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第10章 制冷
降低物体温度的过程称为制冷。利用水、空气等冷却剂能将物体冷却到冷却剂的温度，称为自然制冷。但在人们的日常生活和某些工业生产及物品的贮藏、运输过程中，常需将物料降低到比自然界的水和空气更低的温度，此时，自然制冷已不可能达到，必须采用一些特殊的装置进行人工制冷。
工业生产中的冷冻操作(人工制冷)就是将物料的温度降低到比水和空气这些天然冷却剂的温度还要低的一种单元操作过程，即制冷过程，又称冷冻。
10.1 概述
人工制冷的原理是利用冷冻剂从低温物体中不断地取出热量，然后，通过机械方法或其他方法将冷冻剂所吸收的热量传递到高温的环境中去。冷冻剂在制冷系统中循环使用。
冷冻在国民经济的各个部门和人们的日常生活中得到广泛应用。例如，食品工业中冷饮的制造和食品的冷藏；医药工业中一些抗菌素剂、疫苗血清等须在低温下贮存；石油化工生产中，石油裂解气的分离则要求在173K左右的低温下进行，裂解气中分离出的液态乙烯、丙烯等则要求在低温下贮存、运输；化学工业中的空气分离、低温化学反应及吸收、精馏、结晶、升华干燥等单元操作过程中均用到冷冻。
制冷方法
现代工业中，人工制冷一般通过如下途径来实现： ①低沸点液体的气化 当低沸点液体气化时，由于气化所需热量来自液体本身，因此液体焓值减少，其本身将被冷却到气化压强下的沸点。如常压下，气化的液氨温度可降低到239.6K(常压下液氨的沸点)。为了获得更低的温度，气化应当在尽量低的压强下进行。 ②节流或减压 利用节流或减压作用，将各种预先被压缩的气体膨胀。由于膨胀，气体压强下降，内能减少，温度降低。 目前工业生产中常用的制冷方法有如下三种：压缩制冷、吸收制冷、喷射制冷。仅介绍压缩制冷，以此为例了解制冷技术的基本原理和方法。
10.2 制冷基本原理
10.2.1 压缩蒸气制冷循环
任何物质的沸点(或冷凝温度)均随外界压强而变。如液氨在常压的沸点为239.6K，而在1216kPa下其冷凝温度为303K。利用物质的这一性质，使其在低压下蒸发，即可得到低温，从而能从被冷物料中吸取热量，达到制冷目的，这便是压缩蒸发制冷的基本依据。 工程上，利用压缩机做功，将气相工作介质压缩，冷却冷凝成液相，然后使其减压膨胀、蒸发(气化)，完成从低温热源取走热量并送到高温热源的过程，称为压缩蒸发制冷，也称为蒸汽压缩制冷。此过程类似用泵将流体由低处送往高处，所以，有时也将此种冷冻装置称为热泵。
实际压缩制冷循环的基本过程
10.2.2操作温度的选择
制冷装置在操作运行中重要的控制点有：蒸发温度和压力、冷凝温度和压力、压缩机的进出口温度、过冷温度及冷却温度。
制冷过程的蒸发温度是指制冷剂在蒸发器中的沸腾温度。实际使用中的制冷系统，由于用途各异，蒸发温度各不相同，但制冷剂的蒸发温度必须低于被冷物料要求达到的最低温度，使蒸发器中制冷剂与被冷物料之间有一定的温度差，以保证传热所需的推动力。这样制冷剂在蒸发时，才能从冷物料中吸收热量，实现低温传热过程。 制冷过程的冷凝温度是指制冷剂蒸气在冷凝器中的凝结温度。影响冷凝温度的因素有冷却水温度、冷却水流量、冷凝器传热面积大小及清洁度。冷凝温度主要受冷却水温度的限制，由于使用的地区不一和季节的不同，其冷凝温度也不同，但它必须高于冷却水的温度，使冷凝器中的制冷剂与冷却水之间有一定的温度差。
操作温度与压缩比的关系
压缩比是压缩机出口压强p2与入口压强p1的比值。压缩比与操作温度的关系如图3—2所示。当冷凝温度一定时，随着蒸发温度的降低，压缩比明显加大，功率消耗先增大后下降，制冷系数总是变小，操作费用增加。当蒸发温度一定时，随着冷凝温度的升高，压缩比也明显加大，功率消耗增大，制冷系数变小，对生产也不利。
因此，应该严格控制制冷剂的操作温度，蒸发温度不能太低，冷凝温度也不能太高，压缩比不至于过大，工业上单级压缩循环压缩比不超过6～8。这样就可以提高制冷系统的经济性，发挥较大的效益。
制冷剂的过冷
制冷剂的过冷就是在进入节流阀之前将液态制冷剂温度降低，使其低于冷凝压力下所对应的饱和温度，成为该压力下的过冷液体。
若蒸发温度一定时，降低冷凝温度，可使压缩比有所下降，功率消耗减小，制冷系数增大，可获得较好的制冷效果。通常取制冷剂的过冷温度比冷凝温度低5K或比冷却水进口温度高3～5K。
多级压缩制冷
压缩制冷系统中，外界向系统所提供的能量是压缩功。作为工业生产，为减少能耗，提高经济效益，应在不影响制冷效果的前提下，尽可能降低压缩功耗。对于往复压缩机，其容积效率随压缩比增加而减少，压缩功耗则随级数增加而降低。在压缩制冷操作中，为了获得较低的冷冻温度，需要冷冻剂在更低的压强下蒸发，这样，进压缩机的蒸汽压强下降，压缩机的压缩比增加，容积效率下降，即压缩机的效率下降。另外，压缩比高时，压缩机出口气体温度升高，可能导致冷冻剂蒸汽的分解。例如，当温度超过120℃时，氨蒸汽将开始分解，整个制冷过程被破坏。为此，实际生产中，当工艺要求冷凝器和蒸发器的温度之差(T2－T1)较大时，亦即需要较高压缩比时，或者工艺要求不同级别的低温时，常采用双级或多级压缩，以提高压缩机效率，降低出口温度，减少整个系统的功耗。如用氨作冷冻剂，当工艺要求蒸发温度低于－30℃时，应采用双级压缩，若要求蒸发温度低于－45℃，则应采用三级压缩。
双级压缩制冷
10.3 制冷能力
10.3.1制冷能力的表示
制冷循环过程中，单位时间内冷冻剂从被冷物体(如冷冻盐水)取出的热量，称为冷冻能力，即制冷能力，用符号Q1表示，单位为W或kW。
工程计算和实际生产中，冷冻能力的具体表达方式还有如下几种：
⑴单位质量冷冻剂的冷冻能力
⑵单位体积冷冻剂的冷冻能力
10.3.2标准制冷能力
标准操作温度条件下的冷冻能力，称为标准冷冻能力，用符号Qs表示，单位为W或kW。
因为不同操作温度条件下，同一冷冻装置的冷冻能力不同，为了准确说明冷冻机的冷冻能力，就必须指明冷冻操作温度，按照国际人工制冷会议规定，当进入压缩机的冷冻剂为干饱和蒸汽时，冷冻装置的标准操作温度规定为：蒸发温度T1=258K，冷凝温度T2=303K，过冷温度T3=298K.
一般冷冻机铭牌上所标明的冷冻能力即为标准冷冻能力。当生产操作过程中的实际温度条件不同于标准温度时，冷冻机实际冷冻能力便与产品目录中所列数据不同，为了选用合适的压缩制冷设备，必须将实际所要求的冷冻能力换算为标准冷冻能力后方能进行选型。反之，欲核算一台现有的冷冻机是否能满足生产需要，也必须将铭牌上标明的冷冻能力换算为操作温度下的冷冻能力。
通常，冷冻设备出厂时均附有该设备的工作性能曲线，使用时可根据这些曲线求得具体生产条件下的冷冻能力，据此可进行选型和核算。
如果缺乏这些资料，按照压缩机一定，其气缸容积为定值这一事实，可用下式进行换算 参见例题
10.4制冷剂与载冷体
10.4.1 制冷剂
在制冷装置中不断循环流动以实现制冷目的的工作物质称为冷冻剂，或称为制冷剂。压缩循环制冷过程系利用冷冻剂的相变来实现热量的转移的，因此，冷冻剂是实现人工制冷不可缺少的物质。虽然冷冻剂的种类和性质并不会影响冷冻系数的数值，但冷冻剂的种类和性质对压缩机气缸尺寸、制作材料及操作压强等有很大影响。因此，冷冻操作中需选择合适的冷冻剂。
工业生产对冷冻剂有如下基本要求
①汽化潜热大 这样单位质量冷冻剂具有较大的冷冻能力，在制冷要求一定时，则可减少单位时间内冷冻剂的循环量，从而减少动力消耗。
②蒸汽比容积小 这样可使压缩机气缸容积减小，降低设备费用，同时也可减少动力消耗。
③蒸汽压适宜 冷冻剂在蒸发温度下的蒸汽压最好高于常压，以避免空气被吸入制冷装置。冷冻剂在冷凝温度下的蒸汽压也不能太高，一般以不超过1.5MPa为宜，否则设备结构复杂，材质要求高，设备密封也困难。
④临界温度高、凝固温度低 这样既便于冷凝器内使用一般冷却水或空气作冷却介质，又便于获取较低的蒸发温度。
⑤黏度和密度小 这样可减少冷冻剂流动时的阻力。
⑥导热系数高 这样有利于提高换热过程的传热效率，减少蒸发器和冷凝器的传热面积。
⑦其它 化学性质稳定， 不易分解，不与润滑油互溶，不腐蚀设备，不易燃，对人体无害，价格低廉，来源充足等。
工业常用制冷剂
研讨：
学生通过自学，回答有哪些制冷剂
讨论各有什么特点
讨论环保及发展
10.4.2 载冷体
工业生产中的制冷过程可根据不同的工艺要求分为直接制冷和间接制冷两种。所谓直接制冷是指工艺要求的被冷物料在蒸发器内与冷冻剂进行热交换，冷冻剂直接吸取被冷物料的热量，而使被冷物料温度降到所需求的低温。而间接制冷则是在制冷装置中先将某中间物料冷冻，然后再将此冷冻了的中间物料分送至需要低温的工作点。此中间物料即为载冷体，又称冷媒。这是一种将冷量传递给被冷物料，又将从被冷物料吸取的热量送回制冷装置并传递给冷冻剂的媒介物。载冷体循环流动于制冷装置与需要冷量的工作点之间。因为一个工厂需要冷量的工作点往往有多个。这样，就可在工厂内设置专门的制冷车间，利用载冷体以实现集中供冷。
常用的载冷体有空气、水和盐水。
10.5 压缩蒸气制冷设备
压缩制冷装置是一个封闭系统，它由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四台主要设备及其他附属设备共同组成，各设备间由管道连成一个整体，冷冻剂在系统内循环。
10.5.1压缩机
压缩机是制冷装置的心脏，也是其主要的运转部分，人们通常称它为冰机或冷冻机。
10.5.2 冷凝器 制冷装置中的冷凝器主要是以水为冷却介质，常用型式有两类 ⑴卧式管壳式冷凝器 ⑵立式管壳式冷凝器 。除此以外，实际生产中有时也采用沉浸式、套管式、排管式、喷淋式热交换器作为制冷装置中的冷凝器。无论采用何种型式的冷凝器，都应确保冷凝液能及时从传热表面上排除，以提高冷冻剂的冷凝传热系数。
10.5.3 蒸发器 制冷装置中的蒸发器也是一种间壁式换热器。为提高过程的传热系数，其结构应确保冷冻剂蒸汽能很快地脱离传热表面。为了有效地利用传热面，应将冷冻剂节流后产生的蒸汽在其进入蒸发器前就与液体分离，即应在蒸发器前设立气液分离器。操作过程中还必须保持蒸发器内液面的合理高度，否则会降低蒸发器的传热效果。常用的型式有两类： ⑴卧式管壳式蒸发器 ⑵直立管式蒸发器
第11章 新型单元操作简介
11.1 膜分离
一、概述
膜分离过程作为一门新型的高效分离、浓缩、提纯及净化技术，在近年来发展迅速，已在化工、生物、医药、食品、环境保护等领域得到广泛应用。
膜分离所用的膜可以是固相、液相，也可以是气相，而大规模工业应用中多数为固体膜，本节主要介绍固体膜的分离过程。
二、膜分离特点及应用
与传统的分离操作相比，膜分离具有以下特点：①膜分离是一个高效分离过程，可以实现高纯度的分离；②大多数膜分离过程不发生相变化，因此能耗较低；③膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料；④膜分离设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、维护都十分方便。
膜分离在工业上的应用日益广泛
三、膜材料及分类
固体分离膜大多数是高分子聚合物膜，近年来又开发了无机材料分离膜。高聚物膜通常是用纤维素类、聚砜类、聚酰胺类、聚酯类、含氟高聚物等材料制成。无机分离膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜等。
三、膜材料及分类
膜的种类与功能较多，分类方法也较多，但普遍采用的是按膜的形态结构分类，将分离膜分为对称膜和非对称膜两类。
不同类型膜结构示意图
四、分离膜的性能
分离膜是膜过程的核心部件，其性能直接影响着分离效果、操作能耗以及设备的大小。分离膜的性能主要包括两个方面，即透过性能与分离性能。
透过性能 能够使被分离的混合物有选择地透过是分离膜的最基本条件。表征膜透过性能的参数是透过速率，是指单位时间、单位膜面积透过组分的通过量，对于水溶液体系，又称透水率或水通量。
膜的透过速率与膜材料的化学特性和分离膜的形态结构有关，且随操作推动力的增加而增大，此参数直接决定分离设备的大小。
四、分离膜的性能
分离膜是膜过程的核心部件，其性能直接影响着分离效果、操作能耗以及设备的大小。分离膜的性能主要包括两个方面，即透过性能与分离性能。
分离性能 分离膜必须对被分离混合物中各组分具有选择透过的能力，即具有分离能力，这是膜分离过程得以实现的前提。不同膜分离过程中膜的分离性能有不同的表示方法，如截留率、截留分子量、分离因数等。
五、膜分离工艺
在实际生产中，可以通过膜组件的不同配置方式来满足对溶液分离的不同质量要求。 不同的组合有不同的工艺流程。
膜组件的形式多样，每种特点及适应场合不一样
五、膜分离工艺
六、典型膜分离工艺
1.反渗透
2.超滤与微滤
3.应用举例
11.2吸附
一、概述
吸附是利用某些固体能够从流体混合物中选择性地凝聚一定组分在其表面上的能力，使混合物中的组分彼此分离的单元操作过程。
目前吸附分离广泛应用于化工、医药、环保、冶金和食品等工业部门，如常温空气分离氧氮，酸性气体脱除，从废水中回收有用成分或除去有害成分，糖汁中杂质的去除，石化产品和化工产品的分离等液相分离。
二、吸附分离原理
吸附分离是利用混合物中各组分与吸附剂间结合力强弱的差别，即各组分在固相（吸附剂）与流体间分配不同的性质使混合物中难吸附与易吸附的组分分离。适宜的吸附剂对各组分的吸附可以有很高的选择性，故特别适用于用精馏等方法难以分离的混合物的分离，以及气体与液体中微量杂质的去除。此外，吸附操作条件比较容易实现。
根据吸附剂对吸附质之间吸附力的不同，可以分为物理吸附与化学吸附。
三、吸附剂
作为吸附剂一般有如下的性能要求.
①有较大的比表面
②对吸附质有高的吸附能力和高选择性
③较高的强度和耐磨性
④颗粒大小均匀
⑤具有良好的化学稳定性、热稳定性以及价廉易得。
⑥容易再生。
吸附剂是气体（液体）吸附分离过程得以实现的基础。目前工业上最常用的吸附剂主要有活性炭、硅胶、活性氧化铝、合成沸石（分子筛）等。
四、吸附平衡与吸附速率
吸附平衡指在一定条件下，当气体或液体与固体吸附剂接触时，吸附质在两相中的含量不再改变，互呈平衡的状态。吸附平衡关系决定了吸附过程的方向和限度，是吸附过程的基本依据。
四、吸附平衡与吸附速率
吸附速率系指单位时间内被吸附的吸附质的量（Kg/s）。吸附过程经过外扩散、内扩散和吸附三个过程，阻力最大的是决定步骤。
影响吸附（吸附速率）的因素很多，主要有体系性质（吸附剂、吸附质及其混合物的物理化学性质）、吸附过程的操作条件（温度、压力、两相接触状况）以及两相组成等。
五、典型吸附工艺介绍

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