宁夏大学化学化工学院：《化工原理》课程教学电子教案（化工流体流动与传热）蒸发

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 第七章蒸发 第一节概述 燕发:使含有不挥发物质的溶液沸腾汽化并移出蒸气,从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作 称为蒸发。所采用的设备称为蒸发器。蒸发是在液、固相之间进行,化学工业中以蒸发水溶液为主 蒸发以流体输送为基础仍遂循传热基本规律。(蒸发效果是从溶液中分离出部分溶剂一传质过程:实 质上是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液沸腾间的传热过程一传热。物理上的蒸发:在溶液 表面发生的气化现象。即在任何温度下都能进行气化。) 、蒸发用途广泛(化工,食品工业等)。 1化工:油脂工业中用于蒸烘油料的设备一蒸锅式 带有搅拌器搅拌,类似夹套反应釜 卧式 2.食品工业:制糖,柠檬酸厂等。 3.制药 4原子能工业 三、几个基本概念: 1生蒸汽:即新鲜加热蒸汽。 2二次蒸汽:蒸出的蒸汽 3单效燕发:将二次蒸汽直接冷凝,而不利用其冷凝热的操作 4多效蒸发:将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽,作为加热蒸汽以利用其冷凝热,这种串 联蒸发操作称为多效蒸发 5生产能力:单位时间内蒸发的水分量,即蒸发量 6生产强度:单位传热面积的蒸发量,即单位时间、单位传热面积蒸发的水份量[2 四、蒸发操作的类型 1加压,2.常压,3.减压(真空蒸发):减压下,溶液的沸点下降,有利于处理热敏性物料。 第二节蒸发设备 7.2.1蒸发器的结构 循环型(非膜式) 蒸发器主要由加热室及分离器组成。加热室 单程型(膜式) 循环型(非膜型)蒸发器。 1.中央循环管式(标准式) 2.悬筐式蒸发器 3外热式蒸发器 4列文蒸发器 5.强制循环蒸发器。 、膜式(单程型)蒸发量 1升膜蒸发器 2降膜蒸发器 蒸汽在管外,原料液在管内,且二者流向一致,原料液在预热器中加 l/12

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 1/12 第七章 蒸发 第一节 概述 一、蒸发：使含有不挥发物质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作 称为蒸发。所采用的设备称为蒸发器。蒸发是在液、固相之间进行，化学工业中以蒸发水溶液为主， 蒸发以流体输送为基础仍遵循传热基本规律。（蒸发效果是从溶液中分离出部分溶剂－传质过程；实 质上是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液沸腾间的传热过程－传热。物理上的蒸发：在溶液 表面发生的气化现象。即在任何温度下都能进行气化。） 二、蒸发用途广泛（化工，食品工业等）。 1.化工：油脂工业中用于蒸烘油料的设备－蒸锅    卧式 立式 带有搅拌器搅拌，类似夹套反应釜。 2.食品工业：制糖，柠檬酸厂等。 3.制药 4.原子能工业 三、几个基本概念： 1.生蒸汽：即新鲜加热蒸汽。 2.二次蒸汽：蒸出的蒸汽。 3.单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操作。 4.多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，作为加热蒸汽以利用其冷凝热，这种串 联蒸发操作称为多效蒸发。 5.生产能力：单位时间内蒸发的水分量，即蒸发量。 6.生产强度：单位传热面积的蒸发量，即单位时间、单位传热面积蒸发的水份量 [ ] 2 h m kg  。 四、蒸发操作的类型 1.加压，2.常压，3.减压（真空蒸发）；减压下，溶液的沸点下降，有利于处理热敏性物料。 第二节 蒸发设备 7.2.1 蒸发器的结构 蒸发器主要由加热室及分离器组成。加热室    单程型（膜式） 循环型（非膜式） 一、循环型（非膜型）蒸发器。 1.中央循环管式（标准式）； 2.悬筐式蒸发器； 3.外热式蒸发器； 4.列文蒸发器； 5.强制循环蒸发器。 二、膜式（单程型）蒸发量 1.升膜蒸发器； 2.降膜蒸发器； 蒸汽在管外，原料液在管内，且二者流向一致，原料液在预热器中加

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 热到沸点或接近沸点后引入加热管内 3.升降膜蒸发器 三、直接加热蒸发器 722蒸发器的选型 1溶液的粘度:因为R μ是粘性力的特性参数。决定流体的流动状态。如流体在光滑管 内湍流流动 6;615 R δ-层流(滞流内层) 流体边界层δ>δ,流动边界层的厚度δ大于热边界层的厚度δ,。(在壁面附近存在着较大速 度梯度的流体层一流动边界层,简称边界层δ;在壁面附近存在温度梯度的流体层一热边界层。) 2溶液的热稳定性 3.有晶体析出:防堵 4.易发泡的溶液:防止损失物料; 5有腐蚀性溶液:防腐 6.易结垢溶液:便于清洗 7溶液的处理量 第三节单效蒸发 731溶液的沸点和温度差损失 一定压强下溶液沸点比纯水高,(通常不挥发性溶质为固体,固体分子对水分子之间的引力, 大于水分子之间的引力,所以汽化时温度就高)而沸腾是一种液体表面和内部同时进行的汽化现象, 沸腾时饱和蒸汽压跟外部压强相等。当液体在管内的压强增大时,沸点升高,压强减小时沸点降低。 A.溶液沸点升高计算式:△=【-T△一溶液的沸点升高,℃: t一溶液沸点,℃;T一与溶液压强相等时的沸点,即二次蒸汽饱和温度,℃。 At >At, Ar=T-T, At=T-L, -Af=(T-1)-(T-t=t-T=A B.传热温度差损失,即N-N=A或M=M-△N一传热的有效温差,℃: △x-理论上的传热温度差,℃。实际上:A=Mr-M=(T-7)-(7-0)=t-7 C.总温度差损失为:=△+A+△ 2/12

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 2/12 热到沸点或接近沸点后引入加热管内。 3.升降膜蒸发器。 三、直接加热蒸发器 7.2.2 蒸发器的选型 1.溶液的粘度： 因为   d u R e =  是粘性力的特性参数。决定流体的流动状态。如流体在光滑管 内湍流流动： 8 7 6 1.5 e b R d =  b  －层流（滞流内层） 流体边界层 b    ， 流动边界层的厚度  大于热边界层的厚度 t  。（在壁面附近存在着较大速 度梯度的流体层－流动边界层，简称边界层  ；在壁面附近存在温度梯度的流体层－热边界层。） 2.溶液的热稳定性 3.有晶体析出：防堵； 4.易发泡的溶液：防止损失物料； 5.有腐蚀性溶液：防腐； 6.易结垢溶液：便于清洗。 7.溶液的处理量 第三节 单效蒸发 7.3.1 溶液的沸点和温度差损失 一定压强下溶液沸点比纯水高，（通常不挥发性溶质为固体，固体分子对水分子之间的引力， 大于水分子之间的引力，所以汽化时温度就高）而沸腾是一种液体表面和内部同时进行的汽化现象， 沸腾时饱和蒸汽压跟外部压强相等。当液体在管内的压强增大时，沸点升高，压强减小时沸点降低。 A．溶液沸点升高计算式： ' =t −T  －溶液的沸点升高，℃； t－溶液沸点，℃； ' T －与溶液压强相等时的沸点，即二次蒸汽饱和温度，℃。     = −  = −  −  = − − − = − =  ' ' ' t T t, t T T T , t T t, t T t (T T ) (T t) t T B．传热温度差损失，即 t t t t t  T − =或 = T −; －传热的有效温差，℃； T t －理论上的传热温度差，℃。实际上： ' '  = t T − t = (T −T ) − (T − t) = t −T C．总温度差损失为： ' '' '''  =  +  + 

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 由于溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失Δ 1.实际测 t,一溶液蒸汽压下降后溶液的沸点(实验测定) 2.估算 Δa-常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高 f-校正系数/=0016+273 操作压强下,二次蒸汽的汽化热,[kJ/kg 3.杜林规则计算溶液沸点:k 当tn=0,t4=14-kw=ym(yn一杜林线的截 距℃)。斜率k与截距y都是溶液质量浓度x的函数 杜林规则:△=t-T当溶液浓度、操作压强一定,t、T都一定Δ是常数,所以t=T+△ 把所有不同的压强下1,T点联起来为一直线 因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失Δ Pn= p 液层中部的平均压强P P-液面的压强,即二次蒸汽的压强Pa] L一液层深度[m] p-密度; g-重力加速度 为了简便,常根据平均压强pm查出纯水的相应沸点tm,故因静压强而引起的温度差损失 △ 一t pm 式中tm-与平均压强Pn相对应的纯水的沸点,℃; n与二次蒸汽压强p相对应的水的沸点,℃。 3/12

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 3/12 一．由于溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失 '  1.实际测定： ' '  = t A − T A t －溶液蒸汽压下降后溶液的沸点（实验测定） 2.估算 f a ' '  =  a '  －常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高； f－校正系数 ' ' 2 0.0162( 273) r T f + = ； ' r －操作压强下，二次蒸汽的汽化热，[kJ/kg]。 3.杜林规则计算溶液沸点： w W A A t t t t k − − = ' ' ；当 w A A W m t = t = t − kt = y ' ' 0, （ m y －杜林线的截 距℃）。 斜率 k 与截距 m y 都是溶液质量浓度 x 的函数。 杜林规则： ' =t −T 当溶液浓度、操作压强一定， ' t、T 都一定  是常数，所以 = + ' t T ； 把所有不同的压强下 ' t , T 点联起来为一直线。 二．因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失 ''  2 ' g l p m   = +  m －液层中部的平均压强[ P a ]； ' p －液面的压强，即二次蒸汽的压强[ P a ]； L－液层深度[m]；  －密度； g－重力加速度。 为了简便，常根据平均压强 m p 查出纯水的相应沸点 pm t ，故因静压强而引起的温度差损失 为： '' ' pm p  =t −t 式中 pm t －与平均压强 m p 相对应的纯水的沸点，℃； ' p t －与二次蒸汽压强 ' p 相对应的水的沸点，℃

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 732单效蒸发的计算 单效蒸发计算项目有:(1)单位时间内蒸出的水分量,即蒸发量:(2)加热蒸汽的消耗量;(3) 蒸发器的传热面积 WTH F,Ⅹatah (F-W),X,tih 蒸发量 作溶质的衡算:进蒸发器的溶质总量=出蒸发器的溶质总量(1.衡算范围一方框图:2衡算基准 3.衡算对象。范围是蒸发设备、基准是单位时间、对象是溶质)。 总物料衡算 F=w+(F-m 溶质衡算Fx=(F-H)x1或W=F(1-x)(1) F一原料液的流量,[/hl W-单位时间内蒸发的水分量,[/hl x0溶质在原料液中质量组成 x,一溶质在完成液中的质量组成 加热蒸汽消耗量D 对某些溶液如CaCl2,NOH稀释放热。参阅黄子卿“物理化学”Ps,“当一 克分子溶质溶解在n。克分子溶剂中时,所吸收的热叫做积分溶解热,用Q,表示它。若分别加两种 不同克分子溶剂在一克分子溶质中,这两个溶解热的差叫做积分冲淡热(稀释热)这个冲淡热等于 4/12

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 4/12 7.3.2 单效蒸发的计算 单效蒸发计算项目有：（1）单位时间内蒸出的水分量，即蒸发量；(2) 加热蒸汽的消耗量；（3） 蒸发器的传热面积。 一．蒸发量 作溶质的衡算：进蒸发器的溶质总量＝出蒸发器的溶质总量（1.衡算范围－方框图；2.衡算基准； 3.衡算对象。范围是蒸发设备、基准是单位时间、对象是溶质）。 总物料衡算 F=W+(F−W) 溶质衡算 0 1 Fx = (F −W)x 或 (1 ) 1 0 x x W = F − （1） F－原料液的流量，[ kg /h ]； W－单位时间内蒸发的水分量，[ kg /h ]； 0 x －溶质在原料液中质量组成； 1 x －溶质在完成液中的质量组成。 二．加热蒸汽消耗量 D 对某些溶液如 C a Cl2 , N a OH 稀释放热。参阅黄子卿“物理化学”P84，“当一 克分子溶质溶解在 o n 克分子溶剂中时，所吸收的热叫做积分溶解热，用 Qs 表示它。若分别加两种 不同克分子溶剂在一克分子溶质中，这两个溶解热的差叫做积分冲淡热（稀释热）这个冲淡热等于

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 (Q,)n2-(Q,)或MH2-MH1(参见天大《基本有机化学工程》第65页) (一)溶液稀释热不可忽略 蒸发过程中,溶液浓度发生显著变化。溶液的浓缩需要提供浓缩热,下述计算已将此项热量作 为溶液热焓的变化而计入。只要用有关溶液的焓浓图就可以求生蒸汽的消耗量。 WTH 蒸发室 FX.tho 加 热 (F-W),X,th D. T, h DH+Fh,=WH +(F-w)h,+ Dh +or WH +(F-W),-Fh+o 若加热蒸汽的冷凝液在蒸汽的饱和温度下排除 D WH+(F-W), -Fh,+e D-加热蒸汽的消耗量[l/hl H-加热蒸汽的焓[kJkg h一原料液的焓[ kJ/kgl H一二次蒸汽的焓kJ/kgl h1-完成液的焓kJ/kg h一冷凝水的焓[kJ/kgl Q2-加热蒸汽的气化热[kJ/kgl r一加热蒸汽的气化热kJ/kg 5/12

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 5/12 2 1 ( ) ( ) Qs no − Qs no 或 H2 −H1 。（参见天大《基本有机化学工程》第 65 页） (一) 溶液稀释热不可忽略 蒸发过程中，溶液浓度发生显著变化。溶液的浓缩需要提供浓缩热，下述计算已将此项热量作 为溶液热焓的变化而计入。只要用有关溶液的焓浓图就可以求生蒸汽的消耗量。 加 热 室 蒸发室 o Dh w Ql DH + F h = W H + F − W h1 + + ' ( ) w o l H h W H F W h F h Q D − + − − + = 1 ' ( ) 若加热蒸汽的冷凝液在蒸汽的饱和温度下排除； 则： H h r, − w = r WH F W h Fh Q D + − − o + l = 1 ' ( ) D－加热蒸汽的消耗量[ kg /h ]； H－加热蒸汽的焓[kJ/kg]； 0 h －原料液的焓[kJ/kg]； ' H －二次蒸汽的焓[kJ/kg]； 1 h －完成液的焓[kJ/kg]； w h －冷凝水的焓[kJ/kg]； QL －加热蒸汽的气化热[kJ/kg]； r－加热蒸汽的气化热[kJ/kg]