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。,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,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,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。,按操作压力分,减压蒸发：沸点降低优点：(1)有利于提高tm,(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,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；,物料的工艺特性浓缩结晶、变质分解等；,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；,D/W:每蒸发1kg溶剂所需要加热蒸汽的消耗量。,2）.温差损失,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),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，,提高传热温差真空蒸发（受水温和设备条件限制）；提高传热系数K（主要途径）,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：多效蒸发额外蒸汽的采出热泵蒸发冷凝水热量的利用,（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。,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,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）,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,饱和状态,PT,气体线液体线,2,1,4,5,3,四大件,2.冷冻系数,定义：,=,从低温热源吸收的热,Q1,N,冷冻能力,对于理想制冷循环,仅与T1和T2有关，与制冷剂的性质无关。,制冷效率；T2,-但T2受环境条件限制，故主要受T1影响；T1-过低不利于传热(蒸发器内推动力减小)。,制冷系数：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Q1,Q1,4.冷冻操作条件的选定,1）.蒸发温度T1,2）.冷凝温度T2,蒸发温度要适宜，一般比被冷物料最低温度低48K（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810K（受冷却剂温度限制）。,4）.过冷操作,3）.压缩比P2/P1,T1那么P1,T2那么P2,功耗增大,压缩比不能过大，单级不能超过68,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5K,T2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：常压下，沸点低蒸发温度低；单位容积制冷量大制冷剂量小，压缩机尺寸小；制冷剂潜热要大可减少制冷剂循环量；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。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