（中职）化工原理 (第三版)(上册)第五章蒸发ppt教学课件.ppt

正版可修改PPT课件（中职）化工原理(第三版)(上册)第五章蒸发ppt教学课件第五章第五章 蒸发蒸发第一节第一节 概述概述一、基本概念（1）蒸发概念 将溶液加热，使其中部分溶剂汽化并不断除去，以提高溶液中溶质浓度的操作。（2）蒸发的方式 自然蒸发 溶液中的溶剂在低于沸点下汽化，溶剂的汽化仅发生在溶液表面，蒸发速率慢。沸腾蒸发 溶液中的溶剂在沸点下汽化，溶液的各个部分几乎都同时发生汽化，蒸发速率快。工业上大多采用沸腾蒸发。（3）蒸发操作的必要条件 不断供热使溶剂汽化；汽化后的溶剂要及时地移除。二、蒸发在工业生产中的应用（1）浓缩稀溶液，制取产品或半成品（2）制取纯净的溶剂作为产品（3）同时制取浓缩液和回收溶剂 三、蒸发操作的特点蒸发是间壁两侧均发生相变化的传热过程，蒸发速率取决于传热速率，工程上常把它归类为传热过程，但和一般传热过程相比有以下特点。蒸发的物料是溶有不挥发性溶质的溶液，在进行蒸发设备的计算时，必须考虑溶液沸点的升高。被蒸发的溶液本身常具有某些特性，在选择蒸发方法和设备时，必须考虑物料的特性，如热敏性、腐蚀性、结垢、结晶或产生泡沫等。蒸发时需要大量的加热蒸汽，节能问题比一般传热过程更为突出。四、蒸发操作的分类1.按操作压强分（1）常压蒸发 蒸发在常压下进行，可用敞口设备，二次蒸汽直接排到大气中。（2）减压蒸发 也叫真空蒸发，操作压强低于外界大气压，在密闭的设备内进行。二次蒸汽在冷凝器中冷凝，并用真空泵抽取其中的不凝性气体，以造成设备的真空。减压蒸发的优点是：降低了溶液的沸点，在加热蒸汽温度一定时，蒸发器的传热温度差增大，可减少蒸发器的传热面积；由于溶液沸点降低，可以利用低压蒸汽或废热蒸汽作为加热蒸汽，以充分利用能源；溶液沸点低，可防止热敏性物料变性或分解，适用于一些热敏性物料的蒸发；由于操作温度低，可减少设备的热损失。减压蒸发的缺点：由于温度降低，溶液的黏度增大，使蒸发器的传热系数减小，同时，减压蒸发时，造成真空需要增加设备和动力。（3）加压蒸发 操作压强高于外界大气压，在密闭的设备内进行。在加压下进行操作，提高了二次蒸汽的温度，就有可能利用二次蒸汽作为其他设备（如预热器）的加热剂，以提高热能的利用率。同时，溶液的沸点升高，使溶液的流动性能曾强，有利于提高传热效果。2.按二次蒸汽的利用情况分（1）单效蒸发 溶液在蒸发器内蒸发时，所产生的二次蒸汽不再利用或被利用于蒸发器以外的操作，称为单放蒸发。（2）多效蒸发 将二次蒸汽引至另一压强较低的蒸发器的加热室，作为加热蒸汽来使用，以提高加热蒸汽的利用率，这种将多个蒸发器串联，使二次蒸汽在蒸发过程中，得到再利用的蒸发操作称为多效蒸发。3.按操作方式分（1）间歇蒸发 它又可分为一次进料、一次出料和连续进料、一次出料两种形式。间歇蒸发的特点是蒸发过程中，溶液的浓度和沸点随时间改变，所以是不稳定操作，适合于小规模、多品种的场合。（2）连续蒸发连续进料，完成液连续排出，蒸发为稳定操作，适合于大规模的生产过程。第二节第二节 单效蒸发单效蒸发一、单效蒸发流程图5-1为单效真空蒸发的基本流程。其中蒸发器为主体设备，由加热室和蒸发室构成。二、单效蒸发的计算单效蒸发是在一个蒸发器内进行蒸发操作，对于单效蒸发，在给定生产任务和确定了操作条件后，则可应用物料衡算、热量衡算和传热基本方程式，计算蒸发操作中水分蒸发量、加热蒸汽消耗量和蒸发器的传热面积。1水分蒸发量的计算对图5-2所示的单效蒸发器作溶质的物料衡算，在稳定连续操作中，单位时间进入和离开蒸发器的溶质数量应相等，即 w0=()w1由物料衡算式可得水分蒸发量为 （5-1）完成液的浓度 （5-2）完成液量 （5-3）2加热蒸汽消耗量的计算对图5-2所示的单效蒸发器作热量衡算。当加热蒸汽为饱和蒸汽，冷凝液在饱和温度下排出时，单位时间内加热蒸汽放出的热量为 Q=Dr （5-4）加热蒸汽放出的热量主要用于以下三个方面：（1）将原料液由进料温度t0升温到沸点t沸，所需的热量为Q1 Q1=Fc(t沸-t0)（5-5）（2）使水在t沸温度下汽化成二次蒸汽，所需的热量为Q2 Q2=Wr （5-6）（3）补偿蒸发器的热损失Q损。根据热量衡算原则，有 Q=Q1+Q2+Q损即 Dr=Fc(t沸-t0)+W r+Q损所以 （5-7）若原料液在沸点下进入蒸发器，并同时忽略热损失，由式（5-7）可得单位蒸汽消耗量为 或 (5-8)式中，称为单位蒸汽消耗量，即蒸发1kg水时的蒸汽消耗量，常用以表示蒸汽的经济程度。由于蒸汽的潜热随温度的变化不大，即rr则，即蒸发kg的水需要1kg的加热蒸汽。但实际上，由于热损失等因素，的数值约为1.1或更大。3蒸发器传热面积的计算蒸发器的传热面积可依传热基本方程式求得，即 （5-9）式中的热负荷依热量衡算求取，若加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出，且忽略热损失，则蒸发器的热负荷为=r。由于蒸发过程为蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温传热，tm=T-t沸，故有：（5-10）传热系数值大多根据实测数据或经验值来选定。表5-1列出了几种常用蒸发器K值的大致范围，可供参考。第三节第三节 多效蒸发多效蒸发多效蒸发的操作原理：利用减压的方法使后一个蒸发器的操作压强和溶液的沸点均较前一个蒸发器的为低，以使前一个蒸发器引出的二次蒸汽作为后一个蒸发器的加热蒸汽，且后一个蒸发器的加热室为前一个蒸发器的冷凝器。按此原则将几个蒸发器顺次连接起来协同操作。每一个蒸发器称为一效。多效蒸发对节能的意义：蒸发操作费用主要是汽化溶剂（如水）所需消耗的蒸汽动力费。单效蒸发时，单位蒸汽消耗量大于1，采用多效蒸发时，随着效数的增加，单位蒸汽消耗量减小，相应的操作费用降低。由表5-2可知，效数越多，单位蒸汽消耗量越少，操作费用越低，所以在蒸发大量水分时，广泛采用多效蒸发。效 数单 效双 效三 效 四 效五 效（D/W）最小1.10.570.40.30.27表5-2 最小单位蒸汽消耗量一、多效蒸流程1并流法并流加料法是工业中常用的加料法。如图5-3所示，溶液流向与蒸汽相同，即由第一效顺序流至末效。并流加料的优点为：由于后一效蒸发室的压强较前一效为低，故溶液在效间的输送不需用泵，就能自动从前效进入后效。由于后一效溶液的沸点较前一效为低，故前一效的溶液进入后一效时，会因过热而自行蒸发,因而可产生较多的二次蒸汽。由末效引出完成液，因其沸点最低，故带走的热量最少，减少了热量损失。并流加料的缺点是：由于后一效溶液的浓度较前一效为大，且温度又较低，所以料液黏度沿流动方向逐效增大，致使后效的传热系数降低。故对黏度随浓度的增加而迅速增大的溶液，不宜采用并流法进行多效蒸发。2逆流法如图5-4所示，原料液由末效加入，用泵送入前一效，完成液由第一效底部排出，而加热蒸汽仍是加入第一效加热室，与并流法蒸汽流向相同。逆流法的优点在于随着溶液浓度的增大，温度也随着升高，因而各效溶液的黏度较为接近，使各效的传热系数也大致相同。其缺点是效间溶液需用泵输送，增加设备和能量消耗；又除末效外各效进料温度都低于沸点，故无自蒸发现象，与并流法相比较，所产生的二次蒸汽量较少。此法宜用于处理黏度随温度和浓度变化较大的溶液，而不适宜于处理热敏性物料。3平流法此法是按各效分别加料并分别出料的方式进行操作。而加热蒸汽仍是加入第一效的加热室，其流向与并流相同，如图5-5所示。平流法适用于在蒸发过程中同时有结晶析出的场合，因其可避免结晶体在效间输送时堵塞管道，或用于对稀溶液稍加浓缩的场合。此法缺点是每效皆处于最大浓度下进行蒸发，所以溶液黏度大，使传热系数较小。二、多效蒸发中效数的限制多效蒸发可以提高加热蒸汽的利用率，所以多效蒸发的操作费用是随着效数的增加而减少。但从表5-2可知，虽然（/）最小是随着效数的增加而不断减小，但所节省的加热蒸汽量亦随之减小，例如由单效改为双效，可节省加热蒸汽量约为50，而从四效增为五效，可节省加热蒸汽量就已降为10。另一方面，增加效数就需要增加设备费用，而当增加一效的设备费用不能与所节省的加热蒸汽的收益相抵时，就没有必要再增加效数，所以多效蒸发的效数是有一定限度的，必须对设备费和操作费进行权衡以决定最适宜的效数。第四节第四节 蒸蒸 发发 设设 备备由上述可知，蒸发实属于传热过程，因此蒸发器也是一种换热器。但蒸发时需要不断地除去汽化所产生的二次蒸汽，所以，蒸发设备除了用来进行加热及汽、液分离的蒸发器这一主体设备外，还有使二次蒸汽中液沫得以进一步分离的除沫装置和使二次蒸汽全部冷凝的冷凝器。真空蒸发时还需抽真空装置。一、蒸发器蒸发器有多种型式，但它们均由加热室和分离室两部分组成。1循环型蒸发器由于引起循环的原因不同，又分为自然循环和强制循环两类。（1）中央循环管式蒸发器 这种蒸发器的结构如图5-6所示。中央循环管式蒸发器的优点是：构造简单，传热效果好，操作可靠。应用十分广泛，有所谓“标准式蒸发器”之称。但由于循环速度较低，一般在0.5m/s以下，且因溶液在加热室中不断循环，操作中蒸发器内溶液总是处于接近于完成液浓度，因而溶液的沸点高、黏度大影响了传热效果。此外，蒸发器的加热室不易清洗。中央循环管式蒸发器适用于蒸发结垢不严重，有少量结晶析出和腐蚀性较小的溶液。（2）外热式蒸发器 这种蒸发器如图5-7所示。其加热室安装在蒸发器外面，因此不仅可以便于加热室的清洗和更换，而且可以降低蒸发器的高度。它的加热管束较长，而循环管内的溶液又没有受到蒸汽的加热，因此溶液的循环速度较大。可达 1.5m/s。（3）强制循环蒸发器 上述两种蒸发器都属于自然循环蒸发器，溶液的循环速度都较低。图5-8所示为强制循环蒸发器，溶液的循环是借外力的作用，在循环通道中装置一台循环泵，迫使溶液沿一定方向流动而产生循环，循环速度一般为25m/s。强制循环蒸发器的传热系数较自然循环蒸发器的为大，但是其动力消耗较大，它适用于高黏度和易生泡沫溶液的蒸发。2单程型蒸发器这一类型蒸发器的主要特点是溶液通过加热室一次，不作循环流动即达到所需要的浓度而排出，而停留时间仅数秒钟，且溶液沿加热管呈膜状流动，故习惯上又称为液膜式蒸发器。（1）升膜式蒸发器 如图5-9所示。它适用于处理蒸发量较大的稀溶液，热敏性及易生泡沫的溶液，不适用于高黏度、有晶体析出或易结垢溶液的蒸发。（2）降膜式蒸发器 如图5-10所示。它与升膜式蒸发器的区别是料液从蒸发器的加热室顶部加入，在重力作用下沿管壁呈膜状下降，并在此过程中不断被蒸发而增浓，汽液混合物流至底部进入分离器，完成液由分离器底部排出。降膜式蒸发器可以蒸发浓度、黏度较大的溶液（例如黏度在0.050.45PaS范围内），但也不适用于结晶析出或易结垢的溶液。图5-11列出几种常见的液体分布器。（3）刮板式搅拌薄膜蒸发器 这是一种利用外加动力成膜的单程型蒸发器，其结构如图5-12所示。这种蒸发器适用于处理易结晶、易结垢、高黏度的溶液。在某些情况下可将溶液蒸干而由底部直接获得固体产物。其缺点是结构复杂，动力消耗较大，处理量较小。二、蒸发器的辅助装置1除沫器常见的如图5-13所示。图中由（a）到（c）直接安装在蒸发器内顶部；（d）为旋风式分离器则安装在蒸发器的外面。它们主要是利用液沫的惯性以达到汽液的分离。2冷凝器和真空装置在蒸发操作中，当二次蒸气是有价值的产品，需要加以回收，或着它会严重污染冷却水时，则应采用间壁式冷凝器；否则可采用气液直接接触的混合式冷凝器。常用的干式逆流高位冷凝器见第四章内容中图4-2所示。当蒸发器采用减压操作时，无论用哪一种冷凝器，均需要在冷凝器后安装真空装置，排除不凝性气体，以维持蒸发操作所要求的真空度。常用的真空度装置有喷射泵、水环式真空泵及往复式真空泵等。三、提高蒸发器生产强度的途径1.蒸发器的生产强度蒸发器的生产强度简称蒸发强度，是指单位传热面积上每单位时间内所蒸发的水分量，用U表示，其单位为kg/（m2h），即 （5-11）蒸发强度是评价蒸发器优劣的重要指标。对于给定的蒸发量来说，蒸发强度越大，所需的传热面积越小，因而蒸发设备的投资费用越小。若溶液在沸点下进料，并忽略蒸发器的热损失，将式(5-8)和式（5-10）代入式(5-11)可得 （5-12）2.提高蒸发器生产强度的途径由式（5-12）可知，提高蒸发器生产强度的途径是提高总传热系数和传热温度差tm。（1）提高传热温度差 蒸发器的传热温度差受加热蒸汽和冷凝器压强的限制。另外，对于循环型蒸发器，为了控制沸腾操作局限于泡核沸腾区，也不宜采用过高的传热温度差。所以传热温度差的提高是有一定限度的。（2）提高总传热系数 主要措施是：及时排放加热蒸汽侧的不凝性气体；增加管内溶液的循环速度,以提高值；防止或减少溶液侧污垢热阻的生成，定期清洗加热管。