食品工程原理 第11章 蒸发.doc

第11章 蒸发1蒸发操作与特点使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽的单元操作称为蒸发，所采用的设备称为蒸发器。分离的基础：溶质与溶剂的挥发性不同。蒸发操作有两个目的：1）浓缩溶液（即脱除溶剂，制取浓缩液）；2）净化溶剂（即脱除溶质，制取纯净的溶剂）。本章介绍水溶液的蒸发。蒸发操作中的几个概念：生蒸汽：从系统外引来用作加热的水蒸汽。二次蒸汽：蒸发操作中产生的蒸汽。单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，不再利用其冷凝热的蒸发操作。多效蒸发：将前一效的二次蒸汽引入下一效（蒸发器）作为加热热源的串联蒸发操作。额外蒸汽：多效蒸发中，将某一效的二次蒸汽引出一部分用作其他加热目的的蒸汽（这部分蒸汽不再引入下一效）。蒸发可以在不同的压强下进行，如果在减压下进行，则称为真空蒸发。真空蒸发多用于热敏性物料的浓缩。蒸发操作是一个传热过程，其传热特点是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液沸腾间的恒温差传热过程。2单效蒸发21溶液的沸点和温度差损失一定压强下，溶液的沸点较纯水的高，两者沸点之差，称为溶液的沸点升高。溶液的沸点由压强、溶液浓度和溶质性质所决定。一般的稀溶液或有机胶体溶液的沸点升高较小，而无机盐溶液沸点升高较大。设加热蒸汽的温度为T，二次蒸汽温度为T，溶液的沸点为t，则总温差为：t0=T- T实际传热温差（有效温差）为： tT-t两者之差称为蒸发器的温度差损失：t0-tt-T或 t=+T造成温度差损失的原因有3个方面：(1) 因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失的计算有两种方法：a 用吉辛柯公式： 式中：-常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失，；T-操作压强下二次蒸汽的温度，；r-操作压强下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg。对于一般食品工业所处理的溶液，的数值可参考糖液的数据，表11-1。b应用杜林规则：杜林规则指出溶液的沸点和相同压强下溶剂沸点之间呈线性关系。因此，只要有了杜林线（即t=ktw+b），即可求得不同浓度、压强下的溶液沸点。(2) 由液层静压效应而引起的温度差损失设液面上方的压强为p0，溶液液层高度为h，溶液密度为，则溶液中层的压强，亦即溶液中部的平均压强为：设对应于p0和pm溶液的沸点分别为t0和tm，则由液层静压引起的温度差损失为：tm-t0一般t0和tm可直接由p0和pm查水的饱和温度（即水的沸点）。(3) 由于管路流动阻力而引起的温度差损失。 多效蒸发中二次蒸汽由前效经管路送至下效作为加热蒸汽，因管道流动阻力使二次蒸汽的压强稍有降低，温度也相应下降，这种温度降即为因管路流动阻力而引起的温度差损失，一般可取为1。温度差损失： 需要注意的是：对于单效蒸发，若指定的是蒸发器内的操作压强，则不计入温度差损失中。例11-2 用连续真空蒸发器将桃浆从含固形物11%浓缩至40%。蒸发器内真空度为93.3 kPa，液层深度为2 m，采用100 蒸汽加热，桃浆的密度为1180 kg/m3。求温度差损失、蒸发器的有效温差及溶液的沸点。解：(1)93.3 kPa真空度下，绝对压强为8.0 kPa。在此绝对压强下，水蒸气的饱和温度为41.6，在该温度下水的汽化潜热r2 400 kJ/kg，参考糖液的数据，常压下沸点的升高a为1.0。由吉辛柯公式： 0.668(2)液体平均压强：查附录饱和水蒸汽表得：tm59.6，则：59.6-41.618.0 (3)有效温差：+0.668+18.0=18.7 t0100-41.658.4 tt0-58.4-18.739.7 （4）溶液的沸点 t=+=18.7+41.6=60.3本题注释：蒸发器内的溶液浓度即等于浓缩液的浓度。2.2 单效蒸发的计算 2.2.1 蒸发器的物料衡算单效蒸发如图所示，作溶质的衡算，有： Fx0(F-W)x1整理得： 或 式中：F-进料量，kg/h；W-水分蒸发量，kg/h；x0-原料液中溶质的质量分数；x1-完成液(即浓缩液)中溶质的质量分数。222 蒸发器的热量衡算对蒸发器作焓衡算，可得：QDrWr+FCP0 (t1-t0) +QL或 QDr（1+a%）Wr+FCP0 (t1-t0)式中：Q-蒸发器的热负荷，kJ/h；D-加热蒸汽的消耗量，kg/h；r-加热蒸汽的汽化潜热，kJ/kg；r-二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg；t0-原料液的温度，；t1-完成液的温度(即溶液的沸点)，；CP0-原料液的比热容，kJ/(kgK)；QL-蒸发器的热损失，kJ/h；a为蒸发器的热损失占总传热量的%。若原料液在沸点下进料，即t1t0，并忽略蒸发器的热损失，则上式为：DWr/r或 eD/Wr/r式中：e为蒸发1 kg水时的加热蒸汽消耗量，称为单位蒸汽消耗量，kg/kg。一般，eD/W1，即蒸发1 kg的水约需1 kg的加热蒸汽。实际上因蒸发器有热量损失等影响，e值约为1.1或稍多一些。2.2.3 传热面积S0蒸发器的传热面积由传热速率方程计算(注意为恒温差传热)，即 或 式中：S0-蒸发器的传热外表面积，m2；K0-基于外表面积的总传热系数，W/(m2K)；t-有效传热温度差，；Q为蒸发器的热负荷，W。需要注意的是：热量衡算中的Q的单位常用kJ/h，而传热速率方程中的Q的单位是W，因此应用时要注意单位的换算。 不同类型蒸发器的K值范围，可参考表11-2。例11-3 在单效薄膜式蒸发器内，将番茄汁从固形物含量12%浓缩到28%。番茄汁已预热到最高许可温度60后进料。采用表压为70 kPa的饱和水蒸气加热。设蒸发器传热面积为0.4 m2，传热系数1500 W/(m2K)。试近似估算蒸汽消耗量和原料液流量。解：表压为70 kPa，则绝对压强为171.3kPa。在此绝对压强下，查得加热蒸汽饱和温度为114.5，汽化潜热为2210 kJ/kg，由传热速率公式： QK0 S0t15000.4(114.5-60)32700 W则蒸汽消耗量为：DQ/r32700/(2210103)0.0148 kg/s53.3 kg/h查得60下水的汽化潜热为2340 kJ/kg，则蒸发量为：WQ/r32700/(2340103)0.014 kg/s50.3 kg/h原料液流量为： 2.2.4 管内沸腾传热系数i的关联式 参阅书P724 式（11-20）（11-26）。3多效蒸发31 多效蒸发的原理多效蒸发是将前一效的二次蒸汽引入下一效（蒸发器）作为加热热源的串联蒸发操作。优点：节约生蒸汽的用量，即提高了经济效益。操作原理：各效的操作压强（温度）自第一效（生蒸汽加入的一效）至末效逐效降低。理论上，单效的D/W1， n效的D/W1/n。表11-3列出实际情况下最小的(D/W)min值。32 多效蒸发的流程按加料方式不同，常见的多效蒸发操作流程(以三效为例)有以下几种：(1) 并流(顺流)加料法的蒸发流程 即溶液和蒸汽流动方向一致。 (2)逆流加料法的蒸发流程 即溶液和蒸汽流动方向相反。 但效间的溶液需用泵输送，能量消耗较大。一般来说，逆流加料法宜于处理粘度随温度和浓度变化较大的溶液，而不宜于处理热敏性的溶液。 (3)平流加料法的蒸发流程 原料液分别加入各效中，完成液也分别由各效排出，加热蒸汽由第一次效依次至末效，称为平流加料法。平流加料法适用于在蒸发操作进行的同时，有晶体析出的溶液。因为有晶体析出，不便于在效间输送。33 多效蒸发的计算多效蒸发设计计算中，已知条件是：原料液的流量、浓度和温度；加热蒸汽(生蒸汽)的压强或温度；冷凝器的真空度或温度；末效完成液的浓度等。需要设计的项目是：生蒸汽的消耗量；各效的蒸发量；各效的传热面积。解决方法是用试差法进行计算。下面对下图所示的并流蒸发流程予以讨论。331多效蒸发的物料衡算对整个蒸发系统作溶质的衡算，得： Fx0=(F-W)xn或 W= F（1-x0/xn）而 W=W1+W2+Wn= F（1-x0/xn） （1） 对任一效作溶质衡算，得 Fx0=(F-W1-W2-Wi)xi i2或 xi=Fx0/（F-W1-W2-Wi）3.3.2多效蒸发的热量衡算（1） 多效系统中各效溶液的沸点及总有效温度差各效沸点： ti=Ti+i+i各效有效温度差：ti=Ti-ti总有效温度差： t=T1-Tk-或 t=T1-Tk-（+）式中t-系统的总有效温度差，；-系统的总温度差损失，；、-分别为因溶液蒸汽压下降、液层静压强及流动阻力而引起的系统温度差损失，。（2） 多效蒸发的热量衡算参照单效蒸发，对第一效有：Q1D1r1W1r1+FCP0 (t1-t0) +QL1 Q1D1r1=（1+a1%）W1r1+FCP0 (t1-t0) （2） 对第二效有：Q2D2r2W2r2+（FCP0-W1CPW）(t2-t1)+ QL2 Q2D2r2=（1+a2% ）W2r2+（FCP0 -W1CPW）(t2-t1) （3） 对第i效有： （i+1）对第n效有:或 （n+1）其中：ai-第i效的热损失占第i效总传热量的%。一般可取a1=a2=ai=an=24。当无额外蒸汽引出时，有如下关系：D2=W1 （n+2）D3=W2 （n+3） Dn=Wn-1 (2n) 如果各效内的溶液温度ti（i=1n）已知，则可由以上2n个方程求出2n个未知数：D1Dn，W1Wn。333 传热面积S各效传热面积由下式计算： 34 多效蒸发效数的限制采用多效蒸发的目的是为了减少加热蒸汽的消耗量。但多效蒸发的效数是有一定限制的，原因如下：1）实际蒸汽消耗量大于理论值（见表11-3）；2）设备费用的增加随着效数的增加，蒸发设备的费用成倍的增加，当增加效数所节约的燃料费用不能弥补设备所需费用时，效数就达到了极限。3）温差损失的增加随着效数的增加，温差损失几乎成比例的增加，当效数增加到某一数值后，温差损失的总和有可能等于总温差，从而使各效的有效温差完全消失。即蒸发操作将无法进行。4）蒸发器有效传热温差的限制要维持料液在泡核沸腾区域内，传热的有效温差不能小于57。随着效数的增加，每效分配到的有效温差将逐渐减小，但不能小于此值。5）料液蒸发温度的安全限制由于此原因，第一效就不能使用温度过高的加热蒸汽，因此总温差的减小就限制了效数的增加。一般对于食品物料的蒸发，最常用的是23效。4蒸发设备蒸发设备可分为两类：膜式蒸发器和非膜式蒸发器，前者的温差损失可忽略不计。41蒸发器结构主要由加热室和分离室组成。411 非膜式蒸发器1） 中央循环管式(或标准式)蒸发器 中央循环管式蒸发器如下图所示，加热室由垂直管束组成，管束中央有一根直径较粗的管子。细管内单位体积溶液受热较前者受热好，密度比粗管内的小，轻者上浮，重者下沉，从而形成自然循环运动。为了促使溶液有良好的循环，中央循环管截面积一般为加热管总截面积的40%100%。2)悬筐式蒸发器 悬筐式蒸发器的结构如图所示，加热蒸汽由中央蒸汽管进入加热室，加热室悬挂在器内，可由顶部取出，便于清洗与更换。包围管束的外壳外壁面与蒸发器外壳内壁面间留有环隙通道，其作用与中央循环管类似，操作时溶液形成沿环隙通道下降而沿加热管上升的不断循环运动。一般环隙截面与加热管总截面积之比大于中央循环管式的，环隙截面积为沸腾管总截面积的100%150%。 3)外加热式蒸发器 如下 图所示，这种蒸发器的加热管较长，其长径之比为50100。由于循环管内的溶液未受蒸汽加热，其密度较加热管内的大，因此形成溶液沿循环管下降而沿加热管上升的循环运动，循环速度可达1.5 m/s。 4)强制循环蒸发器 如图所示，这种蒸发器内的溶液是利用外加动力进行循环的。 412 膜式蒸发器 1)升膜蒸发器 升膜蒸发器如图所示，加热室由单根或多根垂直管组成，加热管长径之比为50100。原料液经预热达到沸点或接近沸点后，由加热室底部引入管内，为高速上升的二次蒸汽带动，二次蒸汽在加热管内的速度一般为2050 m/s，减压下可高达100160 m/s或更高。 2)降膜蒸发器 降膜蒸发器如图所示，原料液由加热室顶部加入，经管端的液体分布器均匀地流入加热管内，在溶液本身的重力作用下，溶液沿管内壁呈膜状下流，并进行蒸发。 3种常用的液体分布器如下图所示： 3)升-降膜蒸发器 升-降膜蒸发器是由升膜管束和降膜管束组合而成。4)刮板搅拌薄膜蒸发器 刮板搅拌薄膜蒸发器如图所示，加热管是一根垂直的空心圆管，圆管外有夹套，内通加热蒸汽。圆管内装有可以旋转的搅拌叶片，叶片边缘与管内壁的间隙为0.251.5 mm。刮板薄膜蒸发器是利用外加动力成膜的单程蒸发器，故适用于高粘度、易结晶、易结垢或热敏性溶液的蒸发。 4.2 蒸发器的选用一般选型时必须考虑制品的热敏性和溶液的粘度，可根据表11-4 选用蒸发器。