單效蒸發(fā)及其計(jì)算.課件

1、單 效 蒸 發(fā) 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院張旭光第1頁(yè)，共40頁(yè)。溶液的沸點(diǎn)升高：一定壓強(qiáng)下，溶液的沸點(diǎn)較純水高，兩者之差，稱為溶液的沸點(diǎn)升高。稀溶液或有機(jī)溶液沸點(diǎn)升高值較小，無機(jī)鹽溶液較大。對(duì)于同一種溶液，沸點(diǎn)升高值隨溶液濃度及蒸發(fā)器內(nèi)液柱高度而異，濃度越大，液柱越高，沸點(diǎn)升高值越大。一、溶液的沸點(diǎn)升高和溫度差損失第2頁(yè)，共40頁(yè)。溶液沸點(diǎn)升高的計(jì)算公式：式中 溶液的沸點(diǎn)升高， t 溶液的沸點(diǎn)， T/與溶液壓強(qiáng)相等時(shí)水的沸點(diǎn)，即二次蒸氣的 飽和溫度， （5-1）第3頁(yè)，共40頁(yè)。傳熱溫度差損失：在一定操作壓強(qiáng)條件下溶液的沸點(diǎn)升高。式中 t傳熱的有效溫度差， tT 理論上的傳熱溫度差， t 溶液的沸

2、點(diǎn)， T純水在操作沸點(diǎn)， Ts加熱蒸氣的溫度， 計(jì)算公式為：t=Ts-t tT =Ts-T= tT- t（5-2） 第4頁(yè)，共40頁(yè)。例：用476kN/m2（絕壓）的水蒸氣作為加熱蒸汽（Ts=150 ），蒸發(fā)室內(nèi)壓力為1atm，蒸發(fā)30%的NaOH溶液，沸點(diǎn)為t=115 ，其最大傳熱溫度差，用tT來表示： tT=Ts-T=150-100=50有效溫度差為： t=Ts-t=150-115=35則溫度差損失為： = tT- t=（ Ts-T）-（ Ts-t）=t-T=15 即傳熱溫度差損失等于溶液的沸點(diǎn)與同壓下水的沸點(diǎn)之差。只有求得，才可求得溶液的沸點(diǎn)t（=T+ ）和有效傳熱溫度差t （=tT-

3、）。第5頁(yè)，共40頁(yè)。（1）因溶液的蒸汽壓下降而引起的溫度差損失；（3）因管路流體阻力而引起的溫度差損失 。（2）因加熱管內(nèi)液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失；總溫度差損失為：（5-3） 蒸發(fā)過程中引起溫度差損失的原因有：第6頁(yè)，共40頁(yè)。（5-4）式中 tA溶液沸點(diǎn)，主要與溶液的類別、濃度及操 作壓強(qiáng)有關(guān)。 T與溶液壓強(qiáng)相等時(shí)水的沸點(diǎn)，即二次蒸氣的 飽和溫度， 在文獻(xiàn)和手冊(cè)中，可以查到常壓（1atm）下某些溶液在不同濃度時(shí)的沸點(diǎn)數(shù)據(jù)。非常壓下的溶液沸點(diǎn)則需計(jì)算，估算方法有兩種。1 溶液的蒸汽壓下降引起的溫度差損失第7頁(yè)，共40頁(yè)。式中 常壓下溶液的沸點(diǎn)升高，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定的tA值 求得，； 操作條件

4、下溶液的沸點(diǎn)升高，； f校正系數(shù)，無因次。其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式為： 式中 T操作壓強(qiáng)下二次蒸氣的溫度，； r操作壓強(qiáng)下二次蒸氣的汽化熱，kJ/kg。(1)（5-5）（5-6）第8頁(yè)，共40頁(yè)。(2) 杜林規(guī)則 該規(guī)則認(rèn)為：某溶液（或液體）在兩種不同壓力下兩沸點(diǎn)之差與另一標(biāo)準(zhǔn)液體在相應(yīng)壓力下兩沸點(diǎn)之差，其比值為一常數(shù)，即 式中 tA 、tw分別為壓強(qiáng)pM下溶液的沸點(diǎn)與純水的沸點(diǎn)， tA、tw分別為壓強(qiáng)pN下溶液的沸點(diǎn)與純水的沸點(diǎn)， 一定濃度下溶液的沸點(diǎn)與相同壓強(qiáng)下水的沸點(diǎn)呈直線關(guān)系，可以利用杜林線求不同濃度的溶液在任一壓力下的沸點(diǎn)。（5-7）第9頁(yè)，共40頁(yè)。當(dāng)某壓強(qiáng)下水的沸點(diǎn)tw=0時(shí)，則上式變?yōu)椋?

5、式中 ym杜林線的截距， 注意：不同濃度的杜林線是不平行的，斜率k與截距ym都是溶液質(zhì)量濃度x的函數(shù)。對(duì)NaOH水溶液，k、ym與x的關(guān)系為： k=1+0.142x (5-9a) ym=150.75x2-2.71x (5-9b) 式中 x溶液的質(zhì)量濃度（5-8）第10頁(yè)，共40頁(yè)。 液層內(nèi)的溶液的沸點(diǎn)高于液面的，液層內(nèi)部沸點(diǎn)與表面沸點(diǎn)之差即為因液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失。式中 pm液層中部的平均壓強(qiáng)，Pa p液面的壓強(qiáng)，即二次蒸氣的壓強(qiáng)，Pa l液層深度，m 簡(jiǎn)化處理：計(jì)算時(shí)以液層中部的平均壓強(qiáng)pm及相應(yīng)的沸點(diǎn)tAm為準(zhǔn)，中部的壓強(qiáng)為： （5-10）2 液柱靜壓強(qiáng)引起的溫度差損失第11頁(yè)，共

6、40頁(yè)。 常根據(jù)平均壓強(qiáng)pm查出純水的相應(yīng)沸點(diǎn)tpm，故因靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失為： =tpm-tp （5-11）式中 tpm 與平均壓強(qiáng)pm相對(duì)應(yīng)純水的沸點(diǎn)， tp與二次蒸氣壓強(qiáng)p相對(duì)應(yīng)的水的沸點(diǎn)，影響的因素：（1）沸騰時(shí)液層內(nèi)混有氣泡，液層的實(shí)際密度較計(jì)算公式所用的純液體密度要小，使得算出的值偏大；（2）當(dāng)溶液在加熱管內(nèi)的循環(huán)速度較大時(shí)，就會(huì)因流體阻力使平均壓強(qiáng)增高。第12頁(yè)，共40頁(yè)。 采用多效蒸發(fā)時(shí)，二次蒸氣在離開前一效蒸發(fā)室流往后一效加熱室的過程中要克服管道的流動(dòng)阻力，從而導(dǎo)致蒸汽溫度下降。此項(xiàng)溫度差損失與蒸汽的流速、物性和管道的尺寸有關(guān)，一般取0.51.5。第13頁(yè)，共40頁(yè)。單

7、效蒸發(fā)的計(jì)算項(xiàng)目有： （1）蒸發(fā)量； （2）加熱蒸氣消耗量； （3）蒸發(fā)器的傳熱面積通常生產(chǎn)任務(wù)中已知的項(xiàng)目有： （1）原料液流量、組成與溫度； （2）完成液組成； （3）加熱蒸氣壓強(qiáng)或溫度； （4）冷凝器的壓強(qiáng)或溫度。二、單效蒸發(fā)的計(jì)算第14頁(yè)，共40頁(yè)。加熱室蒸發(fā)室F,x0,t0,h0D,T,HW,T,HD,T,hw(F-W),x1t1,h1QL第15頁(yè)，共40頁(yè)。式中 F原料液流量 W蒸發(fā)量 x0原料液的質(zhì)量組成 x1完成液的組成對(duì)單效蒸發(fā)器作溶質(zhì)衡算，得（5-12）1 蒸發(fā)量w第16頁(yè)，共40頁(yè)。 蒸發(fā)操作中，加熱蒸氣的熱量一般用于將溶液加熱至沸點(diǎn)，將水分蒸發(fā)為蒸氣以及向周圍散失的熱量

8、。 對(duì)于某些溶液，如CaCl2、NaOH、H2SO4等水溶液稀釋時(shí)釋放出熱量，則當(dāng)其蒸發(fā)濃縮時(shí)應(yīng)考慮供給和稀釋熱相當(dāng)?shù)臐饪s熱。2 加熱蒸氣消耗量D第17頁(yè)，共40頁(yè)。式中 D加熱蒸氣的消耗量,kg/h H加熱蒸氣的焓,kJ/kg h0原料液的焓, kJ/kg H二次蒸氣的焓, kJ/kg h1完成液的焓, kJ/kg hw冷凝水的焓,kJ/kg QL熱損失, kJ/h（5-13） 對(duì)單效蒸發(fā)器作物料的熱量衡算，得（5-14）2.1 溶液稀釋熱不可忽略時(shí)第18頁(yè)，共40頁(yè)。若加熱蒸氣的冷凝液在蒸氣的飽和溫度下排除，則 式中 r加熱蒸氣的汽化熱，kJ/kg稀釋熱不可忽略時(shí)，溶液的焓可由專用的焓濃圖

9、查得。則上式變?yōu)椋?-14a）H-hw=r第19頁(yè)，共40頁(yè)。溶液的稀釋熱可以忽略時(shí)，溶液的焓可由比熱算出，即 h0=cp0(t-0)=cp0t0 （5-15） h1=cp1(t-0)=cp1t1 （5-16） hw=cpw(t-0)=cpwtw （5-17）代入蒸發(fā)器物料的熱量衡算式中，則有D(H-cpwT)=WH+(F-W)cp1t1-Fcp0t0+QL（5-18）2.2 溶液的稀釋熱可以忽略時(shí)第20頁(yè)，共40頁(yè)。計(jì)算溶液比熱的經(jīng)驗(yàn)公式為： Cp=cpw(1-x)+cpBx （5-19） 式中 Cp溶液的比熱,kJ/(kg ); Cpw純水的比熱, kJ/(kg ); CpB溶質(zhì)的比熱,

10、kJ/(kg ).當(dāng)x0.2時(shí)，上式簡(jiǎn)化為： Cp=cpw(1-x) （5-19a）第21頁(yè)，共40頁(yè)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，上式中完成液的比熱可用原料液的比熱表示。聯(lián)立上兩式，得 (cp0-cpw)x1= (cp1-cpw)x0 （5-20） 計(jì)算原料液及完成液的比熱可分別寫成： Cp0=cpw(1-x0)+cpBx0=cpw-(cpw-cpB)x0 Cp1=cpw(1-x1)+cpBx1 =cpw-(cpw-cpB)x1第22頁(yè)，共40頁(yè)。上式即為完成液比熱與原料液比熱間的關(guān)系式。Fx0=(F-W)x1 (cp0-cpw)x1= (cp1-cpw)x0(F-W)cp1=Fcp0-Wcpw （5-21

11、）將式5-21代入5-18，并整理得： （5-22）第23頁(yè)，共40頁(yè)。由于 H-cpwTr (5-23) H-cpwt1r (5-24) 式中 r加熱蒸氣的汽化熱，kJ/kg； r二次蒸氣的汽化熱，kJ/kg。將上兩式代入式5-22，并簡(jiǎn)化得： 上式說明加熱蒸氣的熱量用于將原料液加熱到沸點(diǎn)、蒸發(fā)水分以及向周圍的熱損失。 Q=Dr=Wr+Fcp0(t1-t0)+QL（5-25） 第24頁(yè)，共40頁(yè)。 若原料液預(yù)熱至沸點(diǎn)再進(jìn)入蒸發(fā)器，且忽略熱損失，上式簡(jiǎn)化為： （5-25a） （5-26） 式中 e蒸發(fā)1kg水分時(shí)，加熱蒸氣的消耗量，稱為單位蒸氣耗量，kg/kg。 第25頁(yè)，共40頁(yè)。單效蒸發(fā)操

12、作中e1，每蒸發(fā)1kg 的水分約消耗1kg 的加熱蒸氣（由于蒸汽的汽化熱隨壓強(qiáng)變化不大，即rr） ；實(shí)際蒸發(fā)操作中e值約為1.1或更大； （1）溫度差的損失的存在； （2）二次蒸汽的氣化潛熱總是大于加熱蒸汽的氣化潛熱。 e值是衡量蒸發(fā)裝置經(jīng)濟(jì)程度的指標(biāo)。3 單位蒸氣消耗量第26頁(yè)，共40頁(yè)。蒸發(fā)器的傳熱面積由傳熱速率公式計(jì)算，即：式中 S0蒸發(fā)器的傳熱面積，m2 K0基于外面積的總傳熱系數(shù)；kw/(m2) tm 平均溫度差， Q蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，即蒸發(fā)器的傳熱速率，kw。 注意：若加熱蒸氣的冷凝水在飽和溫度下排除，則s0可根據(jù)式5-27直接算出，否則應(yīng)分段計(jì)算。下面按前者情況進(jìn)行討論。（5-27

13、）3.1 傳熱面積S0第27頁(yè)，共40頁(yè)。 在蒸發(fā)過程中，加熱兩側(cè)流體均處于恒溫、變相狀態(tài)下，故： tm =T-t （5-28） 式中 T加熱蒸氣的溫度，； t操作條件下溶液的沸點(diǎn)，。3.1.1 平均溫度差tm第28頁(yè)，共40頁(yè)。 垢層熱阻值可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值估算。管外側(cè)的蒸氣冷凝傳熱系數(shù)可按膜式冷凝傳熱系數(shù)公式計(jì)算，管內(nèi)側(cè)溶液沸騰傳熱系數(shù)則按管內(nèi)沸騰傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算。 式中 a對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2) d管徑，m Ri垢層熱阻，m2/W b管壁厚度，m 管材的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m) 下標(biāo)i表示管內(nèi)側(cè)、o表示外側(cè)、m表示平均。 （5-29）3.1.2 基于傳熱外面積的總傳熱系數(shù)K0第29頁(yè)，共40

14、頁(yè)。 若加熱蒸氣的冷凝水在飽和溫度下排除，且忽略熱損失，則蒸發(fā)器的熱負(fù)荷為： 上面算出的傳熱面積，應(yīng)視具體情況選用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)加以校正。Q=Dr(5-30)3.2 蒸發(fā)器的熱負(fù)荷Q第30頁(yè)，共40頁(yè)。例題 有一傳熱面積為30m2的單效蒸發(fā)器，將35，濃度為20%（質(zhì)量）的NaOH溶液濃縮至50%（質(zhì)量）。已知加熱用飽和水蒸氣的壓力為294kN/m2（絕壓），蒸發(fā)室內(nèi)壓力為19.6 kN/m2（絕壓），溶液的沸點(diǎn)為100，又蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)為1000W/m2k,熱損失可取為傳熱量的3%，試計(jì)算加熱蒸氣消耗量D和料液處理量F。解：根據(jù)加熱蒸氣壓力和二次蒸氣壓力，由蒸氣表查得： 294 kN/m

15、2（絕壓）時(shí)：蒸氣焓H=2728kJ/kg 冷凝水的焓hw=556.5kJ/kg 汽化熱r=2171.5kJ/kg 溫度T=132.9第31頁(yè)，共40頁(yè)。19.6 kN/m2（絕壓）時(shí)：蒸氣的焓H*=2605kJ/kg飽和溫度T=59.7二次蒸氣的焓 H=2605+1.88(100-59.7)=2681kJ/kg, (1.88為水蒸氣的比熱,kJ/kgk)(1) 加熱蒸氣消耗量D 由傳熱速率方程得： Q=KA(T-t)=100030(132.9-100)=9.87105w/m2第32頁(yè)，共40頁(yè)。(2)料液流量F DH+Fh0=WH+(F-W)h1+Dhw+QL 式中是D、H、H、hw已知量，

16、根據(jù)料液、完成液的溫度和濃度查圖得，原料液的焓h0=120kJ/kg，完成液的焓h1=540kJ/kg 又QL=0.03Q=0.039.87105=29.6kw代入已知數(shù)據(jù) 0.4452728+120F=2681W+540(F-W)+0.455556.5+29.6F=0.56kg/sW=0.34kg/s整理后，得420F+2141W=958.4第33頁(yè)，共40頁(yè)。(3)不考慮溶液的濃縮熱時(shí)，求料液流量。已知溶質(zhì)的比熱CB=2.01kJ/kgkD(H-cpwT)=WH+(F-W)cp1t1-Fcp0to+QLCp0=4.187(1-0.2)+2.010.2=3.75kJ/kgk Cp1=4.18

17、7(1-0.5)+2.010.5=3.1kJ/kgk則有0.455(2728-556.5) =(F-W)3.1100+2681W+29.6-F3.7535 178.7F+2371W=958.4將W=0.6F代入，解得 F=0.6kg/s W=0.36kg/s第34頁(yè)，共40頁(yè)。 此例的2、3兩項(xiàng)計(jì)算結(jié)果表明，蒸發(fā)面積相同時(shí)，不考慮濃縮熱所得料液處理量要比實(shí)際情況約高6%。注意：如果缺乏溶液在不同溫度和濃度下焓的數(shù)據(jù)，對(duì)于有明顯濃縮熱的物料，可先按一般物料來處理，即先不考慮濃縮熱的影響進(jìn)行計(jì)算后，再校正。第35頁(yè)，共40頁(yè)。 蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力用單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分量，即蒸發(fā)量表示。其生產(chǎn)能力的大

18、小取決于通過傳熱面積的傳熱速率Q，因此也可以用蒸發(fā)器的傳熱速率來衡量生產(chǎn)能力。根據(jù)傳熱速率方程得單效蒸發(fā)時(shí)的傳熱速率為：Q=KSt 或 Q=KS(T-t1) （5-31）三、蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度1 蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力第36頁(yè)，共40頁(yè)。進(jìn)料狀況影響蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力：(1)低于沸點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，需消耗部分熱量將溶液加熱至沸點(diǎn)，因而降低了生產(chǎn)能力；(2)沸點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，通過傳熱面的熱量全部用于蒸發(fā)水分，其生產(chǎn)能力有所增加；(3)高于沸點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，由于部分原料液的自動(dòng)蒸發(fā)，使生產(chǎn)能力有所增加。 第37頁(yè)，共40頁(yè)。 蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度是指單位傳熱面積上單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水量，單位為kg/(m2h)，常采用生產(chǎn)強(qiáng)度U作為衡量蒸發(fā)器性能的標(biāo)準(zhǔn)。若為沸點(diǎn)進(jìn)料，且忽略熱損失，則： 由上式可以看出，欲提高蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度，必須設(shè)法提高蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)和傳熱溫度差。（5-32 ）2 蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度第38頁(yè)，共40頁(yè)。 傳熱溫度差主要取決于加熱蒸氣和冷凝器中二次蒸氣的壓強(qiáng)。傳熱溫度差的提高是有一定限度的，原因如下：加熱蒸氣的壓強(qiáng)越高，其飽和溫度也越高，但是加熱蒸氣常受工廠的供汽條件所限。一般為300500kPa，有時(shí)可高達(dá)600