第五章蒸发（2节）课件.ppt

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1、2022/11/29,第二节 单效蒸发(1),1、水分蒸发量 (又称二次蒸汽量) ： Wkg/s、kg/h 由物料衡算完成计算,2、加热蒸汽消耗量： Dkg/s、kg/h ;溶液沸点t和焓的计算等 由热量衡算完成计算,3、蒸发器的传热面积： Sm2 由传热速率方程完成计算,一、生产任务与操作条件：,进料量Fkg/h；进料液温度t0与浓度(质量分数)x0;完成液浓度x1；加热蒸汽T压力PS及冷凝器的压力PK,二、要求确定的量：,2022/11/29,第二节 单效蒸发(2),画出物料流程图（确定衡算范围）；根据物料进、出口流量，列衡算式;,原料液：Fkg/h，浓度x0(温度t0，焓h0）完成液：L

2、kg/h,L=F-W,水分蒸发量(二次蒸汽产生量)：W kg/h,物料衡算式：F=W+Lkg/h, Fx0=Lx1+W0kg/h,一、物料衡算蒸发量W的计算,2022/11/29,第二节 单效蒸发(3),加热蒸汽一般用饱和蒸汽，它所提的供热量用于将溶液加热到沸点t使溶剂汽化及热损失。,进入蒸发器的热量=排除蒸发器的热量,热量衡算即焓衡算式：,DH+Fh0=(F-W)h1+WH+Dhw+QL,加热蒸汽消耗量D：,二、焓衡算求加热蒸汽D的量,H-hw=r (加热蒸汽的相变潜热),H-h1=r(二次蒸汽的相变潜热),2022/11/29,第二节 单效蒸发(4),1、 关于加热蒸汽的相变热： r=H-

3、hw;冷凝水在饱和温度下排除，加热蒸汽的焓H：查对应T(PS)下的文献值；或r值直接查对应T(PS)下的汽化潜热值。其中冷凝水的焓也可计算：hw=cpwT (或查文献),对热量衡算进行讨论：,2、关于二次蒸汽的相变热r: r=H-h1; 二次蒸汽的焓及相变潜热值，取决于蒸发器内的操作压强p和溶液(完成液)的沸点(t)。,二次蒸汽的温度T值：查对应操作压强p下的饱和温度值；则二次蒸汽的焓H查对应的焓值，及查对应的相变潜热值r。,2022/11/29,第二节 单效蒸发(5),比热：溶液比热cp=cpw(1-x1)+cpBx1kJ/kg 一般忽略原料液与完成液比热的区别；当x20%时，溶液比热简化为

4、：cp=cpw(1-x1)kJ/kg cpw=4.187kJ/kg水的平均比热。,在前面计算加热蒸汽消耗量的公式中：,3、关于溶液的焓及焓浓图,式中h1、h0为完成液及原料液的焓，计算方法如下： 无明显浓缩热的体系用公式计算：考虑溶液浓缩热不大，可以不计溶液的浓缩热，由比热容求得其焓，以0为基准： 料液的焓：h0=cp0t0; 完成液的焓：h1=cp1t1;,2022/11/29,第二节 单效蒸发(7),对于稀释热、浓缩热不能忽略的溶液用焓浓图求溶液的焓。,不同浓度、不同温度(沸点t)下，用专用的焓浓图，可直接得到溶液的焓值。,对于焓浓图查不到的溶液可先用公式计算，然后将一些因素归到热损失中，

5、使问题简单化。,2022/11/29,第二节 单效蒸发(8),用溶液的比热计算焓求加热蒸汽耗用量的计算式：,沸点进料t0=t,溶液的比热认为近似相等为cplcp0；,由于tT,且TtT,则rr,一般rr；即消耗掉1kg加热蒸汽，蒸发不出来1kg的二次蒸汽;对于单效蒸发操作一般可取e=1.1或更大些。E值是衡量蒸发器的经济程度指标。,忽略热损失QL=0, 沸点进料t0=t:,4、关于加热蒸汽用量D的讨论：,单位蒸汽消耗量,2022/11/29,第二节 单效蒸发(9),若加热蒸汽量D固定，则产生的二次蒸汽量W将少于沸点进料的情况； 若产生相同的二次蒸汽量W量，则消耗的加热蒸汽将多于沸点进料的情况(

6、因一部分的热量将用于溶液升温至沸点)。,忽略热损失QL=0,低于沸点进料t0t:,此时蒸发产生的二次蒸汽量将大于沸点进料时的量，此种现象称为蒸发过程的自蒸发现象。 因原料中有一部分的溶剂水不需要加热蒸汽便可以被蒸发掉， 产生的二次蒸汽量W较多。,忽略热损失QL=0,高于于沸点进料t0t：,由以上分析：进口料液的温度，将直接影响产生二次蒸汽W的量。,2022/11/29,第二节 单效蒸发(10),若cp0cp1;,若沸点进料t0=t,归纳蒸汽消耗量D的计算：,2022/11/29,课堂练习-1：（1）,1、在连续操作的单效蒸发器中，将2000kg/h的某无机盐水溶液由10%（质量分率）浓缩至30

7、%（质量分率）。蒸发器的操作压力为40kPa（绝压），相应的溶液沸点为80。加热蒸汽的压力为200 kPa（绝压）。已知原料液的比热容为3.77 ，蒸发器的热损失为12000W。设溶液的稀释热可以忽略。试求：（1）水的蒸发量；（2）原料液分别为30、80和120时的加热蒸汽耗量，并比较它们的经济性。,解：（1）水的蒸发量W：,2022/11/29,课堂练习-1：（2）,（2）加热蒸汽消耗量,查得压力为40kPa和200kPa的饱和水蒸气的冷凝潜热分别为2312和2205kJ/kg,由于溶液的稀释热可以忽略 ，所以可采用,（a）原料液温度为30时，蒸汽消耗量为,单位蒸汽消耗量为,（b）原料液温度

8、为80时，蒸汽消耗量为,2022/11/29,课堂练习-1：（3）,（c）原料液温度为120,蒸汽消耗量为,分析：由以上计算结果可知，原料液的温度越高，蒸发1kg水所 消耗的加热蒸汽量越小。,2022/11/29,课堂练习-2：（1）,2、在一连续操作的单效蒸发器中，将浓度为20%（质量分率）的NaOH水溶液浓缩至50%（质量分率）。原料液处理量为2000kg/h，原料温度为60，蒸发在减压下操作，蒸发器内操作的真空度为53kPa。已知在此真空度下50%的NaOH溶液的平均沸点为120。加热蒸汽的压力为0.4MPa（绝压），冷凝水在饱和温度下排出。设蒸发器的热损失为12000W。求（1）水蒸发

9、量；（2）加热蒸汽消耗量。,2022/11/29,课堂练习-2：（2）,解：（1）水份蒸发量,（2）加热蒸汽消耗量,由于NaOH水溶液的稀释热不能忽略,60、20%的NaOH溶液的焓,120、50%的NaOH溶液的焓,查得0.4MPa水蒸气的冷凝热：,120蒸汽的焓：,分析：本例中，单位蒸汽消耗量大的原因是NaOH溶液的浓缩热较大，一部分加热蒸汽被用于浓缩时溶液的吸热。,2022/11/29,第二节 单效蒸发(11),由传热速率方程： QKS0tm,其中：加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排除；S0蒸发器的传热外表面积，m2;Q蒸发器的热负荷，也即蒸发器的传热速率，W; (由加热蒸汽提供总热量);K

10、0基于传热外表面积的总传热系数，W/(m2/)tm平均温差，。,三、蒸发器的传热面积 S0：,1、平均温差：tm=T-t；加热室两侧均为相变化； T加热蒸汽的温度，； t操作条件下溶液的沸点，。,3、基于传热外表面积的总传热系数K0:,2、 蒸发器的热负荷:Q=D(H-hw)=Dr,2022/11/29,第二节 单效蒸发(12),四、溶液的沸点 t ：,1、溶液的沸点的特点：,蒸发器加热室的一侧为蒸汽冷凝，另一侧为溶液沸腾，其温度为溶液的沸点。因此，传热的平均温度差为,tm=T-t,t 取决于： 冷凝器压力Pk、溶液浓度、蒸发室内操作压强p及液层深度，因此，t 值是关键。,含有不挥发溶质的溶液

11、，由拉乌尔定律知，在相同条件下，其溶液的蒸汽压比纯水的低；或同压强下溶液的沸点高于纯水沸点；溶液与纯水的沸点之差称为沸点升高。举说明例：一蒸发操作加热蒸汽的绝压为300kPa，其饱和蒸汽压查表得T=133.3 ;此时若蒸发室压强为101.3kPa，纯水的沸点为t=100；现蒸发32的KOH(质量)溶液，沸点为t=115，比同压强下的纯水沸点高出=115-100=15，即沸点升高值；此差值就是蒸发器中的温度差损失。,2022/11/29,第二节 单效蒸发(13),问题：沸点升高对蒸发有利？不利？不利！溶液的沸点升高值即为蒸发过程的温差损失值！因此，计算值是计算溶液沸点的一个关键。,举说明例：如果

12、蒸发的是30%的NaOH水溶液，在常压下其沸点t=117，比同压强下的纯水沸点高出=117-100=17，即沸点升高值；此差值就是蒸发器中的温度差损失，用。,分析：上述蒸发过程的最大传热温差称为理论温差，即：蒸发不含任何溶质的水时的温差tT=T-t水=133.3-100=33.3；而蒸发32的KOH(质量)溶液的传热温差为：t=T-t=133.3-115=18.3,同理：上述蒸发过程的最大传热温差称为理论温差，即：tT=T-t水=133.3-100=33.3；而蒸发30的NaOH(质量)溶液的传热温差为：t=T-t=133.3-117=16.3,2022/11/29,第二节 单效蒸发(14),

13、其一，同一种溶液浓度不同时，其沸点升高值不同，即溶液浓 度的影响引起的温差损失用表示；其二，蒸发器内液体柱中液体的高度不同，溶液的沸点升高也 不同，即溶液层高度的静压强引起的温差损失，用 表示；其三，由于流体在管路中流动产生阻力而引起 的温差损失，用表示；通常=1。,2、引起溶液沸点升高的原因：,引起温差损失的原因，不仅仅是由于溶液的沸点升高，还有其他原因，讨论如下。,2022/11/29,第二节 单效蒸发(15),完成液的沸点t，受蒸发器内操作压强p及溶液本身的浓度x影响很大，而溶液在各种浓度和压强下的沸点，很多情况下查不到文献值；介绍两种计算方法：,3、溶液沸点及温差损失的计算：,杜林规则

14、法的数学表达式：,杜林规则：一定浓度的某种溶液的沸点，与相同压强下标准液体的沸点呈线性关系。,（1）杜林规则法：,2022/11/29,第二节 单效蒸发(16),式中： tA、tA分别表示某溶液在两个压强下的沸点值； tw、tw分别表示水在对应压强下的沸点值(文献值)； 以水的沸点作横坐标，溶液沸点为纵坐标作图；两个状 态点(两个P值下的tw，tA)及(两个值P0下的tw,tA),两点连 线即为杜林线，该线为直线。,杜林图：,2022/11/29,第二节 单效蒸发(17),任意操作压强下、溶液的沸点升高可用下面公式计算,式中：a常压下（p=101.3kPa）溶液的沸点升高；f校正系数；T蒸发室

15、压强为p对应的饱和水蒸汽温度，也是二次蒸汽的温 度；rp对应的相变热，均为文献值； 则溶液的沸点： t=T+。,（2）经验公式法：,2022/11/29,课堂练习5-3,采用标准蒸发器，对NaOH的稀溶液进行浓缩。已知蒸发室的操作压力为50kPa（绝压），完成液的浓度为20%。试求操作条件下溶液的沸点升高及沸点。 （1）用经验式； （2）用杜林规则。,解：（1）查得水的有关数据：,查得在101.3kPa时20%NaOH溶液的沸点为108.06，因此常压下该溶液的沸点升高为,2022/11/29,课堂练习,压力为50 kPa下的沸点升高为,此时溶液的沸点为,（2）用杜林规则法,沸点升高为：,20

16、22/11/29,第二节 单效蒸发(18),总之，由于液体柱高产生了静压强，由此将引起液体内部 的压强增大，进一步将引起溶液的沸点升高，导致总温差下降。 溶液内部的静压强按平均压强pm及对应的沸点为Tmp,式中： pm蒸发器中液面和底部的平均压强，kPa； 在该值下由饱和水蒸汽表查得对应的温度Tpm值； p液面处压强，也即二次蒸汽的压强，kPa；在该值下由饱和水蒸汽表查得对应的温度TP值； 溶液的密度，kg/m3; L液层高度，m；,4、温差损失的计算：,2022/11/29,课堂练习：54,在中央循环管蒸发器内，蒸发25CaCl2水溶液，已测得二次蒸汽的绝对压强为40kPa。加热管内深度为2

17、.3m，溶液平均密度为1200kg/m3。试求因溶液静压强引起的温度差损失及溶液沸点。已知操作条件下因溶液蒸汽压下降引起的温度差损失为6.25。,解： =Tpm-Tp; Tp、Tpm差对p及pm下的饱和温度值,Tp=T=75;r=2312.2kJ/kgTpm=83,由静压强引起的温差损失为：=Tpm-Tp=83-75=8,溶液沸点：t=T+ +=75+6.25+8=89.25,2022/11/29,课堂练习：54(2),已知CaCl2水溶液在常压下的沸点ta=107，则a=7，,溶液沸点：t=T+ +=75+5.94+8=88.94=89,2022/11/29,第二节 单效蒸发(19),由于流

18、体在管路中流动产生流动阻力而引起的温度差损失，用的计算。,二次蒸汽在管路中流动，产生流动阻力，使二次蒸汽的压强有所下降，温度相应也降低，所降低的温度为温度差损失，大约为11.5，该温度差损失在多效蒸发中更为明显。 一般取=1。,2022/11/29,第二节 单效蒸发(20),确定总温差损失的一般方法:,首先确定冷凝器的操作压强pk，一般小于蒸发器内的操作压强p，即pkp；Tk T；T:最后一效二次蒸汽的饱和温度(文献值)Tk：冷凝器中的实际压强（真空的）pk时的饱和温度(文献值),一般认为：,总温差损失：,对单效蒸发，溶液的沸点：t=T+ + ,2022/11/29,课堂练习5-5,用一连续操

19、作的单效标准式蒸发器，将10%（质量分率）的Na2SO4水溶液浓缩至25%（质量分率），进料量为2000kg/h，沸点进料。加热介质为0.3MPa（绝压）的饱和水蒸气，冷凝器的操作压力为50kPa（绝压）。在操作条件下，蒸发器的总传热系数K=1000W/(m2)，溶液的平均密度为1206kg/m3。冷凝水在饱和温度下排出，热损失为12000w，估计蒸发器中液面高度为2m。,试求（1）水的蒸发量W； （2）加热蒸汽用量D； （3）蒸发器所需的传热面积S。,2022/11/29,课堂练习5-5（2）,解：（1）水的蒸发量W:,（2）加热蒸汽用量D:,已知冷凝器的操作压力为50kPa，查得此压力下水

20、蒸气的温度为Tk=81.2,取=1，则蒸发室内二次蒸汽的温度T82.2，相应的二次蒸汽压力p=52kPa及汽化热rkJ/kg,其中加热蒸汽的冷凝热为,饱和温度为,查得常压下（101.3kPa）25% Na2SO4水溶液的沸点为102，故,2022/11/29,课堂练习5-5（3）,52kPa下的沸点升高为,故液面上溶液的沸点为,液层平均压力,查附录，在63.8 kPa下水蒸汽的温度为87.2，故,由以上计算可知，对于该物系，在真空下操作时， 在中占有较大比例。,2022/11/29,课堂练习5-5（4）,因此，溶液的平均沸点为,有效温度差为,因沸点进料，则,（3）蒸发器所需的传热面积S：,20

21、22/11/29,第二节 单效蒸发(22),1、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Wkg/h表示;也可用蒸发器的传热速率Q表示。,对于单效蒸发：QKStm=KS(T-t)不同的进料温度，则所需要的热量(加热蒸汽量)是不同的。以沸点进料为计算基准，则高于沸点进料时，产生自蒸发现象，蒸发器的生产能力有所增强；而低于沸点进料时，蒸发器的生产能力有所降低。,六、蒸发器的生产能力与生产强度,2022/11/29,第二节 单效蒸发(23),2、蒸发器的生产强度U:,即:单位传热面积上单位时间内蒸发的水量；kg/(m2h)。,一般情况下可以认为蒸发量W是一定的(由工艺条件决定)，因此传热面积S越小则生产强度U越大；对于单效蒸发，沸点进料，忽略热损失，则：,2022/11/29,第二节 单效蒸发(24),分析：有利于增大U的一切因素都可以利用1、增大传热总系数K;2、增大tm值： tm=T-t，T与加热蒸汽的压强有 关；t与蒸发器内操作压强有关，即与冷凝器 的压强也有关；但tm值的增加是有限度的。3、r值是二次蒸汽的相变热，与操作压强有关， 操作压强越低，则该值越大。 总之，提高生产强度U的有效方法是增大U的主要途径。,2022/11/29,