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1、2020/7/2,第五章 蒸發(fā),流體力學(xué)與傳熱學(xué),Fluid Mechanics and Heat Transfer,2020/7/2,單效蒸發(fā)過(guò)程的計(jì)算,如蒸發(fā)水量、加熱蒸汽消耗量及傳熱面積計(jì)算,有效溫度差及各種溫度差損失的來(lái)由及其計(jì)算; 蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度及其影響因素。,掌握內(nèi)容,2020/7/2,真空蒸發(fā)的特點(diǎn)及其應(yīng)用; 多效蒸發(fā)的流程及其計(jì)算要點(diǎn); 蒸發(fā)操作效數(shù)限制及蒸發(fā)過(guò)程的節(jié)能措施; 蒸發(fā)過(guò)程的強(qiáng)化。,熟悉內(nèi)容,2020/7/2,蒸發(fā)操作的特點(diǎn)及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用; 各種蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能及其應(yīng)用范圍; 蒸發(fā)器的選型原則。,了解內(nèi)容,2020/7/2,講授內(nèi)容,202
2、0/7/2,5.1 概述,2020/7/2,1、蒸發(fā)的定義,一、蒸發(fā)的概念及分類,將含有固體溶質(zhì)的稀溶液加熱沸騰進(jìn)行濃縮,以獲得固體產(chǎn)品或制取溶劑。,蒸發(fā)過(guò)程實(shí)際上是不揮發(fā)性的溶質(zhì)和揮發(fā)性的溶劑分離的過(guò)程。,2020/7/2,2、蒸發(fā)的幾個(gè)概念,加熱蒸汽(生蒸汽):蒸發(fā)過(guò)程所用的加熱蒸汽;,完成液:濃縮后的溶液;,單效蒸發(fā) :產(chǎn)生的二次蒸汽不加利用,直接冷凝排出;,多效蒸發(fā):二次蒸汽作為串聯(lián)使用的下一個(gè)蒸發(fā)器的加熱蒸汽。,二次蒸汽:由溶液蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽稱之為二次蒸汽。,2020/7/2,3、蒸發(fā)操作的特點(diǎn),蒸發(fā)操作是間壁兩側(cè)分別有蒸汽冷凝和液體沸騰的傳熱過(guò)程,蒸發(fā)器也是一種換熱器。,(1)溶液
3、中含有不揮發(fā)性溶質(zhì),故溶液的蒸汽壓較純?nèi)軇┑恼羝麎簽榈?沸點(diǎn)高),相同條件下,蒸發(fā)溶液的傳熱溫差就比蒸發(fā)純?nèi)軇┑膫鳠釡夭钚。?(2)工業(yè)規(guī)模的蒸發(fā)量很大,需要耗用大量的加熱蒸汽,應(yīng)充分利用二次蒸汽(多效蒸發(fā)),降低過(guò)程的能量消耗; (3)溶液的特殊性決定了蒸發(fā)器的特殊結(jié)構(gòu)。例如,易結(jié)垢或析出結(jié)晶的溶液,設(shè)計(jì)上應(yīng)設(shè)法防止或減少垢層的生成,并應(yīng)使加熱面易于清洗。對(duì)熱敏性,高粘度或強(qiáng)腐蝕性的物料,應(yīng)設(shè)計(jì)或選擇適宜結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器。,2020/7/2,按操作壓強(qiáng)分:加壓蒸發(fā)、常壓蒸發(fā)、真空蒸發(fā);,按蒸發(fā)方式分:自然蒸發(fā)、沸騰蒸發(fā);,自然蒸發(fā):溶液在低于溶液沸點(diǎn)的溫度條件下表面汽化。汽化面積小,傳熱速率低,
4、汽化速率低; 沸騰蒸發(fā):溶液在沸騰條件下汽化。汽化發(fā)生在溶液的各個(gè)部位。汽化面積大,傳熱速率高,汽化速率高。,單效蒸發(fā):將二次蒸汽直接冷凝,而不利用其冷凝熱。 多效蒸發(fā):將二次蒸汽引到下一蒸發(fā)器作為加熱蒸汽,以利用其冷凝熱的串聯(lián)操作。,按二次蒸汽是否被利于分:?jiǎn)涡д舭l(fā)、多效蒸發(fā)。,二、蒸發(fā)的分類,2020/7/2,三、蒸發(fā)操作的應(yīng)用,在工業(yè)上,有三種情況: (1)制取液體產(chǎn)品:例如電解食鹽水得到的NaOH稀溶液中,含有約18%的NaCl,通過(guò)蒸發(fā)方法在除去大部分水的同時(shí),將NaCl結(jié)晶而分離除去,得到規(guī)定的液堿產(chǎn)品; (2)生產(chǎn)固體產(chǎn)品:將稀溶液濃縮達(dá)到飽和狀態(tài),然后冷卻使溶質(zhì)結(jié)晶與溶液分離,
5、從而獲得固粒產(chǎn)品。例如,食鹽精制、制糖、制藥等。 (3)制取純?nèi)軇翰捎谜舭l(fā)方法使溶劑汽化并冷凝,使不揮發(fā)性雜質(zhì)分離而得到純?nèi)軇?,例如海水淡化制取淡水等?2020/7/2,5.2 蒸發(fā)設(shè)備,2020/7/2,蒸發(fā)器主要由加熱室和分離室組成。加熱室有多種多樣的形式,以適應(yīng)各種生產(chǎn)工藝的不同要求。按照溶液在加熱室中的運(yùn)動(dòng)的情況,可將蒸發(fā)器分為循環(huán)型和單程型(不循環(huán))兩類。,一、循環(huán)型蒸發(fā)器,特點(diǎn):溶液在蒸發(fā)器中循環(huán)流動(dòng),因而可以提高傳熱效果。由于引起循環(huán)運(yùn)動(dòng)的原因不同。分為自然循環(huán)型和強(qiáng)制循環(huán)型兩類。 自然循環(huán):由于溶液受熱程度不同產(chǎn)生密度差引起。 強(qiáng)制循環(huán):用泵迫使溶液沿一定方向流動(dòng)。,202
6、0/7/2,(1)中央循環(huán)管式蒸發(fā)器,溶液沿加熱管中央下降,在加熱管內(nèi)上升的連續(xù)自然循環(huán)流動(dòng)。 優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、傳熱較好、操作可靠; 缺點(diǎn):循環(huán)速度在0.10.5m/s以下、清洗和維修不方便。,2020/7/2,(2)懸筐式蒸發(fā)器,優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、傳熱較好、操作可靠、便于清洗、循環(huán)速度在11.5m/s、清洗和維修不方便。 適用于蒸發(fā)容易結(jié)垢或有結(jié)晶析出的溶液。,2020/7/2,(3)外加熱式蒸發(fā)器,加熱室與分離室分開(kāi),便于清洗檢修。,2020/7/2,(4)列文蒸發(fā)器,加熱室上部增設(shè)了一段沸騰室。循環(huán)速度大,傳熱效果好。,2020/7/2,(5)強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器,利用循環(huán)泵
7、使溶液強(qiáng)制循環(huán),循環(huán)速度在2.5m/s以上。傳熱系數(shù)大,適用于粘度高、易結(jié)垢結(jié)晶的物料。,2020/7/2,二、單層型蒸發(fā)器,特點(diǎn):溶液在加熱管內(nèi)呈膜狀流動(dòng),一次通過(guò)加熱室即可達(dá)到要求的組成。傳熱效率高、蒸發(fā)速度快、溶液在器內(nèi)的停留時(shí)間短,特別適用于蒸發(fā)熱敏性物料。 按物料的流動(dòng)方向和成膜原因可分為:升膜蒸發(fā)器、降膜蒸發(fā)器、升-降膜蒸發(fā)器、刮板薄膜蒸發(fā)器。,2020/7/2,(1)升膜蒸發(fā)器,料液在加熱管底部進(jìn)入,在其內(nèi)受熱汽化,生成的蒸汽在加熱管內(nèi)高速上升(常壓下汽速為2050m/s,減壓下汽速可達(dá)100至160m/s或更大些)。溶液被上升的蒸汽所帶動(dòng),沿管壁成膜狀上升并繼續(xù)蒸發(fā),汽、液混合
8、物在分離器內(nèi)分離。 適用于:蒸發(fā)量大(較稀的溶液),熱敏性及易起泡的溶液。 不適用于:高粘度,易結(jié)晶、結(jié)垢的溶液。,2020/7/2,(2)降膜蒸發(fā)器,料液是從蒸發(fā)器的頂部加入,在重力作用下沿管壁成膜狀下降,并在此過(guò)程中蒸發(fā)增濃,在其底部得到濃縮液。 降膜式蒸發(fā)器可以蒸發(fā)濃度較高、粘度較大(0.050.45 Pas)、蒸發(fā)量較小、熱敏性的物料。但因液膜在管內(nèi)分布不易均勻,傳熱系數(shù)比升膜式蒸發(fā)器的較小,仍不適用易結(jié)晶或易結(jié)垢的物料。,2020/7/2,(3)升-降膜蒸發(fā)器,料液經(jīng)預(yù)熱后,由升膜的加熱室上升,然后由降膜加熱室下降,在分離室與二次蒸汽分離。,加熱室上升,降膜加熱室,分離室,2020/
9、7/2,(4)刮板薄膜蒸發(fā)器,特點(diǎn):借外力強(qiáng)制料液呈膜狀流動(dòng),可適應(yīng)高粘度,易結(jié)晶、結(jié)垢的濃溶液蒸發(fā) 缺點(diǎn):結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造要求高,加熱面積大,且需要消耗一定的動(dòng)力,2020/7/2,三、直接接觸傳熱蒸發(fā)器,2020/7/2,將一定比例的燃燒氣與空氣直接噴入溶液中,燃燒氣的溫度可高達(dá)12001800,由于氣、液間的溫度差大,且氣體對(duì)溶液產(chǎn)生強(qiáng)烈的鼓泡作用,使水分迅速蒸發(fā),蒸出的二次蒸汽與煙道氣一同由頂部排出。 優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不需要固定的傳熱面,熱利用率高 適于處理易結(jié)垢、易結(jié)晶或有腐蝕性的溶液。 不適于處理不能被燃燒氣污染及熱敏性的溶液。,2020/7/2,四、蒸發(fā)的輔助設(shè)備,1、除沫器,20
10、20/7/2,2、冷凝器和真空裝置,冷凝器的作用:將二次蒸汽冷凝成水后排出。 冷凝器分類:間壁式和直接接觸式兩類。當(dāng)二次蒸氣為有價(jià)值的產(chǎn)品需要回收,或會(huì)嚴(yán)重污染冷卻水時(shí),應(yīng)采用間壁式冷凝器;否則可采用直接接觸式冷凝器。 真空裝置作用:將冷凝液中的不凝性氣體抽出,維持蒸發(fā)操作所需的真空度。 真空裝置適于:蒸發(fā)器采用減壓操作; 真空裝置安裝位置:冷凝器后 常用的真空裝置:噴射泵、往復(fù)式真空泵以及水環(huán)式真空泵等。,2020/7/2,2020/7/2,五、蒸發(fā)設(shè)備 的選型,蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)型式很多,選用時(shí)應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程的蒸發(fā)任務(wù),選擇適宜的蒸發(fā)器型式。選型時(shí),一般考慮以下原則:,溶液的粘度:蒸發(fā)過(guò)程中,溶
11、液粘度變化的情況,是選型時(shí)很重要的因素。高粘度的溶液應(yīng)選用對(duì)其適應(yīng)性好的蒸發(fā)器,如強(qiáng)制循環(huán)型、降膜式、刮板攪拌薄膜式等; 溶液的熱穩(wěn)定性:熱穩(wěn)定性差的物料,應(yīng)選用滯料量少,停留時(shí)間短的蒸發(fā)器,如各種膜式蒸發(fā)器。,2020/7/2,有晶體析出的溶液:選用溶液流動(dòng)速度大的蒸發(fā)器,以使晶體在加熱管內(nèi)停留時(shí)間短,不易堵塞加熱管,如外熱式、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器; 易發(fā)泡的溶液:泡沫的產(chǎn)生,不僅損失物料,而且污染蒸發(fā)器,應(yīng)選用溶液湍動(dòng)程度劇烈的蒸發(fā)器,以抑制或破碎泡沫,如外熱式、強(qiáng)制循環(huán)式、升膜式等;條件允許時(shí),也可將分離室加大; 有腐蝕性的溶液:蒸發(fā)此種物料,加熱管采用特殊材質(zhì)制成,或內(nèi)壁襯以耐腐蝕材料。若溶液不怕污染,也可采用浸沒(méi)燃燒蒸發(fā)器,2020/7/2,易結(jié)垢的溶液:蒸發(fā)器使用一段時(shí)間后,就會(huì)有污垢產(chǎn)生,垢層的導(dǎo)熱系數(shù)小,從而使傳熱速率下降。應(yīng)選用便于清洗和溶液循環(huán)速度大的增大器,如懸筐式、強(qiáng)制循環(huán)
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