1、主讲人：刘春颖主讲人：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）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
2、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：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 常压 加压 减压（真空）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
3、，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；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?tkAQ?t=T-tb t视=T-T T加热蒸汽温度
4、；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：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：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）t强化方法：蒸汽中不凝
5、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。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
6、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。
7、（2）冷凝水闪蒸 热泵蒸发（二次蒸汽再压缩）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 循环型循环型 单程型单程型 冷冻部分 补：热力学基本概念补：热力学基本概念 冷冻简介冷冻简介 制冷：将热持续的从低温物体传给高温环境介质 制冷操作：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
8、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.冷冻循环冷冻循环基本原理基本原理 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 1 2 5 4 3 T S 5 4 1 2 3(饱和l)(湿蒸汽)(饱和g)(饱和
9、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 1 2 5 4 气体线液体线 T S 5 4 1 2 3 气 液 P S 冷凝 节流 蒸发 压-焓图 2 1 4 5 3 四大件四大件 所用元件 蒸发器蒸发器 压缩机压缩机 冷凝器冷凝器 节流阀节流阀膨胀膨胀阀阀 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
10、温 度 低温低温 低温高温 高温常温 常温低温 2.冷冻系数冷冻系数=T1 T2 T1=T低 T高 T低 定义定义：?=从低温热源吸收的热 消耗的外功=Q1 N=Q1 Q2 Q1 T 1 2 3 4 S Q 2 Q1 冷凝温度 蒸发温度 N T2 T1 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)。冷凝温度 蒸发温度 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.冷冻能力冷冻能力Q1 Q1 4.冷冻操作条件的选定冷冻操作条件的选定 1）
11、.蒸发温度T1 2）.冷凝温度T2 T1 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）。T2 4）.过冷操作 3）.压缩比P2/P1 T1那么P1 P2 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
12、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！
