单效蒸发计算课件.pdf
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1、7 蒸发(Evaporation)7.1概述7.2单效蒸发计算7.3蒸发操作的经济性和操作方式7.1概述(1)蒸发操作的目的(2)蒸发的流程(3)加热蒸汽和二次蒸汽(4)分类_(5)蒸发操作的特点7.1概述(1)蒸发操作的目的获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品。脱除溶剂,将溶液增溶至饱和状态,随后加以冷却,析出固体产物,即采用蒸发,结晶的联合操作以获得固体溶 质。除杂质,获得纯净的溶剂。7.1概述(3)加热蒸汽和二次蒸汽加热蒸汽:用于加热的蒸汽二次蒸汽:由溶液蒸发出来的蒸汽(4)分类 按蒸发操作空间的压力可分为:常压,加压,或者减 压(真空)蒸发。按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效
2、蒸发。7.1概述(5)蒸发操作的特点沸点升高溶液的性质往往对蒸发器的结构设计提出特殊的要求。溶剂汽化需吸收大量汽化热,因此蒸发操作是大量耗热 的过程,节婕蒸发操作应予考虑的重要问题。浓溶液在沸腾汽化过程中常在加热表面上析出溶质而形 成垢层,使传热过程恶化。7.2 单效蒸发(single-effect evaporation)721单效蒸发的计算(1)物料衡算(2)热量衡算(3)蒸发器传热面积的计算(4)速缩热和溶液的焰浓图722蒸发设备中的温度差损失(1)溶液的沸点升高和杜林规则(2)液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响(3)因蒸汽流动阻力引起的温度差损失(4)单效蒸发过程的计算7.2
3、.1单效蒸发的计算对于单效蒸发,在给定的生产任务和确定了操作条件以 后,通常需要计算以下的这些内容:水分的蒸发量;加热蒸汽消耗量;-蒸发器的传热面积。要解决以上问题,我们可应用物料衡算方程、热量衡算 方程和传热速率方程来解决。7.2.1单效蒸发的计算(1)物料衡算溶质在蒸发过程中不挥发,且蒸发过程是个定态过程,单式中分别为料液、完成液的质量分数。7.2.1单效蒸发的计算(2)热量衡算对蒸发器作热量衡算,当加热蒸汽在饱和温度下排出时,DHS+=(F-W)入+WH+Dhs+Qt(3)D(Hs-hs)=F(h-hQ)+W(H-h)+Qt(4)式中 D-加热蒸汽消耗量,kg/s;t-加料液与完成液的温
4、度,;九o,h,hs-加料液,完成液和冷凝水的热燃,kj/kg;H,Hs二次蒸汽和加热蒸汽的热始,kj/kgo式中热损失0可视具体条件来取加热蒸汽放热量(。火)的某一百分数。7.2.1单效蒸发的计算(2)热量衡算始值的计算:习惯上取0为基准,即0时的始为零,则有h=cT*3 kJo=。0,0-=C(/oh=ct-0=ct代入前面的两式得.D(H s _ g=F 力。)+W(H+Q,式中c。、c-料液和完成液的比热,kJ/kg-Ko7.2.1单效蒸发的计算(2)热量衡算为了避免使用不同溶液浓度下的比热,可近似认为溶液 的比热容和所含溶质的浓度呈加和关系,即c0=c*(l-x0)+cBx0 c=c
5、(l-x)+cBx式中 C-水的比热,kj/kg-K;cB溶质的比热,kj/kg K o7.2.1单效蒸发的计算一(2)热量衡算由式(3)或式(4)可得加热蒸汽的消耗量为:LJ H h忽略浓缩热时 d=尸(c,_c(A)+W(_8)+2 一 H-kJ J忽略浓缩热且 hct七丫 h _ h=Rs sF(cr-coro)+Wr+Qu R7.2.1单效蒸发的计算(2)热量衡算沸点进料,并忽略热损失和溶液浓度较低时,c=c0,贝4 W(H-ct)WrR R或D H-ct r 1=-lW R R式中称z/w为单位蒸汽消耗量,用来表示蒸汽利用的经济程 度(或生蒸汽的利用率)。7.2.1单效蒸发的计算(3
6、)蒸发器传热面积的计算由传热速率方程得 0A-乂式中 A蒸发器传热面积,m2;。一传热量,w;K传热系数,W/m2K;平均传热温差,Ko由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热,Arm=Ts-6且蒸发器的热负荷。=OR,所以有.Q drA=-=-K(Ts-t)K(Ts-t)7.2.1单效蒸发的计算(4)浓缩热和溶液的焰浓图如图73为NaOH水溶液以0 为基准温度的始浓图。0O O2o o o o O o o o o O0 8 6 4 21Aqm/n)、i?s塔B20 40 60 80 100NaOH浓度/质量分数图7-21氢氧化钠的皓液图7.2.2蒸发设备中的温度差损失蒸发器中的传热温
7、差:*=(4-)加热蒸汽的温度:7;(若为150)蒸发室的压力为latm而蒸发的又是水:Z=T=100 C此时的传热温差最大,用片表示:Azt=7-7=150-100=50如果蒸发的是30%的NaOH水溶液,在常压下其沸点是高 于100。若其沸点=120,则有效传热温差,&=(7=150-120=30/比片所减小的值,称为传热温度差损失,简称温 度差损失,用表示7.2.2蒸发设备中的温度差损失传热温差损失:A=ArT-A=(To-T)-(T0-t)=t-T 溶液沸点:z=T+A有效传热温差:Af=AfT-A一温度若损失的原因:_.溶液沸点的升高。这是由于溶液蒸汽压较纯溶剂(水)在同一温度下的蒸
8、汽压为低,致使溶液的沸点比纯 溶剂(水)高;蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管时产生 的摩擦阻力,都导致溶液沸点的进一步上升。7.2.2蒸发设备中的温度差损失(1)溶液的沸点升高和杜林规则在相当宽的压强范围内溶液的沸点与同压强的下溶剂的沸点成线性关系:以=或+型%e)式中小,4 某种溶液在两种不同压力下的沸点;4,t溶剂在相应压力下的沸点。722蒸发设备中的温度差损失一(1)溶液的沸点升高和杜林规则230如图74为不同浓度NaOH水溶液的沸点与 200对应压强下纯水的沸点 的关系,由图可以看 出,当NaOH水溶液浓 度为零时,它的沸点线 为T条 对角线,即 水的沸点线,其它浓度 下溶液的沸
9、点线大致为 一组平行直线。:|01 了、岷想柜峡JOJO 100 150 200水的沸点/纥图7-22 N.OH水溶液的杜林线图722蒸发设备中的温度差损失一(1)溶液的沸点升高和杜林规则由该图可以看出:浓度不太高的范围 内,由于沸点线近似为一 组平行直线,因此可以合 理的认为沸点的升高与压 强无关;而可取大气压下 的数值;在高浓度范围内只 要已知两个不同压强下溶 液的沸点,则其他压强下 的溶液沸点可按杜林规则 进行计算。230o o O 5 0 5-J0 100 150 200水的沸点/纥图7-22 N.OH水溶液的杜林线图7.2.2蒸发设备中的温度差损失(2)液柱静压头和加热管内摩擦损失对
10、溶液沸点的影响按液面下处2溶液的沸腾温度来计算,液体在平均温度下的饱和压力:1Pm=P+LPg 乙式中 P液面上方二次蒸汽的压强(通常可以用冷凝器 压强代替),Pa;L蒸发器内的液面高度,mo液柱静压强引起的溶液温度升高:An-1-t-h p+Lpg/2)Ip)所以沸腾液体的平均温度为:,=()+7.2.2蒸发设备中的温度差损失(3)因蒸汽流动阻力引起的温度差损失A”在多效蒸发中,二次蒸汽流到下一效的过程中为克服管道 阻力使压强降低,引起二次蒸汽的温度降低,由此引起的温度 差损失为。总的温度差损失 A=A4AMA过程的传热温度差(有效温度差):At=Ts-t=Ts-t(p)-A注意:问若为单效
11、蒸发,已知入口蒸汽(生蒸汽)的温 度及蒸发室的压力,则此时要计入A,”二l 吗?7.2.2蒸发设备中的温度差损失(4)单效蒸发过程的计算设计型计算:给定蒸发任务,要求设计经济上合理的 蒸发器。已知:F,x0,Zo,x设计条件:Po,Pk计算目的:根据选用的蒸发器形式确定K,计算所需加热面积4及加热蒸汽用量O。操作型计算:已知蒸发器的结构形式和蒸发面积 给定条件:A,K,匹),4,工,Po,0女计算目的:核算蒸发器的处理能力方和加热蒸汽用量 或已知:A,F,%o,“,Po,Pk计算目的:反算蒸发器的K并求O。7.2.2蒸发设备中的温度差损失解题指南例题14,单效蒸发器中,将10%(质量分数,下同
12、)的某水溶液 浓缩到30%,原料液流量为900kg/h,温度为30,蒸发室压 力为4.91xi()4pa,原料液的比热容为3.77kJ/(kg),二次蒸 汽的汽化潜热为2332kJ/kg,蒸发器的传热面积为lOnP,蒸 发海内遂液密度为L1350kg/m3,液面高度为1m,总传热系数 为1000W/(m2-)。试求:(1)溶液的沸点及因蒸汽压下 降引起的温度差损失;(2)设加热蒸汽冷凝液在饱和温度下 排出,并忽略热损失和浓缩热时,完成上述蒸发任务所需加 热蒸汽温度。已知数据如下:蒸汽压力/Pa 10.13 x 104 4.91 x 104 2.94 x 1()4溶液的沸点/107 74.4纯水
13、的沸点/100 80.9 68.77.3蒸发操作的经济性和操作方式7.3.1 加热蒸汽的经济性7.3.2 多效蒸发流程发设备的生产能力和效数的限制7.3.4 提高加热蒸汽经济程度的其他措施7.3.5 蒸发操作的最优化731加热蒸汽的经济性蒸汽的经济性:每1kg加热蒸汽所 能蒸发的水量(W/O)(或用溶液中 蒸发出1kg水所需消耗的生蒸汽的量 O/W表示蒸汽的利用率)。若物料的 水溶液先预热至沸点后加入蒸发器,忽略生蒸汽与产生的二次蒸汽的汽化 潜热的差异,不计热损失,则每1kg加 热蒸汽可汽化1kg水,即=lo实 际上,由于有热损失等原因,W/D 12.%731加热蒸汽的经济性第一效:1kg生蒸
14、汽在第一效中可产生 1kg的二次蒸汽,将此1kg二 次蒸(%)引入第二效又可 蒸发1kg水,即第二效:W2=Wy=D 1kg 生 蒸汽在双效中的总蒸发量W=Wr+W2=2D,则 W/D=2依次类推:第三效:W/D=3,效:W/D=n o731加热蒸汽的经济性实际由于热损失,温度差损失等原因,单位蒸汽消耗量 不可能达到如此经济的程度,根据生产经验,最大的W/Z)的 值大致如下:效数 单效 双效 三效 四效 五效记minf 1.10.570.40.30.275max0.910.1752.53.333.707.3.2 多效蒸发(Multi-effect evaporation)多效蒸发操作蒸汽与物料
15、的流向有多种组合,常见的有:并流(cocurrent or forward feed):溶液与蒸汽的流向相同,称并流。逆流(coimtercurrent or backward feed):溶液与蒸汽的流向 相反,称逆流。错流(cross flow or mixed feed):溶液与蒸汽在有些效间成并 流,而在有些效间成逆流。平流(parallel flow or parallel feed):每一效都加入原料液 的方法。7.3.2 多效蒸发(Multi-effect evaporation)以三效为例加以说明:(1)并流流程蒸汽流动方向:2f 3溶液流动方向:1-2-37.3.2 多效蒸发
16、(Multieffect evaporation)优点:a、由于前效的压强较后效高,PiP2P3,料液可借此压 强差自动地流向后一效而无须泵送;b、2X3,溶液由前一效流入后一效处于过热状态会 放出溶液的过热量形成自蒸发,可产生更多的二次蒸汽,因 此第三效的蒸发量最大。缺点:溶液浓度,x3 X1X1,X t,t,3 2 1;溶液温度,tr ttv t t,J.3 2“1。这两个因素使得后一效粘度较前一效双倍提高,KI 1,在最后的一、二效尤其严重,使整个系统的蒸发能 力降低。7.3.2 多效蒸发(Multi-effect evaporation)(2)逆流流程蒸汽流动方向:1-2-3 溶液流动
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