冷凝产生真空

通过冷凝产生真空龚伟兴博士将气相转变为液相的过程称为冷凝，而相反的过程是蒸发. 当蒸汽凝结时，释放的凝结潜热必须用冷却介质清除. 汽化时，必须将汽化潜热提供给系统. 每种液体都有蒸气压，并且随着温度的升高，液体的蒸气压也会增加（参见图1）. 蒸气压（毫巴）温度℃​​图1 1-100mbar下各种物质的蒸气压曲线当蒸气压高于液体表面的压力时，液体分子可以从液体表面迁移到蒸气相，从而产生汽化；当冷凝期间，从气相到液体表面存在压力梯度，此时气体分子迁移到液体中. 气相具有较高的能量，分子可以自由移动，而液相中的分子运动受到严格限制. 在固相中，分子之间的相互吸引非常强，分子是固定的，不能自由移动. 汽相和液相之间的能量差是冷凝潜热或汽化潜热. 常压下的水为2257 kJ / kg（539 kcal / kg）. 下表显示了常压下各种物质的潜热: 物质水甲烷庚烷苯乙醇潜热kJ / kg 2257 510 317 394 8461当蒸汽冷凝时，气相变为液相，体积大大减少. 例如，在1000 mbar处1kg的水蒸气的体积为1694升，冷凝后减少为1升. 如此大的体积减小会产生真空. 例如，在常压下，将100°C的水蒸气密封在一个容器中，然后冷却至20°C. 该水蒸气几乎完全冷凝. 容器中的压力为24 mbar，相当于20°C时水的饱和蒸气压.

将水果保存在玻璃罐中是利用冷凝产生真空的原理. 通常在真空系统中，连续产生蒸汽. 这种蒸汽通常包含不可冷凝的惰性气体，例如空气泄漏到设备中. 当该蒸汽流过冷却表面时，蒸汽将被冷凝，并且随着冷凝过程的增加，惰性气体的相对量将增加. 在恒定压力（真空）下，冷凝温度降低. 在冷凝器的出口，必须用真空泵除去惰性气体/蒸汽混合物（在冷凝温度下饱和）. 为了使真空泵尽可能小并减少所需的能量，惰性气体/蒸汽混合物中的蒸汽应尽可能地冷凝. 因此，最好使蒸汽和冷却介质逆流，以从冷凝器的最冷部分除去饱和的惰性气体. 有关惰性气体/蒸汽混合物的计算真空冷凝器工作原理，请参见“真空下的水蒸气和气体”. [1]对于不混溶的液体混合物，使用以下公式计算饱和蒸汽部分: 其中: mD饱和蒸汽流量（kg / h）mI惰性气体流量（kg / h）MD蒸汽分子量（惰性气体的MI分子量（kg / mol）PD蒸汽的分压（mbar）PI惰性气体的分压（mbar）PD + PItot = Ptot =总压力=冷凝压力示例: 真空度60 mbar在高温下，水蒸汽被冷凝，相应的饱和蒸汽温度为36℃，并且冷凝的蒸汽包含10 kg / h的空气.

冷凝器适合将空气/蒸汽混合物冷却至30°C. 当其中包含10 kg / h空气时，应除去多少蒸汽？在30℃时，水蒸气的分压为42.4 mbar，惰性气体的分压为总压力与水蒸气的分压之差. PI = 60-42.4 = 17.6 mbar，可以计算出水蒸气量. 除了公斤/小时的空气外，还必须清除15公斤/小时的水蒸气. 显然，饱和水蒸气的量很高. 但是，情况并不总是像上述那样简单. 必须记住，大多数蒸汽混合物具有不同的蒸汽屈曲线. 混合物可以是完全可溶的，部分可溶的或完全不溶的. 这些混合物的计算不包括在本文中. 我们将冷凝器大致分为两类: 混合冷凝器（冷却介质直接与蒸汽混合）和表面冷凝器（冷却介质不直接与蒸汽接触）. 图2显示了混合冷凝器的不同设计. 通常，这些混合冷凝器使冷却介质形成液体瀑布，从而形成足够大的液体表面，并且在喷雾冷凝器中，使用喷嘴形成液体分布. 图2混合冷凝器的不同设计上排: 逆流下排: 平行流通常将混合冷凝器设计为逆流，但是当平行流有利时，例如在不需要惰性气体/蒸汽混合物时，它也很有用如果太冷，则可能会出现其中一种成分沉淀的情况. 在并流冷凝器中，蒸汽在重力方向上向下流动，并在与冷却液相同的方向上流动. 在这种情况下，较高的流速可用于流经较小的色谱柱部分.

但是，当出口混合物与热的冷却液接触时，出口温度高于对流冷凝器，并且混合物中包含更多的蒸汽成分. 有时，使用并流冷凝器冷凝大部分蒸汽，然后使用逆流混合冷凝器进一步冷却需要除去的惰性气体/蒸汽混合物，以减小设备的尺寸. 混合冷凝器的优点之一是: 低成本和冷却介质的充分利用. 无需大型冷凝器，就可以将冷却介质几乎加热到冷凝蒸汽的沸点. 这是由于直接传热的传热系数高. 另一个优点是该器件对杂质或结垢不敏感. 3有时存在冷凝水和冷却介质混合的缺点. 水是冷却介质，冷凝的蒸汽不是水蒸气，冷却水成为杂质，从污染的角度来看通常是不允许的. 冷凝的蒸汽用作回收的产物. 在这种情况下，不能使用混合冷凝器，而应使用表面冷凝器. 图3显示了带有固定管束的管式冷凝器. 冷却水流过管子，导致管子周围凝结. 这种设计的困难在于清洁冷凝表面. 图3带有固定管束的冷凝器图4是带有固定管束的表面冷凝器. 蒸汽在管内冷凝，冷却水在管外. 这促进了冷凝表面的清洁，但是冷却水表面的清洁是困难的. 图4具有固定管束的表面冷凝器冷凝管侧，冷却壳侧图5是浮头管式冷凝器，该管束可拆卸，在石油工业中通常使用. 这种设计可以清洁管子侧面和壳体侧面.

4图5可移动管束的浮头冷凝器还应提及U型冷凝器，填料冷凝器，平板冷凝器，螺旋管冷凝器，空气冷凝器等设计. 这些用作真空冷凝器. 在使用混合冷凝器的情况下，通常是因为蒸汽流包含可能迅速沉淀在表面冷凝器上的组分，在这种情况下，使用蒸汽冷凝作为冷却介质是有利的. 冷凝液通过热交换器，并用冷却水冷却. 图6显示了这样的过程. 蒸汽冷却水蒸汽冷凝水的冷凝蒸汽冷凝水产生的冷凝蒸汽冷凝水到真空泵图6冷凝循环和直接冷却喷雾冷凝器混合冷凝器的防污垢和沉淀是由于大量流量造成的液体进入壁并进行内部冲洗. 通过设计混合冷凝器（例如在各处保持湿润），可以进一步提高此性能. 实验表明，特别是在非潮湿的地方，可能会出现降水. 可以对表面冷凝器进行相同的改进. 如果表面冷凝器的结构要在管内冷凝，则连续的冷凝膜会在这些管的底部流动，以防止沉淀. 但是蒸汽从顶部进入管子. 蒸汽在冷凝之前必须经常避免过热，因为管子的顶部可能是干的并且几乎不湿. 因此，在管子的这一部分可能会发生沉淀. 为了防止这种情况，冷凝水被循环并喷在管板的上部，如图7所示. 这种设计成功地防止了冷凝器中的沉淀. 5蒸汽冷却水进入冷却水，然后从真空泵冷凝水循环泵中流出. 图7冷凝装置可通过注入冷凝水消除过热并防止在管的上端沉淀，这是一种经济的方法. 因此，应首先冷凝所有可冷凝的组件真空冷凝器工作原理，并且仅应使用真空泵除去那些必须冷凝的组件. 参考文献: [1] GEA Wiegand GmbH产品目录: 喷射泵，混合器，加热器，真空系统6

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