項目九蒸發及設備操作大慶職業學院

職業教育環境監測與治理技術專業教學資源庫《化工單元操作》課程

任務二、蒸發過程工藝參數的確定---蒸發工藝計算

項目九蒸發及設備操作大慶職業學院1工藝參數單位時間內水分蒸發量W(kg/h)和完成液濃度—物料衡算方程加熱蒸汽用量D(kg/h)—熱量衡算方程蒸發器的傳熱面積S(m2)—傳熱速率方程工藝參數單位時間內水分蒸發量W(kg/h)和完成液濃度—物料2一、水分蒸發量的計算

以蒸發器為系統進行溶質的質量衡算（以kg/h為基準)

：

Fx0=(F-W)x1W=(1-)x1x0F-WFx0x1=水分蒸發量：完成液濃度：一、水分蒸發量的計算以蒸發器為系統進行溶質的質量衡算（以k3二、加熱蒸汽的消耗量

以蒸發器為衡算范圍，以kJ/h為單位對進出蒸發器的熱量進行衡算（以0℃液態為溫度與物態基準）：

DH+Fh0=Dhc+WH+(F-W)h1+QL

￠Q=D(H-hc)=F(h1-h0)+W(H-h1)+QL￠注：D-蒸汽消耗量，kg/h；H-加熱蒸汽的焓，kJ/kg；H'-二次蒸汽的焓，kJ/kg；h0—原料液的焓，kJ/kg；h1—完成液的焓，kJ/kg；hc—冷凝水的焓，kJ/kgQL-蒸發器的熱損失，J/h。二、加熱蒸汽的消耗量以蒸發器為衡算范圍，以kJ/h4二、加熱蒸汽的消耗量討論１.加熱蒸汽的冷凝水在飽和溫度下排出則H-hc為冷凝潛熱r(kJ/kg)二、加熱蒸汽的消耗量討論１.加熱蒸汽的冷凝水在飽和溫度下排5二、加熱蒸汽的消耗量２.溶液的稀釋熱可以忽略當溶液的稀釋熱不大，可以忽略不計時，溶液的焓值可用比熱計算。以0℃的液體為基準，則：忽略原料液和完成液比熱容的差異，即

近似取溫度為t1時飽和蒸汽的焓，并忽略溶質濃度對比熱容的影響二、加熱蒸汽的消耗量２.溶液的稀釋熱可以忽略當溶液的稀釋熱6若溶液為沸點進料(tl=t0)，忽略蒸發器熱損失蒸汽的汽化潛熱隨壓力變化不大(rr')，故D/W

1，蒸發1kg水約需1kg加熱蒸汽。實際上r<r'，加上熱損失，D/W>1，其值約為1.1或稍高。二、加熱蒸汽的消耗量上式表明，加熱蒸汽相變放出的熱量用于：①使原料液由t0升溫至沸點t1；②使水在tl溫度下汽化生成二次蒸汽；③一部分用于蒸發器的熱損失。若溶液為沸點進料(tl=t0)，忽略蒸發器熱損失二、7三、蒸發器的傳熱面積Q=KSΔtm由傳熱速率方程：據此計算蒸發器傳熱面積S。其中Δtm、K、Q計算如下:

（一）蒸發器的熱負荷Q蒸發器的熱負荷Q可以根據加熱室的熱量衡算求得。如果忽略加熱室的熱損失，則Q即為加熱蒸汽冷凝放出的熱量：Q=D（H-hC）=Dr三、蒸發器的傳熱面積Q=KSΔtm由傳熱速率方程：據此計算8三、蒸發器的傳熱面積(二)傳熱系數K1.傳熱系數原則上可按下式計算:式中：αo—管間蒸汽冷凝時的對流傳熱系數，W/(m2?K)；αi—管內溶液沸騰時的對流傳熱系數，W/(m2?K)；Ro—管外污垢熱阻，(m2?K)/W；Rw—管壁熱阻，(m2?K)/W；Ri—管內污垢熱阻，(m2?K)/W。K00ii111aa++++=RRRWddododii三、蒸發器的傳熱面積(二)傳熱系數K式中：αo—管間蒸汽冷9三、蒸發器的傳熱面積2.選用經驗值3.現場測定對已有的蒸發設備可用實驗方法確定其K值，測定方法和換熱器傳熱系數的測定方法相同。不同類型蒸發器的傳熱系數的大致范圍三、蒸發器的傳熱面積2.選用經驗值3.現場測定不同10三、蒸發器的傳熱面積（三）平均溫度差Δtm蒸發屬兩相均有相變的恒溫傳熱過程，故傳熱的平均溫度差（亦稱有效溫度差）為Δtm=T-t1當加熱蒸汽選定時，蒸發計算需知道溶液的沸點t1，即可計算傳熱溫度差。在實際生產中，由于溶液的真實沸點不便于測量，常以二次蒸汽冷凝器進口附近處或分離室的壓強所對應的飽和蒸汽溫度T'來代替。由于T'比溶液的實際沸點t1要低，兩者之差稱為溫差損失，亦稱為溶液的沸點升高，用Δ表示，即

t1=T'+Δ三、蒸發器的傳熱面積（三）平均溫度差Δtm蒸發屬兩相11三、蒸發器的傳熱面積造成溫度差損失（沸點升高）的主要原因是：因溶質存在，使溶液沸點升高導致與純水沸點之差Δ'；蒸發器操作時需維持一定液位，因加熱管內液柱靜壓強而使沸點升高Δ″；二次蒸汽由蒸發器分離室流動到冷凝器時產生壓強降，導致的溫度差損失Δ（若T′指分離室溫度時，Δ=0）。即

Δ=Δ'+Δ″+Δ三、蒸發器的傳熱面積造成溫度差損失（沸點升高）的主要原因是12三、蒸發器的傳熱面積注：Δ'—操作壓力下由于溶質存在引起的沸點升高，K；Δ'a—常壓下由于溶質存在引起的沸點升高，K；?一校正系數，其值可按下式計算。1.由于不揮發溶質存在引起的沸點升高△′經驗公式算法Δ'=?Δ'a注：T'—操作壓力下二次蒸汽的溫度，K；

r′—操作壓力下二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg。?

=0.0162T'2r′三、蒸發器的傳熱面積注：Δ'—操作壓力下由于溶質存在引起的13三、蒸發器的傳熱面積應用杜林規則估算溶液沸點杜林規則：溶液的沸點與同壓力下溶劑的沸點呈線性關系。在相同壓力下分別以某種溶液的沸點為縱坐標，水的沸點為橫坐標作圖，可得一條直線。對一定濃度的溶液，只要知道它在兩個不同壓強下的沸點，再查出相同壓強下對應水的沸點，即可繪出該濃度溶液的杜林直線，由此直線即可求得該溶液在其它壓強下的沸點。

注：tB′,tB—壓力為p′和p下溶液的沸點，℃；tw′,tw—壓力為p′和p下水的沸點，℃；三、蒸發器的傳熱面積應用杜林規則估算溶液沸點杜林規則：溶液14三、蒸發器的傳熱面積NaOH水溶液的杜林線如圖示。圖中每一條直線代表某一組成下該溶液在不同壓力下的沸點與對應壓力下水的沸點間的關系。由圖可知，當溶液的組成較低時，各組成下杜林直線的斜率幾乎平行，這表明在任何壓力下，NaOH溶液的沸點升高基本上是相同的。杜林規則可用公式表示為tB=ktw+m或三、蒸發器的傳熱面積NaOH水溶液的杜林線如圖示。圖中每一15三、蒸發器的傳熱面積2.加熱管內液柱高度而引起的沸點升高△″某些蒸發器的加熱管內積有一定高度的液位，使得液面以下液體承受更大的壓強，因而導致沸點升高。液層內部沸點與表面沸點之差即為因加熱管內液柱靜壓強而引起的沸點升高（溫度差損失）Δ″。根據流體靜力學方程，液層的平均壓力為注：Pm—液柱的平均壓力，Pa；p′—分離室內的壓強，Pa；ρ—溶液的平均密度，kg/m3；L—加熱管內液柱高度，m。2gL'ppmr+=三、蒸發器的傳熱面積2.加熱管內液柱高度而引起的沸點升高16三、蒸發器的傳熱面積由于液柱高度而引起的沸點升高為Δ″=tPm-tp'式中：tPm—壓強Pm下水的沸點，℃；tp'—與二次蒸汽壓強P′對應的水的沸點，℃。3.由于流動阻力引起的沸點升高△二次蒸汽從蒸發室流入冷凝器的過程中，由于管路阻力，其壓力下降，溫度也相應下降，即蒸發器內蒸汽的冷凝溫度高于冷凝器內的冷凝溫度。由此造成的沸點升高以△表示。△與二次蒸汽在管道中的流速、物性以及管道尺寸有關，但很難定量分析，一般取經驗值，約為1～1.5℃。三、蒸發器的傳熱面積由于液柱高度而引起的沸點升高為Δ″=t17項目九蒸發及設備操作大慶職業學院

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任務二、蒸發過程工藝參數的確定---蒸發工藝計算

項目九蒸發及設備操作大慶職業學院18工藝參數單位時間內水分蒸發量W(kg/h)和完成液濃度—物料衡算方程加熱蒸汽用量D(kg/h)—熱量衡算方程蒸發器的傳熱面積S(m2)—傳熱速率方程工藝參數單位時間內水分蒸發量W(kg/h)和完成液濃度—物料19一、水分蒸發量的計算

以蒸發器為系統進行溶質的質量衡算（以kg/h為基準)

：

Fx0=(F-W)x1W=(1-)x1x0F-WFx0x1=水分蒸發量：完成液濃度：一、水分蒸發量的計算以蒸發器為系統進行溶質的質量衡算（以k20二、加熱蒸汽的消耗量

以蒸發器為衡算范圍，以kJ/h為單位對進出蒸發器的熱量進行衡算（以0℃液態為溫度與物態基準）：

DH+Fh0=Dhc+WH+(F-W)h1+QL

￠Q=D(H-hc)=F(h1-h0)+W(H-h1)+QL￠注：D-蒸汽消耗量，kg/h；H-加熱蒸汽的焓，kJ/kg；H'-二次蒸汽的焓，kJ/kg；h0—原料液的焓，kJ/kg；h1—完成液的焓，kJ/kg；hc—冷凝水的焓，kJ/kgQL-蒸發器的熱損失，J/h。二、加熱蒸汽的消耗量以蒸發器為衡算范圍，以kJ/h21二、加熱蒸汽的消耗量討論１.加熱蒸汽的冷凝水在飽和溫度下排出則H-hc為冷凝潛熱r(kJ/kg)二、加熱蒸汽的消耗量討論１.加熱蒸汽的冷凝水在飽和溫度下排22二、加熱蒸汽的消耗量２.溶液的稀釋熱可以忽略當溶液的稀釋熱不大，可以忽略不計時，溶液的焓值可用比熱計算。以0℃的液體為基準，則：忽略原料液和完成液比熱容的差異，即

近似取溫度為t1時飽和蒸汽的焓，并忽略溶質濃度對比熱容的影響二、加熱蒸汽的消耗量２.溶液的稀釋熱可以忽略當溶液的稀釋熱23若溶液為沸點進料(tl=t0)，忽略蒸發器熱損失蒸汽的汽化潛熱隨壓力變化不大(rr')，故D/W

1，蒸發1kg水約需1kg加熱蒸汽。實際上r<r'，加上熱損失，D/W>1，其值約為1.1或稍高。二、加熱蒸汽的消耗量上式表明，加熱蒸汽相變放出的熱量用于：①使原料液由t0升溫至沸點t1；②使水在tl溫度下汽化生成二次蒸汽；③一部分用于蒸發器的熱損失。若溶液為沸點進料(tl=t0)，忽略蒸發器熱損失二、24三、蒸發器的傳熱面積Q=KSΔtm由傳熱速率方程：據此計算蒸發器傳熱面積S。其中Δtm、K、Q計算如下:

（一）蒸發器的熱負荷Q蒸發器的熱負荷Q可以根據加熱室的熱量衡算求得。如果忽略加熱室的熱損失，則Q即為加熱蒸汽冷凝放出的熱量：Q=D（H-hC）=Dr三、蒸發器的傳熱面積Q=KSΔtm由傳熱速率方程：據此計算25三、蒸發器的傳熱面積(二)傳熱系數K1.傳熱系數原則上可按下式計算:式中：αo—管間蒸汽冷凝時的對流傳熱系數，W/(m2?K)；αi—管內溶液沸騰時的對流傳熱系數，W/(m2?K)；Ro—管外污垢熱阻，(m2?K)/W；Rw—管壁熱阻，(m2?K)/W；Ri—管內污垢熱阻，(m2?K)/W。K00ii111aa++++=RRRWddododii三、蒸發器的傳熱面積(二)傳熱系數K式中：αo—管間蒸汽冷26三、蒸發器的傳熱面積2.選用經驗值3.現場測定對已有的蒸發設備可用實驗方法確定其K值，測定方法和換熱器傳熱系數的測定方法相同。不同類型蒸發器的傳熱系數的大致范圍三、蒸發器的傳熱面積2.選用經驗值3.現場測定不同27三、蒸發器的傳熱面積（三）平均溫度差Δtm蒸發屬兩相均有相變的恒溫傳熱過程，故傳熱的平均溫度差（亦稱有效溫度差）為Δtm=T-t1當加熱蒸汽選定時，蒸發計算需知道溶液的沸點t1，即可計算傳熱溫度差。在實際生產中，由于溶液的真實沸點不便于測量，常以二次蒸汽冷凝器進口附近處或分離室的壓強所對應的飽和蒸汽溫度T'來代替。由于T'比溶液的實際沸點t1要低，兩者之差稱為溫差損失，亦稱為溶液的沸點升高，用Δ表示，即

t1=T'+Δ三、蒸發器的傳熱面積（三）平均溫度差Δtm蒸發屬兩相28三、蒸發器的傳熱面積造成溫度差損失（沸點升高）的主要原因是：因溶質存在，使溶液沸點升高導致與純水沸點之差Δ'；蒸發器操作時需維持一定液位，因加熱管內液柱靜壓強而使沸點升高Δ″；二次蒸汽由蒸發器分離室流動到冷凝器時產生壓強降，導致的溫度差損失Δ（若T′指分離室溫度時，Δ=0）。即

Δ=Δ'+Δ″+Δ三、蒸發器的傳熱面積造成溫度差損失（沸點升高）的主要原因是29三、蒸發器的傳熱面積注：Δ'—操作壓力下由于溶質存在引起的沸點升高，K；Δ'a—常壓下由于溶質存在引起的沸點升高，K；?一校正系數，其值可按下式計算。1.由于不揮發溶質存在引起的沸點升高△′經驗公式算法Δ'=?Δ'a注：T'—操作壓力下二次蒸汽的溫度，K；

r′—操作壓力下二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg。?

=0.0162T'2r′三、蒸發器的傳熱面積注：Δ'—操作壓力下由于溶質存在引起的30三、蒸發器的傳熱面積應用杜林規則估算溶液沸點杜林規則：溶液的沸點與同壓力下溶劑的沸點呈線性關系。在相同壓力下分別以某種溶液的沸點為縱坐標，水的沸點為橫坐標作圖，可得一條直線。對一定濃度的溶液，只要知道它在兩個不同壓強下的沸點，再查出相同壓強下對應水的沸點，即可繪出該濃度溶液的杜林直線，由此直線即可求得該溶液在其它壓強下的沸點。

注：tB′,tB—壓力為p′和p下溶液的沸點，℃；tw′,tw—壓力為p′和p下水的沸點，℃；三、蒸發器的傳熱面積應用杜林規則估算溶液沸點杜林規則：溶液31三、蒸發器的傳熱面積NaOH水溶液的杜林線如圖示。圖中每