第七章蒸发优秀课件.ppt
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1、第七章蒸发第1页,本讲稿共65页一、蒸发的定义一、蒸发的定义 二、加热蒸气和二次蒸气二、加热蒸气和二次蒸气 蒸发:是利用溶质和溶剂挥发度的差异,将溶液加热至沸腾,使其中蒸发:是利用溶质和溶剂挥发度的差异,将溶液加热至沸腾,使其中的部分溶剂汽化并被移出,而溶质则不挥发,以提高溶液中溶质浓度的的部分溶剂汽化并被移出,而溶质则不挥发,以提高溶液中溶质浓度的操作。所涉及的平衡是汽操作。所涉及的平衡是汽-液平衡。液平衡。所用的设备称为蒸发器。所用的设备称为蒸发器。蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气,而蒸蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气,而蒸发的物料大多是水溶液,蒸发
2、时产生的蒸气也是水蒸气。为了易于区发的物料大多是水溶液,蒸发时产生的蒸气也是水蒸气。为了易于区别,前者称为别,前者称为加热蒸气或生蒸气加热蒸气或生蒸气,后者称为,后者称为二次蒸气二次蒸气。1.1 概述概述 本章介绍水溶液的蒸发。本章介绍水溶液的蒸发。额外蒸汽:额外蒸汽:多效蒸发中,将某一效的二次蒸汽引出一部分用作其他加热目的多效蒸发中,将某一效的二次蒸汽引出一部分用作其他加热目的的蒸汽(这部分蒸汽不再引入下一效)。的蒸汽(这部分蒸汽不再引入下一效)。第2页,本讲稿共65页三、分类三、分类 1、按操作室压力分:常压、加压、减压(真空)蒸发、按操作室压力分:常压、加压、减压(真空)蒸发 单效蒸发单
3、效蒸发:将二次蒸气不再利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的:将二次蒸气不再利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作。蒸发操作。多效蒸发多效蒸发:若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为加:若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸气,则可提高加热蒸气(生蒸气)的利用率,这种串联蒸热蒸气,则可提高加热蒸气(生蒸气)的利用率,这种串联蒸发操作称为多效蒸发。发操作称为多效蒸发。2、按二次蒸气的利用情况分:单效和多效蒸发、按二次蒸气的利用情况分:单效和多效蒸发 第3页,本讲稿共65页四、蒸发操作的特点四、蒸发操作的特点 1、传热性质:、传热性质:传热壁面一侧为加热蒸汽冷凝,另一侧为溶液进行沸腾,传热壁
4、面一侧为加热蒸汽冷凝,另一侧为溶液进行沸腾,故属于壁面两侧流体均有相变化的恒温差的传热过程。故属于壁面两侧流体均有相变化的恒温差的传热过程。2、溶液性质:、溶液性质:热敏性、腐蚀性、结晶性、结垢性、泡沫、粘度等。热敏性、腐蚀性、结晶性、结垢性、泡沫、粘度等。3、沸点升高:、沸点升高:当加热蒸气一定时,蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发当加热蒸气一定时,蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发纯水的温度差。纯水的温度差。4、泡沫挟带:、泡沫挟带:二次蒸气中带有大量泡沫,易造成物料损失和冷凝设备污染。二次蒸气中带有大量泡沫,易造成物料损失和冷凝设备污染。5、能源利用:二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之
5、一。、能源利用:二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。第4页,本讲稿共65页溶液的沸点升高溶液的沸点升高:溶液中含有不挥发的溶质,在相同条件下,其溶液中含有不挥发的溶质,在相同条件下,其蒸气压比纯水的低,所以溶液的沸点就比纯水的要高两者之差,称蒸气压比纯水的低,所以溶液的沸点就比纯水的要高两者之差,称为溶液的沸点升高。为溶液的沸点升高。稀溶液或有机溶液沸点升高值较小,无机盐溶液沸点升高值较大。稀溶液或有机溶液沸点升高值较小,无机盐溶液沸点升高值较大。对于同一种溶液,沸点升高值随溶液浓度及蒸发器内液柱高度对于同一种溶液,沸点升高值随溶液浓度及蒸发器内液柱高度而异,浓度越大,液柱越高,沸
6、点升高值越大。而异,浓度越大,液柱越高,沸点升高值越大。1.2 单效蒸发单效蒸发1.2.1 溶液的沸点溶液的沸点溶液的沸点由压强、溶液浓度和溶质性质所决定。溶液的沸点由压强、溶液浓度和溶质性质所决定。第5页,本讲稿共65页溶液沸点升高的计算公式:溶液沸点升高的计算公式:式中式中 溶液的沸点升高,溶液的沸点升高,t 溶液的沸点,溶液的沸点,T/与溶液压强相等时水的沸点,即二次蒸气的与溶液压强相等时水的沸点,即二次蒸气的 饱和温度,饱和温度,沸点升高现象对蒸发操作的有效温度差不利。由于有沸点升高沸点升高现象对蒸发操作的有效温度差不利。由于有沸点升高现象,使同条件下蒸发溶液时的有效温度差降低,其值与
7、同条件现象,使同条件下蒸发溶液时的有效温度差降低,其值与同条件下的沸点升高值相同。下的沸点升高值相同。第6页,本讲稿共65页1.2.2 溶液的沸点升高和温度差损失溶液的沸点升高和温度差损失T,T k在一定压强下水的沸点,在一定压强下水的沸点,亦即二次蒸汽的饱和温度,亦即二次蒸汽的饱和温度,T=T kT(Ts)加热蒸汽的温度;加热蒸汽的温度;t蒸发器内溶液的沸腾温度蒸发器内溶液的沸腾温度(即溶液的沸点)。(即溶液的沸点)。总温差(实际传热温差):总温差(实际传热温差):有效温差:有效温差:温差损失:温差损失:-TT kttT(11-1)(11-2)(11-3)第7页,本讲稿共65页例例11-2用
8、用476kN/m2(绝压)的水蒸气作为加热蒸汽(绝压)的水蒸气作为加热蒸汽(T=Ts=150),蒸发室内压力为蒸发室内压力为1atm,蒸发,蒸发30%的的NaOH溶液,沸点为溶液,沸点为t=115,其最大传热温度差,用,其最大传热温度差,用t0来表示:来表示:t0=T-T=150-100=50 有效温度差为:有效温度差为:t=T-t=150-115=35 则温度差损失为:则温度差损失为:=t0-t=(T-T)-(T-t)=t-T=15 即传热温度差损失等于溶液的沸点与同压下水的沸点之差。只有即传热温度差损失等于溶液的沸点与同压下水的沸点之差。只有求得求得,才可求得溶液的沸点,才可求得溶液的沸点
9、t(=T+)和有效传热温度差)和有效传热温度差t(=t0-)。)。第8页,本讲稿共65页1 因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失3 因管路流体阻力而引起的温度差损失因管路流体阻力而引起的温度差损失 2 因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失总温度差损失为:总温度差损失为:1.2.3 蒸发过程中引起温度差损失的原因蒸发过程中引起温度差损失的原因 第9页,本讲稿共65页式中式中 常压下溶液的沸点升高,可由实验测定的常压下溶液的沸点升高,可由实验测定的tA值值 求得,求得,;表;表11-1;操作条件下溶液的沸点升高,操作条件下
10、溶液的沸点升高,;f校正系数,无因次。其经验计算式为:校正系数,无因次。其经验计算式为:式中式中 T操作压强下二次蒸气操作压强下二次蒸气(饱和水蒸气)(饱和水蒸气)的温度,的温度,;r操作压强下二次蒸气操作压强下二次蒸气(饱和水蒸气)(饱和水蒸气)的汽化热,的汽化热,kJ/kg。(1)吉辛柯公式)吉辛柯公式(11-4)(11-5)1 溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失 第10页,本讲稿共65页(2)杜林规则杜林规则 该该规规则则认认为为:某某溶溶液液(或或液液体体)在在两两种种不不同同压压力力下下两两沸沸点点之之差差与与另一标准液体在相应压力下两沸点之差,其比值为
11、一常数,即另一标准液体在相应压力下两沸点之差,其比值为一常数,即 式中式中 tA、tw分别为压强分别为压强pM下溶液的沸点与纯水的沸点,下溶液的沸点与纯水的沸点,tA、tw分别为压强分别为压强pN下溶液的沸点与纯水的沸点,下溶液的沸点与纯水的沸点,一一定定浓浓度度下下溶溶液液的的沸沸点点与与相相同同压压强强下下水水的的沸沸点点呈呈直直线线关关系系,可可以利用杜林线求不同浓度的溶液在任一压力下的沸点。以利用杜林线求不同浓度的溶液在任一压力下的沸点。(11-6)第11页,本讲稿共65页当某压强下水的沸点当某压强下水的沸点tw=0时,则上式变为:时,则上式变为:式中式中 ym杜林线的截距,杜林线的截
12、距,注注意意:不不同同浓浓度度的的杜杜林林线线是是不不平平行行的的,斜斜率率k与与截截距距ym都都是是溶溶液液质量浓度质量浓度x的函数。的函数。对一定浓度的溶液,只要知道它在两个不同压强下的沸点,再查对一定浓度的溶液,只要知道它在两个不同压强下的沸点,再查出相应压强下水的沸点,即可绘出该浓度溶液的杜林直线,由此直线出相应压强下水的沸点,即可绘出该浓度溶液的杜林直线,由此直线就可求得该溶液在其他压强下的沸点。就可求得该溶液在其他压强下的沸点。第12页,本讲稿共65页 蒸蒸发发器器内内的的沸沸腾腾一一般般是是在在加加热热管管内内沸沸腾腾,加加热热管管内内溶溶液液液液位位维维持持一一定定,处处于于不
13、不同同深深度度的的溶溶液液受受到到不不同同的的静静压压强强,所所以以溶溶液液内内部部的的沸沸点点比比液液面面处处的沸点高,两者之差即为由液层静压引起的温度差损失。的沸点高,两者之差即为由液层静压引起的温度差损失。式中式中 pm液层中部的平均压强,液层中部的平均压强,Pa p0液面的压强,即二次蒸气的压强,液面的压强,即二次蒸气的压强,Pa h液层深度,液层深度,m 简简化化处处理理:计计算算时时以以液液层层中中部部的的平平均均压压强强pm及及相相应应的的沸沸点点tm为为准准,中中部的压强为:部的压强为:2 加加热管内管内液柱静压强而引起的温度差损失液柱静压强而引起的温度差损失(11-7)第13
14、页,本讲稿共65页 常常根根据据平平均均压压强强pm查查出出纯纯水水的的相相应应沸沸点点tm,故故因因静静压压强强而而引引起起的的温温度度差损失为:差损失为:=tm-t0 (11-8)式中式中 tm 与平均压强与平均压强pm相对应纯水的沸点,相对应纯水的沸点,t0与二次蒸气压强与二次蒸气压强p相对应的水的沸点,相对应的水的沸点,影响影响的因素:的因素:(1)沸沸腾腾时时液液层层内内混混有有气气泡泡,液液层层的的实实际际密密度度较较计计算算公公式式所所用用的的纯纯液液体密度要小,使得算出的体密度要小,使得算出的值偏大;值偏大;(2)当当溶溶液液在在加加热热管管内内的的循循环环速速度度较较大大时时
15、,就就会会因因流流体体阻阻力力使使平平均均压压强增高。强增高。第14页,本讲稿共65页 多多效效蒸蒸发发中中二二次次蒸蒸汽汽由由前前效效经经管管路路送送至至下下效效作作为为加加热热蒸蒸汽汽,因因管管道道流流动动阻阻力力使使二二次次蒸蒸汽汽的的压压强强稍稍有有降降低低,温温度度也也相相应应下下降降,一一般般约约降降1。取效间二次蒸汽温度下降取效间二次蒸汽温度下降1;末效或单效蒸发器至冷凝器间下降末效或单效蒸发器至冷凝器间下降11.5。3 由于管路流动阻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需要注意的是:需要注意的是:对对于于单单效蒸效蒸发发,若指定的是蒸,若指定的是蒸发发器内的操
16、作器内的操作压压强强,则则不不计计入温度差入温度差损损失中。失中。第15页,本讲稿共65页例例11-2 用连续真空蒸发器将桃浆从含固形物用连续真空蒸发器将桃浆从含固形物11%浓缩至浓缩至40%。蒸发器内真空度为蒸发器内真空度为93.3 kPa,液层深度为,液层深度为2 m,采用,采用100 蒸汽加蒸汽加热,桃浆的密度为热,桃浆的密度为1180 kg/m3。求温度差损失、蒸发器的有效温差。求温度差损失、蒸发器的有效温差解:解:(1)93.3 kPa真空度下,绝对压强为真空度下,绝对压强为8.0 kPa。在此绝对压强下,。在此绝对压强下,水蒸气的饱和温度为水蒸气的饱和温度为41.6,在该温度下水的
17、汽化潜热,在该温度下水的汽化潜热 r2 400 kJ/kg,参考糖液的数据,常压下沸点的升高,参考糖液的数据,常压下沸点的升高 a为为1.0。由吉辛柯公式:。由吉辛柯公式:0.668(2)液体平均压强:)液体平均压强:第16页,本讲稿共65页查附录饱和水蒸汽表得:查附录饱和水蒸汽表得:tm59.6,则:,则:59.6-41.618.0(3)有效温差:)有效温差:+0.668+18.0=18.7 t0T-T=100-41.658.4 tt0-58.4-18.739.7(4)溶液的沸点:)溶液的沸点:t=+T=18.7+41.6=60.3 第17页,本讲稿共65页单效蒸发的计算项目有:单效蒸发的计
18、算项目有:(1)蒸发量;)蒸发量;(2)加热蒸气消耗量;)加热蒸气消耗量;(3)蒸发器的传热面积)蒸发器的传热面积。通常生产任务中已知的项目有:通常生产任务中已知的项目有:(1)原料液流量、组成与温度;)原料液流量、组成与温度;(2)完成液组成;)完成液组成;(3)加热蒸气压强或温度;)加热蒸气压强或温度;(4)冷凝器的压强或温度。)冷凝器的压强或温度。2.2 单效蒸发的计算单效蒸发的计算 第18页,本讲稿共65页加热室加热室 蒸发室蒸发室 F,x0,t0,h0 D,T,H W,T,H D,T0,hw (F-W),x1 t1,h1 QL 第19页,本讲稿共65页式中式中 F原料液流量原料液流量
19、kg/h;W蒸发量蒸发量kg/h;x0原料液的质量组成原料液的质量组成(质量分数质量分数);x1完成液的组成完成液的组成(质量分数质量分数);对单效蒸发器作溶质衡算,得对单效蒸发器作溶质衡算,得(11-9)1 1 蒸蒸发发量量w w 第20页,本讲稿共65页 蒸发操作中,加热蒸气的热量一般用于将溶液加热至沸点,蒸发操作中,加热蒸气的热量一般用于将溶液加热至沸点,将水分蒸发为蒸气以及向周围散失的热量。将水分蒸发为蒸气以及向周围散失的热量。对于某些溶液,如对于某些溶液,如CaCl2、NaOH、H2SO4等水溶液稀释时释放出热等水溶液稀释时释放出热量,则当其蒸发浓缩时应考虑供给和稀释热相当的浓缩热。
20、量,则当其蒸发浓缩时应考虑供给和稀释热相当的浓缩热。2 2 加加热热蒸气消耗量蒸气消耗量D D 第21页,本讲稿共65页式中式中 D加热蒸气的消耗量加热蒸气的消耗量,kg/h H加热蒸气的焓加热蒸气的焓,kJ/kg h0原料液的焓原料液的焓,kJ/kg H二次蒸气的焓二次蒸气的焓,kJ/kg h1完成液的焓完成液的焓,kJ/kg hw冷凝水的焓冷凝水的焓,kJ/kg QL热损失热损失,kJ/h (11-10)对单效蒸发器作物料的热量衡算,得对单效蒸发器作物料的热量衡算,得(11-10a)2.1 溶液稀释热不可忽略时溶液稀释热不可忽略时 第22页,本讲稿共65页若加热蒸气的冷凝液在蒸气的饱和温度
21、下排除,则若加热蒸气的冷凝液在蒸气的饱和温度下排除,则 式中式中 r加热蒸气的汽化热,加热蒸气的汽化热,kJ/kg 稀释热不可忽略时,溶液的焓可由专用的焓浓图查得。稀释热不可忽略时,溶液的焓可由专用的焓浓图查得。则上式变为则上式变为 H-hw=r 第23页,本讲稿共65页溶液的稀释热可以忽略时,溶液的焓可由比热算出,即溶液的稀释热可以忽略时,溶液的焓可由比热算出,即 h0=cp0(t-0)=cp0t0 h1=cp1(t-0)=cp1t1 hw=cpw(t-0)=cpwtw 代入蒸发器物料的热量衡算式中,则有代入蒸发器物料的热量衡算式中,则有 D(H-cpwT)=WH+(F-W)cp1t1-Fc
22、p0t0+QL (11-10b)2.2 溶液的稀释热可以忽略时溶液的稀释热可以忽略时 第24页,本讲稿共65页计算溶液比热的经验公式为:计算溶液比热的经验公式为:Cp=cpw(1-x)+cpBx (11-11)式中式中 Cp溶液的比热溶液的比热,kJ/(kg);Cpw纯水的比热纯水的比热,kJ/(kg);CpB溶质的比热溶质的比热,kJ/(kg).当当x0.2时,上式简化为:时,上式简化为:Cp=cpw(1-x)(11-11a)第25页,本讲稿共65页为简化计算,上式中完成液的比热可用原料液的比热表示。为简化计算,上式中完成液的比热可用原料液的比热表示。联立上两式,得联立上两式,得 (cp0-
23、cpw)x1=(cp1-cpw)x0 计算原料液及完成液的比热可分别写成:计算原料液及完成液的比热可分别写成:Cp0=cpw(1-x0)+cpBx0=cpw-(cpw-cpB)x0 Cp1=cpw(1-x1)+cpBx1=cpw-(cpw-cpB)x1 第26页,本讲稿共65页上式即为完成液比热与原料液比热间的关系式。上式即为完成液比热与原料液比热间的关系式。Fx0=(F-W)x1 (cp0-cpw)x1=(cp1-cpw)x0 (F-W)cp1=Fcp0-Wcpw (11-12)将式将式11-12代入代入11-10b,并整理得:,并整理得:第27页,本讲稿共65页由于由于 H-cpwTr H
24、-cpwt1r 式中式中 r加热蒸气的汽化热,加热蒸气的汽化热,kJ/kg;r二次蒸气的汽化热,二次蒸气的汽化热,kJ/kg。将上两式代入上式,并简化得:将上两式代入上式,并简化得:上式说明加热蒸气的热量用于将原料液加热到沸点、蒸发水分以上式说明加热蒸气的热量用于将原料液加热到沸点、蒸发水分以及向周围的热损失。及向周围的热损失。Q=Dr=Wr+Fcp0(t1-t0)+QL (11-13a)第28页,本讲稿共65页蒸发器的热量衡算蒸发器的热量衡算加热蒸汽的加热蒸汽的热量热量蒸发水分需要蒸发水分需要的热量的热量将原料液加热到将原料液加热到沸点需要的热量沸点需要的热量热损失热损失r加热蒸汽的汽化潜热
25、,加热蒸汽的汽化潜热,kJ/kg;r二次蒸汽的汽化潜热,二次蒸汽的汽化潜热,kJ/kg;式中:式中:Q-蒸发器的热负荷,蒸发器的热负荷,kJ/h;a为蒸发器的热损失为蒸发器的热损失 占总传热量的占总传热量的%。第29页,本讲稿共65页 若若原原料料液液预预热热至至沸沸点点再再进进入入蒸蒸发发器器,即即t1t0,且且忽忽略略热热损损失失,上式简化为:上式简化为:(11-14)(11-15)式式中中 e蒸蒸发发1kg水水分分时时,加加热热蒸蒸气气的的消消耗耗量量,称称为为单单位位蒸蒸气气耗耗量量,kg/kg。第30页,本讲稿共65页单单效效蒸蒸发发操操作作中中e1,每每蒸蒸发发1kg 的的水水分分
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