PDF《第七章 蒸发》

2009-4-26

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第七章 蒸发 化学工程与工艺研究所 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.

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2 7.1 概述 (1)蒸发操作的目的 (2)蒸发的流程 (3)加热蒸汽和二次蒸汽 (4)分类 (5)蒸发操作的特点 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

3 7.1 概述 (1)蒸发操作的目的 ① 获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品. ② 脱除溶剂,将溶液增溶至饱和状态,随后加 以冷却, 析出固体产物,即采用蒸发,结晶的联合操作以获得固体溶 质. ③ 除杂质,获得纯净的溶剂. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

4 7.1 概述 (2)蒸发的流程 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

5 7.1 概述 (3)加热蒸汽和二次蒸汽 蒸发需要不断的供给热能.工业上采用的热源通常为水蒸 气,而蒸发的物料大多是水溶液,蒸发时产生的蒸汽也是 水蒸气.为了区别,将加热的蒸汽称为加热蒸汽,而由溶 液蒸发出来的蒸汽称之为二次蒸汽. (4)分类 ① 按蒸发操作空间的压力可分为:常压,加压,或者减 压(真空)蒸发. ② 按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

6 7.1 概述 (5)蒸发操作的特点 ① 沸点升高 蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液.由拉乌尔定律可知:在相同温 度下,其蒸汽压纯溶剂的为低,因此,在相同的压力下,溶液的沸点高于 纯溶剂的沸点.故当加热蒸汽温度一定时,蒸发溶液时的传热温差就比蒸 发纯溶剂时来得小,而溶液的浓度越大,这种影响就越显著. ② 溶液的性质往往对蒸发器的结构设计提出特殊的要求. ③ 溶剂汽化需吸收大量汽化热,因此蒸发操作是大量耗热的过程,节能 是蒸发操作应予考虑的重要问题. ④ 浓溶液在沸腾汽化过程中常在加热表面上析出溶质而形成垢层,使 传热过程恶化. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

7 7.2 单效蒸发 7.2.1 单效蒸发的计算 (1)物料衡算 (2)热量衡算 (3)蒸发器传热面积的计算 (4)浓缩热和溶液的焓浓图 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 (1)溶液的沸点升高和杜林规则 (2)液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响 (3)因蒸汽流动阻力引起的温度差损失 (4)单效蒸发过程的计算 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

8 7.2.1 单效蒸发的计算 对于单效蒸发,在给定的生产任务和确定了操作条件以 后,通常需要计算以下的这些内容: ① 水分的蒸发量;

② 加热蒸汽消耗量;

③ 蒸发器的传热面积. 要解决以上问题,我们可应用物料衡算方程、热量衡算 方程和传热速率方程来解决. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

9 7.2.1 单效蒸发的计算 (1)物料衡算 溶质在蒸发过程中不挥发,且蒸发过程是个定态过程,单 位时间进入和离开蒸发器的量相等,即F, x0, t0, h0 加料 D, Ts, Hs 加热蒸汽 蒸发室 二次蒸汽 W, H, T 加热 D, Ts, hs (F - W), x, t,h, c 完成液 式中 x0,x――分别为料液、完成液的质量分数. x W F Fx ) (

0 ? = )

1 (

0 x x F W ? = 水分蒸发量: (1) W F Fx x ? =

0 完成液的浓度: (2) PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

10 7.2.1 单效蒸发的计算 (2)热量衡算 对蒸发器作热量衡算,当加热蒸汽在饱和温度下排出 时, 式中 D ―― 加热蒸汽消耗量,kg/s;

t0,t ―― 加料液与完成液的温度,℃;

h0,h,hs ―― 加料液,完成液和冷凝水的热焓,kJ/kg;

H,Hs―― 二次蒸汽和加热蒸汽的热焓,kJ/kg. 式中热损失Ql可视具体条件来取加热蒸汽放热量(DR) 的某一百分数. l s Q Dh WH h W F Fh DH + + + ? = + ) (

0 s (3) l s s Q h H W h h F h H D + ? + ? = ? ) ( ) ( ) (

0 (4) PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

11 7.2.1 单效蒸发的计算―(2)热量衡算 焓值的计算:习惯上取0℃为基准,即0℃时的焓为零,则有 s s T c h * =

0 0

0 0

0 0 t c t c h = ? = ct ct h = ? =

0 代入前面的两式得: l s s Q ct H W t c ct F h H D + ? + ? = ? ) ( ) ( ) (

0 0 式中 c0 、c――料液和完成液的比热,kJ/kg・K. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

12 7.2.1 单效蒸发的计算―(2)热量衡算 式中 ―― 水的比热,kJ/kg ・K ;

―― 溶质的比热,kJ/kg ・K . * c B c 为了避免使用不同溶液浓度下的比热,可近似认为溶液 的比热容和所含溶质的浓度呈加和关系,即0B0*0)1(xcxcc+?=xcxccB*)1(+?=PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

13 7.2.1 单效蒸发的计算―(2)热量衡算 由式(3)或式(4)可得加热蒸汽的消耗量为: s s l h H Q h H W h h F D ? + ? + ? = ) ( ) (

0 s s l h H Q ct H W t c ct F D ? + ? + ? = ) ( ) (

0 0 ① 忽略浓缩热时 R Q Wr t c ct F D l + + ? = ) (

0 0 r ct H ≈ ? R h H s s = ? ② 忽略浓缩热且 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

14 7.2.1 单效蒸发的计算―(2)热量衡算 ③ 沸点进料,t0 = t,并忽略热损失和溶液浓度较低时, c = c0 ,则 式中称D/W为单位蒸汽消耗量,用来表示蒸汽利用的经济程 度(或生蒸汽的利用率). R r R ct H W D ≈ ? = 或RWr R ct H W D ≈ ? = ) ( PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

15 7.2.1 单效蒸发的计算―(2)热量衡算 由于蒸汽的潜热随温度的变化不大,即溶液温度t和加 热蒸汽温度Ts下的潜热r和R相差不多,故单效蒸发时, 1,即蒸发1Kg的水,约需1Kg的加热蒸汽. 考虑到r和R的实际差别以及热损失等因素,实际的 1.1或稍多. = W D ≈ W D PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

16 7.2.1 单效蒸发的计算 (3)蒸发器传热面积的计算 由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热, Δtm=Ts - t,且蒸发器的热负荷Q = DR,所以有 ) ( ) ( t T K DR t T K Q A s s ? = ? = 式中 A ――蒸发器传热面积,m2;

Q ――传热量,W;

K――传热系数,W/m2・K;

Δtm――平均传热温差,K. m t K Q A ? = 由传热速率方程得 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

17 7.2.1 单效蒸发的计算 (4)浓缩热和溶液的焓浓图 如图7-3为NaOH水溶液以0℃为基准温度的焓浓图. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

18 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 蒸发器中的传热温差: Δtm =(Ts - t) 加热蒸汽的温度: Ts(若为150 ℃ ) 蒸发室的压力为1atm而蒸发的又是水: t = T =100℃ 此时的传热温差最大,用ΔtT表示:

50 100

150 T = ? = ? = ? T T t s 如果蒸发的是30%的NaOH水溶液,在常压下其沸点是高 于100℃.若其沸点t = 120℃,则有效传热温差,

30 120

150 = ? = ? = ? t T t s Δt 比ΔtT所减小的值,称为传热温度差损失,简称温 度差损失,用Δ表示 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

19 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 T t t T T T t t ? = ? ? ? = ? ? ? = ? ) ( ) (

0 0 T 传热温差损失: ? + = T t ? ? ? = ? T t t 溶液沸点: 有效传热温差: 温度差损失的原因 : ① 溶液沸点的升高.这是由于溶液蒸汽压较纯溶剂 (水)在同一温度下的蒸汽压为低,致使溶液的沸点比纯 溶剂(水)高;

② 蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管时产生 的摩擦阻力,都导致溶液沸点的进一步上升. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

20 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 (1)溶液的沸点升高和杜林规则 在相当宽的压强范围内溶液的沸点与同压强的下溶剂的 沸点成线性关系: K t t t t = ? ?

0 w w

0 A A ) (

0 w w

0 A A t t K t t ? + = 式中 tA, ―― 某种溶液在两种不同压力下的沸点;

tw, ―― 溶剂在相应压力下的沸点.

0 A t

0 w t PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

21 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失―(1)溶液的沸点升高和杜林规则 如图7-4为不同浓度 NaOH水溶液的沸点与 对应压强下纯水的沸点 的关系,由图可以看 出,当NaOH水溶液浓 度为零时,它的沸点线 为一条 对角线,即 水的沸点线,其它浓度 下溶液的沸点线大致为 一组平行直线. °

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22 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 ―(1)溶液的沸点升高和杜林规则 由上图可以看出: ① 浓度不太高的范围内,由于沸点线近似为一组平行直 线,因此可以合理的认为沸点的升高与压强无关,而可取大气 压下的数值;

② 在高浓度范围内只要已知两个不同压强下溶液的沸 点,则其他压强下的溶液沸点可按杜林规则进行计算. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

23 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 (2)液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响 按液面下处L/2溶液的沸腾温度来计算,液体在平均温度 下的饱和压力: 式中 p ――液面上方二次蒸汽的压强(通常可以用冷凝器 压强代替),Pa;

L ――蒸发器内的液面高度,m. g L p p ρ

2 1 m + = 所以沸腾液体的平均温度为 : '

'

'

) ( ? + ? + = p t t 液柱静压强引起的溶液温度升高: ) ( )

2 / ( '

'

p g L p t t ? = ? + ρ PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

24 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 在多效蒸发中,二次蒸汽流到下一效的过程中为克服管道 阻力使压强降低,引起二次蒸汽的温度降低,由此引起的温度 差损失为 . '

'

'

? 总的温度差损失 '

'

'

'

'

'

? + ? + ? = ? 过程的传热温度差(有效温度差): ? ? ? = ? = ? ) ( p t T t T t s s '

'

'

? (3)因蒸汽流动阻力引起的温度差损失 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

25 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 (4)单效蒸发过程的计算 ① 设计型计算:给定蒸发任务,要求设计经济上合理的 蒸发器. 已知:F,x0 ,t0 , x 设计条件:p0, pk 计算目的:根据选用的蒸发器形式确定K,计算所需加热 面积A及加热蒸汽用量D. ② 操作型计算:已知蒸发器的结构形式和蒸发面积 给定条件:A,K, x0,t0 ,x, p0, pk 计算目的:核算蒸发器的处理能力F和加热蒸汽用量D. 或已知: A ,F , x0,t0 ,x , p0, pk 计算目的:反算蒸发器的K并求D. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

26 7.2.3 真空蒸发 工业中常使溶液在减压下亦即真空蒸发以降低溶液的沸点. 优点:

1、在减压下溶液的沸点较常压下的为低,因此可以 提高加 热蒸汽与沸腾液体间的温度差,于是蒸发器的传热面积可以相应 减小;

2、可以利用低压蒸汽或者废汽作为加热蒸汽;

3、可用以浓缩不耐高温的溶液;

4、由于溶液的沸点降低,蒸发器损失于外界的热量较小. 缺点:

1、溶液沸点的降低使粘度增大,传热系数有所降低;

2、为维持真空操作须添加真空设备费用和一定量的动力费. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

27 7.3 蒸发操作的经济性和操作方式 7.3.1 加热蒸汽的经济性 7.3.2 多效蒸发流程 7.3.3 蒸发设备的生产能力和效数的限制 7.3.4 提高加热蒸汽经济程度的其他措施 7.3.5 蒸发操作的最优化 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

28 7.3.1加热蒸汽的经济性 蒸汽的经济性:每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量(W/D) (或用溶液中蒸发出1kg 水所需消耗的生蒸汽的量 D/W表示 蒸汽的利用率).若物料的水溶液先预热至沸点后加入蒸发 器,忽略生蒸汽与产生的二次蒸汽的汽化潜热的差异,不计 热损失,则每1kg加热蒸汽可汽化1kg水,即W/D =1.实际 上,由于有热损失等原因,W/D >

>

L

2 1 n t t t >

>

>

L

2 1 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

30 7.3.1加热蒸汽的经济性 第一效:W1/D=1→D=W1 , 1kg生蒸汽在第一效中可产生1kg的二次蒸汽,将此1kg二 次蒸(W1)引入第二效又可蒸发1kg水,即 第二效: W2= W1= D ,1kg生蒸汽在双效中的总蒸发量 W= W1 + W2 = 2D , 则W/D=2 依次类推: 第三效:W/D=3 ,…, n效:W/D=n . PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

31 7.3.1加热蒸汽的经济性 min ? ? ? ? ? ? W D max ? ? ? ? ? ? D W 3.70 3.33 2.5 0.175 0.91 0.27 0.3 0.4 0.57 1.1 五效 四效 三效 双效 单效 效数 实际由于热损失,温度差损失等原因,单位蒸汽消耗量 不可能达到如此经济的程度,根据生产经验,最大的W/D 的 值大致如下: PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

32 7.3.2 多效蒸发 多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合,常见的有: 并流:溶液与蒸汽的流向相同,称并流. 逆流:溶液与蒸汽的流向相反,称逆流. 错流:溶液与蒸汽在有些效间成并流,而在有些效间成 逆流. 平流:每一效都加入原料液的方法. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 2009-4-26

33 以三效为例加以说明: (1)并流流程 蒸汽流动方向 : 1→2→3 溶液流动方向 : 1→2→3 7.3.2 多效蒸发 PDF 文件使用 pdfFactory P................