蒸發(fā)濃縮(2011-2-28修改)

1、以熱量傳遞為特征的單元操作1一、概述 濃縮: 從溶液中除去部分溶劑的單元操作，溶質(zhì)和溶劑部分分離的過程 濃縮方法：蒸發(fā)濃縮、冷凍濃縮、膜濃縮 蒸發(fā)：將含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液加熱沸騰，使其中的揮發(fā)性溶劑部分汽化從而將溶液濃縮的過程稱為蒸發(fā)。 2 蒸發(fā)： 是食品工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的濃縮方法之一 利用溶質(zhì)和溶劑的揮發(fā)度差異 用加入熱能使溶劑汽化 而溶質(zhì)則為非揮發(fā)性的，從而達到分離的目的。 所涉及的平衡是汽液平衡 冷凍濃縮： 利用稀溶液與固態(tài)溶劑在凝固點下平衡關(guān)系。 使溶劑從溶液中結(jié)晶析出，從而達到分離。 它涉及的平衡是固液平衡。 冷凍濃縮對溶液有一定要求：濃度必須小于低共熔濃度。31、食品物料蒸發(fā)的目的

2、 (1) 除去食品中的大量水分，減少包裝、貯藏和運輸費用。 (2) 提高制品濃度，增加制品的貯藏性。 (3) 用于其他單元操作的預(yù)處理過程。 (4) 純凈溶劑的制取。 4 (1)熱敏性 高溫長時間加熱對物料的影響 如何實現(xiàn)低溫短時：膜式蒸發(fā) (2)腐蝕性 酸性的食品物料 強制循環(huán)式蒸發(fā) 2、食品物料蒸發(fā)濃縮的特點5 (3)粘稠性 層流對傳熱的影響 強制循環(huán)和攪拌 (4)結(jié)垢性 過熱產(chǎn)生變性、結(jié)塊、焦化 提高料液的工藝流速 6 (5)泡沫性 泡沫干擾蒸發(fā)操作，物料損失 (6)揮發(fā)性 特征性芳香物質(zhì)和風(fēng)味物質(zhì)成分 回收裝置7 蒸發(fā)過程的兩個必要組成部分加熱料液使溶劑水沸騰汽化，不斷除去汽化產(chǎn)生的水

3、蒸氣 連續(xù)蒸發(fā)的必要條件：熱能的不斷供給，生成蒸汽的不斷排除3、蒸發(fā)的操作方法 8主要設(shè)備：蒸發(fā)器加熱室（器）：利用蒸汽作為熱源加熱被濃縮物料，使一部分水分汽化產(chǎn)生二次蒸汽分離室（器）：分離濃縮物料和二次蒸汽輔助設(shè)備： 冷凝器：冷凝二次蒸汽并排出真空泵：抽出不凝性氣體，維持系統(tǒng)真空度捕沫器：避免或減少溶質(zhì)被二次蒸汽帶出910 蒸發(fā)操作可以在常壓、加壓和減壓條件下進行。 常壓蒸發(fā)是指冷凝器和蒸發(fā)器溶液側(cè)的操作壓力為大氣壓或稍高于大氣壓力，此時系統(tǒng)中的不凝性氣體依靠本身的壓力從冷凝器中排出。 減壓下的蒸發(fā)常稱為真空蒸發(fā), 因真空蒸發(fā)時冷凝器和蒸發(fā)器料液側(cè)的操作壓力低于大氣壓，必須依靠真空泵不斷從系

4、統(tǒng)中抽走不凝氣來維持負(fù)壓的工作環(huán)境。 采用真空蒸發(fā)的基本目的是降低料液的沸點。 4、常壓蒸發(fā)和真空蒸發(fā) 11真空蒸發(fā)它有以下優(yōu)點： (1)蒸發(fā)溫度低，防止了熱敏性物料的變性和分解。(2)溶液沸點低，可以應(yīng)用低溫低壓蒸汽和廢熱蒸汽作熱源，有利于節(jié)能。(3)溶液沸點降低，可增大蒸發(fā)器的傳熱溫差，所需的換熱面積減小。(4)蒸發(fā)器操作溫度低，系統(tǒng)的熱損失小。 真空蒸發(fā)也有缺點： 因蒸發(fā)溫度低，料液粘度大，傳熱系數(shù)較小。因系統(tǒng)內(nèi)負(fù)壓，完成液排出需用泵，冷凝水也需用泵或高位產(chǎn)生壓力排出。真空泵和輸液泵都使能耗增加。 12蒸發(fā)操作的效 (effect)是指蒸汽被利用的次數(shù)單效蒸發(fā)(single-effect

5、 evaporation ): 在蒸發(fā)濃縮操作中, 如果蒸發(fā)生成的二次蒸汽不再被用作加熱介質(zhì)，而是直接送到冷凝器中冷凝的蒸發(fā)過程.雙效蒸發(fā): 如果第一個蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽引入第二個蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，兩個蒸發(fā)器串聯(lián)工作，第二個蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽送到冷凝器排出的蒸發(fā)過程.多效蒸發(fā)： 在蒸發(fā)操作中，將前一效物料汽化產(chǎn)生的二次蒸汽引入下一蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，進行串聯(lián)蒸發(fā)操作的稱為多效蒸發(fā)。 5、單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)13 閃急蒸發(fā)(flash evaporation)簡稱閃蒸，是一種特殊的減壓蒸發(fā)。將熱溶液的壓力降到低于溶液溫度下的飽和壓力，則部分水將在壓力降低的瞬間沸騰汽化，就是閃蒸。 閃蒸的具體

6、實施方法有兩種： 直接把溶液分散噴人低壓大空間，使閃蒸瞬間完成。 從一個與降壓壓差相當(dāng)?shù)囊褐撞恳胼^高壓熱溶液，使降壓汽化在溶液上升中逐步實現(xiàn)。 優(yōu)點: 避免在換熱面上生成垢層。6、閃蒸 14蒸發(fā)操作可分為連續(xù)操作和間歇操作兩種。 間歇蒸發(fā)有兩種操作方法： (1)一次進料，一次出料(2)連續(xù)進料，一次出料 間歇操作時，蒸發(fā)器內(nèi)溶液濃度和沸點隨時間而變，因此傳熱的溫度差，傳熱系數(shù)也隨時間而變，為非穩(wěn)態(tài)操作 連續(xù)蒸發(fā) 蒸發(fā)器內(nèi)始終保持一定的液面和壓強，器內(nèi)各處的濃度與溫度不隨時間而變，為穩(wěn)態(tài)操作 7、間歇蒸發(fā)和連續(xù)蒸發(fā)15二、蒸發(fā)設(shè)備主要設(shè)備：蒸發(fā)器 蒸發(fā)器： 加熱室（器）：利用蒸汽作為熱源加熱

7、被濃縮物料 使一部分水分汽化產(chǎn)生二次蒸汽 分離室（器）：分離濃縮物料和二次蒸汽輔助設(shè)備： 冷凝器：冷凝二次蒸汽并排出 真空泵：抽出不凝性氣體，維持系統(tǒng)真空度 捕沫器：避免或減少溶質(zhì)被二次蒸汽帶出 161.2.1中央循環(huán)管蒸發(fā)器 自然循環(huán)型蒸發(fā)器 優(yōu)點是：構(gòu)造簡單 操作可靠 傳熱效果較好 投資費用較小 缺點是：清洗和檢修較麻煩 溶液的循環(huán)速度較低一般在0.5m/s 粘度較大 影響了傳熱效果。 171.2.2懸筐式蒸發(fā)器 自然循環(huán)型蒸發(fā)器 液體循環(huán)速度較大 為11.5m/s 加熱室可由蒸發(fā)器頂部取出 便于清洗 檢修 缺點：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 181.2.3外加熱式蒸發(fā)器 循環(huán)型蒸發(fā)器 191.2.3 外

8、加熱式蒸發(fā)器 由加熱器、分離器和循環(huán)管三部分組成 (1) 通過加熱器和分離器間的距離調(diào)節(jié)循環(huán)速度使料液在加熱管頂端之上沸騰，整個加熱管只用于加熱避免在管內(nèi)析出晶體造成堵塞。 (2)分離器獨立可改善汽液分離的條件。 (3)可使幾個加熱器共用一個分離器，可輪換使用，操作靈活 外加熱式蒸發(fā)器可分為自然循環(huán)型和強制循環(huán)型兩種 20循環(huán)型蒸發(fā)器優(yōu)點： (1)在外加機械力的作用下，可縮短料液在加熱面上停留的時間 (2)采取強制循環(huán)式蒸發(fā)，可節(jié)約昂貴耐腐蝕材料的用量。 (3)高粘稠性物料的蒸發(fā)濃縮，在流體力學(xué)上有一個層流傾向問題，采取強制循環(huán)式蒸發(fā)，增大對流傳熱系數(shù)，降低傳熱阻力，提高換熱速率。 (4)采取

9、強制循環(huán)式蒸發(fā)，可提高料液的工藝流速，較高液流的沖刷作用可顯著減輕污垢的形成 211.2.2.1長管式蒸發(fā)器 升膜蒸發(fā)器221.2.2.1長管式蒸發(fā)器降膜蒸發(fā)器231.2.2非循環(huán)型蒸發(fā)器1.2.2.2刮膜蒸發(fā)器 241.2.2非循環(huán)型蒸發(fā)器1.2.2.3板式蒸發(fā)器 251.3單效蒸發(fā) 單效蒸發(fā)是最基本的蒸發(fā)流程，原料液在蒸發(fā)器內(nèi)被加熱汽化，產(chǎn)生的二次蒸汽引出后冷凝或排空，不再被利用。1.3.1蒸發(fā)器的換熱溫差 蒸發(fā)器的換熱遵循換熱基本方程： 換熱壁兩側(cè)的最大可能的溫差為： 有效換熱溫差： 溫差損失： 26 引起溫差損失的原因：由于料液中溶質(zhì)的存在產(chǎn)生的沸點升高而引起；由于液層靜壓效應(yīng)而引起；

10、由于蒸汽流動中的阻力和熱損失而引起。 1.3.1.1溶液的沸點升高 溶液的沸點升高值的計算： (1)查手冊的數(shù)據(jù)表，查圖線或通過計算求得 (2)吉辛柯公式估算 271.3.1.2液層靜壓效應(yīng) 液層內(nèi)的平均壓力 靜壓效應(yīng)引起的溫差損失 t0和tm可直接由和查水的飽和溫度. 食品工業(yè)上經(jīng)常采用真空蒸發(fā)，由靜壓效應(yīng)引起的溫差損失顯得特別突出。1.3.1.3蒸汽流動的能量損失 二次蒸汽由分離器到冷凝器的流動中,在管道內(nèi)會產(chǎn)生阻力損失也可能會散失熱量，這些能量消耗造成的溫差損失，記作 28 蒸汽流動的能量損失受管道長度、直徑和保溫情況等影響計算時，一般取0.51.5K。 由于上述三個原因，全部換熱溫差損

11、失為： 291.3.2單效蒸發(fā)的計算 單效蒸發(fā)的工程設(shè)計計算項目主要有：蒸發(fā)量，加熱蒸汽消耗量和加熱室的換熱面積。通常已知的條件為：原料液流量、溫度和濃度，完成液濃度，加熱蒸汽的壓力或溫度，冷凝器的工作壓力或溫度。1.3.2.1蒸發(fā)量 蒸發(fā)器料液側(cè)總物料恒算式： 料液中固形物的衡算式為：301.3.2.2加熱蒸汽耗量 溶液的焓可用比熱容計算，取0的液體為計算基準(zhǔn)，則有： 則式變?yōu)? 31溶液的比熱容可由下面經(jīng)驗公式求：設(shè)加熱蒸汽的冷凝液在飽和溫度下排出，代入上式整理得：原料液在沸點下進料，即，并忽略蒸發(fā)器的熱損失，則上式為 : 或 321.3.2.3換熱面積s0 蒸發(fā)器的換熱面積由換熱基本方程

12、計算: 若加熱蒸汽的冷凝水在飽和溫度下排出，則可按下式計算 ： 為平均傳熱溫差tm 33基于外表面積的總傳熱系數(shù)K0341.3.2.4蒸發(fā)器的熱負(fù)荷Q 若加熱蒸汽的冷凝水在飽和溫度下排出,且忽略熱損失,則蒸發(fā)器的熱負(fù)荷為: 蒸汽冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的的下降原因： （1）加熱蒸汽中含的少量雜質(zhì)在加熱壁面上形成垢層； （2）加熱蒸汽中含有不凝性氣體，在加熱壁面上形成氣膜。 351.4多效蒸發(fā) 1.4.1多效蒸發(fā)原理 多效蒸發(fā)：在蒸發(fā)操作中，將前一效物料汽化產(chǎn)生的二次蒸汽引入下一蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，進行串聯(lián)蒸發(fā)操作的稱為多效蒸發(fā)。 將若于個蒸發(fā)器串聯(lián)起來，將前一個蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽引入后一個蒸發(fā)器的加

13、熱室作為熱源，就成為多效蒸發(fā)?？梢园押笮д舭l(fā)器的加熱室看作前效的冷凝器，而未效的二次蒸汽則送去冷凝。 361.4.2多效蒸發(fā)流程 順流法 37逆流法 38平流法391.4.3蒸發(fā)能力與熱能經(jīng)濟性 多效蒸發(fā)并沒有提高蒸發(fā)量，而只是節(jié)約了加熱蒸汽，其代價則是設(shè)備投資增加。由于熱能經(jīng)濟性并不隨效數(shù)的增加而成正比例的增加，但設(shè)備投資則與效數(shù)成正比。因此，不能無限制地增加效數(shù)。401.4.4溫差損失對多效蒸發(fā)的影響 在多效蒸發(fā)的情況下，各項溫差損失幾乎隨效數(shù)而成正比例增加，從而使有效溫差減小。當(dāng)效數(shù)增加到一定數(shù)值以后，溫差損失的總和有可能等于總溫差。這實際上意味著各效傳熱推動力的完全消失?？梢?，就溫差損

14、失來看，效數(shù)也是有限度的。 411.4.5額外蒸汽 在多效蒸發(fā)流程中，有時將一部分二次蒸汽抽出，作為其他設(shè)備的熱源。例如可用于預(yù)熱蒸發(fā)器的進料，也可用于其他加熱目的。這部分二次蒸汽稱為額外蒸汽。421.4.6多效蒸發(fā)計算 整個多效蒸發(fā)工藝計算的步驟為： 由給定的任務(wù)算出總蒸發(fā)量。 估算各效蒸發(fā)水量，估算各效濃度。 在估算各效蒸發(fā)水量時，可以采用等蒸發(fā)水量分配的假設(shè),也可以按以下的原則估算: 雙效 W1：W21：1.1 三效 W1：W2：W31：1.1：1.2 43 估算各效蒸發(fā)室壓強，可以采用等壓差分配的假設(shè)。 由各效濃度、蒸發(fā)室壓強及其他條件，算出各效沸點，再求出總有效溫差。 求出各效蒸發(fā)系

15、數(shù)、自蒸發(fā)系數(shù)，求出第1效的加熱蒸汽量、各效蒸發(fā)量及由物料恒算方程求出各效加熱蒸汽量。 44 由選定的傳熱系數(shù)及選定的有效溫差分配原則，求出各效的有效溫差， 根據(jù)算出的蒸發(fā)量重新計算各效濃度。然后從未效起，根據(jù)有效溫差和濃度、二次蒸汽壓強等逐一計算出各效沸點。 重復(fù)(5)(7)步驟，直至二次計算得出的結(jié)果基本吻合為止。最后計算各效傳熱面積。 451.5蒸發(fā)的輔助設(shè)備 輔助設(shè)備一般包括冷凝器、真空泵、壓縮機、疏水器和 捕沫器等。 1.5.11冷凝器 蒸發(fā)冷凝器的換熱器可以是直接接觸式和非直接接觸式。當(dāng)冷凝的蒸汽物質(zhì)是有價值的且不能與冷卻水混合時，采用間壁式換熱器作冷凝器。這種冷凝器價格較高，用水

16、量較大。所以非必要時，一般采用直接接觸式冷凝器，又稱混合式冷凝器。 46混合式冷凝器有噴射式、填料式和孔板式 47481.5.2真空泵 1.5.3捕沫器（汽液分離器） 產(chǎn)生霧沫夾帶的原因： (1)泡沫 (2)蒸汽高速流動 (3)溶液急劇蒸發(fā)。 49問題采用多效蒸發(fā)的優(yōu)點是什么？是不是效數(shù)越多越好？為什么？50 采用多效蒸發(fā)可以節(jié)省加熱蒸汽，從而提高蒸發(fā)操作的經(jīng)濟性。 但是，并不是效數(shù)越多越好。51 理論上蒸發(fā)1kg水需要1kg生蒸汽，采用n效，蒸發(fā)1kg水需要1/n kg生蒸汽 但實際上蒸發(fā)1kg水需要1.1kg生蒸汽，而且隨著效數(shù)的增加，D/W值與理想值間的差異也增加 五效以上時經(jīng)濟性的增加很慢。第一52 實際上采用多效蒸發(fā)并沒有提高蒸發(fā)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，而只是節(jié)省了加熱蒸汽，其代價是設(shè)備投資的增加。 由于熱能經(jīng)濟性的增加并不隨效數(shù)的增加呈線性，但設(shè)備投資則呈線性增加，故不能無限制地增加效數(shù)。第二53 對于熱敏性高的物料，第一效蒸發(fā)器的加熱溫度和料液的沸騰溫度受到限制，而末效真空度也不能太高，總溫差一定，效數(shù)增加，總的溫差損失加大，總有效溫差就相應(yīng)減少，分配到每效的溫差太低，則傳熱推動力太小，無法