第十一章 溶液濃縮

1、1.11.1蒸發(fā)的定義蒸發(fā)的定義 1.21.2加熱蒸氣和二次蒸氣加熱蒸氣和二次蒸氣 使含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液沸騰汽化并移出蒸氣，從而使含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液沸騰汽化并移出蒸氣，從而使溶液中溶質(zhì)濃度提高的單元操作稱為使溶液中溶質(zhì)濃度提高的單元操作稱為蒸發(fā)蒸發(fā)，所用的設(shè)備稱為，所用的設(shè)備稱為蒸發(fā)器。蒸發(fā)器。 蒸發(fā)需要不斷的供給熱能。工業(yè)上采用的熱源通常為水蒸發(fā)需要不斷的供給熱能。工業(yè)上采用的熱源通常為水蒸氣，而蒸發(fā)的物料大多是水溶液，蒸發(fā)時產(chǎn)生的蒸氣也是水蒸氣，而蒸發(fā)的物料大多是水溶液，蒸發(fā)時產(chǎn)生的蒸氣也是水蒸氣。為了易于區(qū)別，前者稱為蒸氣。為了易于區(qū)別，前者稱為加熱蒸氣或生蒸氣加熱蒸氣或生蒸氣，

2、后者稱為，后者稱為二次蒸氣二次蒸氣。加熱室加熱室蒸發(fā)室蒸發(fā)室F,x0,t0,h0D,T,HW,T,HD,T,hw(F-W),x1t1,h1QL1.31.3分類分類1 1、按操作室壓力分：常壓、加壓、減壓（真空）蒸發(fā)、按操作室壓力分：常壓、加壓、減壓（真空）蒸發(fā)單效蒸發(fā)單效蒸發(fā)：將二次蒸氣不在利用而直接送到冷凝器冷凝以：將二次蒸氣不在利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸發(fā)操作。除去的蒸發(fā)操作。多效蒸發(fā)多效蒸發(fā)：若將二次蒸氣通到另一壓力較低的蒸發(fā)器作為：若將二次蒸氣通到另一壓力較低的蒸發(fā)器作為加熱蒸氣，則可提高加熱蒸氣（生蒸氣）的利用率，這種加熱蒸氣，則可提高加熱蒸氣（生蒸氣）的利用率，這種串聯(lián)蒸發(fā)

3、操作稱為多效蒸發(fā)。串聯(lián)蒸發(fā)操作稱為多效蒸發(fā)。2 2、按二次蒸氣的利用情況分：單效和多效蒸發(fā)、按二次蒸氣的利用情況分：單效和多效蒸發(fā)1.41.4蒸發(fā)操作的特點(diǎn)蒸發(fā)操作的特點(diǎn) 1 1、傳熱性質(zhì)：、傳熱性質(zhì)：屬于壁面兩側(cè)流體均有相變化的恒溫傳熱過程。屬于壁面兩側(cè)流體均有相變化的恒溫傳熱過程。2 2、溶液性質(zhì)：、溶液性質(zhì)：熱敏性、腐蝕性、結(jié)晶性、結(jié)垢性、泡沫、粘度等。熱敏性、腐蝕性、結(jié)晶性、結(jié)垢性、泡沫、粘度等。3 3、沸點(diǎn)升高：、沸點(diǎn)升高：當(dāng)加熱蒸氣一定時，蒸發(fā)溶液的傳熱溫度差要小于當(dāng)加熱蒸氣一定時，蒸發(fā)溶液的傳熱溫度差要小于蒸發(fā)純水的溫度差。蒸發(fā)純水的溫度差。4 4、泡沫挾帶：、泡沫挾帶：二次蒸氣

4、中帶有大量泡沫，易造成物料損失和冷凝設(shè)二次蒸氣中帶有大量泡沫，易造成物料損失和冷凝設(shè)備污染。備污染。5 5、能源利用：、能源利用：二次蒸氣的利用是蒸發(fā)操作中要考慮的關(guān)鍵問題之一。二次蒸氣的利用是蒸發(fā)操作中要考慮的關(guān)鍵問題之一。溶液的沸點(diǎn)升高溶液的沸點(diǎn)升高：一定壓強(qiáng)下，溶液的沸點(diǎn)較純水高，兩：一定壓強(qiáng)下，溶液的沸點(diǎn)較純水高，兩者之差，稱為者之差，稱為溶液的沸點(diǎn)升高溶液的沸點(diǎn)升高。稀溶液或有機(jī)溶液沸點(diǎn)升高值較小，無機(jī)鹽溶液較大。稀溶液或有機(jī)溶液沸點(diǎn)升高值較小，無機(jī)鹽溶液較大。對于同一種溶液，沸點(diǎn)升高值隨溶液濃度及蒸發(fā)器內(nèi)液柱高對于同一種溶液，沸點(diǎn)升高值隨溶液濃度及蒸發(fā)器內(nèi)液柱高度而異，濃度越大，液

5、柱越高，沸點(diǎn)升高值越大。度而異，濃度越大，液柱越高，沸點(diǎn)升高值越大。溶液沸點(diǎn)升高的計算公式：溶液沸點(diǎn)升高的計算公式：式中式中 t0溶液的沸點(diǎn)升高，溶液的沸點(diǎn)升高， Ts 加熱蒸汽的飽和溫度，加熱蒸汽的飽和溫度， TV與溶液壓強(qiáng)相等時水的沸點(diǎn)，即二次蒸氣的與溶液壓強(qiáng)相等時水的沸點(diǎn)，即二次蒸氣的 飽和溫度，飽和溫度， vsTTt0式中式中 t1 溶液的沸點(diǎn)，溶液的沸點(diǎn)， Ts 加熱蒸汽的飽和溫度，加熱蒸汽的飽和溫度， TV二次蒸氣的飽和溫度，二次蒸氣的飽和溫度， 計算公式為：計算公式為：t= Ts- t1實(shí)際傳熱溫度即有效溫差為實(shí)際傳熱溫度即有效溫差為兩者之差稱為蒸發(fā)器的兩者之差稱為蒸發(fā)器的溫度差

6、損失溫度差損失= t0- t=t1-Tv（1 1）因溶液的蒸汽壓下降而引起的溫度差損失）因溶液的蒸汽壓下降而引起的溫度差損失； （3 3）因管路流體阻力而引起的溫度差損失）因管路流體阻力而引起的溫度差損失 。（2 2）因加熱管內(nèi)液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失）因加熱管內(nèi)液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失；總溫度差損失為：總溫度差損失為： arT 22.16arT 22.16T某壓力下水的沸點(diǎn)溫度某壓力下水的沸點(diǎn)溫度 Kr 某壓力下水的汽化熱某壓力下水的汽化熱 J/kga常壓下溶液的沸點(diǎn)升高常壓下溶液的沸點(diǎn)升高 食品料液的食品料液的 可近似用糖液的數(shù)據(jù)代替?？山朴锰且旱臄?shù)據(jù)代替。在食品工業(yè)上，在食品工

7、業(yè)上， 不大。不大。a2.由液層靜壓效應(yīng)而引起的溫差損失由液層靜壓效應(yīng)而引起的溫差損失 加熱管內(nèi)溶液液位維持一定，處于不同深度的溶液受到不同加熱管內(nèi)溶液液位維持一定，處于不同深度的溶液受到不同的靜壓強(qiáng)，所以溶液內(nèi)部的沸點(diǎn)比液面處高，兩者之差即的靜壓強(qiáng)，所以溶液內(nèi)部的沸點(diǎn)比液面處高，兩者之差即。液層內(nèi)的平均壓力液層內(nèi)的平均壓力Pm Pm=P+gh/2P為液面上方分離室內(nèi)的壓力為液面上方分離室內(nèi)的壓力PaTTm Tm,T對應(yīng)的對應(yīng)的Pm與與P相應(yīng)的沸點(diǎn)。相應(yīng)的沸點(diǎn)。3. 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

8、能量消耗造成的溫差阻力損失，也可能會散失熱量，這些能量消耗造成的溫差損失損失 一般取一般取0.51.5 例：用連續(xù)真空蒸發(fā)器將桃漿從含固形物例：用連續(xù)真空蒸發(fā)器將桃漿從含固形物11濃縮至濃縮至40。蒸發(fā)器內(nèi)真空度為。蒸發(fā)器內(nèi)真空度為93kPa，液層深度為，液層深度為2m，加熱蒸，加熱蒸汽絕對壓力為汽絕對壓力為0.1MPa的飽和蒸汽，桃漿的密度為的飽和蒸汽，桃漿的密度為1180kg/m3.求溫差損失及蒸發(fā)器的有效溫差。求溫差損失及蒸發(fā)器的有效溫差。解：蒸發(fā)器內(nèi)的絕對壓力解：蒸發(fā)器內(nèi)的絕對壓力101938kPa，對應(yīng)的沸點(diǎn)，對應(yīng)的沸點(diǎn)T為為41.3，汽化熱，汽化熱r=2.40MJ/kg1.取料液濃

9、度為制品濃度取料液濃度為制品濃度40，參考糖液數(shù)據(jù)，參考糖液數(shù)據(jù)，Ca0 . 1CarT67.00.11040.2)3.412.273(2.162.166222.計算計算Pm=P+gh/2=8+1.1809.812/2=19.6kPaTm=59.6=59.6-41.3=18.3 3.計算計算tCttCtC 73.3997.187.587.583.4110097.183.1867.000單效蒸發(fā)的計算項(xiàng)目有：單效蒸發(fā)的計算項(xiàng)目有： （1）蒸發(fā)量；）蒸發(fā)量； （2）加熱蒸氣消耗量；）加熱蒸氣消耗量； （3）蒸發(fā)器的傳熱面積）蒸發(fā)器的傳熱面積通常生產(chǎn)任務(wù)中已知的項(xiàng)目有：通常生產(chǎn)任務(wù)中已知的項(xiàng)目有：

10、（1）原料液流量、組成與溫度；）原料液流量、組成與溫度； （2）完成液組成；）完成液組成； （3）加熱蒸氣壓強(qiáng)或溫度；）加熱蒸氣壓強(qiáng)或溫度； （4）冷凝器的壓強(qiáng)或溫度。）冷凝器的壓強(qiáng)或溫度。加熱室加熱室蒸發(fā)室蒸發(fā)室F,x0,t0,h0D,T,HW,T,HD,T,hw(F-W),x1t1,h1QL式中式中 F原料液流量原料液流量 W二次蒸汽二次蒸汽流量流量 P完成液流量完成液流量 xF原料液的質(zhì)量組成原料液的質(zhì)量組成 xP完成液的組成完成液的組成對單效蒸發(fā)器作溶質(zhì)衡算，得對單效蒸發(fā)器作溶質(zhì)衡算，得pFxPxFPWF)1(PFxxFW加熱室加熱室蒸發(fā)室蒸發(fā)室F,x0,t0,h0D,T,HW,T,H

11、D,T,hw(F-W),x1t1,h1QL(2).(2).蒸發(fā)器的熱量衡算蒸發(fā)器的熱量衡算進(jìn)入系統(tǒng)的熱流量等于離開系統(tǒng)的熱流量加上熱量損失進(jìn)入系統(tǒng)的熱流量等于離開系統(tǒng)的熱流量加上熱量損失1)(tCWCFhpQhphDHWHDhFpwpFfLpsvsfCpF原料液的比熱容原料液的比熱容 J/kg.kCpw水的比熱容水的比熱容J/kg.kt1-溶液的沸點(diǎn)溶液的沸點(diǎn)加熱室加熱室蒸發(fā)室蒸發(fā)室F,x0,t0,h0D,T,HW,T,HD,T,hw(F-W),x1t1,h1QL式中式中 D加熱蒸氣的消耗量加熱蒸氣的消耗量,kg/h rs加熱蒸氣的汽化熱加熱蒸氣的汽化熱, J/kg rv二次蒸氣的汽化熱二次蒸

12、氣的汽化熱, J/kg QL熱損失熱損失, J/h對單效蒸發(fā)器作物料的熱量衡算，得對單效蒸發(fā)器作物料的熱量衡算，得sLFPFvrQTtFCWrD)(1加熱蒸氣消耗量加熱蒸氣消耗量D D 若原料液預(yù)熱至沸點(diǎn)再進(jìn)入蒸發(fā)器，且忽略熱損失，上式若原料液預(yù)熱至沸點(diǎn)再進(jìn)入蒸發(fā)器，且忽略熱損失，上式簡化為：簡化為： svrWrD WDe 式中式中 e蒸發(fā)蒸發(fā)1kg水分時，加熱蒸氣的消耗量，稱為水分時，加熱蒸氣的消耗量，稱為單位蒸氣耗量單位蒸氣耗量，kg/kg單效蒸發(fā)時單效蒸發(fā)時 e=1,實(shí)際實(shí)際1一般一般WDrrsv,若沸點(diǎn)進(jìn)料的蒸發(fā)操作，消耗若沸點(diǎn)進(jìn)料的蒸發(fā)操作，消耗1Kg1Kg加熱蒸汽，產(chǎn)生約加熱蒸汽，

13、產(chǎn)生約1kg1kg的二次蒸汽的二次蒸汽蒸發(fā)器的傳熱面積由傳熱速率公式計算，即：蒸發(fā)器的傳熱面積由傳熱速率公式計算，即：式中式中 S0蒸發(fā)器的傳熱外表面積，蒸發(fā)器的傳熱外表面積，m2 K0基于外表面積的總傳熱系數(shù)；基于外表面積的總傳熱系數(shù)；kw/(m2) tm 平均傳熱溫度差，平均傳熱溫度差， Q蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，即蒸發(fā)器的傳熱速率蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，即蒸發(fā)器的傳熱速率kw。smDrtKSQ00mtKQS00 在蒸發(fā)過程中，加熱兩側(cè)流體均處于恒溫、變相狀態(tài)下，故：在蒸發(fā)過程中，加熱兩側(cè)流體均處于恒溫、變相狀態(tài)下，故： tm =Ts-t 1 式中式中 Ts加熱蒸氣的溫度，加熱蒸氣的溫度，； t1溶液的沸

14、點(diǎn)溫度，溶液的沸點(diǎn)溫度，。 osomiisiiaRddbddRddaK1110000式中式中 a對流傳熱系數(shù)，對流傳熱系數(shù)，W/(m2) d管徑，管徑，m Ri垢層熱阻，垢層熱阻，m2/W b管壁厚度，管壁厚度，m 管材的導(dǎo)熱系數(shù)，管材的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m) 下標(biāo)下標(biāo)i表示管內(nèi)側(cè)、表示管內(nèi)側(cè)、o表示外側(cè)、表示外側(cè)、m表示平均。表示平均。 若加熱蒸氣的冷凝水在飽和溫度下排除，且忽略熱損失，若加熱蒸氣的冷凝水在飽和溫度下排除，且忽略熱損失，則蒸發(fā)器的熱負(fù)荷為：則蒸發(fā)器的熱負(fù)荷為： Q=Dr例題例題 穩(wěn)態(tài)下在單效蒸發(fā)器中濃縮蘋果汁。已知原料溫度穩(wěn)態(tài)下在單效蒸發(fā)器中濃縮蘋果汁。已知原料溫度43.343

15、.3，濃度，濃度1111，比熱容比熱容3.9kJ/kg.k3.9kJ/kg.k，進(jìn)料流量，進(jìn)料流量0.67kg/s,0.67kg/s,蒸發(fā)室沸點(diǎn)溫度蒸發(fā)室沸點(diǎn)溫度60.160.1，完成液濃，完成液濃度度7575。加熱蒸汽絕對壓力為。加熱蒸汽絕對壓力為300kPa.300kPa.加熱室外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為加熱室外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為943w/m943w/m2 2.k.k，蒸汽為飽和冷凝，忽略能量損失。計算蒸汽為飽和冷凝，忽略能量損失。計算1.1.蒸發(fā)量和完成液流量蒸發(fā)量和完成液流量2.2.加熱蒸汽消耗量加熱蒸汽消耗量3.3.單位蒸汽消耗量單位蒸汽消耗量4.4.蒸發(fā)器的換熱面積蒸發(fā)器的換熱面積解：解：kgk

16、JrtskgWFPskgxxFWvPF/2335,1.60.2/1.057.067.0/57.0)75.011.01(67.0)1(.11skgrTtFCwrDkgkJrTkPapsFpFvss/64. 02168) 3 .431 .60(9 . 367. 0235557. 0)(/2168, 3 .133,300112. 157. 064. 0WDe3.3.單位蒸氣消耗量單位蒸氣消耗量D D 4.蒸發(fā)器換熱面積蒸發(fā)器換熱面積231001 .20) 1 .603 .133(94310216864. 0)(mtTKDrSss 多效蒸發(fā)時要求后效的操作壓強(qiáng)和溶液的沸點(diǎn)均較前效低，多效蒸發(fā)時要求后效

17、的操作壓強(qiáng)和溶液的沸點(diǎn)均較前效低，引入前效的二次蒸汽作為后效的加熱介質(zhì)，即后效的加熱室成引入前效的二次蒸汽作為后效的加熱介質(zhì)，即后效的加熱室成為前效二次蒸汽的冷凝器，僅第一效需要消耗生蒸汽。為前效二次蒸汽的冷凝器，僅第一效需要消耗生蒸汽。 一般多效蒸發(fā)裝置的末效或后幾效總是在真空下操作，由一般多效蒸發(fā)裝置的末效或后幾效總是在真空下操作，由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作為下一效的加熱蒸汽，故于各效（末效除外）的二次蒸汽都作為下一效的加熱蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，即經(jīng)濟(jì)性。提高了生蒸汽的利用率，即經(jīng)濟(jì)性。 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)器作為如果第一個蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽引入第

18、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，則稱為雙效蒸發(fā)。汽送到冷凝器排出，則稱為雙效蒸發(fā)。表表 單位蒸氣消耗量單位蒸氣消耗量 強(qiáng)調(diào)強(qiáng)調(diào)：蒸發(fā)量與傳熱量成正比，多效蒸發(fā)并沒有提高蒸發(fā)量，蒸發(fā)量與傳熱量成正比，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。在相同的而只是節(jié)約了加熱蒸汽，其代價則是設(shè)備投資增加。在相同的操作條件下，多效蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力并不比傳熱面積與其中一操作條件下，多效蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力并不比傳熱面積與其中一個效相等的單效蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力大。個效相等的單效蒸發(fā)器的

19、生產(chǎn)能力大。錯誤觀點(diǎn)錯誤觀點(diǎn)：多效蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力是單效蒸發(fā)器的若干倍。多效蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力是單效蒸發(fā)器的若干倍。 蒸氣和料液的流動方向一致，均從第一效到末效。蒸氣和料液的流動方向一致，均從第一效到末效。缺點(diǎn)：沿料液流動方向濃度逐漸增高，致使傳熱系數(shù)下降，在缺點(diǎn)：沿料液流動方向濃度逐漸增高，致使傳熱系數(shù)下降，在 后二效中尤為嚴(yán)重。后二效中尤為嚴(yán)重。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 在操作過程中，蒸發(fā)室的壓強(qiáng)依效序遞減，料液在效在操作過程中，蒸發(fā)室的壓強(qiáng)依效序遞減，料液在效間流動不需用泵；間流動不需用泵；料液的沸點(diǎn)依效序遞降，使前效料進(jìn)入后效時放出顯料液的沸點(diǎn)依效序遞降，使前效料進(jìn)入后效時放出顯熱，供一部分水汽化；

20、熱，供一部分水汽化；料液的濃度依效序遞增，高濃度料液在低溫下蒸發(fā)，料液的濃度依效序遞增，高濃度料液在低溫下蒸發(fā)，對熱敏性物料有利。對熱敏性物料有利。原料液原料液加熱蒸汽加熱蒸汽至冷凝器至冷凝器 完成液完成液123冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水 并流加料法的三效蒸發(fā)裝置流程示意圖并流加料法的三效蒸發(fā)裝置流程示意圖 料液與蒸氣流動方向相反。原料由末效進(jìn)入，用泵依次輸料液與蒸氣流動方向相反。原料由末效進(jìn)入，用泵依次輸送至前效，完成液由第一效底部取出。加熱蒸氣的流向仍是由送至前效，完成液由第一效底部取出。加熱蒸氣的流向仍是由第一效順序至末效。第一效順序至末效。優(yōu)點(diǎn)：濃度較高的料液在較高溫度下蒸發(fā)

21、，粘度不高，傳熱系優(yōu)點(diǎn)：濃度較高的料液在較高溫度下蒸發(fā)，粘度不高，傳熱系 數(shù)較大。數(shù)較大。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：（1 1）各效間需用泵輸送；各效間需用泵輸送； （2 2）無自蒸發(fā)；無自蒸發(fā)； （3 3）高溫加熱面上易引起結(jié)焦和營養(yǎng)物的破壞。高溫加熱面上易引起結(jié)焦和營養(yǎng)物的破壞。原料液原料液加熱蒸汽加熱蒸汽至冷凝器至冷凝器 完成液完成液123冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水 效數(shù)多時，也可采用順流和逆流并用的操作，稱為混流法，效數(shù)多時，也可采用順流和逆流并用的操作，稱為混流法，這種流程可協(xié)調(diào)兩種流程的優(yōu)缺點(diǎn)，適于粘度極高料液的濃這種流程可協(xié)調(diào)兩種流程的優(yōu)缺點(diǎn)，適于粘度極高料液的濃縮?？s。 c 平流法平

22、流法 原料液分別加入各效中，完成液也分別自各效底部取出，蒸原料液分別加入各效中，完成液也分別自各效底部取出，蒸氣流向仍是由第一效流至末效。此種流程適用于處理蒸發(fā)過氣流向仍是由第一效流至末效。此種流程適用于處理蒸發(fā)過程中伴有結(jié)晶析出的溶液。程中伴有結(jié)晶析出的溶液。d 混流法混流法原料液原料液加熱蒸汽加熱蒸汽至冷凝器至冷凝器 完成液完成液123冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水 完成液完成液 完成液完成液(3)多效蒸發(fā)的溫差分配多效蒸發(fā)的溫差分配 由于存在溫差損失，蒸發(fā)器有效換熱溫差總是小于理想溫由于存在溫差損失，蒸發(fā)器有效換熱溫差總是小于理想溫差。差。 多效蒸發(fā)器是由單效蒸發(fā)設(shè)備組成的，每效都

23、相當(dāng)于單效多效蒸發(fā)器是由單效蒸發(fā)設(shè)備組成的，每效都相當(dāng)于單效蒸發(fā)器。因此，在實(shí)際操作中，每效都存在溫差損失。此時，蒸發(fā)器。因此，在實(shí)際操作中，每效都存在溫差損失。此時，各效有效溫差之和各效有效溫差之和 必小于總溫差必小于總溫差 。其總差值為總溫。其總差值為總溫差損失差損失 。iittttii00titi i第第i i效的有效傳熱溫差。效的有效傳熱溫差。第第i i效的溫差損失。效的溫差損失。t有效總溫差有效總溫差 有效總溫差有效總溫差t確定之后，此溫差必須分配到各效，并確定之后，此溫差必須分配到各效，并滿足各效的換熱基本方程。滿足各效的換熱基本方程。nnnQQKQKQttt:.:.:221121

24、 將有效總溫差將有效總溫差t分配到各效，除總的應(yīng)滿足分配到各效，除總的應(yīng)滿足 及各效滿足其換熱方程之外，還應(yīng)另加特定的限制原則。及各效滿足其換熱方程之外，還應(yīng)另加特定的限制原則。a.各效等面積原則。各效等面積原則。 按此原則分配有效溫差，各效換熱面積均相等。由此，按此原則分配有效溫差，各效換熱面積均相等。由此，nnnntSKQtSKQtSKQ,2222111tticsppp.,21pp b.各效等壓原則各效等壓原則 設(shè)設(shè)Ps為首效加熱蒸汽壓力，為首效加熱蒸汽壓力，Pc為冷凝器內(nèi)壓力，為冷凝器內(nèi)壓力，則總壓差：則總壓差： 若各效加熱蒸汽與料液側(cè)分離室的壓力差分別若各效加熱蒸汽與料液側(cè)分離室的壓力

25、差分別為為 ，則按此原則，各效壓力差應(yīng)符合下式：，則按此原則，各效壓力差應(yīng)符合下式：nppppnn.21可依次確定各效分離室的壓力以及對應(yīng)的飽和溫度?？梢来未_定各效分離室的壓力以及對應(yīng)的飽和溫度。c.各效蒸發(fā)量經(jīng)驗(yàn)比例原則各效蒸發(fā)量經(jīng)驗(yàn)比例原則 對無額外蒸汽引出的順流操作，各效水分蒸發(fā)量可按一對無額外蒸汽引出的順流操作，各效水分蒸發(fā)量可按一定比例設(shè)計。例如對三效順流蒸發(fā)，可按下列比例：定比例設(shè)計。例如對三效順流蒸發(fā)，可按下列比例：2 . 1:1 . 1:1:321WWW 由總蒸發(fā)量及上述比例，可確定各效蒸發(fā)量，則可計算由總蒸發(fā)量及上述比例，可確定各效蒸發(fā)量，則可計算各效料液的濃度，從而進(jìn)一步算

26、出溶液沸點(diǎn)，則可得到溫各效料液的濃度，從而進(jìn)一步算出溶液沸點(diǎn)，則可得到溫差分配結(jié)果。差分配結(jié)果。( (4 4) ) 多效計算多效計算1.1.總蒸發(fā)量的計算總蒸發(fā)量的計算各效蒸發(fā)量之和各效蒸發(fā)量之和pFxWFxWWFxWFxF)()()(22111321WWWW)1 (pFxxFW物料衡算物料衡算第一效和第二效的出料濃度第一效和第二效的出料濃度21211WWFxFxWFxFxFF2.2.加熱蒸汽耗量及各效蒸發(fā)量加熱蒸汽耗量及各效蒸發(fā)量單效蒸發(fā)單效蒸發(fā)11111111111111)(vFvsFFPvsFPFvsrtTrrartTCFrrDWTtCFrWrDa a1 1第一效的蒸發(fā)因數(shù)，第一效的蒸發(fā)

27、因數(shù)，1kg1kg加熱蒸汽冷凝時放出的熱量所能加熱蒸汽冷凝時放出的熱量所能蒸發(fā)出溶液中的千克數(shù)蒸發(fā)出溶液中的千克數(shù),a,a1 111 1第一效的自蒸發(fā)系數(shù)，料液進(jìn)入蒸發(fā)器放出顯熱，引起第一效的自蒸發(fā)系數(shù)，料液進(jìn)入蒸發(fā)器放出顯熱，引起料液部分料液部分 水分汽化能力的大小水分汽化能力的大小10，TFt1放出顯熱促進(jìn)水的汽化放出顯熱促進(jìn)水的汽化10，TFt1需吸收顯熱，削弱了水需吸收顯熱，削弱了水的汽化的汽化1111)(PFCFDw1因存在熱損失對因存在熱損失對W1產(chǎn)生影響，第一效的熱利用因數(shù)產(chǎn)生影響，第一效的熱利用因數(shù)。1 10.980.98abWDWWWWbDaWbDaWbDaWDWDWWWCC

28、FDWWCCFDWPWPFPWPF1313321221111322133213322122321,)()(3.3.各效換熱面積各效換熱面積222111tKQStKQS例：在雙效順流蒸發(fā)設(shè)備中將番茄法從固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)例：在雙效順流蒸發(fā)設(shè)備中將番茄法從固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.3濃縮到濃縮到28，進(jìn)料流量，進(jìn)料流量1.39kg/s，沸點(diǎn)進(jìn)料，第一效沸點(diǎn)，沸點(diǎn)進(jìn)料，第一效沸點(diǎn)60，加熱蒸汽絕對壓力為加熱蒸汽絕對壓力為118kPa，冷凝器真空度為，冷凝器真空度為93kPa.第一效采第一效采用自然循環(huán)，總傳熱系數(shù)為用自然循環(huán)，總傳熱系數(shù)為900W.(m2K);第二效采用強(qiáng)制循環(huán)，第二效采用強(qiáng)制循環(huán)，總傳熱系數(shù)為

29、總傳熱系數(shù)為1800W.(m2K).除效間外，溫差損失可忽略不計。除效間外，溫差損失可忽略不計。試計算（試計算（1）蒸發(fā)量；（）蒸發(fā)量；（2）各效蒸發(fā)量；（）各效蒸發(fā)量；（3）加熱蒸汽耗量；）加熱蒸汽耗量；（4）單位蒸汽消耗量；（）單位蒸汽消耗量；（5）換熱面積。）換熱面積。解：總蒸發(fā)量解：總蒸發(fā)量skgxxFWpF/18. 1)283 . 41 (39. 1)1 (據(jù)已知條件，假定效間流動溫差損失為據(jù)已知條件，假定效間流動溫差損失為1K，查，查表，列出各熱參數(shù)值見表。表，列出各熱參數(shù)值見表。18. 104. 0)931. 098. 0(04. 0931. 098. 0104 . 7)98.

30、04180400039. 1 (98. 0)(98. 098. 01211261122122111111121DWWWDWDDWCFCDWDDFCDWPWPFpF)/(4000)043. 01 (4180)1 (/104 . 71023963 .425906322121KkgJxCCJkgKrTTFpwpF506. 018. 1597. 01WDeskgWskgWskgD/596. 004. 0597. 0931. 0/585. 0597. 098. 0/597. 0931. 098. 004. 018. 12112322222311111119 .45)3 .4259/p>

31、85. 05 .33)602 .104(900102230597. 0mtKQSmtKrDtKQSs換熱面積換熱面積單位蒸發(fā)消耗量單位蒸發(fā)消耗量11.2 冷凍濃縮冷凍濃縮 冷凍濃縮冷凍濃縮是利用是利用冰冰與與水水溶液之間的溶液之間的固液相固液相平衡原理的平衡原理的一種濃縮方法。一種濃縮方法。 將稀溶液中的水分凍結(jié)成冰晶將稀溶液中的水分凍結(jié)成冰晶，并去除這部分冰晶從，并去除這部分冰晶從而使溶液中的溶質(zhì)濃度得到提高。而使溶液中的溶質(zhì)濃度得到提高。 適用于熱敏性食品物料的濃縮，可避免芳香物質(zhì)因加適用于熱敏性食品物料的濃縮，可避免芳香物質(zhì)因加熱造成的揮發(fā)損失。已應(yīng)用于果汁、咖啡、果酒和乳品類熱造成的揮

32、發(fā)損失。已應(yīng)用于果汁、咖啡、果酒和乳品類液體食品的濃縮。液體食品的濃縮。 將某種液體在低溫（將某種液體在低溫（-10）下進(jìn)行冷卻，當(dāng)冷卻到某一）下進(jìn)行冷卻，當(dāng)冷卻到某一個階段（例如為個階段（例如為-10時），溶液中有晶核出現(xiàn)，此時，溶液時），溶液中有晶核出現(xiàn)，此時，溶液的濃度上升了，再繼續(xù)冷卻，當(dāng)溶液的濃度達(dá)到了無法濃縮的濃度上升了，再繼續(xù)冷卻，當(dāng)溶液的濃度達(dá)到了無法濃縮的濃度，這種濃度稱為的濃度，這種濃度稱為共晶濃度共晶濃度（或稱（或稱低共熔濃度低共熔濃度）. 將某種液體在共晶溫度以下（全部凍結(jié)），達(dá)到的濃縮濃將某種液體在共晶溫度以下（全部凍結(jié)），達(dá)到的濃縮濃度點(diǎn)稱為某種溶液的度點(diǎn)稱為某種溶

33、液的共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)（即（即低共熔點(diǎn)低共熔點(diǎn)），也就是說），也就是說共晶共晶點(diǎn)是指物料中水分完全凍結(jié)成冰晶時的溫度。點(diǎn)是指物料中水分完全凍結(jié)成冰晶時的溫度。 主主要缺點(diǎn)：要缺點(diǎn)：冷凍濃縮過程本身不具有殺菌滅酶作用，因此濃縮制品必須冷凍濃縮過程本身不具有殺菌滅酶作用，因此濃縮制品必須凍藏或再加熱處理，才能保存。凍藏或再加熱處理，才能保存。制品的濃度不僅受低共熔濃度限制，也受冰晶濃縮液分離的制品的濃度不僅受低共熔濃度限制，也受冰晶濃縮液分離的難易程度影響，一般而言，濃度越高，黏度也越大，分離也難易程度影響，一般而言，濃度越高，黏度也越大，分離也就越困難就越困難過程中會造成不可避免的溶質(zhì)損失，且成本高。

34、過程中會造成不可避免的溶質(zhì)損失，且成本高。11.2.2 冷凍濃縮操作原理冷凍濃縮操作原理 冷凍濃縮的溶液濃度必須低于最低共熔點(diǎn)濃度，且固相為冷凍濃縮的溶液濃度必須低于最低共熔點(diǎn)濃度，且固相為溶劑冰晶與溶液成平衡，而不是溶質(zhì)固體。溶劑冰晶與溶液成平衡，而不是溶質(zhì)固體。冰點(diǎn)下降冰點(diǎn)下降BcriBcrixRRTTxrRTT2020)1ln(對于稀溶液對于稀溶液Ti為冰點(diǎn)下降，為冰點(diǎn)下降，KR為氣體常數(shù)，為氣體常數(shù)，8.314kJ/kgkT0為水的溫度，為水的溫度，KxB為溶液的摩爾分?jǐn)?shù)為溶液的摩爾分?jǐn)?shù)rcr為結(jié)晶熱，為結(jié)晶熱，J/kgABEDT1T2FCx1x2Ti由于一般過程為由于一般過程為可逆的

35、等溫等壓可逆的等溫等壓過程，幫，過程，幫，rcr/T0=S結(jié)合結(jié)合溶液滲透壓的計算式可推得：溶液滲透壓的計算式可推得：0STiS為水轉(zhuǎn)化為冰的熵變，為水轉(zhuǎn)化為冰的熵變，J/（kgk）0為水的密度，為水的密度，kg/m3/Ti為滲透壓與冰點(diǎn)下降的比值，約為為滲透壓與冰點(diǎn)下降的比值，約為1.2106Pa/K 如果如果溶液由溶液由A點(diǎn)繼續(xù)冷卻到點(diǎn)繼續(xù)冷卻到C點(diǎn)，溫度為點(diǎn)，溫度為T2 ，此溶液為過，此溶液為過冷溶液，溫差（冷溶液，溫差（T1T2）稱為）稱為溶液的過冷度溶液的過冷度。 過冷度是不穩(wěn)定狀態(tài)的溶液，分為互相平衡的兩個相，即過冷度是不穩(wěn)定狀態(tài)的溶液，分為互相平衡的兩個相，即濃縮液相濃縮液相和和

36、冰晶相冰晶相。 圖中圖中B點(diǎn)為濃縮液，點(diǎn)為濃縮液，F(xiàn)點(diǎn)為冰晶，濃縮液濃度為點(diǎn)為冰晶，濃縮液濃度為x2，若原料，若原料液的總量為液的總量為F，冰晶量為，冰晶量為G，濃縮液量為，濃縮液量為S，則由物料的溶質(zhì)，則由物料的溶質(zhì)衡算：衡算：CFCBxxxSGSxxSG11221)(ABEDT1T2FCx1x2Ti 可利用一些管式、板式、攪拌夾套式的熱交換器和真空結(jié)可利用一些管式、板式、攪拌夾套式的熱交換器和真空結(jié)晶器、內(nèi)冷轉(zhuǎn)鼓式結(jié)晶器、帶式冷卻結(jié)晶器等各種設(shè)備。晶器、內(nèi)冷轉(zhuǎn)鼓式結(jié)晶器、帶式冷卻結(jié)晶器等各種設(shè)備。 一般冷凍過程的結(jié)晶有兩種形式：一種是一般冷凍過程的結(jié)晶有兩種形式：一種是層狀凍結(jié)層狀凍結(jié)，另

37、一，另一種是種是懸浮凍結(jié)懸浮凍結(jié)。1.層狀凍結(jié)層狀凍結(jié) 是一種單向凍結(jié)，在管式、板式以及轉(zhuǎn)鼓式、帶式設(shè)備中是一種單向凍結(jié)，在管式、板式以及轉(zhuǎn)鼓式、帶式設(shè)備中進(jìn)行。晶層依次沉積在先前由同一溶液形成的晶層之上。一進(jìn)行。晶層依次沉積在先前由同一溶液形成的晶層之上。一般為針狀或棒狀。般為針狀或棒狀。2.懸浮凍結(jié)懸浮凍結(jié) 在受攪拌的冰晶浮液進(jìn)行的。在受攪拌的冰晶浮液進(jìn)行的。11.2.3 冰晶濃縮液的分離冰晶濃縮液的分離懸浮液過濾，過濾床層為冰晶床（冰床），濾液即為濃縮液。懸浮液過濾，過濾床層為冰晶床（冰床），濾液即為濃縮液。220 xGSxFxGSFF進(jìn)料量，進(jìn)料量，kg/hX0進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)

38、S濃縮液量，濃縮液量，kg/hX2濃縮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃縮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)G冰晶量，冰晶量，kg/h單位質(zhì)量冰量所夾帶的濃縮液量單位質(zhì)量冰量所夾帶的濃縮液量由于夾帶損失的溶質(zhì)量與制品中溶質(zhì)量相比甚小，則由于夾帶損失的溶質(zhì)量與制品中溶質(zhì)量相比甚小，則2020 xxFSSxFx) 1()1 (02020202xxxxFSFSFxxFxxGr溶質(zhì)損失率溶質(zhì)損失率冰晶夾帶損失之溶質(zhì)量與原料液中原有溶質(zhì)質(zhì)冰晶夾帶損失之溶質(zhì)量與原料液中原有溶質(zhì)質(zhì)量之比量之比蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)：加熱室、分離器等蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)：加熱室、分離器等特點(diǎn)：溶液在蒸發(fā)器內(nèi)作連續(xù)的循環(huán)運(yùn)動，以提高傳熱效果、特點(diǎn)：溶液在蒸發(fā)器內(nèi)作連續(xù)的循環(huán)

39、運(yùn)動，以提高傳熱效果、 緩和溶液結(jié)垢情況。緩和溶液結(jié)垢情況。按加熱室的結(jié)構(gòu)和操作時溶液的流動情況分：按加熱室的結(jié)構(gòu)和操作時溶液的流動情況分：循環(huán)型（非膜式）和單程型（膜式）兩大類。循環(huán)型（非膜式）和單程型（膜式）兩大類。一、循環(huán)型（非膜式）蒸發(fā)器一、循環(huán)型（非膜式）蒸發(fā)器 分類（引起循環(huán)運(yùn)動的原因）：自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)分類（引起循環(huán)運(yùn)動的原因）：自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)l自然循環(huán)：由于溶液在加熱室不同位置上的受熱程度不同，自然循環(huán)：由于溶液在加熱室不同位置上的受熱程度不同，產(chǎn)生了密度差而引起的循環(huán)運(yùn)動；產(chǎn)生了密度差而引起的循環(huán)運(yùn)動；l強(qiáng)制循環(huán)：依靠外加動力迫使溶液沿一個方向作循環(huán)運(yùn)動。強(qiáng)制循環(huán)：依靠

40、外加動力迫使溶液沿一個方向作循環(huán)運(yùn)動。加熱室由垂直管束組成，加熱室由垂直管束組成，管束中央有一直徑較大管束中央有一直徑較大的管子。的管子。循環(huán)產(chǎn)生的原因：循環(huán)產(chǎn)生的原因：粗管粗管降液管或中央循環(huán)管，降液管或中央循環(huán)管，其截面積為加熱管總截面積其截面積為加熱管總截面積40100細(xì)管細(xì)管沸騰管或加熱管，直沸騰管或加熱管，直徑徑2575mm，長徑比長徑比2040 細(xì)管內(nèi)單位體積液體受細(xì)管內(nèi)單位體積液體受熱面大，受熱良好，致使細(xì)熱面大，受熱良好，致使細(xì)管內(nèi)汽液混和物比粗管內(nèi)小，管內(nèi)汽液混和物比粗管內(nèi)小，密度差促使溶液循環(huán)。密度差促使溶液循環(huán)。 此蒸發(fā)器為中央循環(huán)管蒸發(fā)器的此蒸發(fā)器為中央循環(huán)管蒸發(fā)器的改

41、進(jìn)。加熱蒸汽由中央蒸汽管進(jìn)入加改進(jìn)。加熱蒸汽由中央蒸汽管進(jìn)入加熱室，加熱室懸掛在器內(nèi)，可取出，熱室，加熱室懸掛在器內(nèi)，可取出，便于清洗及更換，便于清洗及更換，循環(huán)通道由加熱室循環(huán)通道由加熱室與蒸發(fā)器外殼壁面內(nèi)的環(huán)隙組成與蒸發(fā)器外殼壁面內(nèi)的環(huán)隙組成。優(yōu)點(diǎn)：（優(yōu)點(diǎn)：（1）溶液循環(huán)速度較高，）溶液循環(huán)速度較高，約在約在11.5m/s之間；之間； （2）改善了加熱管內(nèi)結(jié)）改善了加熱管內(nèi)結(jié)垢情況，并提高了傳熱速率。垢情況，并提高了傳熱速率。缺點(diǎn)：設(shè)備耗材量大，占地面缺點(diǎn)：設(shè)備耗材量大，占地面大，加熱管內(nèi)溶液滯留量大。大，加熱管內(nèi)溶液滯留量大。該蒸發(fā)器適用該蒸發(fā)器適用蒸發(fā)有晶體析出蒸發(fā)有晶體析出的的溶液。

42、溶液。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 由于循環(huán)管內(nèi)的溶液未受由于循環(huán)管內(nèi)的溶液未受蒸汽加熱，其密度較加熱管蒸汽加熱，其密度較加熱管內(nèi)大，因此形成溶液沿循環(huán)內(nèi)大，因此形成溶液沿循環(huán)管下降而沿加熱管上升的循管下降而沿加熱管上升的循環(huán)運(yùn)動，循環(huán)速度可達(dá)環(huán)運(yùn)動，循環(huán)速度可達(dá)1.5m/s。加熱室較長，其長徑比為加熱室較長，其長徑比為50100；加熱室和分離室分開。加熱室和分離室分開。 物料的運(yùn)動：物料的運(yùn)動：優(yōu)點(diǎn)：利用外加動力（泵）優(yōu)點(diǎn)：利用外加動力（泵）進(jìn)行循環(huán)，適于處理粘度大，進(jìn)行循環(huán)，適于處理粘度大，易結(jié)晶或易結(jié)垢的溶液。易結(jié)晶或易結(jié)垢的溶液。缺點(diǎn)：動力消耗大，通常為缺點(diǎn)：動力消耗大，通常為0.40.8kw/（m2傳熱面），使傳熱面），使