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1）蒸發(fā)操作概念

在化工、輕工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)中，通過化學(xué)反應(yīng)或物理性操作過程經(jīng)常得到一些含溶質(zhì)的稀溶液，為了得到符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

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)濃度提高的單元操作稱為蒸發(fā)。溶劑S溶質(zhì)A（不揮發(fā)）溶劑S加熱揮發(fā)性溶劑，不揮發(fā)溶質(zhì)――加熱、沸騰－→溶劑部分汽化；溶液濃縮2）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脫除溶劑。此過程常伴隨有結(jié)晶過程去除雜質(zhì)。3）蒸發(fā)操作的分類①按二次蒸氣的利用情況分單效蒸發(fā)：

將二次蒸氣不再利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸發(fā)操作。單效蒸發(fā)；多效蒸發(fā)單效多效蒸發(fā)：

若將二次蒸氣通到另一壓力較低的蒸發(fā)器作為加熱蒸氣,則可提高加熱蒸氣（生蒸氣）的利用率，這種串聯(lián)蒸發(fā)操作稱為多效蒸發(fā)。②按操作壓力分常壓加壓減壓（真空）減壓蒸發(fā)：沸點降低優(yōu)點：(1)有利于提高Δtm↑,(2)可利用低壓蒸汽作為加熱蒸汽(3)有利于對熱敏性物料蒸發(fā)(4)沸點溫度低，減少熱損失常壓蒸發(fā)：可采用敞口設(shè)備，二次蒸汽可直接排放在大氣中，但會造成大氣污染，適用于臨時性或小批量的生產(chǎn)。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，但要求加熱蒸汽的壓力較高。

單效蒸發(fā)多采用真空操作；多效蒸發(fā)一般，前效是加壓或常壓的，后效采用真空的；4）蒸發(fā)操作的特點①沸點升高

溶液沸點高于純?nèi)軇┑?；濃度越高，沸點越高，傳熱動力越低；②物料的工藝特性

濃縮結(jié)晶、變質(zhì)分解等；③能源利用

節(jié)約能源，提高蒸汽利用率等；蒸發(fā)屬于傳熱加傳遞過程，但又區(qū)別與傳熱2.單位蒸汽消耗量D/W和溫度差損失△1）.單位蒸汽消耗量是蒸發(fā)器操作是否經(jīng)濟(jì)的重要標(biāo)志。D——加熱蒸汽消耗量，kg/h；W——溶劑蒸發(fā)量，kg/h；D/W:每蒸發(fā)1kg溶劑所需要加熱蒸汽的消耗量。2）.溫差損失△t

=T-tb△t視=T-T′T——加熱蒸汽溫度；tb——溶液沸點；T′—溶劑的沸點（二次蒸汽飽和溫度）；有效溫差△t

（即△tm）：加熱蒸汽溫度和溶液沸點之差(實際)溶液沸點tb溶劑沸點T′加熱T有效溫差△t視溫差△t視：加熱蒸汽溫度和溶劑沸點之差(理論)△=△△t視-△t=tb-T′溫差差損損失失△△：：溶液液沸沸點點與與溶溶劑劑沸沸點點之之差差(即:沸點點升升高高)溫差差損損失失△△,就是是溶溶液液沸沸點點升升高高值值溫差差損損失失原原因因：：溶質(zhì)質(zhì)引引起起；；液液柱柱靜靜壓壓頭頭引引起起；；流流體體阻阻力力；；3.蒸發(fā)發(fā)生生產(chǎn)產(chǎn)強(qiáng)強(qiáng)度度和和強(qiáng)化化途途徑徑1）.蒸發(fā)發(fā)器器生生產(chǎn)產(chǎn)強(qiáng)強(qiáng)渡渡單位位加加熱熱面面的的蒸蒸發(fā)發(fā)水水量量為為蒸蒸發(fā)發(fā)器器生生產(chǎn)產(chǎn)強(qiáng)強(qiáng)度度，，用用U表示示，，提高傳熱溫差――真空蒸發(fā)（受水溫和設(shè)備條件限制）；提高傳熱系數(shù)K

（主要途徑）強(qiáng)化化方法法：：蒸汽汽中中不不凝凝性性氣氣體體的的排排除除（（蒸蒸汽汽冷冷凝凝降降低低傳傳熱熱系系數(shù)數(shù)））；；液體的流流動狀態(tài)態(tài)：增加加溶液循循環(huán)和湍湍流程度度；解決結(jié)垢垢問題；；2）蒸發(fā)操操作的經(jīng)經(jīng)濟(jì)性可采用的的措施：：⑴多效蒸發(fā)發(fā)⑵額外蒸汽汽的采出出⑶熱泵蒸發(fā)發(fā)⑷冷凝水熱熱量的利利用（1）采用多多效蒸發(fā)發(fā)提高了生生蒸汽的的經(jīng)濟(jì)性性。顯然然，W/D的提高是是以增加加蒸發(fā)器器的投資資為代價價換取的的。壓力↘沸點↘真空設(shè)備費用用隨效數(shù)數(shù)增加而而增加，，一定程程度后節(jié)節(jié)省的蒸蒸汽量得得不償失失；一般在四四效以下下;并流優(yōu)點：1．利用各各效間壓壓差自動動進(jìn)料，，可省去去輸液泵泵。2．前效溫溫度高于于后效，，進(jìn)料呈呈過熱狀狀態(tài)，產(chǎn)產(chǎn)生自蒸蒸發(fā)，各各效間可可不設(shè)預(yù)預(yù)熱器。。3．輔助設(shè)設(shè)備少，，裝置緊緊湊，溫溫差損失失少。4．操作簡簡便，工工藝穩(wěn)定定。缺點：后效溫度度低，組組成高，，料液黏黏度增大大，降低低了傳熱熱系數(shù)。。逆流優(yōu)點：1.隨著料料液組成成提高，，溫度相相應(yīng)提高高，黏度度變化小小，各效效傳熱系系數(shù)相差差不大，，可充分分發(fā)揮設(shè)設(shè)備潛力力。2.完成液液排出溫溫度較高高，可利利用顯熱熱在減壓壓下閃蒸蒸增濃，，提高完完成液組組成。缺點：1.輔助助設(shè)備多多，動力力消耗大大；2.不適適于處理理熱敏性性溶液；；3.操操作復(fù)雜雜，工藝藝不易穩(wěn)穩(wěn)定平流各效分別別進(jìn)料并并分別出出料，二二次蒸汽汽多次利利用，對對易結(jié)晶晶的物料料較合適適（因為為結(jié)晶體體不便在在效與效效之間輸輸送）。。（2）引出額額外蒸汽汽在多效蒸蒸發(fā)中，，末效二二次蒸汽汽因能位位太低而而難以利利用。但但是，實實際操作作中往往往從前幾幾效中引引出部分分二次蒸蒸汽――稱額外蒸蒸汽，供供其他加加熱設(shè)備備使用，，以提高高生蒸汽汽的利用用率。（2）冷凝水水閃蒸⑶熱泵蒸蒸發(fā)（二二次蒸汽汽再壓縮縮）在單效蒸蒸發(fā)中，，可以將將二次蒸蒸汽經(jīng)壓壓縮機(jī)絕絕熱壓縮縮，提高高能位后后再送往往加熱室室。這可以利利用二次次蒸汽的的大量潛潛熱，而而為維持持正常操操作，只只需補(bǔ)加加少量壓壓縮功即即可。4.蒸發(fā)設(shè)備備將蒸發(fā)器器分為循環(huán)型和單程型（不循環(huán)環(huán)）循環(huán)型中央循環(huán)管式外熱式強(qiáng)制循環(huán)式單程型升膜式降膜式刮板式輔助設(shè)備備：除沫器、、冷凝器器、真空空泵等循環(huán)型單程型冷凍部分分補(bǔ)：熱力力學(xué)基本本概念冷凍簡介介制冷：將將熱持續(xù)續(xù)的從低低溫物體體傳給高高溫環(huán)境境介質(zhì)制冷操作作：利用冷凍凍劑從物物料中取取出熱量量，使物物料低于于周圍環(huán)環(huán)境的溫溫度，同同時將熱熱量傳遞遞給周圍圍的水或或空氣的的操作。。由于熱量量只能自自動地從從高溫物物體傳給給低溫物物體，因因此實現(xiàn)制冷冷必須包包括消耗耗能量的的補(bǔ)償過過程。相變制冷冷蒸氣壓縮縮式制冷冷吸收式制制冷蒸汽噴射射式制冷冷氣體膨脹脹制冷(節(jié)流效應(yīng)應(yīng)和絕熱熱膨脹)制冷的基基本方法法1.冷凍循環(huán)環(huán)基本原理理冷凝壓力力蒸發(fā)壓力力冷凝壓力力蒸發(fā)壓力力氣體液體氣體高溫高壓液體低溫低圧氣體低溫低壓壓縮機(jī)（壓縮）冷凝器（冷凝）節(jié)流（膨脹）蒸發(fā)器（蒸發(fā)）液體高圧常溫冷凍循環(huán)環(huán)低壓吸熱高壓放熱冷凝、冷卻器蒸發(fā)器壓縮機(jī)節(jié)流閥12543TS54123(飽和l)(濕蒸汽)(飽和g)(飽和g)等焓線過熱蒸氣飽和狀態(tài)態(tài)P↓T↓冷凝、冷卻器蒸發(fā)器壓縮機(jī)節(jié)流閥1254氣體線液液體線TS54123氣液

PS冷凝壓縮節(jié)流蒸發(fā)壓-焓圖21453四大件所用元件蒸發(fā)器壓縮機(jī)冷凝器節(jié)流閥\膨脹閥作用利用冷凍劑蒸發(fā)吸熱，產(chǎn)生冷作用；對外輸出冷量的設(shè)備提高冷凍劑氣體壓力，造成液體條件（從蒸發(fā)壓力升到冷凝壓力）用冷卻介質(zhì)將冷凍劑冷凝放出熱量進(jìn)行液化降低冷凍劑液體壓力和溫度（從冷凝壓力降到蒸發(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)ε=T1T2–T1=T低T高

–T低定義：=從低溫?zé)嵩次盏臒嵯牡耐夤?Q1N=Q1Q2–Q1T1234SQ2Q1冷凝溫度蒸發(fā)溫度NT2T1冷凍能力對于理想制冷冷循環(huán),ε僅與T1和T2有關(guān)，與制冷冷劑的性質(zhì)無無關(guān)。ε↑,制冷效率↑；；T2↓,εε↑---------但T2↓受環(huán)境條件限限制，故主要要受T1影響；T1↑ε↑---------過低不利于傳傳熱(蒸發(fā)器內(nèi)推動動力減小)。冷凝溫度蒸發(fā)溫度制冷系數(shù)ε：消耗單位外功功所能獲得的的制冷量。用于衡量制冷冷循環(huán)經(jīng)濟(jì)性性的一項指標(biāo)標(biāo)。3.冷凍能力Q1Q14.冷凍操作條件件的選定1）.蒸發(fā)溫度T12）.冷凝溫度T2T1ε蒸發(fā)溫度要適適宜，一般比比被冷物料最最低溫度低4~8K（受冷物料溫溫度限制）。。機(jī)械消耗小，，操作費用小小；蒸發(fā)器傳熱動動力小，需加加大換熱面積積，設(shè)備費用增加加；通常取冷凝溫溫度比冷卻劑劑高8~10K（受冷卻劑溫溫度限制）。。T2ε4）.過冷操作3）.壓縮比P2/P1T1↘那么P1↘P2P1T2↗那么P2↗功耗增大壓縮比不能過過大，單級不不能超過6~8冷凍劑蒸汽冷冷凝成液體后后，再進(jìn)一步步冷卻降低其其溫度（低于于其冷凝溫度度），稱為過過冷操作；一般過冷量比比冷凝溫度低低5KT2↘那么P2↘，壓縮比降降低，過冷系系數(shù)增加，冷冷凍效果好5.冷凍劑與冷載載體1）.常用冷凍劑對制冷劑的要要求：①常壓下，沸點低→蒸發(fā)溫度低；；②單位容積制冷冷量大→制冷劑量小，壓縮機(jī)尺寸小?。虎壑评鋭摕嵋蟆蓽p少制冷劑劑循環(huán)量；④不燃燒、無毒毒、無刺激氣氣味（無爆炸炸、無腐蝕性性）價低。（1）氨:單位容積制冷冷量大、價廉廉；但有味、、有害且有腐腐蝕；（2）氟里昂：氟氯代甲烷和和氟氯代乙烷烷的總稱；破壞地球的臭臭氧層，已限制使使用。⑶碳?xì)浠衔镂铮撼Ｓ玫闹饕鞘且蚁?、乙烷烷、丙烯、丙丙烷?）.載冷劑載冷劑是指間間接冷卻系統(tǒng)統(tǒng)中運載冷量量的媒介物質(zhì)質(zhì)，又稱冷媒媒。它依靠顯顯熱來傳遞冷冷量。水：高溫載冷劑（（0℃之上），在空空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)應(yīng)用特別理想想。冷凍鹽水：中溫載冷劑，，一般用氯化化鈉或氯化鈣鈣配置，適用用于-5～-50℃制冷裝置。腐腐蝕性大。有機(jī)溶液：低溫載冷劑乙二醇，1.7～-50℃。丙二醇，-3.7～-36℃。酒精