1、,第六章 蒸发蒸发是浓缩溶液的单元操作(从溶液中除去部分溶剂,提高溶质浓度)。为快速移除溶剂,工业上采用加热的方法,使溶液达到沸腾态,将溶剂汽化而除去。因此蒸发是利用溶剂挥发而溶质不挥发的性质,采用加热使溶剂汽化且移出而浓缩溶液的操作。第一节 蒸发概述 一、蒸发在食品工业中的应用 (1)除去食品中大量水分,满足包装、储运、使用的要求;(2)提高制品浓度,延长保质期;(3)作为结晶、干燥或完全脱水的预处理操作过程。 二、食品物料蒸发浓缩的特点 (1)热敏性 (高温或长期受热使物料成分破坏、变化);(2)腐蚀性 (物料多显酸性,腐蚀设备污染产品);(3)粘稠性( 粘度高,流动性差,易粘在壁面);(
2、4)结垢性(易成垢减弱传热,影响产品质量)(5)泡沫性( 易成泡,导致分离困难);(6)挥发性(芳香和风味成分受热时易挥发,破坏独特风味)。,三、蒸发过程及其分类 1、蒸发的基本过程及必要条件:不断供热(在加热室);及时移走蒸汽(在分离室)。 2、蒸发分类: (1)按操作压强分:常压、加压、真空蒸发 (真空蒸发溶液沸点低,T大;可利用低温热源;利于热敏性物料蒸发;热损小。但溶液粘度大,传热系数小;需配置真空装置。 (2)闪蒸 将溶液的加热与蒸发分开进行,使热溶液压强突降至低于溶液温度下的饱和蒸汽压,部分水发生瞬间沸腾汽化的过程。方法:将热溶液直接喷入低压大空间(采用节流阀);将高压热溶液从液体
3、底部引入,使沸腾汽化在逐步降压中完成。 优点物料加热时不汽化,汽化时不加热,壁面结垢少。 (3)按二次蒸汽的利用情况分为单效蒸发、多效蒸发。 (4)热泵蒸发 通过泵提高二次蒸汽压强,重新用作加热蒸汽使用。 (5)按操作方法分为:间歇蒸发和连续蒸发(稳态过程)。,第二节 蒸发设备 一、蒸发器(按蒸发器中溶液的流动情况分为循环型和非循环型两类) 1、循环型蒸发器 溶液停留时间长,各处浓度变化小,存液(1)中央循环管蒸发器:自然循环型,结构简单,循环速度低(0.5m/s) ,传热效果差。(2)悬筐式蒸发器:自然循环型,加热室悬挂在蒸发器内,循环截面大,循环速度高(11.5m/s) ,传热效果好,检修
4、方便,结构复杂。(3)外加热式蒸发器:分自然循环型(1m/s)和 强制循环型(24m/s),加热室与分离室分开,由循环管连在一起,循 环速度可调节,加热室不蒸发无晶体析出,传热效果好,结构复杂。,2、非循环型蒸发器 (溶液只经过一次加热停留时间短)(1)升、降膜式蒸发器 加热室管束长而管径小,传热面大,液体成膜状流动,管芯充满高速气流(100m/s),液膜速度大(20m/s),传热和蒸发快。一般溶液先预热到沸点,要求液体分布均匀,可升降膜同时配合使用。(2)刮膜蒸发器 圆筒中央设有旋转的刮板,溶液经过分布盘撒到筒内壁后,再经过刮板布成膜状吸收热量而汽化,结构复杂,生产能力小,停留时间短, 不结
5、垢,对粘度大的物料适用。 3、板式蒸发器 由板式换热器和分离器组成,液膜在加热板上形成,汽液混合物在分离器中分离。单位体积传热面积大,蒸发效率高,结构紧凑。 二、辅助设备 冷凝器、真空泵、捕沫器。,第三节 单效蒸发过程及其计算 已知条件:料液量F(kg/s),浓度wF(质量分率),温度TF(); 生产要求:完成液浓度wP ; 设计选定:加热蒸汽压强p(或TS),冷凝器操作压强pC(或TC); 计算内容:水分蒸发量V(kg/s),加热蒸汽量S(kg/s),蒸发器传热面积A(m2)。 一、计算基本方程式 1、水分蒸发量V的计算对蒸发器进行总物料衡算:F = V + P 对蒸发器进行溶质的物料衡算:
6、F wF= P wP得水分蒸发量: 完成液量:P = F V,2、加热蒸汽用量S的计算不计热损失,对蒸发器进行热量衡算: F hF + S HS = V HV + S hS + P hP其中完成液的焓: P hP =(FCPF VCPW)T1代入:F hF + S (HS hS) = V (HV CPWT1)+FCPFT1若在沸点下进料,TF = T1 ,S = VrV/rS ,可认为:SV 3、蒸发器传热面积A的计算其中:,二、传热平均温度差的计算当加热蒸汽温度选定时 TS已知,若再知道溶液的沸点T1,传热温度差T即可计算。而实际生产中,已知的是加热蒸汽的温度 TS和冷凝器中的二次蒸汽温度
7、TC ,其差值Tt= TSTC ,称为理论传热温度差。由于各种原因,溶液实际沸点为T1(TC),因而实际传热温度差为: T= TST1 ,较理论传热温度差小。两者差别 = Tt T= T1TC 称为传热温度差损失,因此 T1 = TC + 。引起传热温度差损失的主要原因:溶质存在使溶液沸点升高;加热管内液层静压使溶液沸点升高;蒸发器到冷凝器之间产生压降引起。,1、由于溶液蒸汽压下降而使沸点升高 的计算因溶液中水分的化学位低于纯水使平衡蒸汽压降低,导致溶液的沸点升高,造成的温度差损失用 表示。 =f(浓度、压强),可通过查取手册得到,但一般是常压下的数值a ,表6-1给出了常压下糖溶液不同浓度下
8、的沸点升高a ,对食品溶液可近似用此数据代替。(1)对非常压操作时,可据常压下的 a 按照吉辛柯公式进行换算:(2)对稀溶液可采用Duhring规则计算: 2、由于液层静压引起的温度差损失 的计算在加热管内需维持一定的液位,距液面不同深度的溶液受到的静压强不同,由此导致的温度差损失用表示。实际生产中取液层中部平均压强进行计算。,3、由于流动阻力引起的温度差损失 的计算二次蒸汽从分离室到冷凝器在管路中产生压降,引起温度差损失用 表示。一般取 =0.51.5。因而总的温度差损失:对应溶液的沸点:三、传热系数K 查取有关资料和手册,由此可计算蒸发器传热面积。第四节 多效蒸发 目的提高蒸汽利用率;改善
9、传热状况;便于晶体分离。 一、多效蒸发操作流程 1、并流法 蒸汽和溶液的流向一致,效间不用泵;产生自蒸发;浓度高时温度低对热敏性食品有利。缺点:粘度增加,传热效果一效不如一效。 2、逆流法 蒸汽和溶液的流向相反,各效粘度相差不大,传热效果大体一致。缺点:效间输送需泵;后效蒸发量少;浓度高的物料承受高时间长。 3、平流法 各效单独进料,适于晶体大量析出的溶液的蒸发。,二、多效蒸发的温度差分配将总的有效温度差合理分配到各效中,是考虑的关键问题。除满足T=Ti及各效传热方程外,还应考虑以下原则。1、等面积原则 T1T2T3=1/K12K23K32、等压差原则 pi=(pSpC )n3、等蒸发量原则
10、Vi=Vn 三、多效蒸发的经济性及效数限制 1、经济性 采用多效蒸发主要目的是提高加热蒸汽的经济性,降低能耗,多效蒸发过程单位蒸发水分量蒸汽消耗量大致为:效数 n 1 2 3 4 5理论值(SV) 1 0.5 0.33 0.25 0.2实际值(SV) 1.1 0.57 0.40 0.30 0.27,2、多效蒸发效数的限制(1)经济上的限制:随效数增加, (SV) 不断下降但并非成比例,而设备费成倍增加。当设备费的增加超过节省的蒸汽费用时,就无增加必要。(2)技术上的限制:过程选定T一定,随效数的增加成倍增加,效数过多会使有效T过小而蒸发不能进行。据生产经验,分配到各效的有效温度差不应低于710
11、,否则无法维持溶液在沸腾状态蒸发。因而实际的多效蒸发过程常用24效。 三、多效蒸发过程的计算 已知条件:原料液流量F(kg/s),浓度wF ,温度TF(); 生产要求:完成液的浓度wP ; 设计选定:加热蒸汽压强p(或TS),冷凝器压强pC(或TC); 计算内容:各效Vi(kg/s),加热蒸汽量S(kg/s),Ai(m2)。 计算依据:物料热量衡算、传热速率、温度差损失方程式。 计算方法:因效间相互影响,需进行简化和假设,采用试差法。以三效并流蒸发流程为例讨论。,图6-4 逆流多效蒸发流程,1、计算总蒸发量,初估各效浓度对蒸发系统进行溶质物料衡算:V wF = (FV)Wp但各效蒸发量未知,可
12、假设相等,得到 V1 , V2 ,V3 因而估算出各效完成液的浓度为:2、计算加热蒸汽消耗量和各效蒸发量对第一效热量衡算,暂不计热损失:S rS = V1 r1+FCPF(T1TF)令: 1称为第一效的自蒸发因数 ,1称为第一效的自蒸发系数。所以 V1 = 1S +1FCPF,对第二效进行热量衡算:V1 r1 +(FV1)CP1T1 = V2 H2 +(FV1V2)CP2 T2 由单效推得:(FV1)CP1T1 = (FCPFV1 CPW) T1 同理可推得:(FV1V2)CP2 T2 = FCPF(V1 +V2 ) CPW T2因此:V1 r1 + (FCPFV1 CPW) T1 = V2
13、H2 +FCPFT2(V1 +V2 ) CPW T2V1 r1 = V2 (H2 CPW T2)+(FCPFV1CPW)(T2 T1 )= V2 r2 +(FCPFV1 CPW)(T2 T1 ),令: 2称为第二效的自蒸发因数 ,2称为第二效的自蒸发系数。所以 V2 = 2V1 +2 (FCPFV1 CPW) (V1=S2) 同理: V3 = 3V2 +3 (FCPFV1 CPW V2CPW) (V2=S3)若考虑到热损失对 Vi 将产生影响,将各式乘一热利用因数i (i= 0.98),则实际各效蒸发量为: V1 = (1S +1FCPF)1 V2 = 2V1 +2 (FCPFV1 CPW)2
14、V3 = 3V2 +3 (FCPFV1 CPW V2CPW)3与V = V1 +V2 + V3 联立可得 S 、V1 、V2 、 V3 对第I效有:Vi = iVi-1 +i (FCPF CPWVK)i 3、计算各效传热面积上述过程实际需要计算各效溶液沸点、温度差损失,而且以某个条件(如等面积)加以约束,因而过程为采用逐次逼近法进行计算。,四、多效蒸发过程的计算步骤 1、初估各效完成液的浓度:设各效蒸发量相等,即: 估算出各效完成液浓度为:2、估算各效二次蒸汽的温度:设各效操作压强按压强降分配相等:故第i效二次蒸汽压强 pi = Psipi 对应查得:Ti 和 ri 。 3、计算各效传热温度差
15、和溶液沸点:由 wi 、 Ti 和 ri ,设 加热管中溶液深度L值,计算:=0.51.5总有效温度差 但各效传热量不知,第一次试算时设各效传热量相等,同时选定各效传热系数Ki ,根据各效传热速率方程式:,选定各效传热面积相等: Ai = A = 常数因而各效溶液沸点为: Ti = Ti-1 Ti 4、计算各效传热量和蒸发量:由 V1 = (1S +1FCPF)1 V2 = 2V1 +2 (FCPFV1 CPW)2V3 = 3V2 +3 (FCPFV1 CPW V2CPW)3 Vi = iVi-1 +i (FCPF CPWVK)i 与V = V1 +V2 + V3 + + Vi 联立得 S ;
16、Vi ;i=Vi ri 。 注若计算出Vi 与初设值相差较大时,以该值为依据,重复1-4步到相近为止。 5、计算各效传热面积 计算出各效传热面积,结果应相等或相近。,若计算Ai结果有较大差别时Ti分配不合理,应重新调整。重新分配原则是:Vi 已确定的条件下i确定,即使Ti和Ai发生变化,但i不发生显著的变化,因而调整前后的关系为:因要求Ai各效相等,故将各效的 相加:但不论温差如何分配,总温度差不变,即: 所以重新分配后的各效传热温度差为:6、重新计算各效传热面积据新的温度差分配重新确定各效压强,以及各效二次蒸汽压强、溶液沸点,重复步骤1-6,直至计算到各效传热面积结果相等或相近。,图6-4 逆流多效蒸发流程,