蒸发浓缩(2011-2-28修改)

1、以热量传递为特征的单元操作1一、概述 浓缩: 从溶液中除去部分溶剂的单元操作，溶质和溶剂部分分离的过程 浓缩方法：蒸发浓缩、冷冻浓缩、膜浓缩 蒸发：将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程称为蒸发。 2 蒸发： 是食品工业中应用最广泛的浓缩方法之一 利用溶质和溶剂的挥发度差异 用加入热能使溶剂汽化 而溶质则为非挥发性的，从而达到分离的目的。 所涉及的平衡是汽液平衡 冷冻浓缩： 利用稀溶液与固态溶剂在凝固点下平衡关系。 使溶剂从溶液中结晶析出，从而达到分离。 它涉及的平衡是固液平衡。 冷冻浓缩对溶液有一定要求：浓度必须小于低共熔浓度。31、食品物料蒸发的目的

2、 (1) 除去食品中的大量水分，减少包装、贮藏和运输费用。 (2) 提高制品浓度，增加制品的贮藏性。 (3) 用于其他单元操作的预处理过程。 (4) 纯净溶剂的制取。 4 (1)热敏性 高温长时间加热对物料的影响 如何实现低温短时：膜式蒸发 (2)腐蚀性 酸性的食品物料 强制循环式蒸发 2、食品物料蒸发浓缩的特点5 (3)粘稠性 层流对传热的影响 强制循环和搅拌 (4)结垢性 过热产生变性、结块、焦化 提高料液的工艺流速 6 (5)泡沫性 泡沫干扰蒸发操作，物料损失 (6)挥发性 特征性芳香物质和风味物质成分 回收装置7 蒸发过程的两个必要组成部分加热料液使溶剂水沸腾汽化，不断除去汽化产生的水

3、蒸气 连续蒸发的必要条件：热能的不断供给，生成蒸汽的不断排除3、蒸发的操作方法 8主要设备：蒸发器加热室（器）：利用蒸汽作为热源加热被浓缩物料，使一部分水分汽化产生二次蒸汽分离室（器）：分离浓缩物料和二次蒸汽辅助设备： 冷凝器：冷凝二次蒸汽并排出真空泵：抽出不凝性气体，维持系统真空度捕沫器：避免或减少溶质被二次蒸汽带出910 蒸发操作可以在常压、加压和减压条件下进行。 常压蒸发是指冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力为大气压或稍高于大气压力，此时系统中的不凝性气体依靠本身的压力从冷凝器中排出。 减压下的蒸发常称为真空蒸发, 因真空蒸发时冷凝器和蒸发器料液侧的操作压力低于大气压，必须依靠真空泵不断从系

4、统中抽走不凝气来维持负压的工作环境。 采用真空蒸发的基本目的是降低料液的沸点。 4、常压蒸发和真空蒸发 11真空蒸发它有以下优点： (1)蒸发温度低，防止了热敏性物料的变性和分解。(2)溶液沸点低，可以应用低温低压蒸汽和废热蒸汽作热源，有利于节能。(3)溶液沸点降低，可增大蒸发器的传热温差，所需的换热面积减小。(4)蒸发器操作温度低，系统的热损失小。 真空蒸发也有缺点： 因蒸发温度低，料液粘度大，传热系数较小。因系统内负压，完成液排出需用泵，冷凝水也需用泵或高位产生压力排出。真空泵和输液泵都使能耗增加。 12蒸发操作的效 (effect)是指蒸汽被利用的次数单效蒸发(single-effect

5、 evaporation ): 在蒸发浓缩操作中, 如果蒸发生成的二次蒸汽不再被用作加热介质，而是直接送到冷凝器中冷凝的蒸发过程.双效蒸发: 如果第一个蒸发器产生的二次蒸汽引入第二个蒸发器作为加热蒸汽，两个蒸发器串联工作，第二个蒸发器产生的二次蒸汽送到冷凝器排出的蒸发过程.多效蒸发： 在蒸发操作中，将前一效物料汽化产生的二次蒸汽引入下一蒸发器作为加热蒸汽，进行串联蒸发操作的称为多效蒸发。 5、单效蒸发和多效蒸发13 闪急蒸发(flash evaporation)简称闪蒸，是一种特殊的减压蒸发。将热溶液的压力降到低于溶液温度下的饱和压力，则部分水将在压力降低的瞬间沸腾汽化，就是闪蒸。 闪蒸的具体

6、实施方法有两种： 直接把溶液分散喷人低压大空间，使闪蒸瞬间完成。 从一个与降压压差相当的液柱底部引入较高压热溶液，使降压汽化在溶液上升中逐步实现。 优点: 避免在换热面上生成垢层。6、闪蒸 14蒸发操作可分为连续操作和间歇操作两种。 间歇蒸发有两种操作方法： (1)一次进料，一次出料(2)连续进料，一次出料 间歇操作时，蒸发器内溶液浓度和沸点随时间而变，因此传热的温度差，传热系数也随时间而变，为非稳态操作 连续蒸发 蒸发器内始终保持一定的液面和压强，器内各处的浓度与温度不随时间而变，为稳态操作 7、间歇蒸发和连续蒸发15二、蒸发设备主要设备：蒸发器 蒸发器： 加热室（器）：利用蒸汽作为热源加热

7、被浓缩物料 使一部分水分汽化产生二次蒸汽 分离室（器）：分离浓缩物料和二次蒸汽辅助设备： 冷凝器：冷凝二次蒸汽并排出 真空泵：抽出不凝性气体，维持系统真空度 捕沫器：避免或减少溶质被二次蒸汽带出 161.2.1中央循环管蒸发器 自然循环型蒸发器 优点是：构造简单 操作可靠 传热效果较好 投资费用较小 缺点是：清洗和检修较麻烦 溶液的循环速度较低一般在0.5m/s 粘度较大 影响了传热效果。 171.2.2悬筐式蒸发器 自然循环型蒸发器 液体循环速度较大 为11.5m/s 加热室可由蒸发器顶部取出 便于清洗 检修 缺点：结构较为复杂 181.2.3外加热式蒸发器 循环型蒸发器 191.2.3 外

8、加热式蒸发器 由加热器、分离器和循环管三部分组成 (1) 通过加热器和分离器间的距离调节循环速度使料液在加热管顶端之上沸腾，整个加热管只用于加热避免在管内析出晶体造成堵塞。 (2)分离器独立可改善汽液分离的条件。 (3)可使几个加热器共用一个分离器，可轮换使用，操作灵活 外加热式蒸发器可分为自然循环型和强制循环型两种 20循环型蒸发器优点： (1)在外加机械力的作用下，可缩短料液在加热面上停留的时间 (2)采取强制循环式蒸发，可节约昂贵耐腐蚀材料的用量。 (3)高粘稠性物料的蒸发浓缩，在流体力学上有一个层流倾向问题，采取强制循环式蒸发，增大对流传热系数，降低传热阻力，提高换热速率。 (4)采取

9、强制循环式蒸发，可提高料液的工艺流速，较高液流的冲刷作用可显著减轻污垢的形成 211.2.2.1长管式蒸发器 升膜蒸发器221.2.2.1长管式蒸发器降膜蒸发器231.2.2非循环型蒸发器1.2.2.2刮膜蒸发器 241.2.2非循环型蒸发器1.2.2.3板式蒸发器 251.3单效蒸发 单效蒸发是最基本的蒸发流程，原料液在蒸发器内被加热汽化，产生的二次蒸汽引出后冷凝或排空，不再被利用。1.3.1蒸发器的换热温差 蒸发器的换热遵循换热基本方程： 换热壁两侧的最大可能的温差为： 有效换热温差： 温差损失： 26 引起温差损失的原因：由于料液中溶质的存在产生的沸点升高而引起；由于液层静压效应而引起；

10、由于蒸汽流动中的阻力和热损失而引起。 1.3.1.1溶液的沸点升高 溶液的沸点升高值的计算： (1)查手册的数据表，查图线或通过计算求得 (2)吉辛柯公式估算 271.3.1.2液层静压效应 液层内的平均压力 静压效应引起的温差损失 t0和tm可直接由和查水的饱和温度. 食品工业上经常采用真空蒸发，由静压效应引起的温差损失显得特别突出。1.3.1.3蒸汽流动的能量损失 二次蒸汽由分离器到冷凝器的流动中,在管道内会产生阻力损失也可能会散失热量，这些能量消耗造成的温差损失，记作 28 蒸汽流动的能量损失受管道长度、直径和保温情况等影响计算时，一般取0.51.5K。 由于上述三个原因，全部换热温差损

11、失为： 291.3.2单效蒸发的计算 单效蒸发的工程设计计算项目主要有：蒸发量，加热蒸汽消耗量和加热室的换热面积。通常已知的条件为：原料液流量、温度和浓度，完成液浓度，加热蒸汽的压力或温度，冷凝器的工作压力或温度。1.3.2.1蒸发量 蒸发器料液侧总物料恒算式： 料液中固形物的衡算式为：301.3.2.2加热蒸汽耗量 溶液的焓可用比热容计算，取0的液体为计算基准，则有： 则式变为: 31溶液的比热容可由下面经验公式求：设加热蒸汽的冷凝液在饱和温度下排出，代入上式整理得：原料液在沸点下进料，即，并忽略蒸发器的热损失，则上式为 : 或 321.3.2.3换热面积s0 蒸发器的换热面积由换热基本方程

12、计算: 若加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出，则可按下式计算 ： 为平均传热温差tm 33基于外表面积的总传热系数K0341.3.2.4蒸发器的热负荷Q 若加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出,且忽略热损失,则蒸发器的热负荷为: 蒸汽冷凝表面传热系数的的下降原因： （1）加热蒸汽中含的少量杂质在加热壁面上形成垢层； （2）加热蒸汽中含有不凝性气体，在加热壁面上形成气膜。 351.4多效蒸发 1.4.1多效蒸发原理 多效蒸发：在蒸发操作中，将前一效物料汽化产生的二次蒸汽引入下一蒸发器作为加热蒸汽，进行串联蒸发操作的称为多效蒸发。 将若于个蒸发器串联起来，将前一个蒸发器产生的二次蒸汽引入后一个蒸发器的加

13、热室作为热源，就成为多效蒸发。可以把后效蒸发器的加热室看作前效的冷凝器，而未效的二次蒸汽则送去冷凝。 361.4.2多效蒸发流程 顺流法 37逆流法 38平流法391.4.3蒸发能力与热能经济性 多效蒸发并没有提高蒸发量，而只是节约了加热蒸汽，其代价则是设备投资增加。由于热能经济性并不随效数的增加而成正比例的增加，但设备投资则与效数成正比。因此，不能无限制地增加效数。401.4.4温差损失对多效蒸发的影响 在多效蒸发的情况下，各项温差损失几乎随效数而成正比例增加，从而使有效温差减小。当效数增加到一定数值以后，温差损失的总和有可能等于总温差。这实际上意味着各效传热推动力的完全消失。可见，就温差损

14、失来看，效数也是有限度的。 411.4.5额外蒸汽 在多效蒸发流程中，有时将一部分二次蒸汽抽出，作为其他设备的热源。例如可用于预热蒸发器的进料，也可用于其他加热目的。这部分二次蒸汽称为额外蒸汽。421.4.6多效蒸发计算 整个多效蒸发工艺计算的步骤为： 由给定的任务算出总蒸发量。 估算各效蒸发水量，估算各效浓度。 在估算各效蒸发水量时，可以采用等蒸发水量分配的假设,也可以按以下的原则估算: 双效 W1：W21：1.1 三效 W1：W2：W31：1.1：1.2 43 估算各效蒸发室压强，可以采用等压差分配的假设。 由各效浓度、蒸发室压强及其他条件，算出各效沸点，再求出总有效温差。 求出各效蒸发系

15、数、自蒸发系数，求出第1效的加热蒸汽量、各效蒸发量及由物料恒算方程求出各效加热蒸汽量。 44 由选定的传热系数及选定的有效温差分配原则，求出各效的有效温差， 根据算出的蒸发量重新计算各效浓度。然后从未效起，根据有效温差和浓度、二次蒸汽压强等逐一计算出各效沸点。 重复(5)(7)步骤，直至二次计算得出的结果基本吻合为止。最后计算各效传热面积。 451.5蒸发的辅助设备 辅助设备一般包括冷凝器、真空泵、压缩机、疏水器和 捕沫器等。 1.5.11冷凝器 蒸发冷凝器的换热器可以是直接接触式和非直接接触式。当冷凝的蒸汽物质是有价值的且不能与冷却水混合时，采用间壁式换热器作冷凝器。这种冷凝器价格较高，用水

16、量较大。所以非必要时，一般采用直接接触式冷凝器，又称混合式冷凝器。 46混合式冷凝器有喷射式、填料式和孔板式 47481.5.2真空泵 1.5.3捕沫器（汽液分离器） 产生雾沫夹带的原因： (1)泡沫 (2)蒸汽高速流动 (3)溶液急剧蒸发。 49问题采用多效蒸发的优点是什么？是不是效数越多越好？为什么？50 采用多效蒸发可以节省加热蒸汽，从而提高蒸发操作的经济性。 但是，并不是效数越多越好。51 理论上蒸发1kg水需要1kg生蒸汽，采用n效，蒸发1kg水需要1/n kg生蒸汽 但实际上蒸发1kg水需要1.1kg生蒸汽，而且随着效数的增加，D/W值与理想值间的差异也增加 五效以上时经济性的增加很慢。第一52 实际上采用多效蒸发并没有提高蒸发系统的生产能力，而只是节省了加热蒸汽，其代价是设备投资的增加。 由于热能经济性的增加并不随效数的增加呈线性，但设备投资则呈线性增加，故不能无限制地增加效数。第二53 对于热敏性高的物料，第一效蒸发器的加热温度和料液的沸腾温度受到限制，而末效真空度也不能太高，总温差一定，效数增加，总的温差损失加大，总有效温差就相应减少，分配到每效的温差太低，则传热推动力太小，无法