下排出，則H-hc=r(3-8 )(3-9 )作為近似，二次蒸汽的焓H'可取溫度為t1的飽和水蒸氣的焓。由于 cw t1為水在t1下的焓值，故式H'- Cw t1近似為水在t1下的汽化熱r',即H'- Cw t1 爭'(3-10)式中：r加熱蒸汽的汽化熱,kJ/kg 。式中：r'二次蒸汽在t1下的汽化熱，kJ/

7、kg。將式（3-9、式（3-10、代入式（3-8、可得(3-11)D= WrJ+ Fc0 (t1- fo) + Ql式（3-11）表明，加熱蒸汽相變放出的熱量用于： 使原料液由t0升溫至沸點t仁 使水在t|溫度下汽化生成二次蒸汽； 一部分用于蒸發(fā)器的熱損失。定義D/W=e，為單位蒸汽消耗量，即每汽化Ikg水需要消耗的加熱蒸汽量，kg蒸汽/kg水。e是蒸發(fā)器的一項重要的技術(shù)經(jīng)濟指標。若原料液在沸點下加入，則t0 =tl，忽略熱損失，即 Ql =0 ,式（3-11）可簡化為(3-12)De=W=通常，水的比汽化焓變化不大，即r窗'，則D- W或e-1,也就是在上述各假設的條件下，采用單效蒸

8、發(fā)時，汽化lkg水約需消耗Ikg加熱蒸汽。實際上，由于溶液的熱效應和熱量損失等因素，e> 1.1。三、加熱室傳熱面積的計算加熱室所需的傳熱面積 S根據(jù)傳熱速率方程計算：qs=K tm式中：s蒸發(fā)器加熱室的傳熱面積，m；q蒸發(fā)器加熱室的傳熱速率，稱為蒸發(fā)器的熱負荷，W2K蒸發(fā)器加熱室的傳熱系數(shù)，W/（m ? C ）; tm 加熱室兩側(cè)的平均溫度差，C。（一）蒸發(fā)器的熱負荷 Q蒸發(fā)器的熱負荷Q可以根據(jù)加熱室的熱量衡算求得。如果忽略加熱室的熱損失，則 汽冷凝放出的熱量：Q=D （H-hc） =Dr（3-14）Q即為加熱蒸（二）傳熱系數(shù)K 傳熱系數(shù)原則上可按下式計算+底+乩+尺牛*2纟 血4 a

9、, a,(3-15)W/(m2?K);2W/(m?K);現(xiàn)有的計算管內(nèi)沸騰傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式準確性較差,式中：a管間蒸汽冷凝時的對流傳熱系數(shù)， a管內(nèi)溶液沸騰時的對流傳熱系數(shù)， Ro管外污垢熱阻，（m2?K）/W;2Rw 管壁熱阻，（m?K）/W; R管內(nèi)污垢熱阻，（m2?K）/W。實際應用過程中，由于管內(nèi)沸騰傳熱的復雜性,目前在蒸發(fā)器計算中，K值多數(shù)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)選定。表3-2列出了一些常用蒸發(fā)器的K值的大致范圍,可供估算使用。蒸發(fā)器型式傳熱系數(shù)K/W/(m 2?C )蒸發(fā)器型式傳熱系數(shù)K/W/(m 2?C )標準式（自然循環(huán)）6003000外熱式（強制循環(huán)）12007000懸筐式6003000

10、升膜式12006000外熱式（自然循環(huán)）12006000（三）傳熱的平均溫度差 tm蒸發(fā)操作過程中的傳熱是間壁兩側(cè)流體皆有相變的傳熱過程，一側(cè)為加熱蒸汽冷凝，其溫度為加熱蒸汽的溫度T,另一側(cè)為溶液沸騰汽化，其溫度為溶液的沸點ti。傳熱的平均溫度差為 tm=T-ti（3-16） tm稱為有效溫度差。 在實際生產(chǎn)中，由于溶液的真實沸點不便于測量，常以二次蒸汽冷凝器進口附近處的壓強所對應的飽和蒸汽溫度T'來代替。由于T'比溶液的實際沸點ti要低，兩者之差稱為溫差損失，亦稱為溶液的沸點升高，用表示，即ti=T+4（3-17）蒸發(fā)器內(nèi)溶液的沸點升高（或溫度差損失）主要有以下三方面的原因：

11、由于溶液中含有不揮發(fā)物質(zhì)所引起的沸點升高'由于蒸發(fā)器中溶液的液柱靜壓力而引起的沸點升高；由于管路流動阻力而引起的沸點升高'?？偡悬c升高為 = ' + + '（3-18）1. 由于不揮發(fā)溶質(zhì)存在引起的沸點升高'溶液中由于溶質(zhì)的存在，阻礙了溶劑的汽化，使得溶液的蒸汽壓強比純?nèi)軇ㄋ┑恼羝麎簭娨停瑐鳠嵩O備操作與控制教案因此，在同樣的外壓下，溶液的沸點比純?nèi)軇?水)的沸點要高。溶液沸點升高的程度與溶質(zhì)的性質(zhì)、濃度和蒸發(fā)室的壓強有關(guān)。一般有機物溶液的沸點升高值較 小，無機物溶液的沸點升高值較大；稀溶液的沸點升高不大，但隨濃度升高，沸點升高的數(shù)值較大。例 如常壓

12、下，7.4%的NaOH水溶液的沸點為102C，溶液沸點升高不大，而48.3%的NaOH水溶液的沸點則為140 C,沸點升高值近 40 C。 經(jīng)驗公式算法在一般的手冊中，可查到各種溶液在常壓下的沸點數(shù)據(jù)。蒸發(fā)操作常常在加壓或減壓下進行，從手冊中很難查到非常壓下溶液的沸點，這時可用下式近似估算(3-19)A '=?A 'a式中：A 操作壓力下由于溶質(zhì)存在引起的沸點升高K；A 'a常壓下由于溶質(zhì)存在引起的沸點升咼K；或tB'- tB=k(3-21a)? 一校正系數(shù)，其值可按下式計算。?= 0.0162(3-20)式中：T'操作壓力下二次蒸汽的溫度，K;r操作壓

13、力下二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg。例1:采用標準蒸發(fā)器，對 NaOH的稀溶液進行濃縮。已知蒸發(fā)室的操作壓力為50kPa (絕壓)，完成液中NaOH的質(zhì)量分數(shù)為0.20。試求操作條件下溶液的沸點升高及沸點。解：查附錄得在 101.3KPa時20%Na O啲沸點為108.06 C,在101.3KPa時水的沸點為 100C，因 此常壓下該溶液的沸點升高為A 'a=108.06-100=8.06 C由飽和水蒸氣表查得 50kPa飽和水蒸氣的溫度為81.2 C,為 354.2K。汽化熱為 2304.5 kJ/kg。因此壓力為50kPa下的沸點升高為0.0162 X 354.2A '=?

14、 A 'a=2304.58.06=7.11 C 杜林規(guī)則算法溶液的沸點亦可用杜林規(guī)則估算。杜林發(fā)現(xiàn)在相當寬的范圍內(nèi)，溶液的沸點與同壓力下標準液體 的沸點成線性關(guān)系。因為純水在不同壓力下的沸點可以從水蒸氣表中查到，所以一般以純水作為標準液體。根據(jù)杜林規(guī)則，在相同壓力下，分別以某種溶液的沸點為縱坐標、水的沸點為橫坐標作圖，可得一 直線，即tB=ktw+m(3-21)式中：tB', tB壓力為P '和p下溶液的沸點，C；tw', tw壓力為P'和P下水的沸點，C；傳熱設備操作與控制教案k杜林直線的斜率。因此，根據(jù)杜林規(guī)則， 只要已知溶液在兩個壓力下的沸點，即可

15、求出杜林直線的斜率，進而可以求出任何壓力下溶液的沸點。圖3-15為NaOHK溶液的杜林線圖。圖中每一條直線代表某一組成下該溶液在不同壓力下的沸點與 對應壓力下水的沸點間的關(guān)系。由圖 3-15可知，當溶液的組成較低時，各組成下杜林直線的斜率幾乎 平行，這表明在任何壓力下， NaOH溶液的沸點升高基本上是相同的。200050100 IM 2W水的海點/25G圖3-15 NaOH水溶液的杜林線圖例2 :使用杜林規(guī)則圖計算沸點升高。設蒸發(fā)器的操作壓力為 25.6KPa，Na0H水溶液的濃度為30%確定Na0H水溶液的沸點溫度和沸點升高的值（與相同壓力下的純水比較）。解：由飽和水蒸氣表查得：壓力為25.

16、6KPa時純水的沸點為 65.6 C,由杜林規(guī)則圖查到水的沸點65.6 C,濃度為30%的 Na0H水溶液的沸點為 82C。沸點升高為 82-65.6=16.4 C2. 加熱管內(nèi)液柱高度而引起的沸點升高厶在蒸發(fā)器操作中，加熱管內(nèi)有一定的靜液柱高度， 液柱內(nèi)部的壓力大于液面上的壓力， 故相應的溶 液內(nèi)部的沸點高于液面上的沸點， 二者之差即為液柱靜壓頭引起的沸點升高。 為簡便計，一般取液柱中 部點處的壓力和沸點代表整個液層的平均壓力和平均溫度。根據(jù)流體靜力學方程，液層的平均壓力為(3-22)Pm= P，+ P gL2式中：Pm 液柱的平均壓力， Pa；p'分離室內(nèi)的壓強，Pa;溶液的密度，

17、kg/m3；L加熱管內(nèi)液柱高度，m則由于液柱高度而引起的沸點升高為 =tPmi-tp'式中：tPm 壓強Pm下水的沸點，C；tp'與二次蒸汽壓強 P '對應的水的沸點，C。(3-23)傳熱設備操作與控制教案3. 由于流動阻力引起的沸點升高 二次蒸汽從蒸發(fā)室流入冷凝器的過程中，由于管路阻力，其壓力下降，故蒸發(fā)器內(nèi)的壓力高于冷凝器內(nèi)的壓力。也就是說在蒸發(fā)器內(nèi)壓力下的二次蒸汽的冷凝溫度高于冷凝器內(nèi)的冷凝溫度，由此造成的沸點升高以表示。與二次蒸汽在管道中的流速、物性以及管道尺寸有關(guān)，但很難定量分析，一 般取經(jīng)驗值，約為11.5 C。例3:采用單效循環(huán)型蒸發(fā)器蒸發(fā) CaCl2水溶

18、液，加熱室內(nèi)的平均液層高度為2.3m，溶液的平均密度為1200kg/m3,溶液質(zhì)量分數(shù)為 0.20，冷凝器的操作壓力為 40kPa (絕壓)。試求沸點升高'、 和'以及溶液的平均沸點。解：流動阻力引起的沸點升高'根據(jù)經(jīng)驗，取 =1C。溶質(zhì)存在引起的沸點升高'查附錄無機鹽水溶液沸點表得，常壓下(101.3kPa)質(zhì)量分數(shù)為 0.20的CaCl2水溶液的沸點為105C，故 a'=105 100=5 C由于冷凝器在40kPa下操作，故由飽和水蒸氣表查得，進入冷凝器的二次蒸汽在tc=75C下冷凝?？紤]到管路的流動阻力厶=1C，蒸發(fā)室操作壓力相當于75+1=76C的飽和蒸汽壓力，即41.6kPa，相應的汽化熱r'= 2311kJ/kg在壓力41.6 kPa下溶液的沸點升高為0.0162 X( 76+273) '=? 'a=23115=4.3 C故液面處溶液的沸點為t'=76+4.3=80.3 C 液層壓力引起的沸點升高p gLPm=P' +2 =41.6x 103+ 1200 x 9.8=話.2.3x 103 kPa23查飽和水蒸氣表，在55.1 x 10 kPa，水蒸氣的飽和溫度為83.4 C,故 =83.4 76=7.4 C 溶液的平均沸點 = ' + +厶''=