化工原理(第五部分：蒸發(fā)和冷凍)

1、主講人：劉春穎主講人：劉春穎第五部分：蒸發(fā)和冷凍蒸發(fā)部分冷凍部分蒸發(fā)部分1.蒸發(fā)概述蒸發(fā)概述1）蒸發(fā)操作概念）蒸發(fā)操作概念 在化工、輕工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)中，在化工、輕工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)中，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或物理性操作過(guò)程經(jīng)常得到通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或物理性操作過(guò)程經(jīng)常得到一些含溶質(zhì)的稀溶液，為了得到符合標(biāo)準(zhǔn)一些含溶質(zhì)的稀溶液，為了得到符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。的產(chǎn)品。 常將含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液沸騰汽化常將含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液沸騰汽化并移出蒸汽，從而使溶液中溶質(zhì)濃度提高并移出蒸汽，從而使溶液中溶質(zhì)濃度提高的單元操作稱(chēng)為的單元操作稱(chēng)為蒸發(fā)蒸發(fā)。溶劑溶劑S溶質(zhì)溶質(zhì)A（不揮發(fā)）不揮發(fā)）溶劑溶劑S加熱加熱 揮發(fā)性溶劑，不

2、揮發(fā)溶質(zhì)揮發(fā)性溶劑，不揮發(fā)溶質(zhì)加熱、沸騰加熱、沸騰 溶劑部分汽化；溶液濃縮溶劑部分汽化；溶液濃縮2）蒸發(fā)操作的目的）蒸發(fā)操作的目的獲得濃縮的溶液，直接作為成品或半成品獲得濃縮的溶液，直接作為成品或半成品脫除溶劑。此過(guò)程常伴隨有結(jié)晶過(guò)程脫除溶劑。此過(guò)程常伴隨有結(jié)晶過(guò)程去除雜質(zhì)。去除雜質(zhì)。3）蒸發(fā)操作的分類(lèi)）蒸發(fā)操作的分類(lèi)按二次蒸氣的利用情況分按二次蒸氣的利用情況分單效蒸發(fā)單效蒸發(fā)： 將二次蒸氣不再利用而將二次蒸氣不再利用而直接送到冷凝器冷凝以除去直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸發(fā)操作。的蒸發(fā)操作。單效蒸發(fā)；單效蒸發(fā)；多效蒸發(fā)多效蒸發(fā)單效單效 料 液 冷 卻 水 加 熱 蒸 汽 冷 凝 水 水完 成

3、液 平 流 多效 蒸發(fā)器多效蒸發(fā)多效蒸發(fā)： 若將二次蒸氣通到另一壓力較低的蒸發(fā)器作若將二次蒸氣通到另一壓力較低的蒸發(fā)器作為加熱蒸氣為加熱蒸氣,則可提高加熱蒸氣（生蒸氣）的利用則可提高加熱蒸氣（生蒸氣）的利用率，這種率，這種串聯(lián)蒸發(fā)操作串聯(lián)蒸發(fā)操作稱(chēng)為多效蒸發(fā)。稱(chēng)為多效蒸發(fā)。按操作壓力分按操作壓力分常壓常壓加壓加壓減壓（真空）減壓（真空）減壓蒸發(fā)減壓蒸發(fā)： 沸點(diǎn)降低沸點(diǎn)降低 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： (1) 有利于提高有利于提高tm , (2) 可利用低壓蒸汽作為加熱蒸汽可利用低壓蒸汽作為加熱蒸汽 (3)有利于對(duì)熱敏性物料蒸發(fā)有利于對(duì)熱敏性物料蒸發(fā) (4)沸點(diǎn)溫度低，減少熱損失沸點(diǎn)溫度低，減少熱損失常壓蒸發(fā)

4、常壓蒸發(fā)：可采用敞口設(shè)備，二次蒸汽可直接排放在大氣中，可采用敞口設(shè)備，二次蒸汽可直接排放在大氣中，但會(huì)造成大氣污染，適用于臨時(shí)性或小批量的生產(chǎn)。但會(huì)造成大氣污染，適用于臨時(shí)性或小批量的生產(chǎn)。加壓蒸發(fā)加壓蒸發(fā)：可提高二次蒸汽的溫度，有利于二次蒸汽的利用，可提高二次蒸汽的溫度，有利于二次蒸汽的利用，但要求加熱蒸汽的壓力較高。但要求加熱蒸汽的壓力較高。 單效蒸發(fā)多采用真空操作；單效蒸發(fā)多采用真空操作； 多效蒸發(fā)一般，前效是加壓或常壓多效蒸發(fā)一般，前效是加壓或常壓的，后效采用真空的；的，后效采用真空的；4）蒸發(fā)操作的特點(diǎn)）蒸發(fā)操作的特點(diǎn)沸點(diǎn)升高沸點(diǎn)升高 溶液沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑?；濃度越高，沸點(diǎn)越高，傳熱動(dòng)

5、力越低；溶液沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑模粷舛仍礁?，沸點(diǎn)越高，傳熱動(dòng)力越低；物料的工藝特性物料的工藝特性 濃縮結(jié)晶、變質(zhì)分解等；濃縮結(jié)晶、變質(zhì)分解等；能源利用能源利用 節(jié)約能源，提高蒸汽利用率等；節(jié)約能源，提高蒸汽利用率等；蒸發(fā)屬于傳熱加傳遞過(guò)程，但又區(qū)別與傳熱蒸發(fā)屬于傳熱加傳遞過(guò)程，但又區(qū)別與傳熱2.單位蒸汽消耗量單位蒸汽消耗量D/W 和和 溫度差損失溫度差損失1）.單位蒸汽消耗量單位蒸汽消耗量是蒸發(fā)器操作是否是蒸發(fā)器操作是否經(jīng)濟(jì)的重要標(biāo)志經(jīng)濟(jì)的重要標(biāo)志。D加熱蒸汽消耗量，加熱蒸汽消耗量，kg/h；W溶劑蒸發(fā)量，溶劑蒸發(fā)量，kg/h；WD單位蒸汽消耗量D/W:每蒸發(fā)每蒸發(fā)1kg溶劑所需要加熱蒸汽的消耗量

6、。溶劑所需要加熱蒸汽的消耗量。2）.溫差損失溫差損失mtKQAtkAQt = T- tbt視視= T- TT加熱蒸汽溫度；加熱蒸汽溫度；tb溶液沸點(diǎn)；溶液沸點(diǎn)；T溶劑的沸點(diǎn)（二次蒸汽飽和溫度）；溶劑的沸點(diǎn)（二次蒸汽飽和溫度）；有效溫差有效溫差t （即（即tm）：）：加熱蒸汽溫度和溶液沸點(diǎn)之差加熱蒸汽溫度和溶液沸點(diǎn)之差(實(shí)際實(shí)際)溶液沸點(diǎn)溶液沸點(diǎn)tb溶劑沸點(diǎn)溶劑沸點(diǎn)T加熱加熱T有效溫差有效溫差t視溫差視溫差t視：視：加熱蒸汽溫度和溶劑沸點(diǎn)之差加熱蒸汽溫度和溶劑沸點(diǎn)之差(理論理論) =t視視- t = tb- T溫差損失：溫差損失： 溶液沸點(diǎn)與溶劑沸點(diǎn)之差溶液沸點(diǎn)與溶劑沸點(diǎn)之差(即即:沸點(diǎn)升高沸點(diǎn)

7、升高)溫差損失溫差損失,就是溶液沸點(diǎn)升高值就是溶液沸點(diǎn)升高值溫差損失原因：溫差損失原因：溶質(zhì)引起；液柱靜壓頭引起；流體阻力；溶質(zhì)引起；液柱靜壓頭引起；流體阻力；3. 蒸發(fā)生產(chǎn)強(qiáng)度和強(qiáng)化途徑蒸發(fā)生產(chǎn)強(qiáng)度和強(qiáng)化途徑1）.蒸發(fā)器生產(chǎn)強(qiáng)渡蒸發(fā)器生產(chǎn)強(qiáng)渡單位加熱面的蒸發(fā)水量為蒸發(fā)器生產(chǎn)強(qiáng)度，用U表示，h)kg/(m2AWU/ /提高傳熱溫差提高傳熱溫差 真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)（受水溫和設(shè)備條件限制）；（受水溫和設(shè)備條件限制）；提高傳熱系數(shù)提高傳熱系數(shù)K （主要途徑）主要途徑）t強(qiáng)化強(qiáng)化方法：方法： 蒸汽中不凝性氣體的排除（蒸汽冷凝降低傳熱系數(shù)）； 液體的流動(dòng)狀態(tài)：增加溶液循環(huán)和湍流程度； 解決結(jié)垢問(wèn)題；2）蒸

8、發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性）蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性可采用的措施：可采用的措施：多效蒸發(fā)多效蒸發(fā)額外蒸汽的采出額外蒸汽的采出熱泵蒸發(fā)熱泵蒸發(fā)冷凝水熱量的利用冷凝水熱量的利用（1）采用多效蒸發(fā)）采用多效蒸發(fā) 提高了生蒸汽的經(jīng)濟(jì)性。顯然，W/D的提高是以增加蒸發(fā)器的投資為代價(jià)換取的。壓力壓力 沸點(diǎn)沸點(diǎn) 料 液 冷 卻 水 加 熱 蒸 汽 冷 凝 水 水完 成 液 平 流 多 效 蒸 發(fā) 器真空真空 設(shè)備費(fèi)用隨效數(shù)增加而增加，一定程度后節(jié)省的蒸汽量得不償失；一般在四效以下一般在四效以下;并流并流優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1 1利用各效間壓差自動(dòng)進(jìn)料，可省去輸液泵。利用各效間壓差自動(dòng)進(jìn)料，可省去輸液泵。2 2前效溫度高于后效，進(jìn)料呈過(guò)

9、熱狀態(tài)，產(chǎn)生自蒸發(fā)，各效間可不設(shè)預(yù)前效溫度高于后效，進(jìn)料呈過(guò)熱狀態(tài)，產(chǎn)生自蒸發(fā)，各效間可不設(shè)預(yù)熱器。熱器。3 3輔助設(shè)備少，裝置緊湊，溫差損失少。輔助設(shè)備少，裝置緊湊，溫差損失少。4 4操作簡(jiǎn)便，工藝穩(wěn)定。操作簡(jiǎn)便，工藝穩(wěn)定。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：后效溫度低，組成高，料液黏度增大，降低了傳熱系數(shù)。后效溫度低，組成高，料液黏度增大，降低了傳熱系數(shù)。逆流逆流優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1 1. .隨著料液組成提高，溫度相應(yīng)提高，黏度變化小，各效傳熱系數(shù)相差不大，隨著料液組成提高，溫度相應(yīng)提高，黏度變化小，各效傳熱系數(shù)相差不大，可充分發(fā)揮設(shè)備潛力?？沙浞职l(fā)揮設(shè)備潛力。2 2. .完成液排出溫度較高，可利用顯熱在減壓下閃蒸增

10、濃，提高完成液組成。完成液排出溫度較高，可利用顯熱在減壓下閃蒸增濃，提高完成液組成。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1.1.輔助設(shè)備多，動(dòng)力消耗大；輔助設(shè)備多，動(dòng)力消耗大；2.2.不適于處理熱敏性溶液；不適于處理熱敏性溶液；3.3.操作復(fù)雜，工藝不易穩(wěn)定操作復(fù)雜，工藝不易穩(wěn)定 平流平流各效分別進(jìn)料并分別出料，二次蒸汽多次利用，對(duì)易結(jié)晶的各效分別進(jìn)料并分別出料，二次蒸汽多次利用，對(duì)易結(jié)晶的物料較合適（因?yàn)榻Y(jié)晶體不便在效與效之間輸送）。物料較合適（因?yàn)榻Y(jié)晶體不便在效與效之間輸送）。（2）引出額外蒸汽）引出額外蒸汽 在多效蒸發(fā)中，末效二次蒸汽因能位太低而難以利用。但是，實(shí)際操作中往往從前幾效中引出部分二次蒸汽稱(chēng)額外蒸汽

11、，供其他加熱設(shè)備使用，以提高生蒸汽的利用率。（2）冷凝水閃蒸）冷凝水閃蒸熱泵蒸發(fā)（二次蒸汽再壓縮）熱泵蒸發(fā)（二次蒸汽再壓縮） 在單效蒸發(fā)中，可以將二次蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)絕熱壓縮，提高能位后再送往加熱室。 這可以利用二次蒸汽的大量潛熱，而為維持正常操作，只需補(bǔ)加少量壓縮功即可。4. 蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)設(shè)備將蒸發(fā)器分為將蒸發(fā)器分為循環(huán)型循環(huán)型和和單程型單程型（不循環(huán)）（不循環(huán)）循環(huán)型循環(huán)型中央循環(huán)管式中央循環(huán)管式外熱式外熱式強(qiáng)制循環(huán)式強(qiáng)制循環(huán)式單程型單程型升膜式升膜式降膜式降膜式刮板式刮板式輔助設(shè)備輔助設(shè)備：除沫器、冷凝器、真空泵等除沫器、冷凝器、真空泵等循環(huán)型循環(huán)型單程型單程型冷凍部分補(bǔ)：熱力學(xué)基本概念補(bǔ)：

12、熱力學(xué)基本概念冷凍簡(jiǎn)介冷凍簡(jiǎn)介制冷：將熱持續(xù)的從低溫物體傳給高溫環(huán)境介質(zhì)制冷：將熱持續(xù)的從低溫物體傳給高溫環(huán)境介質(zhì)制冷操作：制冷操作： 利用冷凍劑從物料中取出熱量，使物料低于周?chē)h(huán)境利用冷凍劑從物料中取出熱量，使物料低于周?chē)h(huán)境的溫度，同時(shí)將熱量傳遞給周?chē)乃蚩諝獾牟僮?。的溫度，同時(shí)將熱量傳遞給周?chē)乃蚩諝獾牟僮鳌?由于熱量只能自動(dòng)地從高溫物體傳給低溫物體，由于熱量只能自動(dòng)地從高溫物體傳給低溫物體，因此因此實(shí)現(xiàn)制冷必須包括消耗能量的補(bǔ)償過(guò)程實(shí)現(xiàn)制冷必須包括消耗能量的補(bǔ)償過(guò)程。 相變制冷相變制冷 蒸氣壓縮式制冷蒸氣壓縮式制冷 吸收式制冷 蒸汽噴射式制冷 氣體膨脹制冷氣體膨脹制冷(節(jié)流效應(yīng)和絕

13、熱膨脹節(jié)流效應(yīng)和絕熱膨脹) 制冷的基本方法制冷的基本方法1.冷凍循環(huán)冷凍循環(huán)基本原理基本原理冷凝壓力冷凝壓力蒸發(fā)壓力蒸發(fā)壓力冷凝壓力冷凝壓力蒸發(fā)壓力蒸發(fā)壓力氣體氣體液體液體低壓吸熱高壓放熱冷凝、冷卻器冷凝、冷卻器蒸發(fā)器蒸發(fā)器壓縮機(jī)壓縮機(jī)節(jié)流閥節(jié)流閥12543TS54123(飽和飽和l)(濕蒸汽濕蒸汽)(飽和飽和g)(飽和飽和g)等焓線等焓線過(guò)熱蒸氣過(guò)熱蒸氣飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)P T冷凝、冷卻器冷凝、冷卻器蒸發(fā)器蒸發(fā)器壓縮機(jī)壓縮機(jī)節(jié)流閥節(jié)流閥1254氣體線液體線TS54123氣氣液液 PS冷凝冷凝壓縮壓縮節(jié)流節(jié)流蒸發(fā)蒸發(fā)21453四大件四大件所用元件蒸發(fā)器蒸發(fā)器壓縮機(jī)壓縮機(jī)冷凝器冷凝器節(jié)流閥節(jié)流閥

14、膨脹膨脹閥閥作 用利用冷凍劑冷凍劑蒸發(fā)吸熱蒸發(fā)吸熱，產(chǎn)生冷作用；對(duì)外輸出冷量的設(shè)備提高冷凍劑氣體壓力，造成液體條件（從蒸發(fā)壓從蒸發(fā)壓力升到冷凝力升到冷凝壓力壓力）用冷卻介質(zhì)將冷凍劑冷凍劑冷凝放出熱冷凝放出熱量量進(jìn)行液化降低冷凍劑液體壓力和溫度（從冷凝壓力從冷凝壓力降到蒸發(fā)壓力降到蒸發(fā)壓力）制冷劑狀 態(tài)液態(tài)氣態(tài)氣 態(tài)氣態(tài)液態(tài)液 態(tài)壓 力低 壓增 加高 壓降 低溫 度低溫低溫低溫高溫高溫常溫常溫低溫2.冷凍系數(shù)冷凍系數(shù)=T1T2 T1=T低低T高高 T低低 定義定義：=從低溫?zé)嵩次盏臒釓牡蜏責(zé)嵩次盏臒嵯牡耐夤ο牡耐夤?Q1N=Q1Q2 Q1T1234SQ 2Q1冷凝溫度冷凝溫度蒸發(fā)溫度蒸發(fā)

15、溫度NT2T1冷凍能力對(duì)于理想制冷循環(huán)對(duì)于理想制冷循環(huán), 僅與僅與T1和和T2有關(guān)，與制冷劑的性質(zhì)無(wú)關(guān)。有關(guān)，與制冷劑的性質(zhì)無(wú)關(guān)。,制冷效率制冷效率；T2 , -但但T2 受環(huán)境條件限制，故主要受受環(huán)境條件限制，故主要受T1影響；影響；T1 -過(guò)低不利于傳熱過(guò)低不利于傳熱(蒸發(fā)器內(nèi)推動(dòng)力減小蒸發(fā)器內(nèi)推動(dòng)力減小)。冷凝溫度冷凝溫度蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度制冷系數(shù)制冷系數(shù) ：消耗單位外功所能獲得的制冷量消耗單位外功所能獲得的制冷量。 用于衡量制冷循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)指標(biāo)。用于衡量制冷循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)指標(biāo)。3.冷凍能力冷凍能力Q1Q14.冷凍操作條件的選定冷凍操作條件的選定1）.蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度T12）.冷凝溫

16、度冷凝溫度T2T1蒸發(fā)溫度要適宜，一般比被冷物料最低溫度低蒸發(fā)溫度要適宜，一般比被冷物料最低溫度低48K（受冷物料溫度限制）。（受冷物料溫度限制）。機(jī)械消耗小，操作費(fèi)用小；機(jī)械消耗小，操作費(fèi)用?。徽舭l(fā)器傳熱動(dòng)力小，需加大換熱面積，蒸發(fā)器傳熱動(dòng)力小，需加大換熱面積，設(shè)備費(fèi)用增加；設(shè)備費(fèi)用增加；通常取冷凝溫度比冷卻劑高通常取冷凝溫度比冷卻劑高810K（受冷卻劑溫度限制）。（受冷卻劑溫度限制）。T24）.過(guò)冷操作過(guò)冷操作3）.壓縮比壓縮比P2/P1T1 那么那么P1 P2P1T2 那么那么P2 功耗增大功耗增大壓縮比不能過(guò)大，單級(jí)不能超過(guò)壓縮比不能過(guò)大，單級(jí)不能超過(guò)68 冷凍劑蒸汽冷凝成液體后，再進(jìn)

17、一步冷卻降低其溫度（低于其冷凝冷凍劑蒸汽冷凝成液體后，再進(jìn)一步冷卻降低其溫度（低于其冷凝溫度），稱(chēng)為過(guò)冷操作；溫度），稱(chēng)為過(guò)冷操作；一般過(guò)冷量比冷凝溫度低一般過(guò)冷量比冷凝溫度低5KT2 那么那么P2 ，壓縮比降低，過(guò)冷系數(shù)增加，冷凍效果好，壓縮比降低，過(guò)冷系數(shù)增加，冷凍效果好5.冷凍劑與冷載體冷凍劑與冷載體1）.常用冷凍劑常用冷凍劑對(duì)制冷劑的要求：對(duì)制冷劑的要求： 常壓下常壓下，沸點(diǎn)低沸點(diǎn)低 蒸發(fā)溫度低；蒸發(fā)溫度低； 單位容積制冷量大單位容積制冷量大 制冷劑量小制冷劑量小，壓縮機(jī)尺寸小；壓縮機(jī)尺寸?。?制冷劑潛熱要大制冷劑潛熱要大 可減少制冷劑循環(huán)量；可減少制冷劑循環(huán)量； 不燃燒、無(wú)毒、無(wú)刺激

18、氣味（無(wú)爆炸、無(wú)腐蝕性）價(jià)低。不燃燒、無(wú)毒、無(wú)刺激氣味（無(wú)爆炸、無(wú)腐蝕性）價(jià)低。（1 1）氨）氨: :單位容積制冷量大、價(jià)廉；但有味、有害且有腐蝕；單位容積制冷量大、價(jià)廉；但有味、有害且有腐蝕；（2 2）氟里昂）氟里昂：氟氯代甲烷和氟氯代乙烷的總稱(chēng)；破壞地球的臭氧層，破壞地球的臭氧層， 已已 限制使用。限制使用。 碳?xì)浠衔铮禾細(xì)浠衔铮撼Ｓ玫闹饕且蚁?、乙烷、丙烯、丙烷；常用的主要是乙烯、乙烷、丙烯、丙烷?）.載冷劑載冷劑 載冷劑是指間接冷卻系統(tǒng)中運(yùn)載冷量的媒介物質(zhì)，又稱(chēng)冷媒。它依靠顯熱來(lái)傳遞冷量。水：水： 高溫載冷劑（高溫載冷劑（ 00之上），在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用特別理想。之上），在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用特別理想。冷凍鹽水：冷凍鹽水：中溫載冷劑，一般用氯