第5章 蒸发

第五章蒸发1、蒸发（浓缩）：将溶液加热沸腾，使其中的一部分溶剂汽化并作为蒸气排走，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。2、二次蒸汽：料液被加热蒸发时所产生的蒸汽称为二次蒸汽，这是为了区别加热用的蒸汽而言的，后者称为加热蒸气或生蒸气。3、单效蒸发：二次蒸气不再利用，直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作。第一节概述一、基本概念4、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。二、学习内容及目的：1、掌握单效蒸发的有关物料衡算和热量衡算；2、了解多效蒸发的工艺流程及有关计算；3、了解蒸发操作相关设备的结构和工作原理。三、蒸发操作的特点1、传热性质：属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。2、溶液性质：热敏性、腐蚀性、结晶性、结垢性、泡沫、粘度等。3、沸点升高：当加热蒸气一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发纯水的温度差。4、泡沫挟带：二次蒸气中带有大量泡沫，易造成物料损失和冷凝设备污染。5、能源利用：二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。第二节单效蒸发单效蒸发的计算项目：（1）水分蒸发量——物料衡算（2）加热蒸气消耗量（3）蒸发器的传热面积一、单效蒸发的物料衡算如图：热量衡算F—料液流量V—水分蒸发量L——浓缩液的流量x0—料液的质量浓度x—浓缩液的质量浓度加热蒸发室F,x0VL,x对溶质作质量衡算，得xVFLxFx)(0)1(0xxFVVFFxx0浓缩液浓度二、单效蒸发的热量衡算1、加热蒸气消耗量D,Ts,hs蒸发室F,x0,t0,c0，h0D,Ts,HsV，t，HQLL,x，t,h，cD—加热蒸汽消耗量，Kg/hH—二次蒸汽的焓，KJ/Kgt0—料液温度，℃R—加热蒸汽的汽化潜热，t—料液沸点，℃KJ/Kgh0—料液的焓，kJ/Kgr—二次蒸汽的汽化潜热，c0—料液的比热，KJ/Kg·KKJ/Kgh—浓缩液的焓，KJ/KgQL—热损失，KJ/hc—浓缩液的比热，KJ/Kg·KcW—水的比热，KJ/Kg·Khs—冷凝水的焓，KJ/KgTs—加热蒸汽饱和温度，℃Hs—加热蒸汽的焓，KJ/Kg对蒸发过程进行焓衡算，LssQVHLhDhQhFHDQ输出输入0整理得：LssLssQVHhVFFhhHDQVHLhDhFhDH00若忽略浓缩热，则转化为热量衡算，基准，取0℃时液体的焓为0，则有：SwSwSTCTCh)0(00000)0(tCtChCttCh)0(上式变为：SwSLLSwSTCHQCtHVtCCtFDQVHCtVFtFCTCHD0000其中：0001xCxCCBwxCxCCBw1CW—水的比热，CB—溶质的比热，KJ/（Kg·K）HS-CWTS≈RH-Ct≈rRQVrtCCtFDL00几种特殊情况：①若沸点进料，t=t0②若忽略比热差别，C=C0③若沸点进料，且忽略比热差别及热损失RQVrCCFtDL0RQVrttFCDL0RVrD式中，D/V称作单位蒸汽消耗量，表示蒸汽利用的经济程度2、蒸发器传热面积确定)(tTKDRtTKQAtTKAtKAQSSSm三、蒸发设备中的温差损失1、溶液的沸点升高一定压强下，溶液的沸点较纯水高，两者之差，称为溶液的沸点升高。2、蒸发设备中的有效温差Δt=TS-t最大温差Δtmax=TS-tsts—蒸发压力下水的沸点一般情况下，Δt小于Δtmax，即存在温度差损失（1）因溶液的沸点升高而引起的温度差损失Δ′；（3）因管路流体阻力而引起的温度差损失Δ///;（2）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失Δ″；总温度差损失为：3、蒸发过程中引起温度差损失的原因有：4、溶液沸点升高的计算：式中Δ——溶液的沸点升高，℃t——溶液的沸点，℃T/——与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的饱和温度，℃Tt溶液沸点的升高，可用下列两种方法估算。式中⊿/a——常压下溶液的沸点升高；Δ′——操作条件下溶液的沸点升高，℃；f——校正系数，无因次。af(1)手册中，可以查到常压（1atm）下某些溶液在不同浓度时的沸点数据。(2)杜林规则该规则认为：某溶液（或液体）在两种不同压力下两沸点之差与另一标准液体在相应压力下两沸点之差，其比值为一常数，即式中tA、tw—分别为压强pM下溶液的沸点与纯水的沸点，℃tA′、tw′—分别为压强pN下溶液的沸点与纯水的沸点，℃一定浓度下溶液的沸点与相同压强下水的沸点呈直线关系，可以利用杜林线求不同浓度的溶液在任一压力下的沸点。wwAAttttk液层内的溶液的沸点高于液面的，液层内部沸点与表面沸点之差即为因液柱静压强而引起的温度差损失。式中pm——液层中部的平均压强，Pap′——液面的压强，即二次蒸气的压强，Pal——液层深度，m简化处理：计算时以液层中部的平均压强pm及相应的沸点tAm为准，中部的压强为：2glppm5、液柱静压强引起的温度差损失常根据平均压强pm查出纯水的相应沸点tpm，故因静压强而引起的温度差损失为：Δ″=tpm-tp′式中tpm——与平均压强pm相对应纯水的沸点，℃tp′——与二次蒸气压强p′相对应的水的沸点，℃影响Δ″的因素：（1）沸腾时液层内混有气泡，液层的实际密度较计算公式所用的纯液体密度要小，使得算出的Δ″值偏大；（2）当溶液在加热管内的循环速度较大时，就会因流体阻力使平均压强增高。6、管路流体流动阻力造成的温差损失采用多效蒸发时，二次蒸气在离开前一效蒸发室流往后一效加热室的过程中要克服管道的流动阻力，从而导致蒸汽温度下降。此项温度差损失与蒸汽的流速、物性和管道的尺寸有关，一般取0.5～1.5℃。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、多效蒸发原理效数单效双效三效四效五效理论最小值11/21/31/41/5实际最小值1.10.570.40.30.27单位蒸气消耗量蒸发量与传热量成正比，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。在相同的操作条件下，多效蒸发器的生产能力并不比传热面积与其中一个效相等的单效蒸发器的生产能力大。多效蒸发器的生产能力不等于单效蒸发器的若干倍。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：后一效蒸发室的压力较前一效为低，故溶液在效间的输送勿需用泵就能自动从前效进入后效。后一效溶液的沸点较前一效为低，前一效的溶液进入后一效时，会因过热产生自蒸发。有利于蒸发操作。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并流法：蒸气和料液的流动方向一致，从第一效到末效。由末效引出完成液，其沸点最低，带走的热量最少，减少了热量损失。并流三效蒸发流程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。加热蒸气的流向仍是由第一效顺序至末效。优点：粘度大的一效，加热蒸汽温度高，所以各效的粘度值较为接近，传热系数也大致相同，这样蒸发速率大致相同。缺点：（1）各效间需用泵输送；（2）无自蒸发；（3）高温加热面上易引起结焦和营养物的破坏。2逆流法逆流三效蒸发流程3平流法原料液分别加入各效中，完成液也分别自各效底部取出，蒸气流向仍是由第一效流至末效。此法适用于在蒸发过程中同时有结晶析出的溶液，因其可避免结晶体在效间输送时堵塞管道。或用于对稀溶液稍加浓缩的场合。每效皆处于最大浓度下进行蒸发，所以溶液粘度大，致使传热损失较大；同时各效的温度差损失较大，故降低了蒸发设备的生产能力。优点：缺点：平流法三效蒸发流程三、多效蒸发的效数蒸发装置中效数越多，温度损失越大。若效数过多还可能发生总温度差损失等于或大于有效总温度差，而使蒸发操作无法进行。基于上述理由，工业上使用的多效蒸发装置，其效数并不是很多的。一般对于电解质溶液，如NaOH等水溶液的蒸发，由于其沸点升高较大，故采用2～3效；对于非电解质溶液，如糖的水溶液或其它有机溶液的蒸发，由于其沸点升高较小，所用的效数可取4～6效；而在海水淡化的蒸发装置中，效数可多达20～30效。第三节蒸发设备一、循环型（非膜式）蒸发器蒸发器的结构：加热室、分离器等按加热室的结构和操作时溶液的流动情况分：循环型（非膜式）和单程型（膜式）两大类。非膜式蒸发器的主要缺点是加热室内滞料量大，致使物料在高温下停留时间过长，不适于处理热敏性物料。膜式蒸发器只通过加热室一次即可达到所需浓度，停留时间短，操作时，溶液沿加热管呈传热效果最佳的膜状流动。膜式蒸发器和非膜式蒸发器的比较：二、膜式（单程）蒸发器板式四效蒸发器1效2效3效4效第四效蒸发器第五章传热食品工程原理