化工原理冷凍

1、一、應知：（化學基礎(chǔ)、化工原理、有機化學、電器及儀表、化工機械。）二、應會：1、筆試（合成氨工藝、硫酸工藝、相關(guān)知識、分析化學知識）2、口試：崗位及工段操作內(nèi)容。3、論文：答辯4、DCS操作：第十章 冷凍一、基本概念1、冷凍(也稱制冷)將物料的溫度降低到比空氣和水這些天然冷卻劑的溫度還要低的操作。2、冷凍操作一般分為二種：K=273+t()名稱冷凍深度冷凍K開爾文溫度(K)173K以上173K以下t攝氏溫度()-100以上-100以下3、冷凍方法利用液氨、液態(tài)乙烷等在常壓下具有低沸點的液體作為冷凍劑。當冷凍劑在低沸點下汽化時，它從被冷凍物料中吸取熱量，使物料降至低溫。物質(zhì)的三態(tài):氣-液-固汽化

2、潛熱如：l 液氨在40.9Kpa下蒸發(fā)時，可達223K(-50)；l 液態(tài)乙烷在53Kpa下蒸發(fā)時，可達173K(-100)。4、冷凍操作用人工的方法，用冷凍劑從被冷凍的物料中取出熱量，使被冷凍物料的溫度低于周圍環(huán)境的溫度，同時將熱量傳給周圍的水或空氣的操作。第一節(jié) 壓縮蒸汽冷凍機一、壓縮蒸汽冷凍機的工作過程熱力學第一定律：第一種表述形式：能量守恒與轉(zhuǎn)化定律。能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但能量既不能憑空創(chuàng)造，也不會自行消滅。第二種表述形式：第一類永動機不可能創(chuàng)造。第一類永動機不靠外界供給能量，也不消耗自身能量，卻不斷地對外做功的機器。焓體系的狀態(tài)函數(shù)，由體系的狀態(tài)所確定。把體系的U+P

3、V叫做焓。U內(nèi)能P壓力V體積H焓熵能量分散的度量。從分子運動的角度看，分子是能量的載體，能量越分散，分子運動越混亂。因此，熵是體系內(nèi)部分子熱運動混亂程度的度量。1、冷凍機在冷凍操作中，熱量必須由低溫物體傳遞到高溫物體。但是從熱力學第二定律知道：熱量不能自動從低溫物體傳遞到高溫物體。因此，必須從外界補充能量(做功)，并利用冷凍劑間接地完成冷凍操作。冷凍機(冰機)用于補充能量的壓縮機。l 工業(yè)上應用最廣泛的是壓縮蒸汽冷凍機l 最常用的冷凍劑是氨。2、壓縮蒸汽冷凍機的基本組成：壓縮機、冷凝器、膨脹閥（節(jié)流閥）、蒸發(fā)器。3、壓縮蒸汽冷凍機的工作過程：氨(干飽和蒸汽)(T1=253K，P1=190Kpa

4、)壓縮機(加壓)溫度(T2=383K)、壓力(P2=1167Kpa)氨過熱蒸汽冷凝器冷凝(303K)冷卻(298K)過冷液體膨脹閥(減壓)溫度(T1=253K)、壓力(P1=190Kpa)部分汽化氣液混合物蒸發(fā)器(汽化)從被冷凍物料取得熱量(全部變成)氨干飽和蒸汽(開始新的循環(huán))壓縮機4、冷凍過程的實質(zhì)由壓縮機做功，通過冷凍劑從低溫熱源取出熱量，送到高溫熱源。這一過程類似用泵將水從低處送到高處，故冷凍機也稱熱泵。二、溫熵圖1、溫熵圖的構(gòu)造：將冷凍劑的各種參數(shù)，如壓力P、溫度T、比體積、焓I、熵S等數(shù)據(jù)繪制在一張圖上便構(gòu)成溫熵圖。溫-熵圖(圖11-2)2、理想的壓縮蒸汽冷凍機的工作過程是一個逆行

5、的卡諾循環(huán)過程。分四個過程組成：(1)、絕熱壓縮的等熵過程壓縮機將溫度為T1的冷凍劑蒸發(fā)吸入，等熵壓縮到冷凝器入口壓強P2，由于冷凍機做了外功A1，冷凍劑的能量增加，溫度由T1增至T2，如圖中的等熵線12。(2)、等溫放熱過程冷凍劑蒸汽在冷凝器中被冷凝成液體，放出冷凝熱并為冷卻水所吸收，冷凍劑的溫度不變，如圖中等溫線23。(3)、絕熱膨脹的等熵過程液化后的冷凍劑經(jīng)節(jié)流膨脹閥進行等熵膨脹，壓力從P3降為P4，溫度相應地從T3變?yōu)門4，如圖中等熵線34。(4)、等溫吸熱過程經(jīng)過膨脹減壓之后的冷凍劑進入蒸發(fā)器內(nèi)，從被冷凍物料(或冷凍鹽水)中吸取熱量而汽化，溫度不變，熵值從S4上升為S1，如圖中等溫線

6、41。經(jīng)蒸發(fā)器氣化的冷凍劑重新進行壓縮機內(nèi)，又開始一個新的循環(huán)。從溫熵圖(10-3)中可以看出，冷凍劑在等溫放熱過程中所放出的熱量，可以從圖中面積2-3-5-6-2來量度；而在等溫吸熱過程中所吸收的熱量，可以從圖中面積1-4-5-6-1來量度，放熱與吸熱之差，即圖上1-2-3-4-1所表示的面積，為壓縮機所做的外功。實際壓縮機的工作循環(huán)比理論的要復雜一些，如圖10-4，其不同在于絕熱壓縮至2之后，首先等壓冷卻至2，然后沿等溫線23冷凝，沿等壓線33過冷，接著是等焓膨脹至4，等溫蒸發(fā)至原點，又開始另一循環(huán)過程。這一循環(huán)過程說明了冷凍機的工作原理，說明了將熱量從低溫傳向高溫，必須要由外部供給能量，

7、必須要有冷凍劑從低溫被冷凍物料吸取熱量、并轉(zhuǎn)交給高溫物料(冷卻水)等。2、冷凍能力在單位時間內(nèi)從被冷凍物料取出的熱量。用Q1表示，單位：W(KW)(1)、單位質(zhì)量冷凍劑的冷凍能力1kg冷凍劑經(jīng)過蒸發(fā)器時從被冷凍物料取出的熱量。用q1表示，單位kJ/kg(2)、單位體積冷凍劑的冷凍能力1m3進入壓縮機的冷凍劑蒸汽的冷凍能力。用q2表示，單位kJ/ m3(3)、冷凍能力設(shè)冷凍劑的質(zhì)量流量是qm,kg/s對于一定大小和轉(zhuǎn)數(shù)的往復壓縮機，冷凍能力為：式中：1壓縮機的送氣系數(shù)q2單位體積冷凍能力，kJ/m3qv壓縮機的理論送氣能力即活塞所經(jīng)過的體積，m3/s(4)、標準冷凍能力在標準操作溫度條件下的冷凍

8、能力。用Qs表示，單位W(KW)因操作溫度對冷凍能力有很大影響，為確切的說明冷凍機的冷凍能力，就必須指明冷凍操作溫度。按國際人工制冷會議規(guī)定，當進入壓縮機的冷凍劑是干飽和蒸汽時，任何冷凍機的標準操作溫度是：l 蒸發(fā)溫度T1=258Kl 冷凝溫度T2=303Kl 過冷溫度T3=298K任何冷凍機銘牌上所標明的冷凍能力就是標準冷凍能力，由于冷凍機的實際操作溫度是根據(jù)工藝要求決定的，因此很難與標準操作溫度相同，必須將生產(chǎn)條件下的冷凍能力換算成標準冷凍能力才能選取用合適的冷凍機。反之，要核算一臺現(xiàn)有的冷凍機是否符合生產(chǎn)需要的冷凍能力時，也要將銘牌上標明的標準冷凍能力換算成操作溫度下的冷凍能力，才能進行

9、比較。一般冷凍機出廠時都附有工作性能曲線，可以根據(jù)該曲線求得不同操作條件下的冷凍能力或產(chǎn)冷量。 如缺乏該資料，也可以按照氣缸體積不變這一事實，由式11-6得出標準溫度條件和實際操作溫度條件下冷凍能力的換算關(guān)系。同一冷凍機的實際冷凍能力Q1和標準冷凍能力Qs的關(guān)系如下：三、多級壓縮蒸汽冷凍機1、單級壓縮蒸汽冷凍機的適用范圍當蒸發(fā)溫度很低或冷凝溫度很高時，壓縮比P2/P1就變得很大，如仍用單級壓縮，就會引起以下不良后果：l 送氣系數(shù)很低，甚至等于零l 單級壓縮的終溫很高，冷凍劑蒸汽可能分解。如氨在高于393K時會分解。l 所需的功率大為增加。因采用兩級或多級壓縮。第二節(jié) 冷凍劑與載冷體一、冷凍劑1

10、、冷凍劑是在冷凍循環(huán)中將熱量從低溫傳向高溫的媒介物。冷凍劑的性質(zhì)對確定冷凍機的大小及其結(jié)構(gòu)、材料等有著重要的影響，因此，在壓縮蒸汽冷凍機中，應根據(jù)具體操作條件慎重地選用適宜的冷凍劑。2、冷凍劑應具備的條件：l 在大氣壓強下的沸點要低，這是主要條件。l 在蒸發(fā)溫度T1時汽化潛熱應盡可能大，蒸汽的比容小，單位體積冷凍能力大。在一定的冷凍能力下所需的冷凍劑的循環(huán)量小，可以縮小壓縮機的尺寸。l 在蒸發(fā)溫度T1時蒸發(fā)壓力P1應略高于或接近于大氣壓力，這是因為防止冷凍劑的漏失比防止空氣漏入要容易。防止空氣吸入。l 在冷凝溫度T2時的冷凝壓力P2不應太高，以降低壓縮比和功率消耗。P2過高對冷凝器和管路的耐壓

11、要求也要高。l 無腐蝕性和毒性，不易燃易爆，使用安全，在操作條件下化學性質(zhì)穩(wěn)定。l 價格便宜，容易獲得。3、幾種工業(yè)上常用的冷凍劑名稱適用范圍優(yōu)點缺點氨蒸發(fā)溫度在223-278K內(nèi)的中型或大型冷凍機操作壓力、汽化潛熱、單位冷凍能力比其它冷凍劑優(yōu)越。容易獲得，壓縮機氣缸小，漏氣時容易發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)溫度最低可達223K。有毒、有強烈刺激性和可燃性，與空氣混合時有爆炸危險，對銅和銅合金有腐蝕性。氟利昂:氟利昂-11(CFCl3 -1氟3氯甲烷)氟利昂-12(CF2Cl2)氟利昂-13(CF3Cl)氟利昂-113(C2F3Cl3)小型冷凍機、空調(diào)機無毒、無味、無燃燒爆炸危險，對金屬無腐蝕性，汽化潛熱小，單

12、位冷凍能力比氨小，冷凍循環(huán)量大，消耗能量大。密度大，流動阻力較大，傳熱膜系數(shù)較低，會溶解于潤滑油中使油的粘度下降，能滲入極細微的縫隙，不易發(fā)現(xiàn)漏損，擴散到大氣中會破壞臭氧層，不利于環(huán)境保護。二氧化硫冷凝壓力比氨低650KPa蒸發(fā)溫度較高(263K氯甲烷冷凝壓力比氨低900KPa249.5K二氧化碳用于船舶用的冷凍裝置中無毒，密度大，所需壓縮機氣缸尺寸小冷凝壓力高(6000-8000Kpa)，蒸發(fā)壓力不能低于530 Kpa，否則將固態(tài)化。氟利昂是烷烴的氟氯衍生物，其沸點隨其中氯原子數(shù)的增加而升高。在常壓下，沸點因品種不同而不同(191K313K左右)常用的氟利昂-12是無色透明的液體，在大氣壓下

13、沸點是384.7K，臨界壓力是4002Kpa，凝固點是118.2K。在一般操作條件下，蒸發(fā)壓力比大氣壓高，冷凝壓力也不超過1000Kpa。它的汽化潛熱在常壓下是167.5KJ/kg，單位體積冷凍能力是945KJ/m3，都比氨的小。二、冷凍鹽水1、冷凍鹽水的作用冷凍鹽水載冷體。(1)、直接制冷用冷凍劑直接吸取被冷凍物料的熱量，使達到所需要求的低溫。如：用液氨預冷空氣進行制氧。(2)、間接制冷間接的用一種鹽類的水溶液作為載冷體，吸取被冷凍物料的熱量。此載冷體在冷凍劑和冷凍物料之間循環(huán)，從被冷凍物料中吸取熱量，溫度升高；然后將熱量傳給冷凍劑，溫度降低為原溫度。(3)、常用的載冷體氯化鈉、氯化鈣的水溶

14、液。(4)、使用冷凍鹽水的優(yōu)點l 當全廠需要冷凍操作的設(shè)備較多時，可以設(shè)一大型冷凍車間，把冷凍鹽水分送各設(shè)備中使用。l 鹽水可以與某些冷凍物料(如氯氣)直接接觸傳熱，提高傳熱速率。(5)、使用冷凍鹽水的缺點l 使冷凍能力和冷凍系數(shù)降低l 冷凍鹽水的循環(huán)消耗部分動力2、冷凍鹽水的選用l 冷凍鹽水在一定濃度下有一定的凍結(jié)溫度。凍結(jié)溫度必須比所需達到的冷凍溫度若干度，否則操作時會發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象，在蒸發(fā)器蛇管外析出冰層，嚴重影響冷凍機的操作。l 根據(jù)所要達到的冷凍溫度，選擇合適的冷凍鹽水及濃度。對于一定的冷凍溫度條件所用的冷凍鹽水的濃度必須嚴格控制。l 選用的最低溫度必須比冷凍鹽水的凍結(jié)溫度高1013K

15、。氯化鈣鹽水的最低凍結(jié)溫度是218K，實際使用時其溫度不宜低于228K氯化鈉鹽水的最低凍結(jié)溫度是252K，實際使用時其溫度不宜低于261K鹽水對金屬有較大的腐蝕性，通?？稍邴}水中加入少量的緩蝕劑(重鉻酸鈉或鉻酸鈉)，在很大程度上減輕鹽水的腐蝕性，但鉻酸鹽和重鉻酸鹽具有毒性，使用時應特別注意。第三節(jié) 壓縮蒸汽冷凍機的主要設(shè)備一、主要設(shè)備：1、壓縮蒸汽冷凍機的主要設(shè)備：l 壓縮機l 冷凝器l 膨脹閥l 蒸發(fā)器2、壓縮蒸汽冷凍機的輔助設(shè)備：l 油分離器l 氣液分離器3、主要設(shè)備的特性(1)、壓縮機冷凍裝置中的壓縮機稱為冷凍機或冰機，多數(shù)采用往復式壓縮機。主要形式：臥式雙動壓縮機、直立單動多缸通流式壓

16、縮機、氣缸互成角度排列的壓縮機。離心壓縮機特點：體積小、冷凍能力大(一般冷凍能力為500-1000KW以上)。按冷凍能力大小分類：類型小型冷凍機中型冷凍機大型冷凍機冷凍能力(KW)120120-10001000(2)、冷凝器（換熱器）冷凍裝置中的冷凝器多采用：l 蛇管式換熱器l 套管式換熱器l 排管式換熱器l 噴淋式換熱器l 列管式換熱器類型特點傳熱系數(shù)(KW/(m2·K)蛇管式換熱器冷凍劑在管內(nèi)冷凝，冷卻水在管外流動。用于小型冷凍機。0.170.25套管式換熱器環(huán)隙中流動的是冷凍劑，內(nèi)管中是冷卻水，大多用逆流流動。0.81.0排管式換熱器由套管式發(fā)展而成，是在大管中裝入若干小管，然后串聯(lián)起來，每個單元類似一個單程列管換熱器。0.70.9噴淋式換熱器冷卻水噴淋在管子的外壁或內(nèi)壁，形成膜狀流動。A、外壁噴淋冷卻水的噴淋式冷凝器的傳熱系數(shù)。0.71.0B、內(nèi)壁噴淋冷卻水的直立列管式冷凝器應用較普遍，一般露天放置。由