化工原理第六章課件

第六章蒸發(fā)通過(guò)本章學(xué)習(xí)，掌握蒸發(fā)操作的特點(diǎn)、蒸發(fā)器的類(lèi)型、蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算，能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝要求和物料特性，合理選擇蒸發(fā)器類(lèi)型并確定適宜操作流程和條件。學(xué)習(xí)目的與要求16.1概述第六章蒸發(fā)2蒸發(fā)將含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液加熱至沸騰，使部分揮發(fā)性溶劑汽化并移除，從而獲得濃縮溶液或回收溶劑的操作。向蒸發(fā)器連續(xù)提供足夠的熱量并及時(shí)移除汽化的溶劑。蒸發(fā)操作的基本要點(diǎn)一．蒸發(fā)的目的3二．蒸發(fā)的概念圖6-1液體蒸發(fā)的簡(jiǎn)化流程5三．蒸發(fā)過(guò)程分類(lèi)加壓蒸發(fā)常壓蒸發(fā)真空（減壓）蒸發(fā)操作壓力蒸發(fā)器進(jìn)、出料狀況間歇蒸發(fā)連續(xù)蒸發(fā)6單效蒸發(fā)多效蒸發(fā)二次蒸汽是否用作另一蒸發(fā)器的加熱蒸汽并流逆流平流三．蒸發(fā)過(guò)程分類(lèi)7四．蒸發(fā)操作的特點(diǎn)1．溶液的沸點(diǎn)升高由于不揮發(fā)溶質(zhì)的存在使溶液的沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)。對(duì)于垂直管式蒸發(fā)器，管內(nèi)液柱的靜壓力及蒸汽在管道內(nèi)的流動(dòng)阻力也會(huì)引起溶液的沸點(diǎn)升高。

沸點(diǎn)升高使傳熱推動(dòng)力降低。83．溶液的工藝特性蒸發(fā)過(guò)程中溶液的某些性質(zhì)隨著溶液的組成而改變。有些物料在濃縮過(guò)程中可能析出結(jié)晶、發(fā)泡、嚴(yán)重結(jié)垢、變性分解、黏度增高、腐蝕性增大等。在選擇蒸發(fā)工藝和設(shè)備時(shí)需要認(rèn)真考慮。四．蒸發(fā)操作的特點(diǎn)10一、垂直短管型蒸發(fā)器圖6-2

中央循環(huán)管式蒸發(fā)器1―加熱室；2―中央循環(huán)管；3―蒸發(fā)室；4―外殼12二、垂直長(zhǎng)管型蒸發(fā)器圖6-4外加熱式蒸發(fā)器1―加熱室；2―分離室；3―循環(huán)管14圖6-5列文式蒸發(fā)器1―加熱室；2―加熱管；3―循環(huán)管；4―蒸發(fā)室；5―除沫器；6―擋板；7―沸騰室二、垂直長(zhǎng)管型蒸發(fā)器15圖6-6強(qiáng)制循環(huán)式蒸發(fā)器1―加熱管；2―循環(huán)泵；3―循環(huán)管；4―分離室；5―除沫器二、垂直長(zhǎng)管型蒸發(fā)器16三、直接接觸傳熱蒸發(fā)器圖6-7直接接觸傳熱蒸發(fā)器1―燃燒室；2―點(diǎn)火管；3―測(cè)溫管；4―外殼17四．循環(huán)型蒸發(fā)器的主要類(lèi)型及其性能比較常用循環(huán)型蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要性能匯總于表6-1。18一．升膜式蒸發(fā)器圖6-8升膜式蒸發(fā)器1―蒸發(fā)器；2―分離室；20圖6-9降膜式蒸發(fā)器1―蒸發(fā)器；2―分離室；3―布膜器二．降膜式蒸發(fā)器21四．刮板薄膜蒸發(fā)器圖6-12刮板薄膜蒸發(fā)器23五．單程型蒸發(fā)器性能的比較幾種單程型蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與操作性能如表6-2所示。24一．開(kāi)發(fā)新型、高效蒸發(fā)器新型高效蒸發(fā)器的研究開(kāi)發(fā)有如下途徑：（1）研制設(shè)備更加緊湊、提高液體速度、增加液膜湍動(dòng)、縮短料液在設(shè)備中停留時(shí)間的高效、節(jié)能型蒸發(fā)器。（2）通過(guò)改進(jìn)加熱表面形狀來(lái)提高加熱效果。26（3）在蒸發(fā)器中插入不同形式的湍流元件，可使沸騰液體側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)大幅度提高。（4）不同結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的組合。一．開(kāi)發(fā)新型、高效蒸發(fā)器27二．蒸發(fā)與其它單元操作相結(jié)合將蒸發(fā)與其它化工單元操作結(jié)合，構(gòu)成集成式的工藝流程，如蒸發(fā)干燥、蒸發(fā)分餾、蒸發(fā)結(jié)晶等。28第六章蒸發(fā)6.2蒸發(fā)設(shè)備6.2.1循環(huán)型蒸發(fā)器6.2.2單程型蒸發(fā)器6.2.3蒸發(fā)設(shè)備和蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展6.2.4蒸發(fā)器的選型30蒸發(fā)器的選型原則①對(duì)物料的工藝特性有良好的適應(yīng)性，其中對(duì)黏度在蒸發(fā)過(guò)程中的增加程度及結(jié)垢情況應(yīng)給予特別注意。②滿足生產(chǎn)工藝對(duì)完成液質(zhì)和量的要求。③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作可靠，造價(jià)和操作費(fèi)用低廉，經(jīng)濟(jì)合理，維修方便。31第六章蒸發(fā)6.2蒸發(fā)設(shè)備6.2.1循環(huán)型蒸發(fā)器6.2.2單程型蒸發(fā)器6.2.3蒸發(fā)設(shè)備和蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展6.2.4蒸發(fā)器的選型6.2.5蒸發(fā)器的輔助設(shè)備（自學(xué)）32第六章蒸發(fā)6.3單效蒸發(fā)的計(jì)算6.3.1物料衡算與熱量衡算33一．物料衡算完成液的流量水分蒸發(fā)量完成液的組成34二．熱量衡算對(duì)蒸發(fā)器作熱量衡算蒸發(fā)器的熱負(fù)荷蒸發(fā)器的熱損失351.溶液稀釋熱較大的情況某些鹽、堿的水溶液，在稀釋時(shí)其放熱效應(yīng)非常顯著。蒸發(fā)是稀釋的逆過(guò)程。需通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定焓值隨組成和溫度的變化。二．熱量衡算36圖6-15氫氧化鈉的焓濃圖二．熱量衡算37加熱蒸汽消耗量加熱蒸汽的冷凝潛熱蒸發(fā)器的熱負(fù)荷二．熱量衡算冷凝水在飽和溫度下排出時(shí)382.溶液稀釋熱可忽略的情況大多數(shù)溶液在溶質(zhì)含量不太高時(shí)，其稀釋熱不顯著，常可忽略。對(duì)于這類(lèi)溶液，其焓值可由比熱容近似計(jì)算。以0℃的溶液為基準(zhǔn)，則原料液比熱容完成液的比熱容二．熱量衡算39水溶液的比熱容可由水的比熱容和溶質(zhì)的比熱容近似按線性加和原則計(jì)算溶質(zhì)的比熱容水的比熱容二．熱量衡算40聯(lián)立物料衡算和熱量衡算式，可得熱損失使水在t1下汽化成二次蒸汽將原料液由t0升溫至沸點(diǎn)t1加熱蒸汽供熱二．熱量衡算41近似取水在t1℃的汽化熱則有若原料液在沸點(diǎn)下加入蒸發(fā)器并忽略熱損失，則單位蒸汽消耗量二．熱量衡算42對(duì)于單效蒸發(fā)，若忽略水的汽化熱隨壓力的變化，理論上：

實(shí)際上由于熱損失和濃縮的熱效應(yīng)等原因二．熱量衡算43第六章蒸發(fā)6.3單效蒸發(fā)的計(jì)算6.3.1物料衡算與熱量衡算6.3.2蒸發(fā)器的傳熱面積44蒸發(fā)器的傳熱面積由傳熱速率方程計(jì)算，即由蒸發(fā)器的熱量衡算確定大多取經(jīng)驗(yàn)數(shù)值必須考慮溶液沸點(diǎn)升高45一．溶液的溫度差損失單效蒸發(fā)傳熱的有效溫度差單效蒸發(fā)傳熱的理論總溫度差總溫度差損失46引起蒸發(fā)中溫差損失（沸點(diǎn)升高）的因素包括如下三個(gè)方面：①溶液中不揮發(fā)溶質(zhì)引起的飽和蒸汽壓下降；一．溶液的溫度差損失②垂直傳熱管中液柱靜壓力（膜式蒸發(fā)器除外）使液面下的靜壓力高于液面上分離空間的靜壓力；③二次蒸汽在管道內(nèi)的流動(dòng)阻力和熱損失。所以47二．溶液沸點(diǎn)升高的計(jì)算1．溶質(zhì)存在引起的沸點(diǎn)升高Δ′與溶液壓力相等時(shí)水的沸點(diǎn)溶液的沸點(diǎn)48溶液沸點(diǎn)：與操作壓力、溶液種類(lèi)及其組成有關(guān)。獲取查手冊(cè)——附錄中估算——杜林規(guī)則（Duhring’srule）二．溶液沸點(diǎn)升高的計(jì)算49杜林規(guī)則（Duhring’srule）一定組成的某種溶液的沸點(diǎn)與相同壓力下標(biāo)準(zhǔn)液體（一般以水為標(biāo)準(zhǔn)液體）的沸點(diǎn)呈線性關(guān)系。杜林線的截距杜林線的斜率二．溶液沸點(diǎn)升高的計(jì)算50圖6-16NaOH水溶液的杜林線圖二．溶液沸點(diǎn)升高的計(jì)算51其他壓力下溶液的沸點(diǎn)升高，在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可用下面經(jīng)驗(yàn)公式近似估算，即常壓下(101.3kPa)由于溶質(zhì)存在引起的沸點(diǎn)升高操作壓力下由于溶質(zhì)存在引起的沸點(diǎn)升高校正系數(shù)二．溶液沸點(diǎn)升高的計(jì)算522．液柱靜壓頭引起的沸點(diǎn)升高Δ″以液層中部點(diǎn)的壓力和沸點(diǎn)代表整個(gè)液層的平均壓力和沸點(diǎn)液面處壓力液層平均壓力與壓力pm對(duì)應(yīng)的溶液沸點(diǎn)與壓力p′對(duì)應(yīng)的溶液沸點(diǎn)二．溶液沸點(diǎn)升高的計(jì)算533．流動(dòng)阻力引起的沸點(diǎn)升高Δ’’’由于管路中流動(dòng)阻力，使蒸發(fā)器內(nèi)二次蒸汽的溫度高于冷凝器內(nèi)的溫度，稱(chēng)為流動(dòng)阻力引起的沸點(diǎn)升高。一般取經(jīng)驗(yàn)值，從蒸發(fā)器至冷凝器Δ’’’取1℃～1.5℃，各效之間Δ’’’取為1℃。二．溶液沸點(diǎn)升高的計(jì)算54第六章蒸發(fā)6.3單效蒸發(fā)的計(jì)算6.3.1物料衡算與熱量衡算6.3.2蒸發(fā)器的傳熱面積6.3.3蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度55生產(chǎn)能力一．蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分量，其單位為kg/h。56二．蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度（蒸發(fā)強(qiáng)度）生產(chǎn)強(qiáng)度單位時(shí)間內(nèi)單位傳熱面積上蒸發(fā)的水分量，用U表示，其單位為kg/（m2?h）。提高蒸發(fā)強(qiáng)度的基本途徑是提高總傳熱系數(shù)和傳熱平均溫度差。57第六章蒸發(fā)6.3單效蒸發(fā)的計(jì)算6.3.1物料衡算與熱量衡算6.3.2蒸發(fā)器的傳熱面積6.3.3蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度6.3.4加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性和蒸發(fā)過(guò)程 的節(jié)能措施58加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性1kg加熱蒸汽所能蒸發(fā)的水分量實(shí)際蒸發(fā)裝置中，由于熱損失、濃縮熱的存在，其經(jīng)濟(jì)性必然小于1。一．加熱蒸氣的經(jīng)濟(jì)性59二．蒸發(fā)過(guò)程的節(jié)能措施為了提高加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性，可采用的措施：1．多效蒸發(fā)2．額外蒸汽的采出3．熱泵蒸發(fā)4．冷凝水熱量的利用圖6-17蒸汽熱泵蒸發(fā)流程60第六章蒸發(fā)6.4多效蒸發(fā)6.4.1多效蒸發(fā)的流程61一、并流621．利用各效間壓差自動(dòng)進(jìn)料，可省去輸液泵。2．前效溫度高于后效，進(jìn)料呈過(guò)熱狀態(tài)，產(chǎn)生自蒸發(fā)，各效間可不設(shè)預(yù)熱器。3．輔助設(shè)備少，裝置緊湊，溫差損失少。4．操作簡(jiǎn)便，工藝穩(wěn)定。優(yōu)點(diǎn)一、并流63缺點(diǎn)后效溫度低，組成高，料液黏度增大，降低了傳熱系數(shù)。一、并流64二、逆流65二、逆流1．隨著料液組成提高，溫度相應(yīng)提高，黏度變化小，各效傳熱系數(shù)相差不大，可充分發(fā)揮設(shè)備潛力。2．完成液排出溫度較高，可利用顯熱在減壓下閃蒸增濃，提高完成液組成。優(yōu)點(diǎn)66二、逆流缺點(diǎn)1．輔助設(shè)備多，動(dòng)力消耗大2．不適于處理熱敏性溶液3．操作復(fù)雜，工藝不易穩(wěn)定67三、錯(cuò)流68三、錯(cuò)流1．兼有并、逆流優(yōu)點(diǎn)。2．供料方式可調(diào)整。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)操作復(fù)雜，需有完善的自動(dòng)儀表控制系統(tǒng)來(lái)保證實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定操作69四、平流70第六章蒸發(fā)6.4多效蒸發(fā)6.4.1多效蒸發(fā)的流程6.4.2多效蒸發(fā)的計(jì)算（自學(xué)）71第六章蒸發(fā)6.4多效蒸發(fā)6.4.1多效蒸發(fā)的流程6.4.2多效蒸發(fā)的計(jì)算6.4.3多效蒸發(fā)與單效蒸發(fā)的比較72一．加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性多效蒸發(fā)中通過(guò)二次蒸汽的再利用而提高加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性。理想情況下，單效蒸發(fā)n效蒸發(fā)實(shí)際蒸發(fā)操作中，存在熱損失，各種溫度差損失、濃縮熱及不同壓力下汽化熱的差別等因素。73二．蒸發(fā)強(qiáng)度假設(shè)：?jiǎn)涡д舭l(fā)與多效蒸發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)和操作條件（包括加熱蒸汽壓力、冷凝器的操作壓力）均相同，且假設(shè)各效蒸發(fā)器的傳熱面積及傳熱系數(shù)也與單效蒸發(fā)器的相等，則多效蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度為多效蒸發(fā)中，加熱蒸汽經(jīng)濟(jì)性的提高是以降低蒸發(fā)強(qiáng)度為代價(jià)換得的。74三．溶液的溫度差損失圖6-19單效、雙效和三效蒸發(fā)裝置中的溫度差損失75第六章蒸發(fā)6.4多效蒸發(fā)6.4.1多效蒸發(fā)的流程6.4.2多效蒸發(fā)的計(jì)算6.4.3多效蒸發(fā)與單效蒸發(fā)的比較6.4.4多效蒸發(fā)的適宜效數(shù)76多效蒸發(fā)的適宜效數(shù)多效蒸發(fā)受如下因素制約，使其效數(shù)受到一定限制：①隨著效數(shù)增加，溫度差損失加大。②隨著效數(shù)的增加，加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性提高的幅度降低，在逆流加料蒸發(fā)中，動(dòng)力消耗卻加大。③隨著效數(shù)增加，蒸發(fā)強(qiáng)度下降，設(shè)備投資費(fèi)用增大。④為了使蒸發(fā)操作有效進(jìn)行，各效蒸發(fā)器中有效溫度差不得小于5℃～7℃。77第六章蒸發(fā)6.5生物溶液的增濃6.5.1生物溶液的蒸發(fā)78一．生物溶液的特性生物溶液具有如下工藝特性：（1）熱敏性，溶液中的溶質(zhì)易粘連到傳熱壁面上，造成局部過(guò)熱，甚至焦化。（2）在蒸發(fā)過(guò)程中，有些物料中細(xì)菌增長(zhǎng)很快，而且附著在設(shè)備壁面上，因此，要求設(shè)備應(yīng)便于清洗。（3）溶液的沸點(diǎn)升高小，常可忽略。79二.蒸發(fā)設(shè)備和操作條件的選擇降低操作溫度，宜采用真空蒸發(fā)縮短受熱時(shí)間，設(shè)備必須提供很高的傳熱速率80第六章蒸發(fā)6.5生物溶液的增濃6.5.1生物溶液的蒸發(fā)6.5.2

冷凍濃縮81一．冷凍濃縮原理和工業(yè)方法通過(guò)降溫使稀溶