《食品工程原理》课件 第五章 蒸发

第五章蒸发掌握蒸发浓缩的操作原理、特点及其工艺计算方法；熟悉单效真空的工艺设备的配置；了解多效蒸发流程及计算原理。本章重点和难点：一、蒸发的定义

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。第一节概述蒸发进行的条件：（1）溶剂可挥发，溶质不可挥发；（2）供给汽化用的热量；（3）除去二次蒸汽（防止闷罐）。蒸发的基本过程加热室是蒸发器中冷、热流体进行热交换的场所。水分汽化产生二次蒸汽的场所为分离室。为了保证蒸发的正常进行，必须连续不断地将二次蒸汽抽走，以维持二次蒸汽压强及溶液温度的稳定。1—加热室

2—中央循环管

3—二次蒸汽室4—除沫器

5—冷凝器

二、加热蒸气和二次蒸气蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸气也是水蒸气。为了易于区别，前者称为加热蒸气或生蒸气，后者称为二次蒸气。三、分类1、按操作室压力分：常压、加压、真空（减压）蒸发真空蒸发的特点如下：（1）在加热蒸汽温度不变的情况下，真空蒸发使物料的沸点下降，从而加大了传热的温差；（2）由于物料的沸点降低，可以利用低温低压的蒸汽作为热源，有利于节能；（3）低温防止了热敏性物料的变性和分解，但增大了溶液的粘度，使传热系数降低。单效蒸发：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。多效蒸发：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，这种串联蒸发操作称为多效蒸发。2、按二次蒸气的利用情况分：单效和多效蒸发四、作为一种传热过程，蒸发具有以下特点：（1）一侧沸腾，另一侧冷凝，T，t

均为常数；（2）溶液沸点高于溶剂沸点（温差损失）；（3）必须除去二次蒸汽夹带的雾沫；（4）必须考虑溶液的饱和度、粘度等物性；（5）汽化耗能很大。单效蒸发的计算项目有：（1）蒸发量；（2）加热蒸气消耗量；（3）蒸发器的传热面积通常生产任务中已知的项目有：（1）原料液流量、组成与温度；（2）完成液组成；（3）加热蒸气压强或温度；（4）冷凝器的压强或温度。一、单效蒸发的计算第二节蒸发式中F—原料液流量

W—蒸发量

w0—原料液的质量组成

w1—完成液的组成对单效蒸发器作溶质衡算，得（5-12）1蒸发量w加热室蒸发室F,w0,t0,h0D,T,HW,T’,H’D,T,hww(F-W),w1t1,h1QL蒸发操作中，加热蒸气的热量一般用于将溶液加热至沸点，将水分蒸发为蒸气以及向周围散失的热量。对于某些溶液，如CaCl2、NaOH、H2SO4等水溶液稀释时释放出热量，则当其蒸发浓缩时应考虑供给和稀释热相当的浓缩热。2加热蒸气消耗量D式中D——加热蒸气的消耗量,kg/h

H——加热蒸气的焓,kJ/kgh0——原料液的焓,kJ/kg

H’——二次蒸气的焓,kJ/kgh1——完成液的焓,kJ/kg

hw——冷凝水的焓,kJ/kgQL——热损失,kJ/h（5-13）对单效蒸发器作物料的热量衡算，得（5-14）2.1溶液稀释热不可忽略时若加热蒸气的冷凝液在蒸气的饱和温度下排除，则式中r——加热蒸气的汽化热，kJ/kg稀释热不可忽略时，溶液的焓可由专用的焓浓图查得。则上式变为（5-14a）H-hw=r溶液的稀释热可以忽略时，溶液的焓可由比热算出，即

h0=cp0(t0-0)=cp0t0

（5-15）

h1=cp1(t1-0)=cp1t1

（5-16）

hw=cpw(tw-0)=cpwtw

（5-17）代入蒸发器物料的热量衡算式中，则有D(H-cpwT)=WH’+(F-W)cp1t1-Fcp0t0+QL（5-18）2.2溶液的稀释热可以忽略时（5-14）计算溶液比热的经验公式为：

Cp=cpw(1-x)+cpBx（5-19）

式中Cp——溶液的比热,kJ/(kg•

℃);

Cpw——纯水的比热,kJ/(kg•

℃);

CpB——溶质的比热,kJ/(kg•

℃).当x<0.2时，上式简化为：

Cp=cpw(1-x)（5-19a）为简化计算，上式中完成液的比热可用原料液的比热表示。计算原料液及完成液的比热可分别写成：

Cp0=cpw(1-x0)+cpBx0=cpw-(cpw-cpB)x0Cp1=cpw(1-x1)+cpBx1=cpw-(cpw-cpB)x1上式即为完成液比热与原料液比热间的关系式。Fx0=(F-W)x1

(F-W)cp1=Fcp0-Wcpw

（5-21）将式5-21代入5-18，并整理得：（5-22）由于H-cpwT≈r

(5-23)

H΄-cpwt1≈r′(5-24)

式中r——加热蒸气的汽化热，kJ/kg；

r′——二次蒸气的汽化热，kJ/kg。将上两式代入式5-22，并简化得：上式说明加热蒸气的热量用于将原料液加热到沸点、蒸发水分以及向周围的热损失。

Q=Dr=Wr′+Fcp0(t1-t0)+QL（5-25）

若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失，上式简化为：（5-25a）（5-26）式中e——蒸发1kg水分时，加热蒸气的消耗量，称为单位蒸气耗量，kg/kg。单效蒸发操作中e≈1，每蒸发1kg的水分约消耗1kg的加热蒸气（由于蒸汽的汽化热随压强变化不大，即r≈r′）；实际蒸发操作中e值约为1.1或更大；（1）温度差的损失的存在；（2）二次蒸汽的气化潜热总是大于加热蒸汽的气化潜热。

e值是衡量蒸发装置经济程度的指标。3单位蒸气消耗量蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：式中S——蒸发器的传热面积，m2

K——基于外面积的总传热系数；kw/(m2•℃)

Δtm——平均温度差，℃

Q——蒸发器的热负荷，即蒸发器的传热速率，kw。

注意：若加热蒸气的冷凝水在饱和温度下排除，则可根据式5-27直接算出，否则应分段计算。下面按前者情况进行讨论。（5-27）3.1传热面积S在蒸发过程中，加热两侧流体均处于恒温、变相状态下，故：

Δtm=T-t（5-28）式中T——加热蒸气的温度，℃；

t——操作条件下溶液的沸点，℃。3.1.1平均温度差Δtm垢层热阻值可按经验数值估算。管外侧的蒸气冷凝传热系数可按膜式冷凝传热系数公式计算，管内侧溶液沸腾传热系数则按管内沸腾传热系数关联式计算。式中a——对流传热系数，W/(m2•℃)

d——管径，m

Ri——垢层热阻，m2•℃/W

b——管壁厚度，m

λ——管材的导热系数，W/(m•℃)

下标1表示管内侧、2表示外侧、m表示平均。（5-29）3.1.2基于传热外面积的总传热系数K0若加热蒸气的冷凝水在饱和温度下排除，且忽略热损失，则蒸发器的热负荷为：

上面算出的传热面积，应视具体情况选用适当的安全系数加以校正。Q=Dr(5-30)3.2蒸发器的热负荷Q蒸发器的生产能力用单位时间内蒸发的水分量，即蒸发量表示。其生产能力的大小取决于通过传热面积的传热速率Q，因此也可以用蒸发器的传热速率来衡量生产能力。根据传热速率方程得单效蒸发时的传热速率为：Q=KSΔt

或Q=KS(T-t1)（5-31）三、蒸发器的生产能力和生产强度

1蒸发器的生产能力进料状况影响蒸发器的生产能力：(1)低于沸点进料时，需消耗部分热量将溶液加热至沸点，因而降低了生产能力；(2)沸点进料时，通过传热面的热量全部用于蒸发水分，其生产能力有所增加；(3)高于沸点进料时，由于部分原料液的自动蒸发，使生产能力有所增加。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。

一般多效蒸发装置的末效或后几效总是在真空下操作，由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作为下一效的加热蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，即经济性。第三节多效蒸发

一、多效蒸发原理

蒸气和料液的流动方向一致，均从第一效到末效。缺点：沿料液流动方向浓度逐渐增高，致使传热系数下降，在后二效中尤为严重。优点：在操作过程中，蒸发室的压强依效序递减，料液在效间流动不需用泵；料液的沸点依效序递降，使前效料进入后效时放出显热，供一部分水汽化；料液的浓度依效序递增，高浓度料液在低温下蒸发，对热敏性物料有利。二、多效蒸发流程

1顺流法原料液加热蒸汽至冷凝器

完成液123冷凝水冷凝水冷凝水并流加料法的三效蒸发装置流程示意图并流加料法的三效蒸发料液与蒸气流动方向相反。原料由末效进入，用泵依次输送至前效，完成液由第一效底部取出。