第七章化工原理

1、第七章第七章 蒸發(fā)蒸發(fā)1 概述概述蒸發(fā)：含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液，受熱使部分蒸發(fā)：含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液，受熱使部分 溶劑汽化為蒸汽的操作溶劑汽化為蒸汽的操作蒸發(fā)與傳熱蒸發(fā)與傳熱 工業(yè)背景工業(yè)背景 氯堿工業(yè)：蒸發(fā)制堿氯堿工業(yè)：蒸發(fā)制堿 制糖工業(yè)：糖液的濃縮制糖工業(yè)：糖液的濃縮 制鹽及海水淡化制鹽及海水淡化 基本原理：溶劑揮發(fā)，溶質(zhì)不揮發(fā)基本原理：溶劑揮發(fā)，溶質(zhì)不揮發(fā) 蒸發(fā)操作特點(diǎn)：蒸發(fā)操作特點(diǎn)：1溶質(zhì)在加熱面上析出，形成垢層，熱阻變大；溶質(zhì)在加熱面上析出，形成垢層，熱阻變大；2物性對蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)的特殊要求；物性對蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)的特殊要求；3大量耗熱，節(jié)能重要大量耗熱，節(jié)能重要 加熱蒸汽與二次蒸汽的

2、溫差用于兩部分：加熱蒸汽與二次蒸汽的溫差用于兩部分：1傳熱推動力；傳熱推動力；2溶液的沸點(diǎn)升高溶液的沸點(diǎn)升高例如：例如：101.3kPa下，水的沸點(diǎn)下，水的沸點(diǎn)100,12%(NaOH)水溶液沸點(diǎn)水溶液沸點(diǎn)105,若加熱蒸汽若加熱蒸汽112傳熱推動力傳熱推動力=？ )(tTKAtKAQ 0tt2 蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)器的主要構(gòu)件：蒸發(fā)器的主要構(gòu)件：加熱室；加熱室；流動流動(循環(huán)循環(huán))通道；通道；汽液分離空間汽液分離空間(蒸發(fā)室蒸發(fā)室)。蒸發(fā)輔助設(shè)備蒸發(fā)輔助設(shè)備除沫器；除沫器；冷凝器；冷凝器；疏水器。疏水器。 2.2 蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)蒸發(fā)器的熱阻分析：蒸發(fā)器的熱阻分析： Ri 管

3、內(nèi)垢層熱阻；管內(nèi)垢層熱阻； 管內(nèi)沸騰給熱熱阻管內(nèi)沸騰給熱熱阻 措施：措施：定期清洗，去除垢層定期清洗，去除垢層 加快流速加快流速,減少結(jié)垢減少結(jié)垢 擴(kuò)大管內(nèi)兩相流動的擴(kuò)大管內(nèi)兩相流動的 “環(huán)狀流環(huán)狀流”區(qū)域區(qū)域 iiRK 1110 i /12.3 蒸發(fā)器的主要類型蒸發(fā)器的主要類型(1)循環(huán)型蒸發(fā)器循環(huán)型蒸發(fā)器中央循環(huán)管式中央循環(huán)管式 外加熱式蒸發(fā)器外加熱式蒸發(fā)器強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器 (2)單程型蒸發(fā)器單程型蒸發(fā)器 升膜蒸發(fā)器升膜蒸發(fā)器降膜蒸發(fā)器降膜蒸發(fā)器 旋轉(zhuǎn)刮板式蒸發(fā)器旋轉(zhuǎn)刮板式蒸發(fā)器 3 單效蒸發(fā)計算單效蒸發(fā)計算物料衡算物料衡算熱量衡算熱量衡算傳熱速率傳熱速率溶液沸點(diǎn)溶液沸點(diǎn)( (

4、物性物性) )冷凝溫度冷凝溫度溫度差損失溫度差損失沸點(diǎn)升高沸點(diǎn)升高液柱靜壓頭造成液溫升高液柱靜壓頭造成液溫升高 wWFFw)(0 )1(0wwFW 損損QWIiWFFiDr )(0)(tTKADr 0tt)(0pt )(wf 討論：討論：蒸發(fā)器內(nèi)的物料濃度蒸發(fā)器內(nèi)的物料濃度 w = ? 假定蒸發(fā)器內(nèi)完全混合，假定蒸發(fā)器內(nèi)完全混合， w = 出口濃度出口濃度二次蒸汽二次蒸汽 I = ? 過熱蒸汽過熱蒸汽以操作壓強(qiáng)下飽和水蒸汽焓近似計算以操作壓強(qiáng)下飽和水蒸汽焓近似計算 能耗能耗W并不與并不與w成正比，而與成正比，而與w0/w 有關(guān)有關(guān) 溶液沸點(diǎn)升高溶液沸點(diǎn)升高 (B.P.R)1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 實(shí)

5、測或文獻(xiàn)實(shí)測或文獻(xiàn)2杜林法則推算杜林法則推算低濃度低濃度: :用常壓下的數(shù)據(jù)用常壓下的數(shù)據(jù)高濃度高濃度: :用兩點(diǎn)線性內(nèi)插用兩點(diǎn)線性內(nèi)插液柱靜壓頭液柱靜壓頭 引起引起”考慮到液體中含氣泡考慮到液體中含氣泡取平均取平均 查表查表焓的計算焓的計算用用i=C t， i0=C0t0表示表示gLppm 51 )()(ptptSmS 損損QiIWiiFDr )()(00損損QWrttFCDr )(000例例1 用一單效蒸發(fā)器用一單效蒸發(fā)器, 濃縮某水溶液。原料液濃度濃縮某水溶液。原料液濃度為為5%(wt),完成液濃度為完成液濃度為20%,進(jìn)料量為進(jìn)料量為2000kg/h,沸點(diǎn)進(jìn)料。冷凝器中二次蒸汽的冷凝溫

6、度為沸點(diǎn)進(jìn)料。冷凝器中二次蒸汽的冷凝溫度為70,加熱蒸汽溫度為加熱蒸汽溫度為110。傳熱面積。傳熱面積75m2,傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)為為800W/m2,熱損失為蒸發(fā)器熱負(fù)荷的熱損失為蒸發(fā)器熱負(fù)荷的10%。試。試推算該蒸發(fā)過程的總溫差損失。二次蒸汽的汽化推算該蒸發(fā)過程的總溫差損失。二次蒸汽的汽化潛熱為潛熱為2331kJ/kg。 解：解： t=92.0總溫度差損失總溫度差損失 =t-t0=92-70=22傳熱有效溫差傳熱有效溫差 T-t=110-92=18)1(0wwFW hkg/1500)20. 005. 01(2000 QWrQWrttFCQ1 . 0)(00 損損kWWrQ10793600150

7、09 . 023319 . 01 )(tTKAQ )110(758001010793t 問題：問題：蒸發(fā)室操作壓強(qiáng)蒸發(fā)室操作壓強(qiáng)p0(如如10kPa絕絕)如何保證？如何保證？p0選擇高或低選擇高或低, 對經(jīng)濟(jì)性有什么影響？對經(jīng)濟(jì)性有什么影響？解：解：冷凝器的溫度與壓強(qiáng)有對應(yīng)關(guān)系冷凝器的溫度與壓強(qiáng)有對應(yīng)關(guān)系 抽真空主要除去不凝性氣體。抽真空主要除去不凝性氣體。 p0高高, t0=ts(p0)也高也高, 則則Q=KA(T-t)， T要提高要提高, 或或A要增大要增大 加熱蒸汽費(fèi)用或設(shè)備費(fèi)用要增加加熱蒸汽費(fèi)用或設(shè)備費(fèi)用要增加, 而抽真空費(fèi)用下降而抽真空費(fèi)用下降3 蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能方法蒸發(fā)操作的

8、經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能方法3.1蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性 經(jīng)濟(jì)性：經(jīng)濟(jì)性： 單位質(zhì)量加熱蒸汽所能蒸發(fā)的水份量。單位質(zhì)量加熱蒸汽所能蒸發(fā)的水份量。二次蒸汽再利用可提高二次蒸汽再利用可提高1多效蒸發(fā)多效蒸發(fā) 理論上理論上 可成倍增加。增加設(shè)備費(fèi)可成倍增加。增加設(shè)備費(fèi),降低操作費(fèi)降低操作費(fèi) DWDWDW多效蒸發(fā)流程多效蒸發(fā)流程 三效并流加料三效并流加料三效逆流加料三效逆流加料三效平流加料三效平流加料2引出額外蒸汽引出額外蒸汽將將E抽出作它用抽出作它用與與D相比相比E有何不同？有何不同？3熱泵熱泵(蒸汽再壓縮蒸汽再壓縮)蒸發(fā)蒸發(fā)100蒸汽要提高到蒸汽要提高到T,顯熱不是主要問題顯熱不是主要問題,主要是壓

9、強(qiáng)主要是壓強(qiáng)適用于適用于不太大的蒸發(fā)不太大的蒸發(fā) 3.2 蒸發(fā)設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度蒸發(fā)設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度生產(chǎn)強(qiáng)度生產(chǎn)強(qiáng)度 單位傳熱面的蒸發(fā)量單位傳熱面的蒸發(fā)量1提高提高tT的提高，低壓鍋爐的提高，低壓鍋爐p0.7MPa(表表)t的降低與真空泵、冷卻水溫、流量有關(guān)的降低與真空泵、冷卻水溫、流量有關(guān)2提高提高K提高流動速度提高流動速度 自然對流自然對流強(qiáng)制對流強(qiáng)制對流 擴(kuò)大管內(nèi)沸騰環(huán)狀流動區(qū)擴(kuò)大管內(nèi)沸騰環(huán)狀流動區(qū)降低單程汽化率降低單程汽化率,減少結(jié)垢減少結(jié)垢 局部濃度過高造成結(jié)垢局部濃度過高造成結(jié)垢 AWU tKrArQU 1效數(shù)在經(jīng)濟(jì)上的限制效數(shù)在經(jīng)濟(jì)上的限制設(shè)備費(fèi)用超過成倍增長，設(shè)備費(fèi)用超過成倍增長，操

10、作費(fèi)不按效數(shù)比例下降操作費(fèi)不按效數(shù)比例下降效數(shù)效數(shù) 單效單效 二效二效 三效三效 四效四效 五效五效W/D經(jīng)驗(yàn)值經(jīng)驗(yàn)值 0.91 1.75 2.5 3.33 3.70效數(shù)在技術(shù)上的限制效數(shù)在技術(shù)上的限制總推動力須總推動力須 0如：如：NaOH水溶液水溶液W0=10%w1=14% 1=8, w2=23%w3=50% 2=13, 1=40,T-t0須須61)(0 tT例例2 某單效蒸發(fā)器某單效蒸發(fā)器,將濃度為將濃度為20%(wt),流量為流量為3600kg/h的的NaOH水溶液濃縮至水溶液濃縮至50%,料液進(jìn)口溫料液進(jìn)口溫度為度為20,焓為焓為60kJ/kg。加熱蒸汽壓強(qiáng)為。加熱蒸汽壓強(qiáng)為400k

11、Pa(絕絕),飽和溫度飽和溫度143.4,汽化潛熱汽化潛熱2140kJ/kg。冷凝器的壓強(qiáng)為冷凝器的壓強(qiáng)為50kPa(絕絕),對應(yīng)飽和溫度對應(yīng)飽和溫度81.2。蒸發(fā)器傳熱系數(shù)蒸發(fā)器傳熱系數(shù)1100W/m2,器內(nèi)液層高度約器內(nèi)液層高度約2.5m,液體密度液體密度1500kg/m3,熱損失不計。熱損失不計。求：蒸發(fā)器傳熱面積、求：蒸發(fā)器傳熱面積、蒸汽用量、生產(chǎn)強(qiáng)度、蒸蒸汽用量、生產(chǎn)強(qiáng)度、蒸汽的經(jīng)濟(jì)性汽的經(jīng)濟(jì)性 解：解：F=3600kg/h=1kg/s, w0=0.2, w=0.5, t0=81.2,i0=60kJ/kg, t0=20, r0=2140kJ/kg, T=143.4,K=1100W/m

12、2K, L=2.5m, =1500kg/m3蒸發(fā)水量蒸發(fā)水量按按w=0.50, , 水沸點(diǎn)水沸點(diǎn)81.2，查得溶液沸點(diǎn)，查得溶液沸點(diǎn)121 =121-81.2=39.8,液柱靜壓液柱靜壓”：查查tS(pm)=84.5 ”= tS(pm)- tS(p)=84.5-81.2=3.3)1(0wwFW skg/6 . 0)5 . 02 . 01(1 81. 915005 . 2511050513 gLppm Pa3104 .57 溫度差損失溫度差損失 =+”=39.8+3.3=43.1溶液沸點(diǎn)溶液沸點(diǎn) t=t0+=81.2+43.1=124.3查溶液焓查溶液焓 i=630kJ/kg查二次蒸汽焓查二次蒸汽焓 I=2644kJ/kg熱量衡算熱量衡算 Dr0+Fi0=