第六章蒸发技术课件.ppt

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1、1 第六章 蒸发技术第一节 蒸发的主要任务蒸发操作:将含有不挥发性溶质、挥发性溶剂的稀溶液加热至沸腾，使部分溶剂汽化并不断移除，从而提高溶 液中溶质浓度的操作。蒸发操作的任务就是将不挥发性的溶质和挥发性的溶剂进行分离。 蒸发操作主要采用饱和水蒸汽加热，而被蒸发的物料大多是水溶液，故蒸发时产生的蒸汽也是水蒸汽。热源蒸汽习惯上称为生蒸汽或一次蒸汽；从蒸发器汽化生成的水蒸气称为二次蒸汽。为了区别这两种蒸汽2 蒸发分类 1.按加热方式：直接加热和间接加热； 2.按加热情况：自然蒸发和沸腾蒸发； 自然蒸发加热温度低于溶液沸点，只在溶液表面发生汽化。沸腾蒸发加热温度等于溶液沸点，溶液内部和表面同时发生汽化

2、。 3.按蒸发器的效数：单效蒸发和多效蒸发 单效蒸发：若将二次蒸汽直接冷凝，而不再利用其冷凝热的操作。多效蒸发：若将两个或两个以上的蒸发器串联起来，二次蒸汽引到下一蒸发器作为 加热蒸汽，以利用其冷凝热的蒸发操作。 4.按操作方式：连续式蒸发和间歇式蒸发5.按操作压力：常压、加压及减压（真空蒸发）3真空蒸发的优点：可以使用低压蒸汽或废蒸汽做热源；减少系统的热损失；有利于 处理热敏性物料；在相同热源温度下可提高温度差。 真空蒸发的缺点：由于溶液沸点的降低会使粘度增大，沸腾时传热系数将降低；系 统需用真空装置，因而还会增加一些额外的能量消耗和设备。 蒸发过程的实质: 恒温传热. 即传热壁面一侧的蒸汽

3、冷凝与另一侧的溶液沸腾间的传热过程. 蒸发过程又具有不同于一般传热过程的特殊性： （1）溶液中含有不挥发性溶质，故在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点。（2）溶剂的蒸发量很大，需要耗用大量的加热蒸汽，同时产生大量的二次蒸汽， 如何利用二次蒸汽的潜热，是蒸发操作中要考虑的关键问题。 （3）溶液的特殊性决定了蒸发器的特殊结构. 4 第二节 单效蒸发一、单效蒸发流程 加热蒸汽在加热室的管间冷凝，所放出的热量通过管壁传给沸腾的溶液。被蒸发的溶液自分离室加入，经蒸发后的浓缩液由器底排出。汽化产生的二次蒸汽在分离室夹带的液沫加以分离后送往冷凝器与冷却水相混而被冷凝，冷凝液由冷凝器的底部排出。溶液中的不

4、凝性气体用真空泵抽走。5二、单效蒸发的计算单效蒸发计算的主要内容有：水分蒸发量；加热蒸气消耗量；蒸发器的传热面积。计算的依据是：物料衡算、热量衡算和传热速率方程。1水分蒸发量W的计算 D, T, hw (F-W)，w1, t1, h1 加热室D, T, HF,w0,t0,h0W, T, H蒸发室根据物料衡算衡算，蒸发前后溶质的量不变10wWFFw)(10wwFW1或 2加热蒸汽消耗量D D设：加热蒸汽为饱和蒸汽，且冷凝后在饱和温度下排出（仅放出潜热），显热及浓 缩热忽略不计。 6热蒸汽放出的热量Q全部用于以下三方面： （1）预热原料液Q预； （2）提供水分汽化的潜热Q汽； （3）补偿损失于周围

5、介质中的热量Q损。 根据热量衡算： Q = Q预+Q汽+Q损损QWrttFcDrQp010)(即： rQWrttFcD01p0损)(原料液的比热容可按下面的经验式计算 0001wcwccBppp水7 纯溶剂（水）的比热容，kJ/(水pcBpc纯溶质的比热容，kJ/() 当w020%时， （1）沸点进料 =001wccpp水讨论：不同进料温度对加热蒸汽用量的影响1t0trQWrD损若蒸发器的热损失忽略不计， rWrD 或 rrWDD/W单位蒸汽消耗量，蒸发1水时的蒸汽消耗量。 由于蒸汽的潜热随压力变化不大， 即 rr 故 1WD但实际上因蒸发器有热损失等的影响，D/W约为1.1或稍高。 8（2）

6、低于沸点进料 0t 产生自蒸发，加热蒸汽用量减少 rrWD1WD3蒸发器的传热面积计算均tKQA根据传热基本方程 9式中 换热器的传热面积，m2； 蒸发器的热负荷，W；AQ均tK传热平均温差，；换热器的总传热系数，W/( m2)。 根据热量衡算，蒸发器的热负荷 DrQ 蒸发过程为加热蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温传热1tTt均K值可按传热章提供的公式计算 三、溶液的沸点和温度差损失1.溶液的沸点溶液中溶质不挥发，在相同的条件下溶液的沸点总是比纯溶剂的沸点升高。实际操作中，已知加热蒸汽压力和二次蒸汽压力（冷凝器的压力）， 既可直接查得T（加热蒸汽温度）和T（二次蒸汽温度） 10视温度差 TTtT温

7、度差损失 产生温度差损失的原因主要有 TttTTTtt11T所以溶液的沸点 Tt12.温度差损失因溶液沸点升高引起的温度差损失 因加热管内液柱静压力而引起的温度差损失 由于管路流动阻力而引起的温度差损失 总温度差损失为： 若二次蒸汽的温度 T根据蒸发器分离室的压力（即不是冷凝器的压力）确定时 则 11（1）因溶液沸点升高引起的温度差损失 值主要和溶液的种类、浓度以及蒸发压力有关，其值由实验测定。=常压下溶液的沸点-常压下饱和水蒸汽的温度（a）常压下，某些无机盐水溶液的沸点与浓度的关系见附录。 （b）非常压下可用近似式计算。0ff校正系数， .r273T01620f2T操作压强下二次蒸汽的温度，

8、；r操作压强下二次蒸汽的汽化热，kJ/。12（2）因液柱静压力引起的温度差损失 =溶液平均压强下的沸点-液面压强下的沸点 即： 0pptt均 均pt均p根据平均压力求得的水的沸点，；0pt0p根据二次蒸汽压力求得的水的沸点，。蒸发器中溶液的平均压强： 2ghpp0均0p液面处的压力，即操作压力，Pa；溶液的密度，m3； h液层高度，m。 13（3）由于管路流动阻力引起的温度差损失 二次蒸汽由蒸发器流到冷凝器的过程中，因有流动阻力使其压力降低，蒸汽的饱和 T 温度也相应降低，由此引起的温度差损失即。 值的大小与二次蒸汽在管道中的流速、物性及管道尺寸等有关。根据经验，一般 取 为0.51.5第三节

9、 多效蒸发一、多效蒸发的操作原理 利用减压的方法使后一效蒸发器的操作压力和溶液的沸点均较前一效蒸发器的低， 使前一效蒸发器引出的二次蒸汽作为后一效蒸发器的加热蒸汽，且后一效蒸发器的加热室成为前一效蒸发器的冷却器。14二、多效蒸发的流程常用的多效蒸发流程有以下几种。1并流法（又称顺流法）料液与蒸汽的流向相同，如图6-3所示。料液和蒸汽都是由第一效依次流至末效。 优点： （1）溶液的输送可以利用各效间的压力差，自动的从前一效进入后一效，因而各效间可省去输送泵 （2）前效的操作压力和温度高于后效，料液从前效进入后效时因过热而自蒸发，在各效间不必设预热器（3）辅助设备少，流程紧凑；因而热量损失少，操作

10、方便，工艺条件稳定。 缺点： 后效温度更低而溶液浓度更高，故溶液的黏度逐效增大，降低了传热系数，往往需要 15更多的传热面积。因此，黏度随浓度增加很快的料液不宜采用此法。 2逆流法 料液与蒸汽的流向相反，如图6-4所示。料液从末效加入，必须用泵送入前一效； 而蒸汽从第一效加入，依次至末效。 优点：（1） 蒸发的温度随溶液浓度的增大而增高，这样各效的黏度相差很小，传热（2） 完成液排出温度较高，可以在减压下进一步闪蒸增浓。缺点： （1）辅助设备多，各效间须设料液泵；（2）各效均在低于沸点温度下进料，须设预热器（否则二次蒸汽量减少），故一般来说，逆流加料法宜于处理黏度随温度和浓度变化较大的料液蒸发

11、，但不适于热敏性物料的蒸发。 系数大致相同；能量消耗增大。用163平流加料法 料液同时加入到各效，完成液同时从各效引出，蒸汽从第一效依次流至末效，如图6-5所示。 此法用于蒸发过程中有结晶析出的场合；还可用于同时浓缩两种以上不同的料液，除此之外 般很少使用之。 三、多效蒸发效数的限定多效蒸发的效数的限定原则：当增加一效的设备费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了。 通常，工业上使用的多效蒸发装置，其效数并不是很多的。一般对于电解质溶液， 如NaOH等水溶液的蒸发，由于其沸点升高（即温度差损失）较大，故采用23效；对 于非电解质溶液，如葡萄糖的水溶液或其他有机溶液的蒸发,

12、由于其沸点升高较小所用 效数可取46效。 17 第四节 蒸发器图6-8 中央循环管式蒸发器1加热室分离室一、蒸发器的基本结构 蒸发器的构成：加热室和蒸发室（分离室）。 二、蒸发器的主要类型1自然循环型蒸发器溶液因受热程度不同而产生密度的差异，因此形成自然循环。（1）标准蒸发器（又称中央循环管式蒸发器） 其结构如图6-8所示。由于中央循环管与管束内的溶液受热情况不同，产生密度差异。于是溶液在中央循环管内下降， 由管束沸腾上升而不断地做循环运动，提高了传热效果。 优点：结构紧凑，制造方便，操作可靠。 缺点：清洗维修不便，溶液循环速度不高。 18一般适用于结垢不严重，有少量结晶析出和腐蚀性小的溶液蒸

13、发。（2）悬筐式蒸发器 其结构如图6-9所示。加热室（悬挂在蒸发器内的筐子）取出后可清洗，以备用的加热室替换而不影响生产时间。此设备的循环机理与标准式相同，但溶液是沿加热室外壁与蒸发器壳体内壁所形成的环隙通道下降，不断地作循环运动。 优点：可将加热室取出检修，热损失较标准式小，循环速度较标准式大， 缺点：结构更复杂。一般适用于易结垢溶液的蒸发。（3）外热式蒸发器 如图6-10所示，外热式蒸发器将加热室安装在分离室的外面。 这种结构不仅便于清洗和维修，而且降低了蒸发器的总高度。 由于可以采用较长的加热管，循环管又没有受到蒸汽加热， 因此，溶液的循环速度较大，可达到1.5m/s。 19（4）列文式

14、蒸发器 其结构如图6-11所示。 其结构特点：在加热室的上方增设一段2.75m高的沸腾段，使加热室承受较大的 液柱静压，故加热室内的溶液不沸腾。待溶液上升至沸腾段时，因静压的降低开始 沸腾汽化 优点：循环速度较大，结垢少，尤其适用于有晶体析出的溶液。 缺点：设备庞大，需要高大的厂房，因此使用受到了一定的限制。 （5）强制循环型蒸发器其结构如图6-12所示。其特点是溶液靠泵强制循环，循环速度可达25m/s 。由 于溶液的流速大，因此适用于有结晶析出或以结垢的溶液。但动力消耗大，每平方米传 热面积消耗功率为0.40.8kW 。 202单程型蒸发器这类蒸发器的特点是溶液通过加热室一次即达到所需的浓度

15、，且溶液沿加热管壁呈 膜状流动，故又称为膜式蒸发器。这类蒸发器蒸发速度快，溶液受热时间短，因此特别 适合处理热敏性溶液的蒸发。（1）升膜式蒸发器 其结构如图6-13所示。一般适用于稀溶液、热敏性及易气泡溶液的蒸发，而对高黏度（大于50kPas） 易结晶、易结垢的溶液不适用。 （2）降膜式蒸发器 其结构如图6-14所示。料液由加热室顶部加入，经液体分布器后均匀分布在每根加热管的内壁上，在重力 作用下呈膜状下降，在底部得到浓缩液。 三、蒸发器的辅助设备蒸发器的辅助装置主要包括：除沫器、冷凝器、真空装置、冷凝水排除器。 211.除沫器除沫器作用：将雾沫中的溶液聚集并与二次蒸汽分离。几种常用的除沫器如

16、图6-15所示，它们的原理都是利用液沫的惯性以实现汽液的分离。 冷凝器和真空装置二次蒸汽需要回收时应采用间壁是换热器，否则采用汽、液直接触的混合式换热器。 当蒸发减压操作时，无论用哪一种冷凝器，均需要在冷凝器后安装真空装置，不断抽出 冷凝液中的不凝性气体，以维持蒸发操作所需的负压。常用的真空装置有喷射泵水环真 空泵及往复式真空泵等。 冷凝水排除器（又称疏水器）冷凝水排除器的作用是在排除冷凝水的同时，阻止蒸汽排出。 常用冷凝水排除器有三种：浮杯式、膨胀式和热动力式。 22 第五节 蒸发过程运行操作 一、蒸发器的运行操作（以三效蒸发为例）1蒸发器开车前应检查各效蒸发器压力表、温度计、液位计以及相关

17、阀门是否正常。2输送加热蒸汽前，先打开冷凝水排放阀门，排出积水和污垢；打开放空阀，排出 空气及其他不凝性气体。 3蒸发器进料。当蒸发器内压力符合工艺指标时，开进料泵，先向一效蒸发器进料， 当一效液面达到规定液位时，向二效蒸发器进少量料液，待蒸发出二次蒸汽后，逐渐向 三效蒸发器进料至正常。 4正常操作要点（1）严格控制各效蒸发器液面，液面高度控制在适宜范围内。（2）巡回检查各效蒸发器过料情况及管路畅通情况。（3）严格控制最末效蒸发器的产品浓度。当浓度达到规定指标时，方可出料。（4）定时分析产品浓度。随时检查温度表、蒸发器加热室压力表、二次蒸汽压力表 等现场工艺数据。 23（5）经常检查各效蒸发器

18、设备有无振动、杂音、泄露等运行状况。 （6）蒸发器定期进行除垢、清洗。二、换热器常见故障与处理方法表6-2 蒸发器操作常见异常现象24三、蒸发过程的强化途径由于蒸发过程实质上是传热过程，所以蒸发过程的强化途径与传热过程的强化途径有许多相似之处。 蒸发器单位时间内单位传热面积蒸发的水分量为蒸发器的生产强度，用符号U表示。 AWU rtK均= 式中 U蒸发器的生产强度，kg/（m2.s）； W水分蒸发量，kg/s； A传热面积，m2； K传热系数，W/(m2)； 均t传热温度差，； r水的汽化潜热，kJ/kg。 UK均tr上式表明蒸发器的生产强度与传热系数、传热温度差及二次蒸汽的潜热 25有关。蒸发操作中潜热变化不大，影响蒸发器生产强度的主要因素为传热温度差 （2）提高真空度 均tK均tKU传热系数，增大传热温度差、传热系数，均可提高生产强度。 1. 增大传热温度差均t的措施（1）提高加热蒸汽压力 2. 增大传热系数K的措施 （1）提高蒸发器蒸发能力的主要途径是应提高传热系数K。 （2） 在操作中，应注意加热室中冷凝水及时排除和不凝性气体的定期排放。 （3）蒸发操作中器内液面高度的控制。