《食工原理》第六章 物料浓缩 第二节 蒸发

1、成成 员：秦开心员：秦开心 林志华林志华 左雄锋左雄锋 吴吴 斌斌 田道道田道道 朱朱 雯雯 吴婷婷吴婷婷 朱小琼朱小琼 苏晓杰苏晓杰 李冬梅李冬梅 蒸发蒸发 使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发，所用的设备称为蒸发器。质浓度提高的单元操作称为蒸发，所用的设备称为蒸发器。一、蒸发操作的目的一、蒸发操作的目的1.1.将稀溶液浓缩直接得到液体产品；如：果汁、烧碱溶液的制取等；将稀溶液浓缩直接得到液体产品；如：果汁、烧碱溶液的制取等；2.2.制取或回收纯溶剂；如：海水淡化；制取或回收纯溶剂；如

2、：海水淡化；3.3.同时制取浓缩液和回收溶剂。同时制取浓缩液和回收溶剂。蒸发蒸发1蒸发的概念蒸发的概念 利用溶质和溶剂之间挥发度利用溶质和溶剂之间挥发度的差异，用加入热能的方法使的差异，用加入热能的方法使溶剂汽化，而非挥发性的溶质溶剂汽化，而非挥发性的溶质留在溶液中，从而达到分离的留在溶液中，从而达到分离的目的，所涉及的平衡为汽液平目的，所涉及的平衡为汽液平衡。衡。 溶液受热时，溶剂分子获得溶液受热时，溶剂分子获得能量汽化。进行蒸发的必要条能量汽化。进行蒸发的必要条件是热能的不断供给和生蒸汽件是热能的不断供给和生蒸汽的不断排除。的不断排除。2、按二次蒸气的利用情况分：单效和多效蒸发、按二次蒸气

3、的利用情况分：单效和多效蒸发单效蒸发单效蒸发：将二次蒸气不在利用而直接送到冷凝器冷凝以：将二次蒸气不在利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作。除去的蒸发操作。多效蒸发多效蒸发：若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为：若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸气，则可提高加热蒸气（生蒸气）的利用率，这种加热蒸气，则可提高加热蒸气（生蒸气）的利用率，这种串联蒸发操作称为多效蒸发。串联蒸发操作称为多效蒸发。1、按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）、按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发蒸发分类第二节第二节 蒸发设备的特点分析蒸发设备的特点分析一、蒸发器的类型与结构一、蒸发器的类型与

4、结构 循环型循环型 ( (中央循环管式，悬筐是，外加式）中央循环管式，悬筐是，外加式） （外加热式又分自然循环型和强制循环型）（外加热式又分自然循环型和强制循环型）蒸发器蒸发器 非循环型（单程型）（升膜式，降膜式，升降膜式）非循环型（单程型）（升膜式，降膜式，升降膜式） 其他类型其他类型 （刮板薄膜式，板式等）（刮板薄膜式，板式等）1.1.循环型循环型（1 1）中央循环管式蒸发器）中央循环管式蒸发器优点：结构简单，操作可靠，投资少；优点：结构简单，操作可靠，投资少；缺点：循环速度低，传热系数低，清洗难度大。缺点：循环速度低，传热系数低，清洗难度大。（2 2）悬筐式蒸发器）悬筐式蒸发器优点：循环

5、速度加快，清优点：循环速度加快，清洗、检修方便，传热系洗、检修方便，传热系数高，热损失小；数高，热损失小；缺点：结构复杂，设备费缺点：结构复杂，设备费用高。用高。（3）外热式特点：加热室与分离室分开，由循环管连特点：加热室与分离室分开，由循环管连 接，这样可以改变加热室与分离室的距接，这样可以改变加热室与分离室的距 离，且调节循环速度使料液达到不在加离，且调节循环速度使料液达到不在加 热室沸腾，而在加热管顶端沸腾。热室沸腾，而在加热管顶端沸腾。优点：便于清洗和更换，降低蒸发器的总优点：便于清洗和更换，降低蒸发器的总 高度，循环速度快，传热系数大；高度，循环速度快，传热系数大；缺点：单位面积金属

6、耗量大，热损失大；缺点：单位面积金属耗量大，热损失大；（5）强制循环型工作原理：工作原理：蒸发设备的一类。溶液在设备内的循环主要依靠外加蒸发设备的一类。溶液在设备内的循环主要依靠外加动力所产生的强制流动。循环速度一般可达动力所产生的强制流动。循环速度一般可达1.5-3.5米米/秒。传热效率和生产能力较大。原料液由循环泵秒。传热效率和生产能力较大。原料液由循环泵自下而上打入，沿加热室的管内向上流动。蒸汽和自下而上打入，沿加热室的管内向上流动。蒸汽和液沫混合物进入蒸发室后分开，蒸气由上部排出，液沫混合物进入蒸发室后分开，蒸气由上部排出，流体受阻落下，经圆锥形底部被循环泵吸入，再进流体受阻落下，经圆

7、锥形底部被循环泵吸入，再进入加入加 热管，继续循环。热管，继续循环。特点：特点：循环速度大且可以调节，但动力消耗大；循环速度大且可以调节，但动力消耗大；适用范围：适用范围：适于处理高黏度、易结垢或有结晶析出的适于处理高黏度、易结垢或有结晶析出的溶液。溶液。二、膜式（单程）蒸发器二、膜式（单程）蒸发器膜式蒸发器和非膜式蒸发器的比较：膜式蒸发器和非膜式蒸发器的比较： 非膜式蒸发器非膜式蒸发器的主要缺点是加热室内滞料量大，致使物的主要缺点是加热室内滞料量大，致使物料在高温下停留时间过长，不适于处理热敏性物料。料在高温下停留时间过长，不适于处理热敏性物料。 膜式蒸发器膜式蒸发器只通过加热室一次即可达到

8、所需浓度，停留只通过加热室一次即可达到所需浓度，停留时间短，操作时，溶液沿加热管呈传热效果最佳的膜状流时间短，操作时，溶液沿加热管呈传热效果最佳的膜状流动。动。 1 升膜式蒸发器升膜式蒸发器加热室由单根或多根垂直管组成。加热室由单根或多根垂直管组成。原料液由加热室底部引入，为高原料液由加热室底部引入，为高速上升的二次蒸气所带动，沿壁速上升的二次蒸气所带动，沿壁面边呈膜状流动。面边呈膜状流动。 适于处理蒸发量大的稀溶液以适于处理蒸发量大的稀溶液以及热敏性或易生泡的溶液；不适及热敏性或易生泡的溶液；不适于处理高粘度、有结晶析出或易于处理高粘度、有结晶析出或易结垢的溶液。结垢的溶液。（2 2）降膜式

9、）降膜式 加热室与升膜式蒸加热室与升膜式蒸发器类似。原料液由发器类似。原料液由加热室顶部加入，经加热室顶部加入，经液体分布器均匀地流液体分布器均匀地流入加热管内，在溶液入加热管内，在溶液自身重力作用下，溶自身重力作用下，溶液沿管内壁呈膜状下液沿管内壁呈膜状下流，并进行蒸发。流，并进行蒸发。 适用于处理热敏适用于处理热敏性物料，但不适于处性物料，但不适于处理易结晶、结垢或粘理易结晶、结垢或粘度大的溶液。度大的溶液。3 升升降膜式蒸发器降膜式蒸发器 由升膜管束和降膜管束组合而成，蒸发器底部封头内有由升膜管束和降膜管束组合而成，蒸发器底部封头内有一隔板，将加热管束均分为二。一隔板，将加热管束均分为二

10、。 原料液在预热器中加热达到或接近沸点后，引入升膜加原料液在预热器中加热达到或接近沸点后，引入升膜加热管束的底部，汽液混合物经管束由顶部流入降膜加热管热管束的底部，汽液混合物经管束由顶部流入降膜加热管束，然后转入分离器，完成液由分离器底部取出。束，然后转入分离器，完成液由分离器底部取出。 适于处理粘度变化大的溶液，或厂房高度有一定限制的适于处理粘度变化大的溶液，或厂房高度有一定限制的场合。场合。4 刮板搅拌薄膜蒸发器刮板搅拌薄膜蒸发器 加热管是一根垂直的空心管，圆管加热管是一根垂直的空心管，圆管外有夹套，内通加热蒸气，圆管内装可外有夹套，内通加热蒸气，圆管内装可以旋转的搅拌叶片。以旋转的搅拌叶

11、片。 原料液沿切线方向进入管内，由于原料液沿切线方向进入管内，由于受离心力、重力及叶片的刮带作用，在受离心力、重力及叶片的刮带作用，在管壁上形成旋转下降的薄膜，并不断的管壁上形成旋转下降的薄膜，并不断的被蒸发，完成液由底部排出。被蒸发，完成液由底部排出。适用于高粘度、易结晶、易结垢或热敏适用于高粘度、易结晶、易结垢或热敏性溶液的蒸发。性溶液的蒸发。缺点：结构复杂，动力耗费大，传热面缺点：结构复杂，动力耗费大，传热面小，处理能力不大。小，处理能力不大。板式蒸发器板式蒸发器 板式蒸发器由板式换热器和分离器组合而成。加热板用不锈钢冲板式蒸发器由板式换热器和分离器组合而成。加热板用不锈钢冲压而成，其厚

12、度为压而成，其厚度为11.5，四周用橡胶垫圈密封，板与板之间形成，四周用橡胶垫圈密封，板与板之间形成蒸汽与料液流动通道。加热板排成四片一组，蒸汽在蒸汽与料液流动通道。加热板排成四片一组，蒸汽在41和和23板板间冷凝，料液在间冷凝，料液在12板间升膜流动，在板间升膜流动，在34板间降膜流动。视生产板间降膜流动。视生产能力的需要可增减板的组数。蒸发形成的汽液混合物进入离心分离器能力的需要可增减板的组数。蒸发形成的汽液混合物进入离心分离器进行分离。进行分离。 优点：单位体积的传热面积大，效率高；操作灵活，优点：单位体积的传热面积大，效率高；操作灵活，传热面积可按要求随意增减，装拆方便；所需厂房高度传

13、热面积可按要求随意增减，装拆方便；所需厂房高度小。小。 缺点：垫圈密封要求较高，操作温度有限，不宜处理缺点：垫圈密封要求较高，操作温度有限，不宜处理含固体微粒的料液。含固体微粒的料液。三、蒸发器的辅助设备三、蒸发器的辅助设备1.1.除沫器除沫器（1 1）作用：）作用：气液分离，气液分离，防止有用产防止有用产品的损失。品的损失。（2 2）型式：）型式：2.2.冷凝器和真空装置冷凝器和真空装置（1 1）冷凝器：）冷凝器：在蒸发操作过程中，二次蒸汽若是有用物料或会在蒸发操作过程中，二次蒸汽若是有用物料或会产生严重污染时，应采用间壁式冷凝器回收；二次蒸汽不被产生严重污染时，应采用间壁式冷凝器回收；二次

14、蒸汽不被利用时，必须冷凝成水方可排除，同时排除不凝性气体。对利用时，必须冷凝成水方可排除，同时排除不凝性气体。对于水蒸气的冷凝，可采用汽、水直接接触的混合式冷凝器。于水蒸气的冷凝，可采用汽、水直接接触的混合式冷凝器。型式：混合式（凝液需回收）型式：混合式（凝液需回收） 间壁式（凝液不需要回收）间壁式（凝液不需要回收）（2 2）真空装置：减压操作中使用，将冷凝液中的不）真空装置：减压操作中使用，将冷凝液中的不 凝气抽出，保证蒸发所需的真空度。凝气抽出，保证蒸发所需的真空度。 真空装置的种类：喷射泵、水环真空泵等。真空装置的种类：喷射泵、水环真空泵等。水环泵水环泵 往复泵往复泵 水力喷射泵水力喷射

15、泵 单效蒸发 在蒸发器内原料被加热溶剂汽化，产生的二次在蒸发器内原料被加热溶剂汽化，产生的二次蒸汽引出后冷凝或排空，不再被利用。单效蒸蒸汽引出后冷凝或排空，不再被利用。单效蒸发是最基本的蒸发流程。进行单效蒸发时常采发是最基本的蒸发流程。进行单效蒸发时常采用单效真空蒸发。用单效真空蒸发。二、蒸发操作流程 1.1.操作要点：操作要点：（1 1）不断提供热能，维持溶剂的气化；）不断提供热能，维持溶剂的气化；（2 2）不断移走蒸汽；）不断移走蒸汽；2.2.蒸发设备蒸发设备-蒸发器蒸发器结构：加热室、分离室（蒸发室）；结构：加热室、分离室（蒸发室）；基本概念：加热剂：饱和水蒸气（加热蒸汽）；基本概念：加

16、热剂：饱和水蒸气（加热蒸汽）；二次蒸汽：蒸发了的蒸汽；完成液；二次蒸汽：蒸发了的蒸汽；完成液；单效蒸发单效蒸发 蒸发操作的快慢主要取决于蒸发器加热室热交蒸发操作的快慢主要取决于蒸发器加热室热交换的换热量换的换热量Q。 Q=KAt 在蒸发过程中对传热量在蒸发过程中对传热量Q影响最显著的是传热温影响最显著的是传热温度差度差t t = T- t11蒸发器的温度差损失蒸发器的温度差损失 一定压强下，料液的沸点较纯水的沸点一定压强下，料液的沸点较纯水的沸点T要高，两者沸要高，两者沸点之差称为温度差损失点之差称为温度差损失， = t1-T（1）因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失）因溶液的蒸汽压下降而引起

17、的温度差损失；（2）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失；（3）因管路流体阻力而引起的温度差损失）因管路流体阻力而引起的温度差损失 。总温度差损失为：总温度差损失为： 1 溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失TtA（5-4） 式中式中 tA溶液沸点，溶液沸点，主要与溶液的类别、浓度及操，主要与溶液的类别、浓度及操 作压强有关。作压强有关。 T与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的 饱和温度，饱和温度， 2 .液柱静压强引起的温度差损失液柱静压强引起的温度差损失液层内的溶液的沸点高于液面的

18、，液层内部沸点与表面沸点液层内的溶液的沸点高于液面的，液层内部沸点与表面沸点之差即为因液柱静压强而引起的温度差损失。之差即为因液柱静压强而引起的温度差损失。 简化处理：计算时以液层中部的平均压强简化处理：计算时以液层中部的平均压强pm及相应的沸及相应的沸点点tAm为准，中部的压强为：为准，中部的压强为： 式中式中 pm液层中部的平均压强，液层中部的平均压强，Pa p液面的压强，即二次蒸气的压强，液面的压强，即二次蒸气的压强，Pa l液层深度，液层深度，m2glppm（5-105-10） 常根据平均压强常根据平均压强pm查出纯水的相应沸点查出纯水的相应沸点tpm，故因静压强而引起的温故因静压强而

19、引起的温度差损失为：度差损失为： =tpm-tp （5-11） 式中式中 tpm 与平均压强与平均压强pm相对应纯水的沸点，相对应纯水的沸点， tp与二次蒸气压强与二次蒸气压强p相对应的水的沸点，相对应的水的沸点， 影响影响的因素：的因素：（1）沸腾时液层内混有气泡，液层的实际密度较计算公式所用的纯液）沸腾时液层内混有气泡，液层的实际密度较计算公式所用的纯液体密度要小，使得算出的体密度要小，使得算出的值偏大；值偏大；（2）当溶液在加热管内的循环速度较大时，就会因流体阻力使平均压）当溶液在加热管内的循环速度较大时，就会因流体阻力使平均压强增高。强增高。 采用多效蒸发时，二次蒸气在离开前一效蒸发室

20、流采用多效蒸发时，二次蒸气在离开前一效蒸发室流往后一效加热室的过程中要克服管道的流动阻力，往后一效加热室的过程中要克服管道的流动阻力，从而导致蒸汽温度下降。此项温度差损失与蒸汽的从而导致蒸汽温度下降。此项温度差损失与蒸汽的流速、物性和管道的尺寸有关，一般取流速、物性和管道的尺寸有关，一般取0.51.5。3）因管路流体阻力而引起的温度差损失）因管路流体阻力而引起的温度差损失传热的有效温度差：传热的有效温度差： 式中式中 t传热的有效温度差，传热的有效温度差， T纯水在操作沸点，纯水在操作沸点， Ts加热蒸气的温度，加热蒸气的温度， t=Ts-T-=Ts-T-)( 二、单效蒸发的计算二、单效蒸发的

21、计算 单效蒸发的计算项目有：单效蒸发的计算项目有： （1）蒸发量；）蒸发量； （2）加热蒸气消耗量；）加热蒸气消耗量； （3）蒸发器的传热面积）蒸发器的传热面积加热室加热室蒸发室蒸发室qmF,x0,t0,h0qmD,T,HqmW,T,HqmD,T,hwqmF-qmW , x1t1,h1QL1.蒸发量蒸发量对单效蒸发器作溶质衡算，得对单效蒸发器作溶质衡算，得 式中式中 qmF原料液流量原料液流量 qmW蒸发量蒸发量 x0原料液的质量组成原料液的质量组成 x1完成液的组成完成液的组成10)(xqqxqmWmFmF)1(10 xxqqmFmW2 2 加热蒸气消耗量加热蒸气消耗量通过热量衡算可求得加热

22、蒸汽消耗量。通过热量衡算可求得加热蒸汽消耗量。进人蒸发器的热量为：进人蒸发器的热量为：qmDH+qmFh0 离开蒸发器的热量为：离开蒸发器的热量为： qmwH,+(qmF-qmW)h1+qmDhw+Q1 qmDH+qmFh0 = qmwH,+(qmF-qmW)h1+qmDhw+Q1 式中式中 qmD加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量,kg/s H加热蒸汽的焓，加热蒸汽的焓，J/kg h0原料液的焓，原料液的焓，J/kg H,-二次蒸汽的焓，二次蒸汽的焓，J/kg h1完成液的焓，完成液的焓，J/kg hw冷凝水的焓，冷凝水的焓，J/kg QL热损失，热损失，J/kg3 3 传热面积传热面积A A 蒸

23、发器的传热面积由传热速率蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：公式计算，即：mtAKQmtKQA多效蒸发多效蒸发一一.多效蒸发原理：多效蒸发原理： 多效蒸发时要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前多效蒸发时要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效低，引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效效低，引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率。生蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率。 二、多效蒸发流程二、多效蒸发流程 1 顺流法顺流法 蒸气和料液的流动方向一致，均从第一效到末效。蒸气和料液的流动方向一致，均从第一效到末效。特点：特点：1.1.溶液在效间的输送不需要泵；溶液在效间的输送不需要泵；2.2.有自蒸发现象；有自蒸发现象；3.3.完成液在末效排出，热量消耗低；完成液在末效排出，热量消耗低；4.4.各效由于温度渐升而导致传热系数下各效由于温度渐升而导致传热系数下 降，生产能力降低或传热