化工原理(第五部分蒸发和冷冻)

主讲人：刘春颖第五部分：蒸发和冷冻蒸发部分冷冻部分蒸发部分1.蒸发概述1）蒸发操作概念在化工、轻工、食品、医药等工业中，通过化学反应或物理性操作过程经常得到一些含溶质的稀溶液，为了得到符合标准的产品。常将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。溶剂S溶质A（不挥发）溶剂S加热挥发性溶剂，不挥发溶质――加热、沸腾－→溶剂部分汽化；溶液浓缩2）蒸发操作的目的获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品脱除溶剂。此过程常伴随有结晶过程去除杂质。3）蒸发操作的分类①按二次蒸气的利用情况分单效蒸发：将二次蒸气不再利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作。单效蒸发；多效蒸发单效料液冷却水加热蒸汽冷凝水水完成液平流多效蒸发器多效蒸发：若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸气,则可提高加热蒸气（生蒸气）的利用率，这种串联蒸发操作称为多效蒸发。②按操作压力分常压加压减压（真空）减压蒸发：沸点降低优点：(1)有利于提高Δtm↑,(2)可利用低压蒸汽作为加热蒸汽(3)有利于对热敏性物料蒸发(4)沸点温度低，减少热损失常压蒸发：可采用敞口设备，二次蒸汽可直接排放在大气中，但会造成大气污染，适用于临时性或小批量的生产。加压蒸发：可提高二次蒸汽的温度，有利于二次蒸汽的利用，但要求加热蒸汽的压力较高。单效蒸发多采用真空操作；多效蒸发一般，前效是加压或常压的，后效采用真空的；4）蒸发操作的特点①沸点升高溶液沸点高于纯溶剂的；浓度越高，沸点越高，传热动力越低；②物料的工艺特性浓缩结晶、变质分解等；③能源利用节约能源，提高蒸汽利用率等；蒸发属于传热加传递过程，但又区别与传热2.单位蒸汽消耗量D/W和温度差损失△1）.单位蒸汽消耗量是蒸发器操作是否经济的重要标志。D——加热蒸汽消耗量，kg/h；W——溶剂蒸发量，kg/h；WD单位蒸汽消耗量D/W:每蒸发1kg溶剂所需要加热蒸汽的消耗量。2）.温差损失mtKQAtkAQΔ△t=T-tb△t视=T-T′T——加热蒸汽温度；tb——溶液沸点；T′—溶剂的沸点（二次蒸汽饱和温度）；有效温差△t（即△tm）：加热蒸汽温度和溶液沸点之差(实际)溶液沸点tb溶剂沸点T′加热T有效温差△t视温差△t视：加热蒸汽温度和溶剂沸点之差(理论)△=△t视-△t=tb-T′温差损失△：溶液沸点与溶剂沸点之差(即:沸点升高)温差损失△,就是溶液沸点升高值温差损失原因：溶质引起；液柱静压头引起；流体阻力；3.蒸发生产强度和强化途径1）.蒸发器生产强渡单位加热面的蒸发水量为蒸发器生产强度，用U表示，h)kg/(m2AWU/1.提高传热温差――真空蒸发（受水温和设备条件限制）；2.提高传热系数K（主要途径）tΔ强化方法：蒸汽中不凝性气体的排除（蒸汽冷凝降低传热系数）；液体的流动状态：增加溶液循环和湍流程度；解决结垢问题；2）蒸发操作的经济性可采用的措施：⑴多效蒸发⑵额外蒸汽的采出⑶热泵蒸发⑷冷凝水热量的利用（1）采用多效蒸发提高了生蒸汽的经济性。显然，W/D的提高是以增加蒸发器的投资为代价换取的。压力↘沸点↘料液冷却水加热蒸汽冷凝水水完成液平流多效蒸发器真空设备费用随效数增加而增加，一定程度后节省的蒸汽量得不偿失；一般在四效以下;并流优点：1．利用各效间压差自动进料，可省去输液泵。2．前效温度高于后效，进料呈过热状态，产生自蒸发，各效间可不设预热器。3．辅助设备少，装置紧凑，温差损失少。4．操作简便，工艺稳定。缺点：后效温度低，组成高，料液黏度增大，降低了传热系数。逆流优点：1.随着料液组成提高，温度相应提高，黏度变化小，各效传热系数相差不大，可充分发挥设备潜力。2.完成液排出温度较高，可利用显热在减压下闪蒸增浓，提高完成液组成。缺点：1.辅助设备多，动力消耗大；2.不适于处理热敏性溶液；3.操作复杂，工艺不易稳定平流各效分别进料并分别出料，二次蒸汽多次利用，对易结晶的物料较合适（因为结晶体不便在效与效之间输送）。（2）引出额外蒸汽在多效蒸发中，末效二次蒸汽因能位太低而难以利用。但是，实际操作中往往从前几效中引出部分二次蒸汽――称额外蒸汽，供其他加热设备使用，以提高生蒸汽的利用率。（2）冷凝水闪蒸⑶热泵蒸发（二次蒸汽再压缩）在单效蒸发中，可以将二次蒸汽经压缩机绝热压缩，提高能位后再送往加热室。这可以利用二次蒸汽的大量潜热，而为维持正常操作，只需补加少量压缩功即可。4.蒸发设备将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）循环型中央循环管式外热式强制循环式单程型升膜式降膜式刮板式辅助设备：除沫器、冷凝器、真空泵等循环型单程型冷冻部分补：热力学基本概念冷冻简介制冷：将热持续的从低温物体传给高温环境介质制冷操作：利用冷冻剂从物料中取出热量，使物料低于周围环境的温度，同时将热量传递给周围的水或空气的操作。由于热量只能自动地从高温物体传给低温物体，因此实现制冷必须包括消耗能量的补偿过程。相变制冷蒸气压缩式制冷吸收式制冷蒸汽喷射式制冷气体膨胀制冷(节流效应和绝热膨胀)制冷的基本方法1.冷冻循环基本原理冷凝压力蒸发压力冷凝压力蒸发压力气体液体气体高温高压液体低温低圧气体低温低压压缩机（压缩）冷凝器（冷凝）节流（膨胀）蒸发器（蒸发）液体高圧常温冷冻循环低压吸热高压放热冷凝、冷却器蒸发器压缩机节流阀12543TS54123(饱和l)(湿蒸汽)(饱和g)(饱和g)等焓线过热蒸气饱和状态P↓T↓冷凝、冷却器蒸发器压缩机节流阀1254气体线液体线TS54123气液PS冷凝节流蒸发压-焓图21453四大件所用元件蒸发器压缩机冷凝器节流阀\膨胀阀作用利用冷冻剂蒸发吸热，产生冷作用；对外输出冷量的设备提高冷冻剂气体压力，造成液体条件（从蒸发压力升到冷凝压力）用冷却介质将冷冻剂冷凝放出热量进行液化降低冷冻剂液体压力和温度（从冷凝压力降到蒸发压力）制冷剂状态液态→气态气态气态→液态液态压力低压增加高压降低温度低温→低温低温→高温高温→常温常温→低温2.冷冻系数ε=T1T2–T1=T低T高–T低定义：=从低温热源吸收的热消耗的外功=Q1N=Q1Q2–Q1T1234SQ2Q1冷凝温度蒸发温度NT2T1冷冻能力对于理想制冷循环,ε仅与T1和T2有关，与制冷剂的性质无关。ε↑,制冷效率↑；T2↓,ε↑---------但T2↓受环境条件限制，故主要受T1影响；T1↑ε↑---------过低不利于传热(蒸发器内推动力减小)。冷凝温度蒸发温度制冷系数ε：消耗单位外功所能获得的制冷量。用于衡量制冷循环经济性的一项指标。3.冷冻能力Q1Q14.冷冻操作条件的选定1）.蒸发温度T12）.冷凝温度T2T1ε蒸发温度要适宜，一般比被冷物料最低温度低4~8K（受冷物料温度限制）。机械消耗小，操作费用小；蒸发器传热动力小，需加大换热面积，设备费用增加；通常取冷凝温度比冷却剂高8~10K（受冷却剂温度限制）。T2ε4）.过冷操作3）.压缩比P2/P1T1↘那么P1↘P2P1T2↗那么P2↗功耗增大压缩比不能过大，单级不能超过6~8冷冻剂蒸汽冷凝成液体后，再进一步冷却降低其温度（低于其冷凝温度），称为过冷操作；一般过冷量比冷凝温度低5KT2↘那么P2↘，压缩比降低，过冷系数增加，冷冻效果好5.冷冻剂与冷载体1）.常用冷冻剂对制冷剂的要求：①常压下，沸点低→蒸发温度低；②单位容积制冷量大→制冷剂量小，压缩机尺寸小；③制冷剂潜热要大→可减少制冷剂循环量；④不燃烧、无毒、无刺激气味（无爆炸、无腐蚀性）价低。（1）氨:单位容积制冷量大、价廉；但有味、有害且有腐蚀；（2）氟里昂：氟氯代甲烷和氟氯代乙烷的总称；破坏地球的臭氧层，已限制使用。⑶碳氢化合物：常用的主要是乙烯、乙烷、丙烯、丙烷；2）.载冷剂载冷剂是指间接冷却系统中运载冷量的媒介物质，又称冷媒。它依靠显热来传递冷量。水：高温载冷剂（0℃之上），在空调系统中应用特别理想。冷冻盐水：中温载冷剂，一般用氯化钠或氯化钙配置，适用于-5∼-50℃制冷装置。腐蚀性大。有机溶液：低温载冷剂–乙二醇，1.7∼-50℃。–丙二醇，-3.7∼-36℃。–酒精(C2H5OH),凝固点为-114℃，可做低温载冷剂(-114℃以上)。–二氯甲烷，凝固点为-97℃，可做低温载冷剂(-90℃以上)。博学，笃行，知行合一！以此与大家共勉！