模块4 溶液蒸发操作教案.docx

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模块4溶液蒸发操作教案

模块四溶液蒸发操作

项目1认识蒸发器

【教材版本】李祥新、朱建民主编《化工单元操作》，高等教育出版社2009年3月出版。

【教学目标】

1．通过本项目的学习，掌握蒸发器的结构及特点。

2．熟悉蒸发器的形式及应用。

【教学重点、难点】

重点：

蒸发器的结构

难点：

不同类型蒸发器的特点及应用场合

【教学方法】

采用项目教学法，以行动导向来进行学习，调动学生的学习积极性，注重培养学生规范操作、观察分析、团结合作的能力。

根据本项目特点，采用“导入——演示——实训——评价——讲授——讨论”的教学过程，先让学生在完成具体项目的过程中熟悉相应单元操作，然后通过相关知识的学习达到教学目标。

【学时安排】8学时

【教学建议】

先通过例子导入本项目的工作任务，根据要求布置实训任务，演示实训操作方法，指导学生按步骤完成实训项目。

然后，在学生预习的基础上学习溶液蒸发的相关知识。

【教学过程】

一、导入

蒸发就是浓缩溶液的单元操作。

在化工生产中，常常需要将溶有固体溶质的稀溶液浓缩，以达到符合要求的浓度，或析出固体产品，或回收汽化出来的溶剂。

如氯碱工业中将电解制得的10%烧碱溶液浓缩到30%，必须蒸发除去部分水分。

二、教师讲授及演示实训步骤

1．布置实训任务：

观察蒸发器的结构、尺寸、仪表及控制部分，分析蒸发器在工艺流程中的位置。

2．引导学生先大致了解蒸发器，提高学生学习兴趣。

图4-1四效降膜蒸发器

三、学生实训

指导学生按工艺卡片进行实训。

初步认识——察看详细结构——分析加热室结构——观察仪表及控制系统——察看材质——察看安装方式

四、检查评价

学生自查实训情况，各组比较操作情况及数据的准确性，选出最佳操作人员。

五、相关知识

在学生预习及实训操作的基础上，由教师讲授与学生讨论相结合，完成以下内容的学习。

一、蒸发器的分类

1．蒸发操作

通过加热——提供大量的热能；一般都是在沸腾状态下进行

大量溶剂汽化——及时排除汽化出的蒸气

2．蒸发设备

与一般的传热设备无本质区别。

加热室、气液分离室（蒸发室）、除沫器、冷凝器、真空装置

3．蒸发器分类

料液在蒸发器内流动情况

类型

料液流动特点

循环

自然循环型

中央循环管式

悬筐式

外加热式

列文式

蒸发器中各部分溶液受热程度不同，产生密度差而引起循环

强制循环型

利用外加动力迫使溶液进行循环

单程

升膜式

溶液沿管内壁呈膜状向上流动

降膜式

溶液沿管内壁呈膜状向下流动

升-降膜式

料液先经升膜加热管上升，再由降膜加热管下降

刮板式薄膜式

料液利用旋转刮板的刮带和重力的作用，在器壁上成膜

二、常见蒸发器结构

学生讨论、自学内容

1．根据蒸发器模型或图片，分析蒸发器的结构：

加热室、蒸发室的位置，加热蒸气进口，冷凝水出口，二次蒸气出口，料液进口，物料出口。

2．说明各种类型蒸发器物料流向及循环过程。

3．比较各种类型蒸发器的特点及应用场合。

（1）中央循环管式蒸发器

图4-2中央循环管式蒸发器

（2）悬筐式蒸发器

（3）外加热式蒸发器

图4-3外加热式蒸发器

（4）列文蒸发器

（5）强制循环型蒸发器

图4-4强制循环式蒸发器

（6）升膜式蒸发器

图4-5升膜式蒸发器

（7）降膜式蒸发器

图4-6降膜式蒸发器

（8）升-降膜式蒸发器

（9）刮板薄膜式蒸发器

图4-7刮板薄膜式蒸发器

4．分析蒸发器辅助装置的结构及作用。

（1）除沫器

图4-8常见除沫器

（2）冷凝器和真空装置

图4-9混合冷凝器

（3）冷凝水排除器

图4-10偏心热动力疏水阀

【作业】

复习题

项目2蒸发器操作

【教材版本】李祥新、朱建民主编《化工单元操作》，高等教育出版社2009年3月出版。

【教学目标】

1．通过本项目的学习，学会蒸发器的基本操作，掌握单效蒸发操作的特点。

2．学会判断蒸发器的故障，并能及时排除。

【教学重点、难点】

重点：

蒸发器的基本操作

难点：

判断蒸发器的故障

【教学方法】

采用项目教学法，以行动导向来进行学习，调动学生的学习积极性，注重培养学生规范操作、观察分析、团结合作的能力。

根据本项目特点，采用“导入——演示——实训——评价——讲授——讨论”的教学过程，先让学生在完成具体项目的过程中熟悉相应单元操作，然后通过相关知识的学习达到教学目标。

【学时安排】8学时

【教学建议】

先通过例子导入本项目的工作任务，根据要求布置实训任务，演示实训操作方法，指导学生按步骤完成实训项目。

然后，在学生预习的基础上学习溶液蒸发的相关知识。

【教学过程】

一、导入

工业上应用的蒸发过程有不同的形式，蒸发操作按效数可分为单效蒸发和多效蒸发，按操作方式又分为间歇蒸发和连续蒸发等。

每种操作方式均有其不同特点，视工业生产要求而选用。

二、教师讲授及演示实训步骤

1．布置实训任务：

练习蒸发器开车、进料、正常运行、停车操作

2．演示蒸发器操作，强调操作要点。

图4-11单效薄膜蒸发器

三、学生实训

指导学生按工艺卡片进行实训。

检查准备——开车——操作运行——停车——卸料——洗效（刷罐）

四、检查评价

学生自查实训情况，各组比较操作情况及数据的准确性，选出最佳操作人员。

五、相关知识

在学生预习及实训操作的基础上，由教师讲授与学生讨论相结合，完成以下内容的学习。

一、蒸发流程

1．蒸发操作的分类

分类

操作特点

应用场合

按二次蒸气是否利用分类

单效蒸发

二次蒸气直接冷凝排放不再利用。

主要在小批量、间歇生产的情况下使用

多效蒸发

汽化出来的二次蒸气引到下一个蒸发器作为加热蒸气使用，多个蒸发器串联进行操作。

降低了加热蒸气消耗量

大规模的、连续性的生产一般都采用多效蒸发

按操作压力分类

常压蒸发

分离室与大气相通，或采用敞口设备，二次蒸气直接排放到大气中

用于产量较小的简单工艺

减压蒸发

蒸发操作在低于大气压的条件下进行。

在加热蒸气压力相同的情况下，溶液沸点低，传热温度差大，操作温度低，热量损失小。

化工生产中的蒸发操作大都采用减压蒸发

加压蒸发

蒸发操作在高于大气压的情况下进行，其目的主要是为了提高二次蒸气的温度，以提高热能的利用率

用于沸点高的物料蒸发

按操作过程是否连续分类

间歇蒸发

蒸发过程中，溶液的浓度和沸点随时间不断改变，是一个不稳定操作过程

适于小批量、多品种的场合

连续蒸发

连续加料、连续出料的稳定操作过程

适合于大规模的生产

图4-12单效真空蒸发流程

图4-13多效蒸发流程

2．多效蒸发流程

（1）并流加料流程

并流加料又称顺流加料，即溶液与蒸气的流向相同，都是由第一效顺序流至末效。

图4-15并流加料流程

优点：

操作简便，容易控制。

在处理黏度随浓度增加而变化很大的物料时，不宜采用并流加料流程。

（2）逆流加料流程

原料液的流向与加热蒸气流向相反。

图4-16逆流加料流程

优点：

随着溶液浓度的逐效增加，其温度也随之升高。

因此各效溶液的黏度较为接近，使各效的传热系数基本保持不变。

缺点：

效间溶液需用泵来输送。

（3）平流加料流程

各效都加入原料液和放出浓缩液，蒸气则仍然从第一效顺序流至末效。

图4-17平流加料流程

适合于在蒸发过程中不断有结晶析出的溶液。

例如某些盐溶液的浓缩，因为有结晶的析出，不便于效间的输送，宜采用平流加料法。

3．多效蒸发的效数限制

沸点升高较大的电解质溶液的蒸发，效数不宜太多（如NaOH水溶液的蒸发，一般采用2～3效）；

对于沸点升高较小的非电解质溶液的蒸发，则可采用较多的效数（如糖水溶液的蒸发用4～6效；而海水淡化的蒸发装置可达20～30效）。

二、蒸发器的计算

1．水分蒸发量

图4-18单效蒸发的物料衡算示意图

以1h为物料衡算基准，单位时间水分蒸发量为

（4-1）

式中W——水分蒸发量（即二次蒸气量），kg/h

F——原料液质量，kg/h

w0——原料液的浓度（溶质的质量分数）；

w1——完成液的浓度（溶质的质量分数）；

2．加热蒸气消耗量

定义

为单位蒸气消耗量，即每蒸发1kg水（溶剂）所需要的加热蒸气量。

采用单效蒸发时，汽化1kg水消耗约1kg加热蒸气。

实际生产中，由于溶液热效应的存在及热损失等原因，实际的单位蒸气消耗量大约为1.1或更大一些。

不同效数时的单位蒸气消耗量如下表。

效数

单效

双效

三救

四效

五效

D/W

（kg汽/kg水）

理论值

1.0

0.50

0.33

0.25

0.20

实际值

1.1

0.57

0.40

0.30

0.27

3．蒸发器的生产能力和生产强度

（1）蒸发器的生产能力

蒸发器的生产能力是指单位时间蒸发的溶剂（水）量，单位为kg/h，由生产要求确定。

（2）蒸发器的生产强度

蒸发器的生产强度是指单位时间内单位传热面积上所能蒸发的溶剂（水）量，以U表示，单位为kg/（m2·h）；即

（4-5）

式中W——蒸发器的生产能力，kg/h；

A——蒸发器加热室的传热面积，m2。

对于一定的蒸发量，蒸发强度越大，则所需传热面积越小，蒸发设备的投资越小。

因此蒸发器的生产强度是评价蒸发器性能优劣的重要指标。

4．提高蒸发器生产强度的途径

增大蒸发器的总传热系数K是提高蒸发器生产强度的主要途径。

蒸气中若含有少量不凝性气体时，它将会占据传热空间，使对流传热膜系数大幅度下降。

当蒸气中含有1%的不凝性气体，总传热系数K下降60%。

因此，在蒸发器的实际操作中应该定时排放不凝性气体。

在处理易结晶或结垢的料液时，管壁上可形成污垢层，污垢层热阻很大，造成传热速率急剧降低。

所以，在蒸发生产中要求定期清洗蒸发器。

三、蒸发器的操作

学生讨论、自学内容

1．蒸发单元操作安全要点有哪些？

2．蒸发操作常见故障有哪些？

应怎样处理？

【作业】

复习题

6．分析并比较下列各组概念的联系与区别。

加热蒸气生产能力循环型蒸发器温度差损失并流加料

二次蒸气生产强度单程型蒸发器有效温度差逆流加料

平流加料

计算题

本模块理论知识结构

溶液蒸发操作

蒸发器的分类

认识蒸发器

常见蒸发器结构

蒸发流程

蒸发器操作

蒸发器的计算

蒸发器的操作

出师表

两汉：

诸葛亮

　　先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。

然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。

诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。

　　宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。

若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。

　　侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：

愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。

　　将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能”，是以众议举宠为督：

愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。

　　亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。

先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。

侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也

。

　　臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。

先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。

后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。

　　先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。

受命以来，夙夜忧叹，恐托付不效，以伤先帝之明；故五月渡泸，深入不毛。

今南方已定，兵甲已足，当奖率三军，北定中原，庶竭驽钝，攘除奸凶，兴复汉室，还于旧都。

此臣所以报先帝而忠陛下之职分也。

至于斟酌损益，进尽忠言，则攸之、祎、允之任也。

　　愿陛下托臣以讨贼兴复之效，不效，则治臣之罪，以告先帝之灵。

若无兴德之言，则责攸之、祎、允等之慢，以彰其咎；陛下亦宜自谋，以咨诹善道，察纳雅言，深追先帝遗诏。

臣不胜受恩感激。

　　今当远离，临表涕零，不知所言。