第六章 1(有害蒸氣的冷凝凈化)

第四章

有害蒸氣的冷凝凈化

◆冷凝凈化，就是將蒸氣從空氣中冷卻凝結(jié)成液體收集起來，再加以利用的方法。◆冷凝凈化，只適用于蒸氣狀態(tài)的有害物質(zhì)，多用于從空氣中回收濃度較高的有機(jī)溶劑的蒸氣。

◆冷凝方法在理論上可以達(dá)到很高的凈化程度，但是凈化要求愈高，則需冷卻的溫度愈低，冷卻所需費用也就愈大。◆冷凝凈化法的優(yōu)點：是所需設(shè)備和操作條件比較簡單；收得的物質(zhì)比較純凈。第一節(jié)

冷凝凈化原理從空氣中冷凝蒸氣的方法，可以是移去熱量，即冷卻；也可以是增加壓力，使蒸氣在壓縮時凝結(jié)出來。冷凝凈化，就是將蒸氣從空氣中冷卻凝結(jié)成液體收集起來，再加以利用的方法。有機(jī)液體的飽合蒸氣壓與溫度的關(guān)系不同溫度下飽和蒸氣壓P飽可按下式計：lgP飽＝－A/T＋B

式中：P飽——絕對溫度T時的飽和蒸氣壓，毫米汞柱；T——有機(jī)液體的絕對溫度，K；A、B——常數(shù)[例4-1]試按上式計算苯在不同溫度下的飽和蒸氣壓。[解]查表得苯的A值為1731、B值為7.783，苯在不同溫度下的飽和蒸氣壓按上式：

lgP飽＝－1731/T＋7.783苯在不同溫度下的飽和蒸氣壓計算數(shù)值與實測數(shù)值對照如下：

溫度(℃)實測數(shù)值(毫米汞柱)計算數(shù)值(毫米汞柱)15.46060.38207575.0126.110099.0042.2200195.5560.6400392.7880.1760759.81已知空氣中某種有機(jī)蒸氣的分壓（蒸氣壓），相當(dāng)于這個分壓數(shù)值為飽和蒸氣壓的溫度，就是這個特定的空氣、蒸氣混合體的露點溫度。例如，空氣中含二硫化碳蒸氣分壓為600毫米汞柱時，查有機(jī)液體的飽合蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線圖中的第2條曲線，可知其露點為40℃。也可用溫度與飽和蒸氣壓公式反算，代入二硫化碳的A、B值和P飽（600毫米汞柱），可得：T=A/(B－lgP飽)=1446/(7.41－2.778)=312.2K即露點為39.2℃（312.2－273＝39.2）。對于這樣的空氣、蒸氣混合體，只有將其冷卻到露點溫度以下，才能將蒸氣冷凝出來。否則，與蒸氣的實際濃度相當(dāng)?shù)恼魵鈮?，沒有超過飽和蒸氣壓，蒸氣是不會凝結(jié)出來的。用冷卻方法從空氣中使蒸氣冷凝成液體，其極限是冷卻溫度的飽和蒸氣壓。

已知混合氣中的蒸氣分壓，則空氣中的蒸氣濃度可按下式計算：C=(P/760)×[273/(273＋t)]×(1000/22.4)×M(克/米3)即：C=(16MP)/(273＋t)(克/米3)式中：C——空氣中的蒸氣濃度，克/米3；

P——空氣中蒸氣的分壓，毫米汞柱；t——空氣與蒸氣混合物的溫度，℃；

M——蒸氣的克分子量，克。[例4-2]試計算苯、甲苯和二硫化碳在20℃時飽和蒸氣壓時的濃度。[解]查得苯20℃時的飽和蒸氣壓P飽=75毫米汞柱，苯的M=78，代入上式得：

C苯＝(16MP)/(273＋t)＝(16×78×75)/(273＋20)＝320(克/米3)查得甲苯20℃時P飽22.3毫米汞柱，M=92，得：C甲苯＝(16MP)/(273＋t)＝(16×92×22.3)/(273＋20)＝112(克/米3)查得二硫化碳20℃時P飽=298毫米汞柱，M=76，得：C二硫化碳＝(16MP)/(273＋t)＝(16×76×298)/(273＋20)＝1237(克/米3)冷凝凈化的關(guān)鍵是冷卻溫度。冷卻溫度愈低，凈化程度也愈高。為了強(qiáng)化冷卻，可以使用冰、冷凍混合物、固體二氧化碳(干冰)及其他制冷方法。用于冷凝凈化的冷卻方法，可分為直接法與間接法兩類。第二節(jié)

直接冷卻法——接觸冷凝器在接觸冷凝器中，冷卻劑與要冷凝的蒸氣直接接觸，冷卻劑是冷水．即用冷水洗滌要冷凝回收的空氣蒸氣混合物，并且冷卻劑、蒸氣和冷凝液是立即混合的。直接冷卻法的特點：接觸冷凝器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，使用靈活，并由于冷水的洗滌和稀釋作用，可以承擔(dān)較大量的空氣凈化任務(wù)。但是，用水量大，如果不采取涼水塔循環(huán)使用辦法，不僅耗水多，而且廢水污染問題也不易解決。含有高濕臭氣的直接冷卻凈化系統(tǒng)：

使用密閉熱水池分離不凝氣體的冷凝-燃燒凈化系統(tǒng)可以假定為平衡，用熱量衡算來解決。蒸氣冷凝所釋放出的汽化熱及冷凝液進(jìn)一步冷卻的熱量q熱，都由冷卻水來吸收q冷。

即q熱＝q冷

，稱為熱量衡算式熱負(fù)荷qL的計算，根據(jù)工藝特點，可分兩種情況：

接觸冷凝器的有關(guān)熱計算（1）流體在熱交換過程中發(fā)生了相變化（蒸氣冷凝成冷凝液）：qL=DAΔHA

（千卡/時）式中：qL——熱負(fù)荷，千卡/時；DA——流體A的冷凝量，公斤/時；ΔHA——流體A的冷凝熱，千卡/公斤。（2）流體在熱交換過程中無相變化（冷凝液進(jìn)一步冷卻）：qL=GACPA(tA2－tA1)（千卡/時）式中：qL——熱負(fù)荷，千卡/時；GA——流體A的重量流量，公斤/時；CPA——流體A在進(jìn)、出口溫度范圍內(nèi)的平均比熱，千卡/公斤·℃；tA2、tA1——流體A進(jìn)、出冷凝器（換熱器）的溫度，℃。從真空干燥爐排出的高濕惡臭氣體，含水蒸氣95%，溫度90℃，壓力0.8公斤/厘米2，最大蒸發(fā)量為1000公斤/時。在接觸冷凝器中，蒸氣在90℃冷凝，并冷卻至65℃。系統(tǒng)用一抽風(fēng)機(jī)維持干燥爐一定的負(fù)壓。試計算15℃冷卻水的需用量和最后冷凝液的總量。[例4-3][解]查水蒸汽表90℃時水蒸氣的汽化熱為545.4千卡/公斤。（1）水蒸氣冷凝放出的熱量：qL水蒸氣=DAΔHA（千卡/時）qL——熱負(fù)荷，千卡/時；DA——流體A的冷凝量，公斤/時；ΔHA——流體A的汽化熱，千卡/公斤。qL水蒸氣=DAΔHA=1000×545.4＝545400（千卡/時）（2）冷凝液冷卻放出的熱量：qL冷凝液=GACPA(tA2－tA1)（千卡/時）qL——熱負(fù)荷，千卡/時；GA——流體A的重量流量，公斤/時；CPA——流體A在進(jìn)、出口溫度范圍內(nèi)的平均比熱，千卡/公斤·℃；tA2、tA1——流體A進(jìn)、出冷凝器（換熱器）的溫度，℃。水的平均比熱為1千卡/公斤·℃；qL冷凝液=GACPA(tA2－tA1)=1000×1×（90－65）＝25000（千卡/時）（3）冷卻放出的總熱量qL總=qL水蒸氣＋qL冷凝液＝545400＋25000

＝570400（千卡/時）（4）冷卻水需用量G水根據(jù)熱量衡算關(guān)系得：G水CP水(t水2－t水1)＝qL總G水＝qL總/[CP水(t水2－t水1)]＝570400/[1×(65－15)]

=11408(公斤/時)=11.408(噸/時)（5）冷卻水和冷凝液總量G總＝11408＋1000

＝12408(公斤/時)=12.408(噸/時)（6）管道、熱水池及有關(guān)設(shè)備的尺寸設(shè)計。第三節(jié)

間接冷卻法——表面冷凝器

列管式換熱器，或稱管殼型換熱器。圖所示浮頭式冷凝器，是列管式換熱器中的一種。

單程列管式換熱器1—外殼2—管束3、4—接管5—封頭6—管板7—擋板雙程列管式換熱器1—殼體2—管束3—擋板4—隔板翅片管式冷凝器帶有翅片，這些翅片既增加了傳熱面積，又增加了氣體流動時的湍流程度。如圖。

在冷凝氣中可能回收有機(jī)溶劑的最大量為：

G=16MV/(273＋t1)[P1－(760－P1)/(760－P飽)×P飽]式中：G——可能回收溶劑的最大量，克/時M——蒸氣的克分子量，克。V——空氣蒸氣混合氣體流量，米3/時；P1，t1——冷凝前蒸氣分壓及空氣溫度，毫米汞柱，℃；P飽——冷凝后飽和蒸氣壓，毫米汞柱。冷凝液在與大氣接觸前要求冷卻到60℃或更低?？梢杂靡韵路椒ń档屠淠旱臏囟龋海?）增加一個單獨的冷凝液冷卻器；（2）使冷凝液積于底層，如果冷卻水從低層管子處進(jìn)入，低層管子處于低溫，則使冷凝液的溫度降低。表面冷凝器的有關(guān)熱計算：蒸氣在壁面冷凝時，根據(jù)冷凝液能否濕潤冷卻壁面，有：

膜狀冷凝與滴狀冷凝兩種不同的機(jī)理。

膜狀冷凝，是冷凝液能潤濕壁面，而形成一層完整的冷凝液膜，這層液膜愈結(jié)愈厚，多余的冷凝液自壁面墜落，但壁面上所覆蓋著的液膜卻始終存在，使壁面與冷凝蒸氣之間的傳熱必須克服液膜的熱阻力。滴狀冷凝，是冷凝液不能潤濕冷卻壁面，而結(jié)成滴狀小液珠，最后從壁面落下，讓出新的冷凝面，來直接冷凝蒸氣。滴狀冷凝無須克服液膜的熱阻力，傳熱系數(shù)可比膜狀冷凝大幾倍以至幾十倍。

表面冷凝器的設(shè)計計算，一般還是以膜狀冷凝為依據(jù)。

換熱器在單位時間內(nèi)所能交換的熱量稱為傳熱速率，以q表示，其單位為千卡/時。傳熱速率的大小與熱流體和冷流體之間的傳熱面積F及溫度差Δtm成正比，即：q=KFΔtm則

F=q/KΔtm式中：q——傳熱速率，千卡/時；q≥qL（熱負(fù)荷，千卡/時）F——傳熱面積，米2；Δtm——平均溫度差，℃。K——傳熱系數(shù)，千卡/米2·時·℃。傳熱速率q的計算：q≥qL（熱負(fù)荷）（1）流體在熱交換過程中發(fā)生了相變化：qL=DAΔHA

（千卡/時）式中：qL——熱負(fù)荷，千卡/時；DA——流體A的冷凝量，公斤/時；ΔHA——流體A的冷凝熱，千卡/公斤。（2）流體在熱交換過程中無相變化：qL=GACPA(tA2－tA1)（千卡/時）式中：qL——熱負(fù)荷，千卡/時；GA——流體A的重量流量，公斤/時；CPA——流體A在進(jìn)、出口溫度范圍內(nèi)的平均比熱，千卡/公斤·℃；tA2、tA1——流體A進(jìn)、出冷凝器（