资源简介

(共33张PPT)
《化工单元操作》
一、蒸发在化工生产中的应用
1、蒸发操作就是通过加热的方法将稀溶液中的一部分溶剂汽化并除去，从而使溶液浓度提高或析出固体产品的一种单元操作。
2、作热源用的蒸汽称为加热蒸汽或生蒸汽；把由溶剂汽化成的蒸汽称为二次蒸汽。
3、应用
（1）浓缩稀溶液制取产品。
（2）为了获取纯净的溶剂。
（3）同时浓缩溶液和回收溶剂。
任务一 了解蒸发过程及其应用
项目五 蒸发
二、蒸发操作的特点
1、溶液组成:溶液沸点升高
挥发性的溶剂和不挥发性的溶质。
2、传热性质
传热壁面两侧的蒸汽冷凝和溶液沸腾的恒温传热过程。
3、物料及工艺特性
垢层 、热敏性 、腐蚀性。
4、泡沫夹带
二次蒸汽中常夹带大量液沫。
5、能源利用与回收
加热蒸汽的利用率。
三、蒸发操作的分类
1、按溶剂的汽化温度不同分
自然蒸发 、沸腾蒸发
2、按二次蒸汽利用情况分
单效蒸发和多效蒸发
3、按操作压力不同分
可分为常压、加压和减压蒸发操作。
减压操作由于溶液沸点降低，优点：① 在加热蒸汽压强一定时，蒸发器的传热温度差增大；② 可利用低压蒸汽或废蒸汽作为加热蒸汽；③ 可防止热敏性物料变质或分解；④ 系统的热损相应减小。但是，由于溶液沸点降低，黏度增大，导致传热系数减小，同时造成真空需要消耗动力和增加设备。该法适用于处理热敏性物料。
4、按操作方式不同分
间歇蒸发和连续蒸发
四、蒸发流程
(一) 单效蒸发及其流程
（二）多效蒸发及其流程
1、多效蒸发的原理
多效蒸发是将第一效蒸发器汽化的二次蒸汽作为热源通入第二效蒸发器的加热室作加热用，这称为双效蒸发。如果再将第二效的二次蒸汽通入第三效加热室作为热源，并依次进行多个串接，则称为多效蒸发。
采用多效蒸发的目的是为了减少加热蒸汽的用量。具体方法是将前一效的二次蒸汽作为一效的加热蒸汽，以节省生蒸汽用量。
2、多效蒸发流程
(1)并流加料
优点 ：料液可藉相邻二效的压强差自动流入后一效，而不需用泵输送，同时，由于前一效的沸点比后一效的高，因此当物料进入后一效时，会产生自蒸发，这可多蒸出一部分水汽。这种流程的操作也较简便，易于稳定。缺点是传热系数会下降，这是因为后序各效的浓度会逐渐增高，但沸点反而逐渐降低，导致溶液粘度逐渐增大。
(2)逆流加料
优点：各效浓度和温度对 溶液的粘度的影响大致相抵消，各效的传热条件大致相同，即传热系数大致相同。
缺点：料液输送必须用泵，另外，进料也没有自蒸发。一般这种流程只有在溶液粘度随温度变化较大的场合才被采用。
(3)平流加料
其特点是蒸汽的走向与并流相同，但原料液和完成液则分别从各效加入和排出。
这种流程适用于处理易结晶物料，例如食盐水溶液等的蒸发。
(4) 错流加料流程
此法的特点是在各效间兼有并流和逆流加料法。例如在三效蒸发设备中，溶液流向可为3-1-2或2-3-1。此法的目的是利用并流和逆流加料法的优点，克服或减轻二者的缺点，但其操作比较复杂。
任务二 认知蒸发设备
一、蒸发器的型式与结构
1.自然循环型蒸发器
（1）中央循环管式蒸发器
构造简单、制造方便、操作可靠。缺点是：检修麻烦，溶液循环速度低，一般在0.4～0.5m/s以下，故传热系数较小。
（2）悬筐式蒸发器
传热系数较大，热损失较小；此外，由于悬挂的加热室可以由蒸发器上方取出，故其清洗和检修都比较方便。
其缺点是结构复杂，金属消耗量大。
（3）外加热式蒸发器
加热室与蒸发室分开安装。这样，一方面降低了整个设备的高度，便于清洗和更换加热室；
另一方面由于循环管没有受到蒸汽加热，增大了循环管内和加热管内溶液的密度差，从而加快了溶液的自然循环速度，同时还便于检修和更换。
（4）列文蒸发器
A、结构：由加热室、沸腾室、分离室和循环管组成，特别之处在于加热室上部增设了直管作为沸腾室，这样，加热室中溶液由于受到附加的液柱静压强的作用，使溶液不在加热室中沸腾，当溶液一升到沸腾室时，所受压力降低后，才开始沸腾，这可减少溶液在加热管壁上因沸腾浓缩而析出结晶可结垢的机会，传热效果好。
B、特点：加热室、循环室温差大，密度差大，循环速度大；因液体静压强引起的温度差损失大，因此要求加热蒸汽压强高。
（二）强制循环发生器
上述几种蒸发器均为自然循环型蒸发器，循环速度一般较低，尤其在蒸发粘稠溶液（易结垢及有大量结晶析出）时就更低。为提高循环速度，可用循环泵进行强制循环。这种蒸发器的循环速度可达1.5～5m/s。
其优点是：传热系数大，利于处理粘度较大、易结垢、易结晶的物料。但该蒸发器的动力消耗较大，每平方米传热面积消耗的功率约为0.4～0.8kW。
1、升膜式蒸发器
A、结构：加热室实际上就是一个加热管很长的立式换热器，料液从底部进来，受热沸腾后迅速汽化，蒸汽在管内高速上升，料液受高速上升蒸汽的带动，沿管壁成膜状上升，继续受热汽化，汽液在分离室分离。
B、特点：溶液在蒸发器内不循环，溶液在加热管壁上呈薄膜形式，蒸发速度快（数秒钟或十几秒），传热效率高。
（三） 膜式蒸发器
2、降膜式蒸发器
与降膜式基本相同，区别在于原料由加热室顶部送入，在重力作用下沿管壁成膜状下降并进行蒸发，在这种蒸发器中，每根加热管顶部必须有降膜分布器，以保证每根管内壁都能为料液所润湿。
3. 升-降膜式蒸发器
预热后的原料液先经升膜加热管上升，然后由降膜加热管下降，再在分离室中和二次蒸汽分离后即得完成液。
多用于蒸发过程中溶液黏度变化大，水分蒸发量不大和厂房高度受到限制的场合。
4、刮板式蒸发器
这类蒸发器的缺点是结构复杂（制造、安装和维修工作量大），加热面积不大，且动力消耗大。
图4-11 刮板式薄膜蒸发器
1、除沫器
二、蒸发器的辅助设备
2、冷凝器
（1）作用：要使蒸发操作连续进行，要不断地移走产生的二次蒸汽，移走二次蒸汽通常采用的方法是冷凝二次蒸汽。
（2）类型：
间壁式冷凝器——二次蒸汽有用或有毒；
混合式冷凝器——一般情况。
3. 冷凝水排除器
加热蒸汽冷凝后生成的冷凝水必须要及时排除，否则冷凝水积聚于蒸发器加热室的管外，将占据一部分传热面积，降低传热效果。
排除的方法是在冷凝水排出管路上安装冷凝水排除器(又称疏水器)。它的作用是在排除冷凝水的同时，阻止蒸汽的排出，以保证蒸汽的充分利用。
三、蒸发器的选用
在选用时，除了要求结构简单、易于制造、清洗和维修方便外，还应结合物料的工艺特性，包括物料的黏性、热敏性、腐蚀性、结晶和结垢性等要求，选择适宜的型式。
表5-2列举了常见蒸发器的主要性能，供选型时参考。
作业
简答题：P167页2
任务三 获取蒸发知识
一、蒸发水量W的计算：
对图所示蒸发器进行溶质的物料衡算(溶质数量相等) :
Fx0=(F－W)x1
二、加热蒸汽消耗量
DH+Fh0=WH′+(F－W)h1+Dhc+QL
Q=D(H－hc)= WH′+(F－W)h1－ Fh0+ QL
加热蒸汽放出的热量用于：①原料液由t0升温到t1；②使水在t1下汽化生成二次蒸汽；③热损。
若原料液在沸点下进入蒸发器，即t0 =t1，忽略热损:
[例题5-2] 在一连续操作的单效真空蒸发器中，将1000kg/h的NaOH水溶液由0.1浓缩至0.2（均为质量分数）。操作条件下，溶液的沸点为90℃。已知原料液的比热容为3.8 kJ/(kg K)，加热蒸汽压力为0.2MPa，蒸发器的热损失按热流体放出热量的5％计算，忽略溶液的稀释热。试求：（1）蒸发水量；（2）原料液分别在20℃、90℃和120℃进入蒸发器时的加热蒸汽消耗量及单位蒸汽消耗量。
解：（1）蒸发水量
(2）加热蒸汽消耗量
查得90℃的饱和蒸汽和0.2MPa（即200kPa）的饱和蒸汽的汽化潜热分别为2283.1kJ/kg和2204.6kJ/kg。
20℃进料
90℃进料
120℃进料
三、蒸发器的生产强度
（一）蒸发器的生产能力
蒸发器的生产能力用单位时间内蒸发的水分量来表示，其单位为㎏/h。
（二）蒸发器的生产强度
若原料液为沸点进料，且忽略蒸发器各种热损失，则：
3、提高生产强度的途径
（1）提高传热温度差
①提高加热蒸汽压力
②采用真空操作 真空操作会使溶液的沸点降低，可以提高温度差和生产强度，还可防止或减少热敏性物料的分解。但应指出，真空操作时，势必要增加真空泵的功率消耗和操作费用的提高；还会使溶液黏度增大，造成沸腾传热系数下降。因此，一般冷凝器中的操作压强为10~20 kPa。
（2）提高总传热系数
总传热系数值主要取决于溶液的性质、沸腾状态、操作条件和蒸发器的结构等。因此，合理设计蒸发器以实现良好的溶液循环流动，及时排除加热室中不凝性气体，定期清洗蒸发器（加热室内管）。
四、蒸发器的节能措施
1．多效蒸发
2．额外蒸汽的引出
在多效蒸发操作中，有时将二次蒸汽引出一部分作为其它加热设备的热源，这部分蒸汽称为额外蒸汽。
同时，由于进入冷凝器的二次蒸汽量减少，也降低了冷凝器的热负荷。
3、冷凝水显热的利用
蒸发过程中，每一个蒸发器的加热室都会排出大量的冷凝水。
为了充分利用这些冷凝水的热能，可将其用来预热原料液或加热其它物料；也可以通过减压闪蒸的方法，产生部分蒸汽再利用其潜热；有时还可根据生产需要，将其作为其它工艺用水。
4、热泵蒸发
将蒸发室排出的二次蒸汽进入压缩机内提高压力，使其饱和温度超过溶液的沸点，再送回蒸发室作加热室的加热蒸汽。这种方法称热泵蒸发，这种操作只需在蒸发开始时需加热蒸汽，操作稳定后就不再需要加热蒸汽。
只需提供使二次蒸汽升压的动力，即节省大量的加热蒸汽又可节约冷却水。但热泵蒸发不适用沸点升高较大的溶液蒸发。
5．多级多效闪蒸
稀溶液经加热器加热至一定温度后进入减压的闪蒸室，闪蒸出部分水而溶液被浓缩；闪蒸产生的蒸汽用来预热进加热器的稀溶液以回收其热量，本身变为冷凝液后排出。
优点：多级闪蒸可以利用低压蒸汽作为热源，设备简单紧凑，不需要高大的厂房，蒸发过程在闪蒸室中进行，解决了物料在加热管管壁结垢的问题，其经济性也较高，近年来应用渐广。
缺点是动力消耗较大，需要较大的传热面积，也不适用于沸点上升较大物料的蒸发。
作业
计算题：P168页1

展开更多......

收起↑