蒸发设备操作讲解.pptx

将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液溶液浓缩浓缩的过程称为蒸发。的过程称为蒸发。蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食品等许多工业中。蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食品等许多工业中。蒸发蒸发第1页/共64页蒸发操作主要目的蒸发操作主要目的1制取增浓的液体产品，如电解法制得的烧碱液制取增浓的液体产品，如电解法制得的烧碱液的浓缩、蔗糖水溶液的浓缩以及各种果汁、牛奶的浓缩、蔗糖水溶液的浓缩以及各种果汁、牛奶的浓缩等；的浓缩等；2制取纯净的溶剂，如海水蒸发脱盐制取淡水；制取纯净的溶剂，如海水蒸发脱盐制取淡水；3同时制备浓缩溶液和回收溶剂，如中药生产中同时制备浓缩溶液和回收溶剂，如中药生产中酒精浸出液的蒸发。酒精浸出液的蒸发。（被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其它溶液，而工业上处理的被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其它溶液，而工业上处理的溶液大多为水溶液，所以本章仅讨论水溶液的蒸发。）溶液大多为水溶液，所以本章仅讨论水溶液的蒸发。）第2页/共64页一、蒸发流程一、蒸发流程 稀溶液（料液）经过预热加入稀溶液（料液）经过预热加入蒸发器。蒸发器的下部是由许蒸发器。蒸发器的下部是由许多加热管组成的加热室，在管多加热管组成的加热室，在管外用加热蒸汽加热管内的溶液，外用加热蒸汽加热管内的溶液，并使之沸腾汽化，经浓缩后的并使之沸腾汽化，经浓缩后的溶液（完成液）从蒸发器底部溶液（完成液）从蒸发器底部排出。蒸发器的上部为蒸发室，排出。蒸发器的上部为蒸发室，其作用是使汽化所产生的蒸汽其作用是使汽化所产生的蒸汽与夹带的液体分离。为减少汽与夹带的液体分离。为减少汽体夹带的液体量蒸发器顶部还体夹带的液体量蒸发器顶部还装有除沫器，经过汽液分离的装有除沫器，经过汽液分离的蒸汽被引至冷凝器冷凝成液体蒸汽被引至冷凝器冷凝成液体而除去。而除去。第3页/共64页加热溶液使溶剂汽化加热溶液使溶剂汽化蒸发器蒸发器不断除去汽化的蒸发溶剂不断除去汽化的蒸发溶剂冷凝器冷凝器蒸发过程两个重要的组成部分：蒸发过程两个重要的组成部分：两个小概念：两个小概念：生蒸汽生蒸汽蒸发过程所用的加热介质通常为水蒸气，蒸发过程所用的加热介质通常为水蒸气，被称为加热蒸汽或生蒸汽。被称为加热蒸汽或生蒸汽。二次蒸汽二次蒸汽溶剂由于吸热沸腾汽化而生成的蒸汽溶剂由于吸热沸腾汽化而生成的蒸汽被称为二次蒸汽。被称为二次蒸汽。一、蒸发流程一、蒸发流程第4页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备辅助设备蒸发设备蒸发器除沫器 冷凝器 真空装置 加热室 蒸发室 用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器 蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化，并移去，蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化，并移去，由加热室和蒸发室两部分组成。由加热室和蒸发室两部分组成。冷凝器与蒸发器的蒸发室相通，其作用是将产生的冷凝器与蒸发器的蒸发室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。水蒸汽冷凝而除去。第5页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备 根据蒸发器中溶液的流动情况，把蒸发器分为循环型与非循环根据蒸发器中溶液的流动情况，把蒸发器分为循环型与非循环型（单程型）两类。型（单程型）两类。（一）循环型蒸发器（一）循环型蒸发器 特点：溶液在蒸发器中循环流动，溶液在蒸发器内停留时间长，特点：溶液在蒸发器中循环流动，溶液在蒸发器内停留时间长，溶液浓度接近于完成液浓度。溶液浓度接近于完成液浓度。由于引起循环运动的原因不同，分为由于引起循环运动的原因不同，分为自然循环型自然循环型和和强制循环型强制循环型两类两类。自然循环型：自然循环型：强制循环型：强制循环型：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动。由于溶液受热程度不同产生密度差引起。由于溶液受热程度不同产生密度差引起。第6页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备 1中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器 加热蒸汽：加热蒸汽：加热室管束环隙内。加热室管束环隙内。溶溶液液：加加热热室室管管束束及及中中央央循循环环管管内内，受受热热时时，由由于于中中央央循循环环管管单单位位体体积积溶溶液液受受热热面面小小，溶溶液液密密度度较较加加热热管管内内大大，使使得得溶溶液液形形成成由由中中央央循循环环管管下下降降，而而由其余加热管上升的循环流动。由其余加热管上升的循环流动。优优点点：结结构构紧紧凑凑、制制造造方方便便、投投资资较较少、操作可靠。少、操作可靠。缺缺点点：溶溶液液的的循循环环速速度度较较低低（一一般般在在0.5m/s以以下下），传传热热系系数数较较小小，且且清清洗检修比较麻烦。洗检修比较麻烦。第7页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备 2.悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器 它的加热室像个悬筐，悬挂在蒸发器壳它的加热室像个悬筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出，便于清洗与更体的下部，可由顶部取出，便于清洗与更换。换。加热蒸汽：加热蒸汽：由壳体上部经管道引入加热由壳体上部经管道引入加热室在管束环隙内流动。室在管束环隙内流动。溶液：溶液：在管内和加热室外壁与蒸发器壳在管内和加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间构成的环形通道内流动。因体的内壁之间构成的环形通道内流动。因环形通道内溶液的受热程度较弱，因而使环形通道内溶液的受热程度较弱，因而使溶液形成沿环形通道下行、再由加热管上溶液形成沿环形通道下行、再由加热管上行的循环运动。行的循环运动。优点：优点：悬筐式蒸发器适用于蒸发易结垢悬筐式蒸发器适用于蒸发易结垢或有晶体析出的溶液。溶液循环速度较高或有晶体析出的溶液。溶液循环速度较高(约为约为11.5m/s)。缺点：缺点：结构复杂，单位传热面需要的设结构复杂，单位传热面需要的设备材料量较大。备材料量较大。第8页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备 3.外热式蒸发器外热式蒸发器 特点：特点：加热室与蒸发室分加热室与蒸发室分开。开。这种结构不仅便于清洗与这种结构不仅便于清洗与检修，而且可以降低蒸发器检修，而且可以降低蒸发器的总高度。由于可以采用较的总高度。由于可以采用较长的加热管（管长与管径之长的加热管（管长与管径之比为比为50100），循环管又），循环管又不被蒸汽加热，加大了溶液不被蒸汽加热，加大了溶液的密度差，因此溶液的循环的密度差，因此溶液的循环速度较大，但一般不超过速度较大，但一般不超过1.5m/s。适于处理易结垢、有晶体适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液。析出、处理量大的溶液。第9页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备 4.列文蒸发器列文蒸发器 特点：特点：在加热室上部设置沸腾室，加在加热室上部设置沸腾室，加热室的溶液由于受到上方沸腾室液柱热室的溶液由于受到上方沸腾室液柱产生的压力作用，沸点升高使溶液不产生的压力作用，沸点升高使溶液不在加热管中沸腾，上升到沸腾室时才在加热管中沸腾，上升到沸腾室时才开始沸腾汽化。开始沸腾汽化。优点：优点：流动阻力小；循环速度高；传流动阻力小；循环速度高；传热效果好；加热管内不易堵塞。热效果好；加热管内不易堵塞。缺点：缺点：设备费高；厂房高，耗用金属设备费高；厂房高，耗用金属多。多。适于处理有晶体析出或易结垢的溶液。适于处理有晶体析出或易结垢的溶液。第10页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备 特点：特点：利用外加动力（循环泵）利用外加动力（循环泵）使溶液沿一定方向作高速循环流使溶液沿一定方向作高速循环流动，动，优点：优点：循环速度高，其循环速度循环速度高，其循环速度在在2.5m/s以上。循环速度的大小以上。循环速度的大小可通过调节循环泵的流量来控制；可通过调节循环泵的流量来控制；对流传热系数高。对流传热系数高。缺点：缺点：动力消耗大，需添加循环动力消耗大，需添加循环泵。泵。适于处理粘度大，易结垢、有晶适于处理粘度大，易结垢、有晶体析出的溶液。体析出的溶液。第11页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备（二）单程型（二）单程型(膜式膜式)蒸发器蒸发器 溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不作循环流动。溶液溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不作循环流动。溶液通过加热室时，在管壁上呈膜状流动，故习惯上又称为液通过加热室时，在管壁上呈膜状流动，故习惯上又称为液膜式蒸发器。膜式蒸发器。传热效率高，蒸发速度快，溶液在蒸发器中的停留时间很短，传热效率高，蒸发速度快，溶液在蒸发器中的停留时间很短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发。因而特别适用于热敏性物料的蒸发。第12页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备1.1.升膜蒸发器升膜蒸发器原理：原理：溶液预热到接近沸点时溶液预热到接近沸点时由蒸发器底部送入，进入加热由蒸发器底部送入，进入加热管时立即受热沸腾汽化，溶液管时立即受热沸腾汽化，溶液在高速上升的二次蒸汽带动下，在高速上升的二次蒸汽带动下，沿管壁呈膜状向上流动并蒸发。沿管壁呈膜状向上流动并蒸发。到达分离室后，完成液与二次到达分离室后，完成液与二次蒸汽分离后由分离室底部排出。蒸汽分离后由分离室底部排出。适用：适用：蒸发量较大（即稀溶液）蒸发量较大（即稀溶液）、热敏性及易起泡沫的溶液。、热敏性及易起泡沫的溶液。不适用：不适用：高粘度、有晶体析出高粘度、有晶体析出或易结垢的溶液。或易结垢的溶液。第13页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备 2.降膜蒸发器降膜蒸发器 原理：原理：溶液预热后由加热室顶溶液预热后由加热室顶部加入，经管端的液体分布器部加入，经管端的液体分布器均匀分配在各加热管内，在重均匀分配在各加热管内，在重力作用下沿管内壁呈膜状向下力作用下沿管内壁呈膜状向下流动并进行蒸发，汽液混合物流动并进行蒸发，汽液混合物从管下端流出，进入分离室，从管下端流出，进入分离室，汽、液分离后，完成液由分离汽、液分离后，完成液由分离室底部排出。室底部排出。适用适用：浓度高、粘度较大的溶：浓度高、粘度较大的溶液。液。不适用：不适用：易结晶、结垢的溶液。易结晶、结垢的溶液。第14页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备这这类类蒸蒸发发器器操操作作良良好好的的关关键键是是使使溶溶液液呈呈均均匀匀的的膜膜状状沿沿各各管管内内壁壁向下流动，为此在每根加热管的顶部设置液体分布器。向下流动，为此在每根加热管的顶部设置液体分布器。降膜蒸发器的布膜器降膜蒸发器的布膜器第15页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备 3.3.升降膜式蒸发器升降膜式蒸发器 原理：原理：蒸发器由升膜管束和降蒸发器由升膜管束和降膜管束组合而成，蒸发器的底膜管束组合而成，蒸发器的底部封头内有一隔板，将加热管部封头内有一隔板，将加热管束分成两部分。溶液由升膜管束分成两部分。溶液由升膜管束底部进入，流向顶部，然后束底部进入，流向顶部，然后从降膜管束流下，进入分离室，从降膜管束流下，进入分离室，得到完成液。得到完成液。适用：适用：浓缩过程中粘度变化大浓缩过程中粘度变化大的溶液、厂房有限制的场合。的溶液、厂房有限制的场合。1-预热器；预热器；2-升膜加热室；升膜加热室；3-降膜加热室；降膜加热室；4-分离室；分离室；5-冷凝水冷凝水 第16页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备4.4.刮板薄膜蒸发器刮板薄膜蒸发器原理：原理：它的壳体外部装有加热蒸汽它的壳体外部装有加热蒸汽夹套，壳体内装有旋转刮片。料液夹套，壳体内装有旋转刮片。料液由蒸发器上部沿切线方向加入后，由蒸发器上部沿切线方向加入后，在重力和旋转刮片刮带下，溶液在在重力和旋转刮片刮带下，溶液在壳体内壁上形成旋转下降的液膜，壳体内壁上形成旋转下降的液膜，并在下降过程中不断被蒸发浓缩，并在下降过程中不断被蒸发浓缩，在底部得到完成液。在底部得到完成液。适用：适用：易结晶、易结垢、高粘度的易结晶、易结垢、高粘度的溶液。溶液。缺点：缺点：结构复杂，动力消耗大，传结构复杂，动力消耗大，传热面积小，处理能力低。热面积小，处理能力低。第17页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备（三）（三）蒸发器的选型蒸发器的选型选型时，一般考虑以下原则：选型时，一般考虑以下原则：溶液的粘度：溶液的粘度：高粘度的溶液应选用对其适应性好的蒸发器，高粘度的溶液应选用对其适应性好的蒸发器，如强制循环型、降膜式、刮板搅拌薄膜式等。如强制循环型、降膜式、刮板搅拌薄膜式等。溶液的热稳定性溶液的热稳定性：热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留时间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器。时间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器。有晶体析出的溶液：有晶体析出的溶液：选用溶液流动速度大的蒸发器，以使晶体选用溶液流动速度大的蒸发器，以使晶体在加热管内停留时间短，不易堵塞加热管，如外热式、强制在加热管内停留时间短，不易堵塞加热管，如外热式、强制循环蒸发器。循环蒸发器。第18页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备 易易发发泡泡的的溶溶液液：泡泡沫沫的的产产生生，不不仅仅损损失失物物料料，而而且且污污染染蒸蒸发发器器，应应选选用用溶溶液液湍湍动动程程度度剧剧烈烈的的蒸蒸发发器器，以以抑抑制制或或破破碎碎泡泡沫沫，如如外外热热式式、强强制制循循环环式式、升升膜膜式式等等；条条件件允允许许时时，也也可可将分离室加大。将分离室加大。腐腐蚀蚀性性的的溶溶液液：蒸蒸发发此此种种物物料料，加加热热管管采采用用特特殊殊材材质质制制成成，或内壁衬以耐腐蚀材料。或内壁衬以耐腐蚀材料。易易结结垢垢的的溶溶液液：蒸蒸发发器器使使用用一一段段时时间间后后，就就会会有有污污垢垢产产生生，垢垢层层的的导导热热系系数数小小，从从而而使使传传热热速速率率下下降降。应应选选用用便便于于清清洗洗和溶液循环速度大的增大器，如悬筐式、强制循环式等。和溶液循环速度大的增大器，如悬筐式、强制循环式等。第19页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备蒸发器型式造价传热系数溶液在管流速/(m/s)停留时间完成液浓度能否恒定浓缩比处理量 能否适应物料工艺特性稀溶液高粘度稀溶液高黏度易起泡易结垢热敏性析出结晶标准式最廉良好低0.10.5长能良好一般适适适尚适尚适稍适悬筐式较高较好低11.5长能良好一般适适适适尚适适外热式廉高高0.41.5较长能良好较大适尚适较好尚适尚适稍适列文式高高良好1.52.5较长能良好较大适尚适较好尚适尚适稍适强制循环高高高2.O3.O较长能较高大适好好适尚适适升膜式廉高良好0.41.O短较难高大适尚好尚适良好不适降膜式廉良好高0.41.O短尚能高大较适好适不适良好不适刮板式最高高高-短尚能高小较适好较适适适良好 常见蒸发器的主要性能常见蒸发器的主要性能 第20页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备（四）蒸发器的辅助设备（四）蒸发器的辅助设备 1.除沫器除沫器 作用：作用：将离开分离室的二次蒸将离开分离室的二次蒸汽中的液沫进一步分离。汽中的液沫进一步分离。蒸汽中如果夹带着大量的液体，蒸汽中如果夹带着大量的液体，不仅会造成物料损失，还有可不仅会造成物料损失，还有可能腐蚀下一效加热室中的换热能腐蚀下一效加热室中的换热管，二次蒸汽中的液沫要尽可管，二次蒸汽中的液沫要尽可能地除去。能地除去。(a)(d)安装在蒸发器的顶部安装在蒸发器的顶部(e)(g)安装在蒸发器的外部安装在蒸发器的外部第21页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备 2.冷凝器冷凝器 作用：作用：冷凝二次蒸汽。冷凝二次蒸汽。冷凝器有间壁式冷凝器和直接冷凝器有间壁式冷凝器和直接接触式冷凝器（混合式冷凝器）接触式冷凝器（混合式冷凝器）两类。间壁式冷凝器可采用列两类。间壁式冷凝器可采用列管式换热器。除了二次蒸气是管式换热器。除了二次蒸气是有价值的产品需要回收，或会有价值的产品需要回收，或会严重污染冷却水的情况采用间严重污染冷却水的情况采用间壁式冷凝器外，大多采用气液壁式冷凝器外，大多采用气液直接接触的混合式冷凝器来冷直接接触的混合式冷凝器来冷凝二次蒸汽。凝二次蒸汽。混合式冷凝器混合式冷凝器 第22页/共64页二、蒸发设备二、蒸发设备 3.真空装置真空装置 当蒸发过程在减压下进行时，不当蒸发过程在减压下进行时，不凝气需用真空泵抽出，冷却水则凝气需用真空泵抽出，冷却水则需用气压管（也称大气腿）排出。需用气压管（也称大气腿）排出。气压管的结构为一水封装置，其气压管的结构为一水封装置，其下端插入水中。气压管应有足够下端插入水中。气压管应有足够高度，以保证冷凝器中的水能依高度，以保证冷凝器中的水能依靠高位自动流出，而外界的空气靠高位自动流出，而外界的空气不会进入冷凝器内，一般气压管不会进入冷凝器内，一般气压管高度为高度为1011m。第23页/共64页蒸发装置操作与控制蒸发装置操作与控制蒸发过程工艺参数的确定蒸发过程工艺参数的确定 第24页/共64页工艺参数工艺参数单位时间内水分蒸发量单位时间内水分蒸发量W(kg/h)和完成液浓度和完成液浓度物料衡算方程物料衡算方程加热蒸汽用量加热蒸汽用量D(kg/h)热量衡算方程热量衡算方程蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积S(m2)传热速率方程传热速率方程第25页/共64页一、水分蒸发量的计算一、水分蒸发量的计算 以蒸发器为系统进行溶质的质量衡算以蒸发器为系统进行溶质的质量衡算（以以kg/h为基准为基准)：Fx0=(F-W)x1W=(1-)x1x0F-WFx0 x1=水分蒸发量：水分蒸发量：完成液浓度：完成液浓度：第26页/共64页二、二、加热蒸汽的消耗量加热蒸汽的消耗量 以蒸发器为衡算范围，以以蒸发器为衡算范围，以kJ/h为单位对为单位对进出蒸发器的热量进行衡算（以进出蒸发器的热量进行衡算（以0液态液态为温度与物态基准）：为温度与物态基准）：DH+Fh0=Dhc+WH+(F-W)h1+QL Q=D(H-hc)=F(h1-h0)+W(H-h1)+QL注：D-蒸汽消耗量，kg/h；H-加热蒸汽的焓，kJ/kg；H-二次蒸汽的焓，kJ/kg；h0原料液的焓，kJ/kg；h1完成液的焓，kJ/kg；hc冷凝水的焓，kJ/kg QL-蒸发器的热损失，J/h。第27页/共64页二、二、加热蒸汽的消耗量加热蒸汽的消耗量讨论.加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出则则H-hH-hc c为冷凝潜热为冷凝潜热r(kJ/kg)r(kJ/kg)第28页/共64页二、二、加热蒸汽的消耗量加热蒸汽的消耗量.溶液的稀释热可以忽略溶液的稀释热可以忽略当溶液的稀释热不大，可以忽略不计时，溶液的焓值可用比热计算。当溶液的稀释热不大，可以忽略不计时，溶液的焓值可用比热计算。以以00的液体为基准，则：的液体为基准，则：忽略原料液和完成液比热容的差异，即忽略原料液和完成液比热容的差异，即 近似取温度为近似取温度为t t1 1时饱和蒸汽的焓，并忽略溶质浓度对比热容的影响时饱和蒸汽的焓，并忽略溶质浓度对比热容的影响第29页/共64页 若溶液为沸点进料若溶液为沸点进料 (t(tl l=t=t0 0)，忽略蒸发器热损，忽略蒸发器热损失失 蒸汽的汽化潜热随压力变化不大蒸汽的汽化潜热随压力变化不大(r(r r r)，故故D/W 1 1，蒸发，蒸发1kg1kg水约需水约需1kg1kg加热蒸汽。实际加热蒸汽。实际上上 r r r 1 1，其值约为，其值约为1.11.1或稍高。或稍高。二、二、加热蒸汽的消耗量加热蒸汽的消耗量上式表明，加热蒸汽相变放出的热量用于：上式表明，加热蒸汽相变放出的热量用于：使原料液由使原料液由t t0 0升温至沸点升温至沸点t t1 1；使水在使水在t tl l温度下汽化生成二次蒸汽；温度下汽化生成二次蒸汽；一部分用于蒸发器的热损失。一部分用于蒸发器的热损失。第30页/共64页三、三、蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积Q=KStm由传热速率方程：由传热速率方程：据此计算蒸发器传热面积据此计算蒸发器传热面积S S。其中。其中tm、K、Q计算如下计算如下:（一）蒸发器的热负荷（一）蒸发器的热负荷Q 蒸发器的热负荷蒸发器的热负荷Q可以根据加热室的热量衡算求得。如可以根据加热室的热量衡算求得。如果忽略加热室的热损失，则果忽略加热室的热损失，则Q即为加热蒸汽冷凝放出的热量：即为加热蒸汽冷凝放出的热量：Q=D（H-hC）=Dr第31页/共64页三、三、蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积(二二)传热系数传热系数K K1.1.传热系数原则上可按下式计算传热系数原则上可按下式计算:式中：o管间蒸汽冷凝时的对流传热系数，W/(m2K)；i管内溶液沸腾时的对流传热系数，W/(m2K)；Ro管外污垢热阻，(m2K)/W；Rw管壁热阻，(m2K)/W；Ri管内污垢热阻，(m2K)/W。K00ii111aa+=RR RWddododii第32页/共64页三、三、蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积2.2.选用经验选用经验值值蒸 发 器 的 型 式总传热系数K,W/(m2K)标准式（自然循环）600-3000标准式（强制循环）1200-6000悬筐式600-3000外热式（自然循环）1200-6000外热式（强制循环）1200-7000升膜式1200-6000降膜式1200-3500刮板式600-2000 3.3.现场测定现场测定 对已有的蒸发设备可用实验方法确定其对已有的蒸发设备可用实验方法确定其K K值，测定方法和换热器值，测定方法和换热器传热系数的测定方法相同。传热系数的测定方法相同。不同类型蒸发器的传热系数的大致范围不同类型蒸发器的传热系数的大致范围第33页/共64页三、三、蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积 （三）平均温度差（三）平均温度差tm蒸发属两相均有相变的恒温传热过程，故传热的平均温度差（亦蒸发属两相均有相变的恒温传热过程，故传热的平均温度差（亦称有效温度差）为称有效温度差）为 tm=T-t1当加热蒸汽选定时，蒸发计算需知道溶液的沸点当加热蒸汽选定时，蒸发计算需知道溶液的沸点t t1 1，即可计算传热，即可计算传热温度差。在实际生产中，由于溶液的真实沸点不便于测量，常以二温度差。在实际生产中，由于溶液的真实沸点不便于测量，常以二次蒸汽冷凝器进口附近处或分离室的压强所对应的饱和蒸汽温度次蒸汽冷凝器进口附近处或分离室的压强所对应的饱和蒸汽温度T T 来代替。由于来代替。由于T T 比溶液的实际沸点比溶液的实际沸点t t1 1要低，两者之差称为温差损要低，两者之差称为温差损失，亦称为溶液的沸点升高，用失，亦称为溶液的沸点升高，用表示，即表示，即 t1=T+第34页/共64页三、三、蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积造成温度差损失（沸点升高）的主要原因是：造成温度差损失（沸点升高）的主要原因是：因溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差因溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差 ；蒸发器操作时需维持一定液位，因加热管内液柱静压强而使沸蒸发器操作时需维持一定液位，因加热管内液柱静压强而使沸点升高点升高；二次蒸汽由蒸发器分离室流动到冷凝器时产生压强降，导致的二次蒸汽由蒸发器分离室流动到冷凝器时产生压强降，导致的温度差损失温度差损失 （若（若TT指分离室温度时，指分离室温度时，=0 =0）。即）。即 =+=+第35页/共64页三、蒸发器的传热面积注：注：操作压力下由于溶质存在引起的沸点升高，操作压力下由于溶质存在引起的沸点升高，K K；aa常压下由于溶质存在引起的沸点升高，常压下由于溶质存在引起的沸点升高，K K；一校正系数，其值可按下式计算。一校正系数，其值可按下式计算。1.1.由于由于不挥发溶质存在引起的沸点升高不挥发溶质存在引起的沸点升高 经验公式算法经验公式算法=a注：注：T 操作压力下二次蒸汽的温度，操作压力下二次蒸汽的温度，K K；r操作压力下二次蒸汽的汽化潜热，操作压力下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kgkJ/kg。=0.0162T2r第36页/共64页三、三、蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积应用杜林规则估算溶液沸点应用杜林规则估算溶液沸点杜杜林林规规则则：溶溶液液的的沸沸点点与与同同压压力力下溶剂的沸点呈线性关系。下溶剂的沸点呈线性关系。在在相相同同压压力力下下分分别别以以某某种种溶溶液液的的沸沸点点为为纵纵坐坐标标，水水的的沸沸点点为为横横坐坐标标作作图图，可可得得一一条条直直线线。对对一一定定浓浓度度的的溶溶液液，只只要要知知道道它它在在两两个个不不同同压压强强下下的的沸沸点点，再再查查出出相相同同压压强强下下对对应应水水的的沸沸点点，即即可可绘绘出出该该浓浓度度溶溶液液的的杜杜林林直直线线，由由此此直直线线即即可可求求得得该该溶溶液液在在其其它它压压强强下下的沸点。的沸点。注注：tB,tB压力为压力为pp和和p p下溶液的沸点，下溶液的沸点，；tw,tw压力为压力为pp和和p p下水的沸点，下水的沸点，；第37页/共64页三、三、蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积NaOHNaOH水溶液的杜林线如图水溶液的杜林线如图示。图中每一条直线代表示。图中每一条直线代表某一组成下该溶液在不同某一组成下该溶液在不同压力下的沸点与对应压力压力下的沸点与对应压力下水的沸点间的关系。由下水的沸点间的关系。由图可知，当溶液的组成较图可知，当溶液的组成较低时，各组成下杜林直线低时，各组成下杜林直线的斜率几乎平行，这表明的斜率几乎平行，这表明在任何压力下，在任何压力下，NaOHNaOH溶液溶液的沸点升高基本上是相同的沸点升高基本上是相同的。的。杜林规则可用公式表示为杜林规则可用公式表示为tB=k tw+m或或第38页/共64页三、三、蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积2.2.加热管内液柱高度而引起的沸点升高加热管内液柱高度而引起的沸点升高某些蒸发器的加热管内积有一定高度的液位，使得液面以下液体某些蒸发器的加热管内积有一定高度的液位，使得液面以下液体承受更大的压强，因而导致沸点升高。液层内部沸点与表面沸点承受更大的压强，因而导致沸点升高。液层内部沸点与表面沸点之差即为因加热管内液柱静压强而引起的沸点升高（温度差损失）之差即为因加热管内液柱静压强而引起的沸点升高（温度差损失）。根据流体静力学方程，液层的平均压力为。根据流体静力学方程，液层的平均压力为 注：注：P Pm m液柱的平均压力，液柱的平均压力，PaPa；pp分离室内的压强，分离室内的压强，PaPa；溶液的平均密度，溶液的平均密度，kg/mkg/m3 3；L L加热管内液柱高度，加热管内液柱高度，m m。2gL ppmr+=第39页/共64页三、三、蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积由于液柱高度而引起的沸点升高为由于液柱高度而引起的沸点升高为=t Pm-tp 式中：式中：tPm压强压强PmPm下水的沸点，下水的沸点，；tp 与二次蒸汽压强与二次蒸汽压强PP对应的水的沸点，对应的水的沸点，。3.3.由于流动阻力引起的沸点升高由于流动阻力引起的沸点升高二次蒸汽从蒸发室流入冷凝器的过程中，由于管路阻力，其压力下降，二次蒸汽从蒸发室流入冷凝器的过程中，由于管路阻力，其压力下降，温度也相应下降，即蒸发器内蒸汽的冷凝温度高于冷凝器内的冷凝温度。温度也相应下降，即蒸发器内蒸汽的冷凝温度高于冷凝器内的冷凝温度。由此造成的沸点升高以由此造成的沸点升高以 表示。表示。与二次蒸汽在管道中的流速、物性与二次蒸汽在管道中的流速、物性以及管道尺寸有关，但很难定量分析，一般取经验值，约为以及管道尺寸有关，但很难定量分析，一般取经验值，约为1 11.51.5。第40页/共64页蒸发装置操作与控制蒸发装置操作与控制三效并流蒸发器的操作与控制三效并流蒸发器的操作与控制 第41页/共64页三效并流蒸发器的操作与控制三效并流蒸发器的操作与控制蒸发岗位的主要任务是：蒸发岗位的主要任务是：调控蒸发器的温度、压力、液位、抽真空系统的真空度、各调控蒸发器的温度、压力、液位、抽真空系统的真空度、各物料流量等工艺参数；物料流量等工艺参数；对完成液进行浓度或密度分析，保证产品质量；对完成液进行浓度或密度分析，保证产品质量；发现并处理蒸发系统中的异常现象和事故；发现并处理蒸发系统中的异常现象和事故；进行设备的日常维护进行设备的日常维护填写生产记录报表。填写生产记录报表。第42页/共64页一、蒸发的操作方法一、蒸发的操作方法1.按操作压强分：常压、加压、减压（真空）蒸发按操作压强分：常压、加压、减压（真空）蒸发 常压蒸发：操作压强等于外界大气压，采用敞口设备，二次常压蒸发：操作压强等于外界大气压，采用敞口设备，二次蒸汽直接排放到大气中。蒸汽直接排放到大气中。加压蒸发加压蒸发：加压蒸发的操作在高于大气压的情况下进行。：加压蒸发的操作在高于大气压的情况下进行。减压蒸发：减压蒸发（或称真空蒸发）就是在低于大气压的减压蒸发：减压蒸发（或称真空蒸发）就是在低于大气压的条件下进行操作。化工生产中的蒸发操作大都采用减压蒸发。条件下进行操作。化工生产中的蒸发操作大都采用减压蒸发。（一）蒸发操作的分类（一）蒸发操作的分类第43页/共64页一、蒸发的操作方法一、蒸发的操作方法 减压蒸发具有以下优点：减压蒸发具有以下优点：降低了溶液的沸点低，可以增大传热温度差；当热负荷一定时，降低了溶液的沸点低，可以增大传热温度差；当热负荷一定时，蒸发器的传热面积可以相应减小；蒸发器的传热面积可以相应减小；适用于不耐高温热敏性物料的蒸发；适用于不耐高温热敏性物料的蒸发；因为溶液的沸点降低了，就可以利用低压蒸汽或废汽作为加热因为溶液的沸点降低了，就可以利用低压蒸汽或废汽作为加热剂；剂；操作温度低，热损失相应地减小了。操作温度低，热损失相应地减小了。减压蒸发也有一定的缺点减压蒸发也有一定的缺点:溶液的沸点降低，使得溶液粘度增大，导致总的传热系数下降；溶液的沸点降低，使得溶液粘度增大，导致总的传热系数下降；减压蒸发还要配置如真空泵、缓冲罐、汽液分离器等辅助设备，减压蒸发还要配置如真空泵、缓冲罐、汽液分离器等辅助设备，使设备投资和操作费用相应增加。使设备投资和操作费用相应增加。第44页/共64页一、蒸发的操作方法一、蒸发的操作方法2.按操作过程是否连续分按操作过程是否连续分:间歇蒸发、连续蒸发间歇蒸发、连续蒸发 间歇蒸发：溶液的浓度和沸点随时间而改变，传热的温度间歇蒸发：溶液的浓度和沸点随时间而改变，传热的温度差和传热系数也随时间而变，是一非稳态操作过程，适合小差和传热系数也随时间而变，是一非稳态操作过程，适合小批量、多品种的场合使用。批量、多品种的场合使用。连续蒸发：连续蒸发时，料液连续加入蒸发器，完成液连连续蒸发：连续蒸发时，料液连续加入蒸发器，完成液连续地从蒸发器放出。蒸发器内各处的浓度与温度不随时间而续地从蒸发器放出。蒸发器内各处的浓度与温度不随时间而改变，是稳态操作过程，适合于大规模的生产。改变，是稳态操作过程，适合于大规模的生产。第45页/共64页一、蒸发的操作方法一、蒸发的操作方法3.按二次蒸气的利用情况分：单效蒸发、多效蒸发按二次蒸气的利用情况分：单效蒸发、多效蒸发 单单效效蒸蒸发发：将将蒸蒸发发中中汽汽化化出出来来的的二二次次蒸蒸汽汽直直接接冷冷凝凝 排排放放，不再利用，这样的蒸发操作称为单效蒸发。不再利用，这样的蒸发操作称为单效蒸发。多多效效蒸蒸发发：如如果果把把汽汽化化出出来来的的二二次次蒸蒸汽汽引引到到下下一一个个蒸蒸发发器器作作为为加加热热蒸蒸汽汽使使用用，并并将将多多个个这这样样的的蒸蒸发发器器串串联联起起来来，这这种种蒸蒸发发操作称为多效蒸发。操作称为多效蒸发。蒸蒸发发的的效效数数由由串串联联的的蒸蒸发发器器的的个个数数划划分分，分分为为二二效效、三三效效、四效等。大规模的、连续性的生产一般都采用多效蒸发。四效等。大规模的、连续性的生产一般都采用多效蒸发。第46页/共64页一、蒸发的操作方法一、蒸发的操作方法（二）蒸发过程的主要经济指标（二）蒸发过程的主要经济指标1.1.能耗能耗蒸发过程是能耗比较大的单元操作，所以能耗是蒸发过程的一个主蒸发过程是能耗比较大的单元操作，所以能耗是蒸发过程的一个主 要操作指标。要操作指标。加热蒸汽的经济性：加热蒸汽的经济性：是指每蒸发是指每蒸发1kg1kg水需要的加热蒸汽量（水需要的加热蒸汽量（kg)kg)，亦称，亦称为单位蒸汽消耗量为单位蒸汽消耗量e，表示加热蒸气的利用程度，单位蒸气消耗量是，表示加热蒸气的利用程度，单位蒸气消耗量是构成蒸发过程能耗的主要部分。构成蒸发过程能耗的主要部分。若原料液在沸点下进入蒸发器，忽略热损失，则若原料液在沸点下进入蒸发器，忽略热损失，则 第47页/共64页一、蒸发的操作方法一、蒸发的操作方法为了降低蒸发过程的能耗，可以采取以下方法：为了降低蒸发过程的能耗，可以采取以下方法：多效蒸发多效蒸发按物料与蒸气的相对流向的不同，多效蒸发有三种常见的加料流程，按物料与蒸气的相对流向的不同，多效蒸发有三种常见的加料流程，即并流流程（顺流）、逆流流程和平流流程。下面以三效蒸发为例即并流流程（顺流）、逆流流程和平流流程。下面以三效蒸发为例进行说明。进行说明。a.a.并流（顺流）蒸发原理流程并流（顺流）蒸发原理流程并流流程溶液与蒸气的流向相同，并流流程溶液与蒸气的流向相同，都是由第一效顺序流至末效。第一个都是由第一效顺序流至末效。第一个蒸发器（称为第一效）蒸出的二次蒸蒸发器（称为第一效）蒸出的二次蒸气用作第二个蒸发器（第二效）的加气用作第二个蒸发器（第二效）的加热蒸气，第二个蒸发器蒸出的二次蒸热蒸气，第二个蒸发器蒸出的二次蒸气用作第三个蒸发器（第三效）的加气用作第三个蒸发器（第三效）的加热蒸气。热蒸气。第48页/共64页一、蒸发的操作方法一、蒸发的操作方法 优点：优点：后效蒸发室压力较前效后效蒸发室压力较前效低，故溶液在效间的输送可以低，故溶液在效间的输送可以利用效间压差流入后效，无需利用效间压差流入后效，无需用泵输送；用泵输送；前一效溶液流入温度和前一效溶液流入温度和压力较低的后一效时，由于过压力较低的后一效时，由于过热而发生自蒸发热而发生自蒸发(闪蒸闪蒸)，可蒸，可蒸发更多的溶液。发更多的溶液。缺点：缺点：后效溶液浓度较前效大，后效溶液浓度较前效大，而温度反而降低，故溶液粘而温度反而降低，故溶液粘度相对较大，使后效的传热度相对较大，使后效的传热系数较前效为小，在后两效系数较前效为小，在后两效中尤为严重。中尤为严重。不适用于粘度随温度和浓度变化较大的溶液不适用于粘度随温度和浓度变化较大的溶液第49页/共64页一、蒸发的操作方法一、蒸发的操作方法 b.b.逆流蒸发原理流程逆流蒸发原理流程 溶液的流向与蒸汽的流向相溶液的流向与蒸汽的流向相反，即加热蒸汽由第一效进反，即加热蒸汽由第一效进入，而原料液由末效进入，入，而原料液由末效进入，由第一效排出。由第一效排出。第50页/共64页一、蒸发的操作方法一、蒸发的操作方法优点：优点：优点：优点：随随着着溶溶液液浓浓度度的的逐逐效效提提高高，溶溶液液的的温温度度也也不不断断提提高高，因因此此因因组组成成增增高高使使粘粘度度增增大大的的影影响响大大致致与与因因温温度度升升高高使使粘粘度度降降低低的的影影响响相相抵抵，故故各各效效溶溶液液的的粘粘度度较较为为接接近近，各各效效的的传传热热系系数数也也大致相同。大致相同。缺点：缺点：缺点：缺点：溶液在效间的流动是由低压流溶液在效间的流动是由低压流向高压，效间溶液需用泵输送，向高压，效间溶液需用泵输送，能量消耗较大。能量消耗较大。各效（末效除外）均在低于沸各效（末效除外）均在低于沸点下进料，没有自蒸发，与并流点下进料，没有自蒸发，与并流法相比，所产生的二次蒸汽量较法相比，所产生的二次蒸汽量较少。少。适用于粘度随温度和浓度变化比较大的溶液，但不适适用于粘度随温度和浓度变化比较大的溶液，但不适用于热敏性物料的蒸发。用于热敏性物料的蒸发。第51页/共64页一、蒸发的操作方法一、蒸发的操作方法c.c.平流蒸发原理流程平流蒸发原理流程平流法是指原料液平行加入各平流法是指原料液平行加入各效，完成液分别由各效排出。效，完成液分别由各效排出。蒸汽的流向仍由第一效流向末蒸汽的流向仍由第一效流向末效。效。适用于蒸发过程中容易析出适用于蒸发过程中容易析出结晶的物料结晶的物料 (如食盐水在较如食盐水在较低浓度下即达到饱和状态而低浓度下即达到饱和状态而有结晶析出有结晶析出)，可避免在各效，可避免在各效间输送含有大量结晶的溶液。间输送含有大量结晶的溶液。第52页/共64页一、蒸发的