化工原理第六章 蒸發(fā)

六章 蒸發(fā) - 述 效蒸發(fā) 效蒸發(fā) 發(fā)設(shè)備 六章 蒸發(fā) 1. 本章學(xué)習(xí)目的 通過本章學(xué)習(xí) ， 重點掌握蒸發(fā)過程 基本原理 ， 并運用這些原理和規(guī)律去分析和解決冶金和化工生產(chǎn)中蒸發(fā)過程的有關(guān)問題 ， 諸如： （ 1） 蒸發(fā)過程 基本原理 ， 掌握 溶液沸點升高 及 杜林規(guī)則 ； 溫差損失 （ 2） 掌握 單效蒸發(fā) 的操作流程及原理 ， 熟練掌握 單效蒸發(fā) 計算 （ 包括 水分蒸發(fā)量 、 蒸汽消耗量 、 有效溫度差及傳熱面積 ） ； （ 3） 掌握 多效蒸發(fā) 的操作流程及原理； （ 4） 了解 蒸發(fā)器的分類 、 結(jié)構(gòu) 、 特點及選用 。 本章應(yīng)掌握的內(nèi)容 （ 1） 溶液沸點升高及杜林規(guī)則 ， 溫差損失； （ 2） 單效蒸發(fā)原理及計算； （ 3） 多效蒸發(fā)的操作流程及原理 （ 4） 蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及選用 氧化鋁廠蒸發(fā)車間 蒸發(fā)工序能耗巨大 ,約占氧化鋁生產(chǎn)總能耗的 20%25%,蒸發(fā)器是氧化鋁生產(chǎn)中能耗較大的設(shè)備 ,其用能情況直接關(guān)系到氧化鋁的能耗、成本及產(chǎn)品的質(zhì)量。 解車間的母液蒸發(fā)車間的蒸發(fā)原液槽，蒸發(fā)工段采用母液部分蒸發(fā)工藝， 一部分母液進蒸發(fā)器中，蒸發(fā)站由一組六效降膜蒸發(fā)器和一臺強制循環(huán)結(jié)晶蒸發(fā)器及三級閃蒸組成， 蒸發(fā)采用逆流流程。原液由末效逐級送到前效蒸發(fā)，最后到 I 效。 酸銨水溶液蒸發(fā)流程 123 456蒸發(fā)過程的設(shè)備 蒸發(fā)器 工業(yè)上常用的濃縮方法是將這些稀溶液加熱至沸騰，使其中一部分溶劑汽化，從而獲得濃縮過程，稱為 蒸發(fā)。 冷卻水 水 完成液 冷凝水 加熱蒸汽 料液 （ 1） 蒸發(fā)操作的目的 獲得濃縮的溶液直接作為化工產(chǎn)品或半成品。 脫除溶劑，將溶液增溶至飽和狀態(tài)，隨后加以冷卻，析出固體產(chǎn)物，即采用蒸發(fā)，結(jié)晶的聯(lián)合操作以獲得固體溶質(zhì)。 除雜質(zhì) ， 獲得純凈的溶劑 。 2） 加熱蒸汽和二次蒸汽 蒸發(fā)需要不斷的供給熱能。工業(yè)上采用的熱源通常為水蒸氣，而蒸發(fā)的物料大多是水溶液，蒸發(fā)時產(chǎn)生的蒸汽也是水蒸氣。為了區(qū)別，將加熱的蒸汽稱為加熱蒸汽，而由溶液蒸發(fā)出來的蒸汽稱之為二次蒸汽。 （ 3） 分類 按蒸發(fā)操作空間的壓力可分為：常壓 ， 加壓 ， 或者減壓 （ 真空 ） 蒸發(fā) 。 按二次蒸汽的利用情況可以分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。 4） 蒸發(fā)操作的特點 沸點升高 蒸發(fā)的物料是溶有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液。由拉烏爾定律可知：在相同溫度下，其蒸汽壓純?nèi)軇┑臑榈?，因此，在相同的壓力下，溶液的沸點高于純?nèi)軇┑姆悬c。故當加熱蒸汽溫一定時，蒸發(fā)溶液時的傳熱溫差就比蒸發(fā)純?nèi)軇r來得小，而溶液的濃度越大，這種影響就越顯著。 節(jié)約能源 物料的工藝特性 本章的重點就是研究上述問題，同時還考慮從二次蒸汽中分離夾帶液沫的問題。 單效蒸發(fā)計算 發(fā)設(shè)備中的溫差損失 液的沸點升高與杜林規(guī)則 空蒸發(fā) 效蒸發(fā) 效蒸發(fā)的流程 生產(chǎn)中最簡單的單效真空蒸發(fā) ，且多為水溶液單效蒸發(fā) 二次蒸汽不加利用的蒸發(fā) 結(jié)構(gòu)：加熱室 、 蒸發(fā)室 、 冷凝室 、 除沫器 效蒸發(fā)計算 于單效蒸發(fā) ， 在給定的生產(chǎn)任務(wù)和確定了操作條件以后 ， 通常需要計算以下的這些內(nèi)容： 水分的蒸發(fā)量； 熱蒸汽消耗量； 發(fā)器的傳熱面積。 要解決以上問題，我們可應(yīng)用物料衡算方程，熱量衡算方程和傳熱速率方程來解決 1） 物料衡算 溶質(zhì)在蒸發(fā)過程中不揮發(fā)，且蒸發(fā)過程是個定態(tài)過程，單位時間進入和離開蒸發(fā)器的量相等，即 (0 水分蒸發(fā)量： 完成液的濃度： )1( 00溶質(zhì)的物料衡算 單效蒸發(fā)的物料衡算及焓衡算示意圖 D,s F， L=x W,T,H D,Ts,1 (1) (2) (3) 2） 熱量衡算 對蒸發(fā)器作熱量衡算，當加熱蒸汽在飽和溫度下排出時， 10s )( s 10)( 式中 加熱蒸汽消耗量 ， kg/s； ， 料液與完成液的溫度 ， ； ， ， 加料液 ， 完成液和冷凝水的熱焓 ， kJ/ ， 二次蒸汽和加熱蒸汽的熱焓， kJ/ 熱損失； h s,， L=x W,T,H D,Ts,1 單效蒸發(fā)的物料衡算及焓衡算示意圖 (4) (5) 于大多數(shù)物料的蒸發(fā)，可以不計溶液的濃縮熱，而由比熱求得其焓。習(xí)慣上取 0 為基準，即0 時的焓為零，則有 0*s 00000 0 0代入前面的兩式得： 100* )()( D,s F， L=x W,T,H D,Ts,1 單效蒸發(fā)的物料衡算及焓衡算示意圖 (6) (7) (8) (9) 了避免使用不同溶液濃度下的比熱，可以近似認為溶液的比熱容和所含溶質(zhì)的濃度呈加和關(guān)系，即 0 )1( * )1( 式中 水的比熱 ， kJ/ 溶質(zhì)的比熱， kJ/ *0) (11) 式（ 1）或式（ 2）可得加熱蒸汽的消耗量為： ss 10 )()(ss 100 )()( 忽略濃縮熱 時 考慮到 s * 00 )( (12) (13) (14) 沸點進料 ， ，并忽略熱損失和溶液濃度較低時， ，則 0 0 )(1 式中稱 為單位蒸汽消耗量，用來表示蒸汽利用的經(jīng)濟程度（或生蒸汽的利用率）。 度為 加熱蒸汽的蒸發(fā)潛熱 (15) (16) 3） 蒸發(fā)器傳熱面積的計算 由傳熱速率方程得 式中 蒸發(fā)器傳熱面積 ， 熱流量 ， w； 傳熱系數(shù) ， w/ ； 平均傳熱溫差， K。 于蒸發(fā)過程的蒸汽冷凝和溶液沸騰之間的恒溫差傳熱 ，加熱蒸汽的飽和溫度蒸發(fā)器中溶液的溫度 t ， 且蒸發(fā)器的熱負荷 ，所以有 0m)()( 00 加熱蒸汽消耗量 加熱蒸汽的蒸發(fā)潛熱 0(17) (18) 4） 濃縮熱和溶液的焓濃圖 為基準溫度的焓濃圖 。 氫氧化鈉的焓濃圖 有些物料，如 化鈣，在稀釋時有明顯的放熱效應(yīng)； 蒸發(fā)時，除了供給水分蒸發(fā)所需的汽化潛熱外，還需供給和稀釋時的熱效應(yīng)相當?shù)臐饪s熱 。 發(fā)設(shè)備中的溫度差損失 蒸發(fā)器中的傳熱溫差等于 ，當加熱蒸汽的溫度 一定（如用 476 ），若蒸發(fā)室的壓力為 沸點 ）而不是溶液，此時的傳熱溫差最大，用 表示： )( 01 0 01 5 0T 0%的 常壓下其沸點是高于 100 。若其沸點 ，則有效傳熱溫差 ， 比 所減小的值，稱為傳熱溫度差損失，簡稱溫度差損失，用 表示 120t 301 2 01 5 0 s t發(fā)設(shè)備中的溫差損失 )()( 00 有效傳熱溫差 溫度差損失的原因 ： 溶液沸點的升高 。 這是由于溶液蒸汽壓較純?nèi)軇?（ 水 ） 在同一溫度下的蒸汽壓為低 ， 致使溶液的沸點比純?nèi)軇?（ 水 ） 高； 蒸發(fā)器中靜壓頭的影響以及流體流過加熱管是產(chǎn)生的摩擦阻力，都導(dǎo)致溶液沸點的進一步上升。 (19) 相當寬的壓強范圍內(nèi)溶液的沸點與同壓強的下溶劑的沸點成線性關(guān)系： 00A)( 0 式中 和 代表某中種液體（或者溶液）在兩種不同壓力下的沸點， 和 代表溶劑在相應(yīng)壓力下的沸點。 液的沸點升高與杜林規(guī)則 (20) (21) 的沸點線為一條對角線，即水的沸點線，其它濃度下溶液的沸點線大致為一組平行直線。 溶液的杜林線圖 濃度不太高的范圍內(nèi)，由于沸點線近似為一組平行直線，因此可以合理的認為沸點的升高與壓強無關(guān)，而可取大氣壓下的數(shù)值； 濃度范圍只需要知的兩個不同壓強下溶液的沸點，則其他壓強下的溶液沸點可按杜林規(guī)則進行計算。 效蒸發(fā)過程的計算 設(shè)計型計算： 給定蒸發(fā)任務(wù)，要求設(shè)計經(jīng)濟上合理的蒸發(fā)器。 給定條件：料液流量 ，濃度 ，溫度 以及完成液濃度 ； 設(shè)計條件：加熱蒸汽的壓強以及冷凝器的操作壓強主要由可供使用 的冷卻水溫度來決定； 計算目的：根據(jù)選用的蒸發(fā)器形式確定傳熱系數(shù) ，計算所需供熱 面積 及加熱蒸汽用量 。 F 0w 0t 操作型計算： 已知蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式和蒸發(fā)面積 給定條件： 蒸發(fā)器的傳熱面積 與給熱系數(shù) ， 料液的進口狀態(tài) 與 ， 完成液的濃度要求 ， 加熱蒸汽與冷凝器內(nèi)的壓強 。 計算目的： 核算蒸發(fā)器的處理能力 和加熱蒸汽用量 。 或： 已知條件： ， ， ， ， 。 加熱蒸汽與冷凝器內(nèi)的壓強； 計算目的：反算蒸發(fā)器的 并求 ； 業(yè)上常使溶液在減壓下亦即真空下蒸發(fā)以降低溶液的沸點。 真空蒸發(fā)特點 ： （ 1）在減壓下溶液沸點較常壓下低，因此可以提高加熱蒸汽與沸騰液體間的溫差； （ 2）可以利用低壓整齊甚至廢氣作為加熱蒸汽； （ 3）可用以濃縮不耐高溫的溶液； （ 4）溶液沸點低，蒸發(fā)器外界熱量損失較小。 加真空設(shè)備；傳熱系數(shù)降低；二次蒸汽溫度降低。 在蒸發(fā)過程中選擇蒸發(fā)室壓力往往是 一個經(jīng)濟核算問題 。 空蒸發(fā) 多效蒸發(fā)的流程 發(fā)設(shè)備 效蒸發(fā) 單效蒸發(fā)中 ， 蒸發(fā) 1 在大規(guī)模生產(chǎn)中為了節(jié)省蒸汽用量 ，同時也為了使析出的晶體及時與溶液分離 ， 一般采用多效蒸發(fā) 。 多效蒸發(fā)的操作原理是： 將前一效產(chǎn)生的二次蒸汽作為后一效的加熱蒸汽 ， 這樣僅第一效需要消耗生蒸汽 ， 同時要求后一效的操作壓強和溶液的沸點相應(yīng)降低 ， 這時引入的二次蒸汽才仍能起到加熱作用 ， 則后一效的加熱室成為前一效的冷凝器 。 如此將多個蒸發(fā)器串聯(lián)起來一同操作的過程 ， 組成了多效蒸發(fā)操作流程 。 效數(shù) 單效 雙效 三效 四效 五效 D/W 發(fā) 1 降低能耗 由于各效 (末效除外 )的二次蒸汽都作為下一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽 ， 因而提高了加熱蒸汽的利用率； 便于分離晶體 當蒸發(fā)過程溶液有晶體析出時 ， 可使晶體在某一效間析出 ， 然后與溶液分離后繼續(xù)蒸發(fā) ， 這樣就避免了單效操作時晶粒和完成液一起排出 ， 可減少結(jié)垢 、磨損現(xiàn)象 ， 同時提高對流傳熱系數(shù) 。 可強化傳熱過程提高蒸發(fā)效率 。 效蒸發(fā)操作蒸汽與物料的流向有多種組合 ， 常見的有： 并流： 溶液與蒸汽的流向相同 ， 稱并流 。 逆流 ： 溶液與蒸汽的流向相反 ， 稱逆流 。 錯流 ： 溶液與蒸汽在有些效間成并流 ， 而在有些效間成逆流 。 平流 ： 每一效都加入原料液的方法 。 1） 并流加料流程 優(yōu)點： 溶液的輸送靠效間壓強差進行，不另用泵； 前一效溶液進入后一效時，會因過熱而自行蒸發(fā)，可使后一效產(chǎn)生較多的二次蒸汽，即水分蒸發(fā)量多； 缺點： 逐效降低，致使溶液粘度增大較快，使傳熱系數(shù)逐效下降，傳熱效果一效不如一效。 適于： 熱敏性物料的蒸發(fā) 并流流程 蒸汽流動方向： 1 2 3 溶液流動方向： 1 2 3 2）逆流加料流程 優(yōu)點： 隨著溶液濃度的逐效提高，溫度也相應(yīng)升高，因而各效溶液粘度大致接近，所以各效傳熱系數(shù)差別不大； 缺點： 1、效間溶液輸送需用泵； 2、各效進料溫度均低于沸點，產(chǎn)生的二次蒸汽量較并流法少。 適于：液蒸發(fā)。 逆流流程 蒸汽流動方向： 1 2 3 溶液流動方向： 321 3）平流加料流程 在實際蒸發(fā)中，除了采用這些基本流程外，常根據(jù)具體情況進行合并和組合。 此時料液由各效分別加入，同時，完成液也分別由各效排出，各效溶液的流向互相平行。 這種加料流程主要應(yīng)用于蒸發(fā)過程中容易析出結(jié)晶的場合，例如食鹽水溶液的蒸發(fā)，它在較低濃度下即達飽和而有結(jié)晶析出。為了避免夾帶大量結(jié)晶的溶液在各效之間輸送，常采用平流加料，并用析晶器將結(jié)晶分出。 （ 4）錯流加料流程 溶液流動方向： 3 1 2或 2 3 1 蒸汽流動方向： 123 效蒸發(fā)和單效蒸發(fā)的比較 （ 1） 溶液的溫度差損失 若單效和多效蒸發(fā)操作條件 (即加熱蒸汽壓強和冷凝器的操作壓強 )相同時 ，其理論傳熱溫差相同而和效數(shù)無關(guān) ， 多效蒸發(fā)只是將此傳熱溫差分配到各效而已 。由于多效蒸發(fā)的每一效中都存在傳熱溫差損失 ， 因而總的有效傳熱溫差必小于單效時 ， 使得傳熱推動力下降 。 效數(shù)愈多 ， 總有效溫差愈小 ， 當效數(shù)增加到一定程度時 ， 可使總有效溫度差為零 ， 此時蒸發(fā)將無法進行 ， 即為效數(shù)的最大極限 。 （ 2） 加熱蒸汽的經(jīng)濟性 當蒸發(fā)水分量相同時，多效蒸發(fā)所需加熱蒸汽消耗量比單效明顯減少，因而提高了加熱蒸汽的利用率，即經(jīng)濟性。因此在蒸發(fā)大量水分時，應(yīng)采用多效。 發(fā)器的生產(chǎn)能力和蒸發(fā)強度 無論是生產(chǎn)能力還是生產(chǎn)強度 ， 其大小取決于蒸發(fā)器的傳熱速率 ， 當操作條件一定時 ， 單效的傳熱速率為 Q=而多效的傳熱速率 設(shè) T， T， 。 很明顯 ， 由于 t將使 Q即多效的生產(chǎn)能力小于單效時的生產(chǎn)能力， 又因多效傳熱面積為單效時的 因而多效時生產(chǎn)強度遠較單效時為小 。 可見多效蒸發(fā)是以犧牲生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強度為代價換取加熱蒸汽的利用率 。 效蒸發(fā)效數(shù)的限制和選擇 （ 1） 技術(shù)上的限制 隨著效數(shù)的增加 ， 總的有效溫差因溫度差損失的增加而減小 ， 除使設(shè)備生產(chǎn)強度降低外 ， 在技術(shù)上受到總的有效溫差的限制 ， 否則效數(shù)過多導(dǎo)致蒸發(fā)不能操作下去 。 根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗 ， 分配到每效蒸發(fā)器的有效溫差不應(yīng)小于 7 10 ， 因而效數(shù)有一限制 。 （ 2） 經(jīng)濟上的限制 隨著效數(shù)的增加 ， 雖然 D/ 但這種降低不與效數(shù)成正比而在逐漸減少 。 將單效增為雙效時 ， 每蒸發(fā) 1kg/0%， 而由四效增為五效時 ， 這種降低率僅 10%， 而設(shè)備費用則幾乎是成倍增加 ， 所以當增加的設(shè)備費已大于減少的加熱蒸汽費用時 ， 就再無必要增加效數(shù) 。 由此可看出效數(shù)的增加在經(jīng)濟上也有一限制 。 （ 3） 多效蒸發(fā)效數(shù)的選擇 根據(jù)以上分析 ， 效數(shù)的確定在滿足技術(shù)上的要求外 ， 原則上應(yīng)根據(jù)設(shè)備費與操作費之和最小進行經(jīng)濟核算來選擇最佳效數(shù)