蒸發(fā)的基本原理

1、蒸發(fā)的基本原理前言沸騰和蒸發(fā)含有非揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液并除去蒸汽以增加溶液中溶質(zhì)濃度的單元操作稱(chēng)為蒸發(fā)，所用的設(shè)備稱(chēng)為蒸發(fā)器。蒸發(fā)廣泛應(yīng)用于化工、石化、制藥、制糖、造紙、低溫、海水淡化和原子能行業(yè)。蒸發(fā)操作中的熱源廠使用新鮮的飽和蒸汽，也稱(chēng)為原始蒸汽。從溶液中蒸餾出來(lái)的蒸汽稱(chēng)為二次蒸汽，以區(qū)別于原始蒸汽。在操作中，二次蒸汽一般采用冷凝法直接冷凝，而不使用冷凝熱的操作稱(chēng)為單效蒸發(fā)。如果將二次蒸汽作為加熱蒸汽引入下一效蒸發(fā)器以利用其冷凝熱，這種串聯(lián)蒸發(fā)操作稱(chēng)為多效蒸發(fā)。蒸發(fā)可以在壓力、常壓或減壓下進(jìn)行。工業(yè)蒸發(fā)通常在減壓下進(jìn)行。這種操作稱(chēng)為真空蒸發(fā)。真空蒸發(fā)的特點(diǎn)是：1。溶液的沸點(diǎn)在減壓下降低，有利于

2、熱敏性物質(zhì)的處理，低壓蒸汽或廢蒸汽可作為熱源。2.溶液的沸點(diǎn)隨著壓力的降低而降低，所以對(duì)于相同壓力的加熱蒸汽，當(dāng)溶液處于減壓狀態(tài)時(shí)，總傳熱溫差會(huì)增大；然而，與此同時(shí)，溶液的粘度增加，總傳熱系數(shù)降低。3.真空蒸發(fā)系統(tǒng)需要一個(gè)減壓裝置，這將增加系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本。通常，濃縮液體是產(chǎn)品，而二次蒸汽冷凝物除外。蒸發(fā)過(guò)程的本質(zhì)是傳熱壁一側(cè)的蒸汽冷凝和另一側(cè)的溶液沸騰之間的傳熱過(guò)程。溶劑的蒸發(fā)速率受傳熱速率控制，因此蒸發(fā)屬于傳熱過(guò)程，但它不同于一般的傳熱過(guò)程，因?yàn)檎舭l(fā)過(guò)程具有以下特點(diǎn)：1)傳熱性能傳熱壁的一側(cè)是用于冷凝的加熱蒸汽，另一側(cè)是溶液沸騰，因此這是一個(gè)恒溫傳熱過(guò)程，以避免兩側(cè)流體的相變。2)溶液

3、的性質(zhì)有些溶液在蒸發(fā)過(guò)程中有晶體沉淀，容易結(jié)垢和起泡，在高溫下容易分解和聚合；在蒸發(fā)過(guò)程中，溶液的粘度逐漸增加，腐蝕性逐漸增加。3)溶液沸點(diǎn)的變化在相同的溫度下，含有非揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液的蒸汽壓低于溶劑(即純水)的蒸汽壓，換句話說(shuō)，在相同的壓力下，溶液的沸點(diǎn)高于純水的沸點(diǎn)，因此當(dāng)加熱蒸汽恒定時(shí)，蒸發(fā)溶液的傳熱溫差小于蒸發(fā)水的傳熱溫差。溶液濃度越高，這種現(xiàn)象越明顯。4)泡沫在二次蒸汽中夾帶大量液體泡沫，在冷凝前必須將其去除。否則，不僅會(huì)損失材料，還會(huì)污染冷凝設(shè)備。5)在能量利用和蒸發(fā)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的二次蒸汽。如何利用其潛熱是蒸發(fā)操作中需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一。多效蒸發(fā)器有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。蒸發(fā)器

4、主要由加熱室和分離器組成。根據(jù)加熱室的結(jié)構(gòu)和操作過(guò)程中溶液的流動(dòng)情況，工業(yè)上常用的間接加熱蒸發(fā)器可分為兩類(lèi)：循環(huán)式(非膜式)和單一程序式(膜式)。1.循環(huán)(非薄膜)蒸發(fā)器這種蒸發(fā)器的特點(diǎn)是溶液在蒸發(fā)器中連續(xù)循環(huán)，提高傳熱效果，簡(jiǎn)化溶液結(jié)構(gòu)。由于循環(huán)運(yùn)動(dòng)的原因不同，可分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)。前者是由于溶液在加熱室內(nèi)不同位置的加熱程度不同，密度不同而引起的循環(huán)運(yùn)動(dòng)；后者是溶液在一個(gè)方向上的循環(huán)流動(dòng)，取決于外部功率斜率。它包括(1)中央循環(huán)管型(或標(biāo)準(zhǔn)型無(wú)膜蒸發(fā)器的主要缺點(diǎn)是加熱室內(nèi)有大量的物料滯留，導(dǎo)致物料在高溫下停留時(shí)間長(zhǎng)，且熱量不適合處理熱敏性物料。在膜蒸發(fā)器中，通過(guò)加熱，溶液僅可濃縮至所需濃

5、度一次，停留時(shí)間僅為幾秒或十幾秒。在操作過(guò)程中，溶液以膜狀沿加熱管壁流動(dòng)，具有最佳的傳熱效果。包括(1)升膜蒸發(fā)器(2)、降膜蒸發(fā)器(3)、升-降膜蒸發(fā)器(4)、刮板式攪拌膜蒸發(fā)器。該公司使用降膜蒸發(fā)器。原料液從加熱室頂部進(jìn)入，通過(guò)管端液體分布器均勻流入加熱管。在溶液本身的重力作用下，溶液以薄膜狀沿管道內(nèi)壁向下流動(dòng)并蒸發(fā)。為了在溶液中均勻地分布管壁上的膜，并獲得更好的效率，必須在蒸發(fā)器的頂部布置良好的液體分配器。蒸發(fā)罐及其在紙漿廠中的位置紙漿和造紙廠的操作有一系列復(fù)雜的程序。所有過(guò)程的每個(gè)方面都依賴(lài)于所有其他方面的正常運(yùn)行。為了保持最低的成本，制漿過(guò)程中的許多副產(chǎn)品必須回收。為了將木塊轉(zhuǎn)化為木

6、漿，需要將氫氧化鈉和硫酸鈉混合，然后將它們和木塊放入蒸煮器中進(jìn)行蒸煮。這一過(guò)程分解木塊中的粘合劑并分離木質(zhì)纖維。蒸煮上述混合物產(chǎn)生一種被稱(chēng)為黑液的稀溶液。這種黑液大部分由水(約80-85%重量)組成，其余部分(約15-20%重量)是用于烹飪的無(wú)機(jī)化學(xué)物質(zhì)和有機(jī)木質(zhì)素的混合物。黑液的非水部分稱(chēng)為黑液固體。通過(guò)蒸發(fā)黑液中的水，燃燒黑液中的有機(jī)物，并將剩余的無(wú)機(jī)化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為它們的原始形式，可以回收再用于烹飪的無(wú)機(jī)化學(xué)物質(zhì)。蒸汽用作熱源，蒸發(fā)罐蒸發(fā)稀釋黑液中的水。水蒸發(fā)后，黑液固體濃縮至剩余溶液重量的70%以上，形成重黑液。在此之后，濃縮黑液可以在RB中作為燃料燃燒以產(chǎn)生蒸汽，從而減少黑液中用于蒸煮

7、的化學(xué)物質(zhì)。將黑液濃縮至80%以上的好處之一是減少排放到大氣中的有害物質(zhì)，如TRS。定義蒸發(fā)罐需要審查的第一個(gè)基本概念是蒸發(fā)。讓我們從水開(kāi)始。水分子有兩個(gè)氫原子(正電荷)和一個(gè)氧原子(負(fù)電荷)。如圖所示，每個(gè)分子的正電荷和負(fù)電荷之間有很大的空間。這些電荷之間的強(qiáng)大吸引力使水聚集在一起。當(dāng)液體表面附近的一個(gè)粒子獲得足夠的能量來(lái)克服液體表面上粒子的吸引力而逃逸到氣態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)生蒸發(fā)。換句話說(shuō)，任何蒸發(fā)罐的主要目的都是蒸發(fā)黑液中的水分?；旧?，蒸發(fā)罐是這樣工作的，蒸發(fā)水。蒸發(fā)的黑液被用作銣燃燒的燃料。在反應(yīng)堆中燃燒黑液作為燃料使工廠能夠經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生蒸汽和動(dòng)力，而燃燒使工廠能夠從黑液中回收有用的化學(xué)物質(zhì)

8、。HPD蒸發(fā)罐是蒸發(fā)和回收過(guò)程中的關(guān)鍵部件。沸點(diǎn)開(kāi)水需要加熱。零度高度的水在100攝氏度沸騰。在這個(gè)溫度下，水從液態(tài)變成氣態(tài)。然而，當(dāng)氣壓升至13.8巴(g)時(shí)，水不會(huì)沸騰，直到溫度升至150.因此，如果表壓為-667.7毫米汞柱(即絕對(duì)壓力為92.30毫米汞柱)，房子里的一壺水將在50C沸騰。從提供的表格中可以很容易地找到溫度和氣壓之間的關(guān)系。即當(dāng)壓力降低時(shí)，沸點(diǎn)降低。能量，熱量熱量是一種能量，它的計(jì)量單位是一張卡片。1卡路里是將1千克水加熱到1攝氏度所需的熱量。這種熱測(cè)量單位是一個(gè)非常重要的概念。它有助于我們描述熱傳遞和達(dá)到特定溫度所需的能量，比如這種能量是用來(lái)蒸發(fā)水還是用來(lái)給你的房子供暖

9、。為了更好地描述所需的熱量假設(shè)房子里的一個(gè)容器盛有1公斤15攝氏度的水，水的蒸發(fā)實(shí)際上是不存在的。為了蒸發(fā)，水必須加熱到100攝氏度或其沸點(diǎn)。最初增加的熱量不會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)，只會(huì)提高水溫。這種增加的熱量被稱(chēng)為水的敏感熱。敏感熱是1千克水沸騰所需的熱量。在這種情況下，上述房間中水的敏感熱量是85卡路里。一旦達(dá)到沸點(diǎn)，再加熱的水的溫度不會(huì)上升，額外的熱量會(huì)使水沸騰或蒸發(fā)。從沸騰中蒸發(fā)水所增加的熱量稱(chēng)為潛熱蒸發(fā)。lhv)。蒸發(fā)1千克水(LHV)所需的能量大于將其加熱至沸點(diǎn)(敏感熱)所需的能量。在這種情況下，蒸發(fā)1千克水的潛熱(LHV)是538卡路里。在上述沸騰過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽具有最低溫度，因此不會(huì)變冷并

10、成為可疑的水。這個(gè)溫度叫做飽和溫度。前面列出的溫度計(jì)列出了不同工作壓力下水的飽和溫度和沸點(diǎn)。值得注意的是，在零表壓(大氣壓或室壓)下，飽和溫度或沸點(diǎn)為100攝氏度。這里需要指出的是，將水從液體變成蒸汽所需的熱量(LTV)在蒸汽凝結(jié)成液體時(shí)被回收，這也是冷凝器能夠工作的原因。l過(guò)熱當(dāng)水在沸點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)化為蒸汽，這種蒸汽稱(chēng)為飽和蒸汽。然而，現(xiàn)場(chǎng)蒸汽通常高于飽和溫度。在這種情況下，蒸汽被認(rèn)為包含過(guò)熱。因?yàn)樯厦嫣岬降恼羝患俣轱柡驼羝?，過(guò)熱蒸汽不能用蒸汽表來(lái)描述。過(guò)熱蒸汽比飽和蒸汽包含更多的熱能。過(guò)熱蒸汽可以通過(guò)加水轉(zhuǎn)化成飽和蒸汽。這種方法通常用于進(jìn)入蒸發(fā)鏈的現(xiàn)場(chǎng)蒸汽。系統(tǒng)減溫裝置設(shè)置在所有現(xiàn)場(chǎng)蒸汽的入口

11、處。過(guò)冷當(dāng)所有蒸汽冷凝時(shí)，剩余的不凝性氣體也在飽和溫度以下冷凝。處于這種狀態(tài)的蒸汽稱(chēng)為過(guò)冷。遮雨板正如我們所討論的，當(dāng)壓力降低時(shí)，液體的沸點(diǎn)也會(huì)降低。如果一種沸點(diǎn)的液體突然移動(dòng)到另一個(gè)低壓的地方，足夠的熱量將從液體中帶走，在這個(gè)壓力下溫度將下降到新的沸點(diǎn)。這就是我們所說(shuō)的“飛躍”沸點(diǎn)升高水在任何壓力下的沸點(diǎn)都在我們的蒸汽表中給出。然而，當(dāng)臟物質(zhì)或可溶性物質(zhì)存在時(shí)，水分子之間有更大的吸引力來(lái)保持液態(tài)。此時(shí)，需要更高的溫度來(lái)提供足夠的能量以允許水分子從出水口表面逸出。這種升高的液體溫度和原始飽和蒸汽溫度之間的差異被稱(chēng)為沸點(diǎn)升高(BPR)。隨著有形物質(zhì)或固體濃度的增加，沸點(diǎn)也增加。相應(yīng)圖表上的典型曲

12、線顯示了黑液濃度對(duì)BPR的影響。l經(jīng)濟(jì)效率效率是每千克蒸汽的蒸發(fā)量。對(duì)于液體，降低壓力會(huì)降低沸點(diǎn)。換句話說(shuō)，只要后一個(gè)單元的壓力低于前一個(gè)單元的壓力，前一個(gè)單元產(chǎn)生的蒸汽就可以用來(lái)給后一個(gè)單元供熱。來(lái)自前一效罐的二次蒸汽被連續(xù)用作熱源，以向后一效罐供熱。真空系統(tǒng)和冷凝器可以使液體沸騰。如果使用一個(gè)以上的罐，這可以節(jié)省大量的蒸汽用于蒸發(fā)。由于二次蒸汽的重復(fù)使用，隨著水箱效率的提高，我們可以獲得越來(lái)越多的每磅蒸汽蒸發(fā)量。因此，六效罐系統(tǒng)比三效罐系統(tǒng)效率更高，三效罐系統(tǒng)比二效罐系統(tǒng)效率更高。l溢出當(dāng)大量的蒸汽從液體中出來(lái)時(shí)，液體可能被帶到下一個(gè)效果罐，這被稱(chēng)為液體溢流。溢流不僅會(huì)導(dǎo)致污染冷凝的問(wèn)題，

13、而且過(guò)量的溢流可能會(huì)浪費(fèi)系統(tǒng)中可用的化學(xué)物質(zhì)并增加成本。溢流隔離器和除霧器用于將溢流降至最低，這將在設(shè)備分析中詳細(xì)討論。電導(dǎo)率電導(dǎo)率是溶液電導(dǎo)率的測(cè)量單位。純水的電導(dǎo)率很低，而污水的電導(dǎo)率很高。隨著液體濃度的增加，其電導(dǎo)率也增加。正因?yàn)槿绱耍妼?dǎo)率可以很好地測(cè)量工廠中的水或冷凝水的污染程度，并且它還可以用作溢出的警報(bào)。密度黑液比重有幾種定義。通常，參考溫度(通常為15或20)下單位體積水的比重定義為比重。比重是通過(guò)一個(gè)以波美度為單位的裝置(比重計(jì))來(lái)測(cè)量的。1波美度等于60(15)時(shí)的濃度。傳熱我們知道要煮沸液體，熱量必須傳遞給液體。描述熱傳遞的基本公式是：Q=U AT這個(gè)等式?jīng)Q定了傳導(dǎo)多少熱

14、量和蒸發(fā)多少。讓我們仔細(xì)分析這個(gè)等式：u-傳熱系數(shù)表示設(shè)備的傳熱能力。傳熱面積，每個(gè)特定的傳熱裝置有一個(gè)固定的傳熱面積因?yàn)閭鲗?dǎo)的熱量q直接影響蒸發(fā)，所以T是影響蒸發(fā)的一個(gè)重要因素。蒸發(fā)罐正常運(yùn)行時(shí)，U由管道特性決定(操作者不能改變)，傳熱面積A也不變。因此，t是唯一的變量，操作者可以通過(guò)改變 t來(lái)影響傳熱效率。事實(shí)上，總有效溫差T(蒸汽溫度-真空下液體的蒸發(fā)溫度-總BPR)是蒸發(fā)的功率。換句話說(shuō)，總有效溫差T直接影響蒸發(fā)。操作員可以通過(guò)改變蒸汽或真空的壓力和溫度來(lái)改變總有效溫差T。如圖所示，真空度為35毫米汞柱時(shí)，溫度稍有變化就會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)能力下降8.5%。減少熱傳遞有許多因素會(huì)降低傳熱率。例如

15、，塞管減少了有效傳熱面積，從而降低了傳熱效率。有幾種情況會(huì)導(dǎo)致堵塞。首先，蒸汽過(guò)熱程度過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致堵塞。第二，因?yàn)樘妓徕}的溶解度與溫度成反比，這發(fā)生在熱點(diǎn)，所以經(jīng)常發(fā)生堵塞。第三，如果液體中有纖維，它通常會(huì)導(dǎo)致熱點(diǎn)的形成。這些熱點(diǎn)會(huì)形成結(jié)垢并導(dǎo)致堵塞。結(jié)垢不會(huì)占據(jù)所有使用的管道面積，但會(huì)降低傳熱系數(shù)，是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。大量的沉積物增加了熱流的阻力。污垢物質(zhì)可能是由纖維沉淀(熱點(diǎn))、過(guò)熱蒸汽、過(guò)高的蒸汽壓或液體化學(xué)品過(guò)少引起的，原因有幾個(gè)。有些結(jié)垢物質(zhì)是可溶的(例如水)，有些是不可溶的(例如碳酸鈣)，但是結(jié)垢物質(zhì)在幾種狀態(tài)下都會(huì)引起堵塞。為了使設(shè)備正常工作，檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)的泄漏管道通常用機(jī)械方法堵塞。然而，機(jī)械塞減少了有效傳熱面積，這在舊設(shè)備中很常見(jiàn)。當(dāng)蒸汽或熱蒸汽向黑液供熱時(shí)，黑液本身就會(huì)被冷凝。當(dāng)冷凝比冷凝吸收更快時(shí)，在發(fā)生冷凝的效果罐中會(huì)出現(xiàn)“大量冷凝水”。水箱底部多余的冷凝水減少了有效傳熱面積。冷凝水設(shè)備(旁路)在系統(tǒng)中提供，當(dāng)冷凝水過(guò)多時(shí)使用。水蒸氣或蒸汽總是含有一些不可冷凝的氣體(