食品工程原理第11章蒸发

《食品工程原理第11章蒸发》由会员分享，可在线阅读，更多相关《食品工程原理第11章蒸发（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第第 11 章章 蒸蒸发发 1蒸蒸发发操作与特点操作与特点 使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并 移出蒸汽的单元操作称为蒸发，所采用的设 备称为蒸发器。 分离的基础：溶质与溶剂的挥发性不同。 蒸发操作有两个目的：1）浓缩溶液（即脱除 溶剂，制取浓缩液）； 2）净化溶剂（即脱除溶质，制取纯净的溶剂）。本章介绍水溶液的蒸发。 蒸发操作中的几个概念： 生蒸汽：从系统外引来用作加热的水蒸汽。 二次蒸汽：蒸发操作中产生的蒸汽。 单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，不再利用 其冷凝热的蒸发操作。 多效蒸发：将前一效的二次蒸汽引入下一效 （蒸发器）作为加热热源的串联蒸发操作。 额外蒸汽：多效蒸发中，将某一效的二次蒸

2、汽引出一部分用作其他加热目的的蒸汽（这部分蒸汽不再引入下一效）。 蒸发可以在不同的压强下进行，如果在减压下进行，则称为真空蒸发。真空蒸发多 用于热敏性物料的浓缩。 蒸发操作是一个传热过程，其传热特点 是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶 液沸腾间的恒温差传热过程。 2 单单效蒸效蒸发发 2 1 溶液的沸点和温度差溶液的沸点和温度差损损失失 一定压强下，溶液的沸点较纯水的高， 两者沸点之差，称为溶液的沸点升高。溶液 的沸点由压强、溶液浓度和溶质性质所决定。一般的稀溶液或有机胶体溶液的沸点升高 较小，而无机盐溶液沸点升高较大。 设加热蒸汽的温度为 T，二次蒸汽温度 为 T，溶液的沸点为 t，则总温

3、差为： t0=T- T 实际传热温差（有效温差）为：tT-t 两者之差称为蒸发器的温度差损失：t0-tt-T 或 t=+T 造成温度差损失的原因有 3 个方面： (1) 因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失 的计算有两种方法：a 用吉辛柯公式： 2 )273(0162. 0 arT式中：-常压下由于溶液蒸汽压下降而引 a起的温度差损失，； T-操作压强下二次蒸汽的温度，； r-操作压强下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg。 对于一般食品工业所处理的溶液，的 a数值可参考糖液的数据，表 11-1。 b应用杜林规则：杜林规则指出溶液的沸点 和相同压强下溶剂沸点之间呈线性关系。因 此，只要有了杜林线（即

4、t=ktw+b），即可求得 不同浓度、压强下的溶液沸点。 (2) 由液层静压效应而引起的温度差损失 设液面上方的压强为 p0，溶液液层高度 为 h，溶液密度为 ，则溶液中层的压强，亦 即溶液中部的平均压强为：20ghppm设对应于 p0和 pm溶液的沸点分别为 t0和 tm，则由液层静压引起的温度差损失为：tm-t0 一般 t0和 tm可直接由 p0和 pm查水的饱和温度（即水的沸点）。 (3) 由于管路流动阻力而引起的温度差损失。 多效蒸发中二次蒸汽由前效经管路送至 下效作为加热蒸汽，因管道流动阻力使二次 蒸汽的压强稍有降低，温度也相应下降，这 种温度降即为因管路流动阻力而引起的温 度差损失

5、，一般可取为 1。 温度差损失： 需要注意的是：对于单效蒸发，若指定的是 蒸发器内的操作压强，则不计入温度差损 失中。例 11-2 用连续真空蒸发器将桃浆从含固 形物 11%浓缩至 40%。蒸发器内真空度为 93.3 kPa，液层深度为 2 m，采用 100 蒸汽 加热，桃浆的密度为 1180 kg/m3。求温度差 损失、蒸发器的有效温差及溶液的沸点。解：(1)93.3 kPa 真空度下，绝对压强为 8.0 kPa。在此绝对压强下，水蒸气的饱和温度 为 41.6，在该温度下水的汽化潜热 r2 400 kJ/kg，参考糖液的数据，常压下沸点的 升高 a为 1.0。由吉辛柯公式： 0.6680 .

6、 12400)2736 .41(0162. 02 (2)液体平均压强：kPaghppm6 .192281. 91180800020查附录饱和水蒸汽表得：tm59.6，则：59.6-41.618.0 (3)有效温差： +0.668+18.0=18.7 t0100-41.658.4 tt0-58.4-18.739.7 （4）溶液的沸点t=+=18.7+41.6=60.3T本题注释：蒸发器内的溶液浓度即等于浓缩 液的浓度。 2.2 单单效蒸效蒸发发的的计计算算2.2.1 蒸蒸发发器的物料衡算器的物料衡算 单效蒸发如图所示，作溶质的衡算，有： Fx0(F-W)x1 整理得：)/1 (10xxFW或 W

7、FFxx0 1式中：F-进料量，kg/h； W-水分蒸发量，kg/h； x0-原料液中溶质的质量分数； x1-完成液(即浓缩液)中溶质的质量分数。 2 2 2 蒸蒸发发器的器的热热量衡算量衡算 对蒸发器作焓衡算，可得：QDrWr+FCP0 (t1-t0) +QL 或 QDr（1+a%）Wr+FCP0 (t1-t0) 式中：Q-蒸发器的热负荷，kJ/h； D-加热蒸汽的消耗量，kg/h； r-加热蒸汽的汽化潜热，kJ/kg； r-二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg；t0-原料液的温度，； t1-完成液的温度(即溶液的沸点)，； CP0-原料液的比热容，kJ/(kgK)； QL-蒸发器的热损失，kJ/

8、h； a 为蒸发器的热损失占总传热量的%。 若原料液在沸点下进料，即 t1t0，并忽 略蒸发器的热损失，则上式为：DWr/r 或 eD/Wr/r 式中：e 为蒸发 1 kg 水时的加热蒸汽消耗量， 称为单位蒸汽消耗量，kg/kg。 一般，eD/W1，即蒸发 1 kg 的水约 需 1 kg 的加热蒸汽。实际上因蒸发器有热 量损失等影响，e 值约为 1.1 或稍多一些。 2.2.3 传热传热面面积积 S0 蒸发器的传热面积由传热速率方程计算(注意为恒温差传热)，即)(10000tTSKtSKQ或 )(1000tTKQ tKQS式中：S0-蒸发器的传热外表面积，m2； K0-基于外表面积的总传热系数

9、，W/(m2K)； t-有效传热温度差，； Q 为蒸发器的热负荷，W。 需要注意的是：热量衡算中的 Q 的单位 常用 kJ/h，而传热速率方程中的 Q 的单位 是 W，因此应用时要注意单位的换算。)6 . 3 13600/1000/1 (WsJhkJ不同类型蒸发器的 K 值范围，可参考表 11-2。例 11-3 在单效薄膜式蒸发器内，将番茄 汁从固形物含量 12%浓缩到 28%。番茄汁已 预热到最高许可温度 60后进料。采用表压 为 70 kPa 的饱和水蒸气加热。设蒸发器传 热面积为 0.4 m2，传热系数 1500 W/(m2K)。 试近似估算蒸汽消耗量和原料液流量。解：表压为 70 kP

10、a，则绝对压强为 171.3kPa。 在此绝对压强下，查得加热蒸汽饱和温度 为 114.5，汽化潜热为 2210 kJ/kg，由传热速率公式： QK0 S0t15000.4(114.5-60) 32700 W 则蒸汽消耗量为：DQ/r32700/(2210103) 0.0148 kg/s53.3 kg/h 查得 60下水的汽化潜热为 2340 kJ/kg，则 蒸发量为：WQ/r32700/(2340103) 0.014 kg/s50.3 kg/h 原料液流量为： hkgxxWF/8828/1213 .50 /1102.2.4 管内沸管内沸腾传热腾传热系数系数 i的关的关联联式式参阅书 P724

11、 式（11-20）（11-26）。 3多效蒸多效蒸发发 3 1 多效蒸多效蒸发发的原理的原理 多效蒸发是将前一效的二次蒸汽引入 下一效（蒸发器）作为加热热源的串联蒸发操作。 优点：节约生蒸汽的用量，即提高了经济效益。 操作原理：各效的操作压强（温度）自第一效（生蒸汽加入的一效）至末效逐效降低。 理论上，单效的 D/W1， n 效的 D/W1/n。表 11-3 列出实际情况下最小的 (D/W)min 值。 3 2 多效蒸多效蒸发发的流程的流程 按加料方式不同，常见的多效蒸发操作流程 (以三效为例)有以下几种： (1) 并流(顺流)加料法的蒸发流程 即溶液 和蒸汽流动方向一致。(2)逆流加料法的蒸

12、发流程 即溶液和蒸汽 流动方向相反。但效间的溶液需用泵输送，能量消耗较大。 一般来说，逆流加料法宜于处理粘度随温度 和浓度变化较大的溶液，而不宜于处理热敏性的溶液。(3)平流加料法的蒸发流程 原料液分别加入各效中，完成液也分别由各 效排出，加热蒸汽由第一次效依次至末效，称为平流加料法。平流加料法适用于在蒸发 操作进行的同时，有晶体析出的溶液。因为 有晶体析出，不便于在效间输送。 3 3 多效蒸多效蒸发发的的计计算算 多效蒸发设计计算中，已知条件是：原 料液的流量、浓度和温度；加热蒸汽(生蒸汽) 的压强或温度；冷凝器的真空度或温度；末 效完成液的浓度等。需要设计的项目是：生 蒸汽的消耗量；各效的

13、蒸发量；各效的传热 面积。 解决方法是用试差法进行计算。 下面对下图所示的并流蒸发流程予以 讨论。 3 3 1多效蒸多效蒸发发的物料衡算的物料衡算 对整个蒸发系统作溶质的衡算，得： Fx0=(F-W)xn 或 W= F（1-x0/xn）而 W=W1+W2+Wn= F（1-x0/xn） （1） 对任一效作溶质衡算，得 Fx0=(F-W1-W2-Wi)xii2 或 xi=Fx0/（F-W1-W2-Wi） 3.3.2多效蒸多效蒸发发的的热热量衡算量衡算 （1） 多效系统中各效溶液的沸点及总有效温度差 各效沸点： ti=Ti+i+i 各效有效温度差：ti=Ti-ti 总有效温度差： t=T1-Tk-或

14、 t=T1-Tk-（+） 式中t-系统的总有效温度差，； -系统的总温度差损失，； 、-分别为因溶液蒸汽压下降、 液层静压强及流动阻力而引起的系统温度 差损失，。 （2） 多效蒸发的热量衡算 参照单效蒸发，对第一效有：Q1D1r1W1r1+FCP0 (t1-t0) +QL1 Q1D1r1 =（1+a1%）W1r1+FCP0 (t1-t0) （2） 对第二效有：Q2D2r2 W2r2+（FCP0-W1CPW）(t2-t1)+ QL2 Q2D2r2= （1+a2% ）W2r2+（FCP0 -W1CPW）(t2-t1) （3） 对第 i 效有：LiiiPWiPiiiii QttCWWWFCrWrDQ)().(11210)().(%)1 (11210 iiPWiPiiiiii ttCWWWFCrWarDQ（i+1） 对第 n 效有:LnnnPWnPnnnnn QttCWWWFCrWrDQ)().(11210 或)().(%)1 (11210 nnPWnPnnnnnn ttCWWWFCrWarDQ（n+1） 其中：ai-第 i 效的热损失占第 i 效总传热量的%。 一般可取 a1=a2=ai=an=24。 当无额外蒸汽引出时，有如下关系：D2=W1 （n+2） D3=W2 （n+3）