文档介绍：第五章蒸发
§1 概述
5-1蒸发的用途和分类
在日常生活中,熬中药、煲猪骨汤,许多人都操作过。抓中药时,医生会嘱咐,三碗水煎成一碗水。熬中药的过程,既是一个中药有效成份的溶解过程,又是一个蒸发过程。广东人煲的“老火靓汤”这一过程,也包含了蒸发过程。
什么叫蒸发?将溶液加热,使其中部分溶剂气化并不断去除,以提高溶液中的溶质浓度的过程即蒸发。熬中药时,如果不是三碗水煎成一碗水,则三碗水中的药物浓度不高,药效就不够。如图5-1所示。
图5-1蒸发示意图
在化工生产中,NaOH溶液增浓、稀糖液的浓缩、由海水蒸发并冷凝制备淡水等都是采用蒸发操作来实现的。
蒸发的方式有自然蒸发和沸腾蒸发。自然蒸发是溶液中的溶剂在低于沸点下汽化,例如海盐的晒制。沸腾蒸发是使溶液中的溶剂在沸点时汽化,在溶液各个部分都同时发生汽化现象。因此,沸腾蒸发的速率远超过自然蒸发速率。
蒸发可按蒸发器内的压力分为常压、加压和减压蒸发。减压蒸发又称为真空蒸发。按二次蒸汽利用的情况分为单效蒸发和多效蒸发。若将所产生的二次蒸汽不再利用或被利用于蒸发器以外这种操作,称为单效蒸发;如果将二次蒸汽引至另一压力较低的蒸发器加热室,作为加热蒸汽来使用,这种操作称为多效操作蒸发。
§2 单效蒸发
5-2 单效蒸发衡算方程
蒸发器的物料衡算
图5-2 单效蒸发衡算示意图
在蒸发操作中,单位时间内从溶液蒸发出来的水量,可通过物料衡算确定。现对图5-2所示的单效蒸发器作溶质的物料衡算。在稳定连续操作中,单位时间进入和离开蒸发器的溶质数量应相等,即
………………(I)
由此可求得水份蒸发量为:
………………(Ia)
完成液的浓度:
………………(Ib)
式中, ——溶液的进料量,; ——水份蒸发量, ;
——原料液中溶质的浓度,质量分率;
——完成液中溶质的浓度,质量分率
蒸发器的热量衡算
对图5-2的虚线范围作热量衡算得:
或…………(II)
式中, ——加热蒸汽流率,;
,——分别是加热蒸汽和二次蒸汽的焓,;
, ——-分别是原料液和水的比热,;
、——分别是原料温度和溶液的沸点,K;
——冷凝液的饱和温度,K; ——蒸发器的热损失,;
∵
∴
………………(IIa)
式中,γ,γ` ——分别为加热蒸汽与二次蒸汽的汽化潜热,;
若原料液在沸点下进入蒸发器,即kg,再忽略热损失,即,则式(IIa)得:
………………(IIb)
D/W称为单位蒸汽消耗量,即蒸发1kg水所需蒸汽量,
由于二次蒸汽与加热蒸汽,随压力变化不大,即,
∴即原料液为沸点进料并忽略热损失时,加热蒸汽消耗量与二次蒸汽生成量相等。
5-3 蒸发衡算计算举例
【例5-1】在单效蒸发中,每小时将的某种水溶液从连续浓缩到,蒸发操作的平均压力为,相应的溶液的沸点为℃。。蒸发器的热损失为。试求:
蒸发量
原料液温度分别为30℃、80℃和120℃时的加热蒸汽消耗量及单位蒸汽消耗量。
解:(1)蒸发量由(I)式知
(2)加热蒸汽消耗量由(IIa)式知
由附录查得压力为时的饱和蒸汽的汽化潜热分别为2320和2204,原料液温度为30℃时的蒸汽消耗量为:
单位蒸汽消耗量为:
原料液温度为80℃时的蒸汽消耗量:
单位蒸汽消耗量为:
原料液温度为120℃时的蒸汽消耗量为:
单位蒸汽消耗量为:
由以上计算结果得知,原料液的温度愈高,蒸发1kg水所消耗的加热蒸汽量愈少
5-4 蒸发器传热面积
蒸发器的传热面积可依传热基本方程式求得,即
………………()
式中,——蒸发器的传热面积,; ——蒸发器的传热系数,;
——传热的平均温度差,; ——蒸发器的热负荷或传热速率,。
式()中的热负荷依热量衡算求取,显然。其中传热系数亦可按蒸汽冷凝和液体沸腾对流传热求出间壁两侧的对流传热系数,及按经验估计的垢层热阻进行计算。对于蒸发器的传热温度差,因为蒸发过程是间壁两侧的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温传热,所以
,但是水溶液的沸点t1的确定方法还有待于5-6节中进行讨论。
5-5 传热面积计算举例
【例5-2】在单效蒸发器中,将的CaCl2水溶液连续浓缩到,原料液流量为,温度为℃。蒸发操作的平均威力为,溶液的沸点为℃。加热蒸汽绝压为。若蒸发器的总传热系数为,热损失为蒸发器传热量的%,试求蒸发器的传热面积和加热蒸汽消耗量。
解:蒸发量为
蒸发器的热负荷为:
而其中原料液比热为:
由附录查得下饱各蒸汽的汽化潜热为。所以
又由附录查得下饱各蒸汽温度为℃,汽化潜热为
所以蒸发器的传热面积为:
加热蒸汽消耗量为:
5-6 因蒸汽压下降引起沸点升高
所谓