第8章-溶液濃縮課件

第8章溶液濃縮張莉莉教工編號070541主要內(nèi)容第一節(jié)蒸發(fā)第二節(jié)冷凍濃縮本章重點(diǎn)和難點(diǎn)2本章重點(diǎn)和難點(diǎn)掌握蒸發(fā)濃縮的操作原理、特點(diǎn)及其工藝計(jì)算方法；了解多效蒸發(fā)流程及計(jì)算原理；熟悉單效真空工藝設(shè)備的配置。結(jié)晶的過程與影響因素冷凍濃縮的原理3溶液濃縮是從溶液中除去部分溶劑的單元操作，是溶質(zhì)和溶劑部分分離的過程。溶液濃縮4第一節(jié)蒸發(fā)5一、蒸發(fā)過程概述1、蒸發(fā)的概念使含有不揮發(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蒸發(fā)，所用的設(shè)備稱為蒸發(fā)器。蒸發(fā)操作廣泛應(yīng)用于化工、輕工、制藥、食品等許多工業(yè)中。6閃蒸？分離的基礎(chǔ)：

溶質(zhì)與溶劑的揮發(fā)性不同。7凈化溶劑（脫除溶質(zhì)，制取純凈的溶劑）2、蒸發(fā)操作的目的溶液濃縮（脫除溶劑，制取濃縮液）同時制備濃溶液和回收溶劑8工業(yè)上被蒸發(fā)的溶液多為水溶液，本章的討論僅限于水溶液的蒸發(fā)。原則上，水溶液蒸發(fā)的基本原理和設(shè)備對其它液體的蒸發(fā)也是適用的。9主體設(shè)備——蒸發(fā)器

由加熱室和分離室兩部分組成。1.加熱室2.分離室3.混合冷凝器

4.分離器5.緩沖罐6.真空泵3、蒸發(fā)流程生蒸汽：從系統(tǒng)外引來用作

加熱的水蒸汽二次蒸汽

：蒸發(fā)操作中產(chǎn)生的蒸汽料液加熱介質(zhì)（飽和水蒸汽）分離室完成液蒸汽101112生蒸汽？二次蒸汽？4、蒸發(fā)過程的分類大多數(shù)無特殊要求的溶液：常壓、加壓或減壓熱敏性料液（抗生素溶液、果汁等的蒸發(fā)等）：為保證產(chǎn)品質(zhì)量，需在減壓條件下進(jìn)行。（1）常壓蒸發(fā)、加壓蒸發(fā)和減壓（真空）蒸發(fā)12根據(jù)二次蒸汽是否用作另一蒸發(fā)器的加熱蒸汽。單效蒸發(fā)——將二次蒸汽直接冷凝，不再利用

其冷凝熱的蒸發(fā)操作。

多效蒸發(fā)——將前一效的二次蒸汽引入下一效

（蒸發(fā)器）作為加熱熱源的串聯(lián)蒸

發(fā)操作。（2）單效蒸發(fā)與多效蒸發(fā)1314加熱室分離室加熱室分離室加熱室分離室額外蒸發(fā)

多效蒸發(fā)中，將某一效的二次蒸汽引出一部分用作其它加熱目的的蒸汽（這部分蒸汽不再引入下一效）。

15加熱室分離室加熱室分離室額外蒸發(fā)（3）間歇蒸發(fā)與連續(xù)蒸發(fā)根據(jù)蒸發(fā)的過程模式。間歇蒸發(fā)——分批進(jìn)料或出料的蒸發(fā)操作；非穩(wěn)態(tài)操作；適合于小規(guī)模多品種的場合。連續(xù)蒸發(fā)適合于大規(guī)模的生產(chǎn)過程。16蒸發(fā)：熱量傳遞過程，傳熱速率是蒸發(fā)過程的控制因素；蒸發(fā)所用的設(shè)備屬于熱交換設(shè)備與一般的傳熱過程比較，蒸發(fā)過程具有自身的特點(diǎn)5、蒸發(fā)操作的特點(diǎn)17（1）傳熱性質(zhì)蒸汽冷凝——溶液沸騰；壁面兩側(cè)均為有相變的恒溫傳熱過程。（2）溶液沸點(diǎn)的改變?nèi)芤簼舛仍龈?，沸點(diǎn)亦增高；變溫差傳熱（3）溶液性質(zhì)晶體析出、結(jié)垢、產(chǎn)生泡沫，高溫分解或聚合；粘度增大，腐蝕性增強(qiáng)。18加熱室分離室（5）能源利用二次蒸氣的潛熱利用（4）泡沫夾帶損失物料，污染冷凝設(shè)備；冷凝前需去除泡沫。19加熱室分離室二、單效蒸發(fā)1、溶液的沸點(diǎn)和溫度差損失溶液的沸點(diǎn)升高：在一定壓強(qiáng)下，溶液的沸點(diǎn)比純水的高，兩者之差稱為溶液的沸點(diǎn)升高。溶液的沸點(diǎn)由壓強(qiáng)、溶液濃度和溶液性質(zhì)所決定。20一般稀溶液或有機(jī)膠體溶液的沸點(diǎn)升高值較小，無機(jī)鹽溶液沸點(diǎn)升高較大。對于同一溶液，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，液柱越高，沸點(diǎn)升高值越大。沸點(diǎn)升高現(xiàn)象對蒸發(fā)操作的有效溫度差不利。21假設(shè)t1——溶液的沸點(diǎn)，℃Ts——加熱蒸汽的飽和溫度，℃

TV——與溶液壓強(qiáng)相等時水的沸點(diǎn)，

即二次蒸氣的飽和溫度，℃溶液的沸點(diǎn)升高=總溫差Δt0=

有效溫差Δt=

22t1-TvTs-Tv

Ts-

t1蒸發(fā)器的溫度差損失Δt0TVTSt1溶液的沸點(diǎn)升高23Δ=Δt0-Δt=(Ts-Tv)-(Ts-

t1)

=t1-Tv因溶液蒸氣壓下降而引起的溫度差損失Δ’因加熱管內(nèi)液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失Δ’’因管路流動阻力而引起的溫度差損失Δ’’’引起溫度差損失Δ的原因主要有三個：Δ=Δ’+Δ’’+Δ’’’總溫度差損失24因溶液蒸氣壓下降而引起的溫度差損失Δ’Δ’的計(jì)算有兩種方法Δα’－常壓下溶液的沸點(diǎn)升高℃Tv－某壓力下水的沸點(diǎn)溫度℃r

－某壓力下水的汽化熱J/kg食品料液的Δα’可近似用糖液的數(shù)據(jù)代替。在食品工業(yè)上，Δ′不大。a.用吉辛柯公式：25b.應(yīng)用杜林規(guī)則：杜林規(guī)則指出溶液的沸點(diǎn)和相同壓強(qiáng)下，溶劑沸點(diǎn)之間呈線性關(guān)系。因此，只要有了杜林線（即t=ktW+b），即可求得不同濃度、壓強(qiáng)下的溶液沸點(diǎn)。NaOH水溶液的杜林線圖262728hP因加熱管內(nèi)液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失Δ’’加熱管內(nèi)積有一定高度的液層，液層內(nèi)壓強(qiáng)大于液體表面壓強(qiáng)，因此液層內(nèi)部的沸點(diǎn)高于液面的沸點(diǎn)，兩者之差即Δ″。Pm=P+ρgh/2（P：液面上方的壓強(qiáng)Pa）Δ’’=Tm－T（Tm,T：Pm和P下的沸點(diǎn)℃）通常以液層中部的平均壓強(qiáng)Pm

及相應(yīng)的沸點(diǎn)Tm為準(zhǔn)一般Tm和T可直接由Pm和P下查水的飽和溫度（即水的沸點(diǎn)）。29例

在中央循環(huán)管蒸發(fā)器內(nèi)，蒸發(fā)25%核桃漿，已測得二次蒸汽的絕對壓強(qiáng)為40kPa。加熱管內(nèi)液層深度為2.3m，溶液平均密度為1200kg/m3.試求因溶液靜壓強(qiáng)引起的溫度差損失及溶液的沸點(diǎn)。已知操作條件下因溶液蒸汽壓下降引起的溫度差損失為6.25℃。3031因管路流動阻力而引起的溫度差損失Δ’’’二次蒸汽由分離器到冷凝器的流動中，多效蒸發(fā)中二次蒸汽由前效經(jīng)管路送至下效作為加熱蒸汽，因管道流動阻力使其壓強(qiáng)稍有降低，溫度也相應(yīng)下降，一般約降1℃。這種損失即為Δ’’’。Δ’’’一般取效間二次蒸汽溫度下降1℃，末效或單效蒸發(fā)器至冷凝器間下降1~1.5℃。32Δ=Δ’+Δ’’+Δ’’’總溫度差損失需要注意的是：對于單效蒸發(fā)，若指定的是蒸發(fā)器內(nèi)的操作壓強(qiáng)，則△’’’不計(jì)入溫度差損失中。33例：用連續(xù)真空蒸發(fā)器將桃漿從含固形物11％濃

縮至40％。蒸發(fā)器內(nèi)真空度為93kPa，液層深度為2m，加熱蒸汽絕對壓力為0.1MPa的飽和蒸汽，桃漿的密度為1180kg/m3.求溫差損失及蒸發(fā)器的有效溫差及溶液的沸點(diǎn)。34解：蒸發(fā)器內(nèi)的絕對壓強(qiáng)為101-93＝8kPa，對應(yīng)的沸點(diǎn)Tv為41.3℃，汽化熱r=2.40MJ/kg取料液濃度為制品濃度40％，參考糖液數(shù)據(jù)，

Pm=P+ρgh/2=8+1.180×9.81×2/2=19.6kPaTm=59.6℃Δ″=59.6-41.3=18.3℃計(jì)算Δt計(jì)算Δ″④計(jì)算t1

t1=TS-Δt或t1=TV+Δ=60.3℃35在單效中央循環(huán)管蒸發(fā)器內(nèi)，將10%番茄醬濃縮到25%，分離室絕對壓強(qiáng)為15kPa，番茄醬在蒸發(fā)器加熱管內(nèi)的液層高度為1.6m，操作條件下溶液的密度約為1230kg/m3，試求溶液的溫度差損失和溶液的沸點(diǎn)。36作業(yè)題1F—原料液流量，kg/h；W—二次蒸汽流量，kg/h；P—完成液流量，kg/h；xF—原料液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；xP—完成液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；D—加熱蒸汽耗量，kg/h；HS—加熱蒸汽的焓，J/kg；hF—原料液的焓，J/kg；HV—二次蒸汽的焓，J/kg；hS—蒸汽冷凝液的焓，J/kg；hP—完成液的焓，J/kg；QL—蒸發(fā)器的熱損失，J/h。加熱室蒸發(fā)室D,TS,HSP,xPt1,hPW,TV,HVF,TFxF,hFD,TS,hSQL372、單效蒸發(fā)的計(jì)算已知項(xiàng)目：F、xF、TF、xP、PS或TS

、PV或TV計(jì)算項(xiàng)目：W或P、D、A通過物料衡算、熱量衡算和傳熱速率方程計(jì)算！溶質(zhì)物料衡算

蒸發(fā)量W加熱室蒸發(fā)室F,x0,t0,h0D,TS,HSW,T’,H’P,xPt1,hPW,TV,HVF,TFxF,hFD,TS,hSQL38FxF=PxP=(F－W)xP進(jìn)入系統(tǒng)的熱流量=離開系統(tǒng)的熱流量+熱量損失蒸發(fā)器的熱量衡算加熱室蒸發(fā)室F,x0,t0,h0D,TS,HSW,T’,H’P,xPt1,hPW,TV,HVF,TFxF,hFD,TS,hSQL39由于食品生產(chǎn)中的溶液大多為有機(jī)溶液，稀釋熱很小，可略去不計(jì)，則溶液的焓可用比熱容計(jì)算，取0℃的液體的焓值為零，則有：rSrV代入熱量衡算公式rs：加熱蒸氣的汽化熱,J/kg；rv：二次蒸氣的汽化熱,J/kg；CpF：原料液的比熱容

J/(kg.k)；Cpw：水的比熱容J/(kg.k)；t1：溶液的沸點(diǎn)蒸發(fā)器的熱負(fù)荷？40蒸發(fā)水分將原料液加熱到沸點(diǎn)向周圍的熱損失若原料液在沸點(diǎn)下進(jìn)入蒸發(fā)器且忽略熱損失，則e：蒸發(fā)1kg水分加熱蒸氣的消耗量，稱為單位蒸氣耗量，kg/kg由于蒸汽的汽化熱隨壓強(qiáng)的變化不大，單效蒸發(fā)操作中e≈1，即蒸發(fā)1kg的水約需1kg的加熱蒸汽。實(shí)際操作中有熱損失，e>1，為1.1或稍多一些。41傳熱面積A0——傳熱速率方程蒸發(fā)器的傳熱面積由傳熱速率公式計(jì)算，即：A0——蒸發(fā)器的傳熱外表面積，m2K0——基于外表面積的總傳熱系數(shù)；kw/(m2?℃)Δtm——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，kw。42蒸發(fā)過程中，加熱兩側(cè)流體均處于恒溫、變相狀態(tài)Δtm=Ts-t

1

Ts——加熱蒸汽的溫度，℃；t1——溶液的沸點(diǎn)溫度，℃。a.平均溫度差Δtm43a——對流傳熱系數(shù)，W/(m2?℃)d——管徑，mRi——垢層熱阻，m2?℃/Wb——管壁厚度，mλ——管材的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?℃)下標(biāo)i表示管內(nèi)側(cè)、o表示外側(cè)、m表示平均。b.基于傳熱外面積的總傳熱系數(shù)K0溶液的性質(zhì)、蒸發(fā)器的操作條件、蒸發(fā)器的類型等44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：

Q=Dr

Sc.蒸發(fā)器的熱負(fù)荷Q45例：穩(wěn)態(tài)下在單效蒸發(fā)器中濃縮蘋果汁。已知原料溫度43.3℃，濃度11％，比熱容3.9kJ/kg·K，進(jìn)料流量0.67kg/s，蒸發(fā)室沸點(diǎn)溫度60.1℃，完成液濃度75％。加熱蒸汽絕對壓力為300kPa。加熱室外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為943w/m2.k，蒸汽為飽和冷凝，忽略能量損失。計(jì)算:1.蒸發(fā)量和完成液流量2.加熱蒸汽消耗量3.單位蒸汽消耗量4.蒸發(fā)器的換熱面積46解：3.單位蒸氣消耗量

4.蒸發(fā)器換熱面積1.2.4748hαv493、蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度指單位時間內(nèi)蒸發(fā)的水量，其單位為kg/h。大小由蒸發(fā)器的傳熱速率Q來決定。Q=KAΔt=KA(Ts-t1)A.蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力50蒸發(fā)水分將原料液加熱到沸點(diǎn)向周圍的熱損失原料液進(jìn)入蒸發(fā)器溫度傳熱面所傳遞熱量用途蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力沸點(diǎn)下進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)水分生產(chǎn)能力和傳遞速度成比例低于沸點(diǎn)下進(jìn)入蒸發(fā)器將冷溶液加熱至沸點(diǎn)降低了生產(chǎn)能力高于沸點(diǎn)下進(jìn)入蒸發(fā)器部分原料液的自動蒸發(fā)有所增加51B.蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度指單位時間內(nèi)單位傳熱面積上所蒸發(fā)的水量。U=W/A生產(chǎn)強(qiáng)度是衡量蒸發(fā)器性能的標(biāo)準(zhǔn)。對于給定的蒸發(fā)量而言，生產(chǎn)強(qiáng)度越大，則所需的傳熱面積越小，因而蒸發(fā)設(shè)備的投資越小。

52沸點(diǎn)進(jìn)料且忽略熱損失Q=Wrv=KAΔtU=KΔt/rv提高蒸發(fā)強(qiáng)度的基本途徑是提高總傳熱系數(shù)K和傳熱溫度差Δt（溶液的沸點(diǎn)降低，粘度增加，K下降）（工廠供氣條件有限）傳熱溫度差的提高是有限制的。

傳熱溫度差Δt取決于加熱蒸汽和冷凝器中二次蒸汽的壓強(qiáng)。

加熱蒸汽壓強(qiáng)越高，飽和溫度越高冷凝器中真空度的提高，溶液沸點(diǎn)降低53總傳熱系數(shù)K取決于兩側(cè)對流傳熱系數(shù)和污垢熱阻。冷凝的傳熱系數(shù)α0通常總比沸騰傳熱系數(shù)αi大，即傳熱總熱阻中，蒸汽冷凝側(cè)的熱阻較小。當(dāng)蒸發(fā)結(jié)垢和有結(jié)晶析出的溶液時，污垢熱阻是影響總傳熱系數(shù)的重要因素（定期清洗，采用減小垢層熱阻的其它措施，在溶液中加入晶種或微量阻垢劑等）。管內(nèi)溶液側(cè)沸騰傳熱系數(shù)αi是影響總傳熱系數(shù)的主要因素。54例：在單效薄膜蒸發(fā)器內(nèi)，將番茄汁從固形物含量12%濃縮到28%。番茄汁已預(yù)熱到最高許可溫度60℃后進(jìn)料。采用表壓為70kpa的飽和水蒸氣加熱。設(shè)蒸發(fā)器傳熱面積為0.4m2，傳熱系數(shù)為1500w/(m2.k)，試近似估算蒸汽消耗量和原料液流量。55解：表壓為70kpa，則絕對壓強(qiáng)為171.3kpa。在此絕對壓強(qiáng)下，查得加熱蒸汽飽和溫度為114.5℃，氣化潛熱為2210kJ/kg，由傳熱速率公式則蒸汽消耗量為

D=Q/rs=32700/(2210×103)=0.0148kg/s查得60℃下水的氣化潛熱為2340KJ/kg，則蒸發(fā)量為：W=Q/rv=32700/(2340×103)=0.014kg/s原料液流量為：F=W/(1-xF/xP)=0.014/(1-12/28)=0.0245kg/sW56作業(yè)題2：核桃漿以65kg/h的流量進(jìn)入連續(xù)真空蒸發(fā)器進(jìn)行濃縮。進(jìn)料溫度為16℃固形物含量為10.9%。產(chǎn)品排出溫度為40℃，固形物含量為40%。二次蒸汽在間壁式冷凝器中冷凝，離開冷凝器的二次蒸汽冷凝水溫度為38℃。進(jìn)冷凝器的冷卻水溫度為21℃，離開時為29.5℃，熱量損失忽略不計(jì)。試求：（1）生產(chǎn)產(chǎn)品和二次蒸汽冷凝水的流量；（2）采用121℃蒸汽供熱時的蒸汽消耗量；（3）進(jìn)冷凝器的冷卻水流量。核桃漿進(jìn)料比熱容可取為3.9kJ/(kg·K)，冷卻水比熱容取為4.187kJ/(kg·K)57作業(yè)題3：在單效蒸發(fā)器中，每小時將10000kg的糖溶液從5%濃縮到25%。原料液溫度為40℃。分離室的真空度為60kPa，加熱蒸汽表壓為30kPa。蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)為2000W/(m2·℃)，熱損失很小可以略去不計(jì)。試求蒸發(fā)器的傳熱面積及加熱蒸汽消耗量。設(shè)液柱靜壓強(qiáng)引起的溫度差損失可以忽略。當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為101.33kPa。58作業(yè)題4：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，對某糖類真空蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)進(jìn)行實(shí)際測定。蒸發(fā)器內(nèi)料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，密度為1220kg/m3。加熱蒸汽的絕對壓強(qiáng)為0.2MPa，分離室內(nèi)真空度為80kpa。蒸發(fā)器內(nèi)液層高度為2.8m。沸點(diǎn)進(jìn)料，經(jīng)3h試驗(yàn)后得蒸發(fā)的水分量為2.7×104kg。已知蒸發(fā)器傳熱面積為100m2，假定熱損失為總傳熱量的2%，試求傳熱系數(shù)。59三、多效蒸發(fā)背景——單效蒸發(fā)時，e>1，即每蒸發(fā)1kg水需消耗不少于1kg的加熱蒸汽。對于大規(guī)模的工業(yè)蒸發(fā)過程，如果采用單效操作必然消耗大量的加熱蒸汽，這在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。工業(yè)上多采用多效蒸發(fā)操作。60多效蒸發(fā)

將前一效的二次蒸汽引入下一效（蒸發(fā)器）作為加熱熱源的串聯(lián)蒸發(fā)操作。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)約生蒸汽的用量，即提高了經(jīng)濟(jì)效益。61多效蒸發(fā)時要求各效的操作壓強(qiáng)（溫度）自第一效（生蒸汽加入的一效）至末效逐效降低。（1）操作原理62效數(shù)單效雙效三效四效五效理論最小值11/21/31/41/5實(shí)際最小值1.10.570.40.30.27節(jié)省蒸汽量，效數(shù)，能耗，操作費(fèi)但是，效數(shù)增加，設(shè)備費(fèi)用都成倍增大（合理的效數(shù)）。若原料液在沸點(diǎn)下進(jìn)入蒸發(fā)器，并忽略熱損失、各種溫度差損失以及在不同壓強(qiáng)下汽化熱的差別，則理論上，單效的D/W≈1，雙效的D/W≈1/2，三效的D/W≈1/3,…，n效的D/W≈1/n。63（2）多效蒸發(fā)流程按溶液與蒸汽相對流向的不同，多效蒸發(fā)有3種常見的加料流程（模式）：逆流：溶液與蒸汽的流向相反。順流：溶液與蒸汽的流向相同。平流：每一效都加入原料液。64蒸汽和料液的流動方向一致，均從第一效流至末效。

順流法（并流法）蒸汽流動方向：溶液流動方向：原料液加熱蒸汽冷凝器

完成液123冷凝水冷凝水冷凝水1→2→31→2→365順流法的優(yōu)點(diǎn)：p1>p2>p3，料液可借此壓強(qiáng)差自動地流向后一效而無須泵送；t1>t2>t3

，溶液由前一效流入后一效處于過熱狀態(tài)會放出溶液的過熱量形成自蒸發(fā)，可產(chǎn)生更多的二次蒸汽，因此第三效的蒸發(fā)量最大。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。66順流法的缺點(diǎn)：μ3>μ2>μ1μ3>μ2>μ1這兩個因素使得后一效粘度較前一效雙倍提高，傳熱系數(shù)K

，整個系統(tǒng)的蒸發(fā)能力降低。因此，若遇到溶液的μ隨濃度w的增加而增加很快的情況，順流流程就不適用，此時可用逆流流程。溶液濃度w3>w2>w1，w，μ溶液溫度T1>T2>T3，t，μ67優(yōu)點(diǎn)：w、T對μ的影響大致抵消，各效的K基本不變。缺點(diǎn)：p1>p2>p3料液從后效往前一效要用泵輸送；無自蒸發(fā)，所需熱量大；高溫加熱面上易引起結(jié)焦和營養(yǎng)物的破壞。

逆流法w1>w2>w3，w，μT1>T2>T3

，t，μμ1>μ2>μ3μ1<μ2<μ3原料液加熱蒸汽至冷凝器完成液123冷凝水冷凝水冷凝水蒸汽流動方向：溶液流動方向：1→2→33→2→168各效分別進(jìn)料并分別出料，二次蒸汽多次利用。

平流法原料液加熱蒸汽至冷凝器完成液123冷凝水冷凝水冷凝水完成液完成液對易結(jié)晶的物料較合適（因?yàn)榻Y(jié)晶體不便在效與效之間輸送）。69（3）多效蒸發(fā)的溫差分配多效蒸發(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，各效有效溫差之和∑△ti必小于總溫差△t0。其總差值為總溫差損失∑△i

?！鱰i：第i效的有效傳熱溫差?！鱥：第i效的溫差損失。△i=Δ’+Δ’’+Δ’’’△t：有效總溫差∑△ti

=△t0

－∑△i=△t70有效總溫差確定之后，此溫差必須分配到各效，并滿足各效的換熱基本方程。實(shí)際中，將有效總溫差△t分配到各效，除總的應(yīng)滿足△t=∑△ti

及各效滿足其換熱方程之外，還應(yīng)另加特定的限制原則。71a.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，72b.各效等壓原則設(shè)ps為首效加熱蒸汽壓力，pc為冷凝器內(nèi)壓力，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為△p1，△p2…，則按此原則，各效壓力差應(yīng)符合下式：可依次確定各效分離室的壓力以及對應(yīng)的飽和溫度。73c.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)量可按一定比例設(shè)計(jì)。例如對三效順流蒸發(fā)，可按下列比例：

由總蒸發(fā)量及上述比例，可確定各效蒸發(fā)量，則可計(jì)算各效料液的濃度，從而進(jìn)一步算出溶液沸點(diǎn)，則可得到溫差分配結(jié)果。74（4）多效蒸發(fā)的計(jì)算多效蒸發(fā)計(jì)算中，已知條件是：原料液的流量、組成和溫度，加熱蒸汽（生蒸汽）的壓強(qiáng)或溫度，冷凝器的真空度或溫度，末效完成液的組成等。需要計(jì)算的項(xiàng)目是：加熱蒸汽的消耗量、各效的蒸發(fā)量、各效的傳熱面積。解決方法仍采用物料衡算、熱量衡算和傳熱速率方程三個基本方程式。多效蒸發(fā)中，效數(shù)越多，變量的數(shù)目越多。通常對其作一些簡化和假定，然后用試差法進(jìn)行計(jì)算。75QL1加熱室分離室D1,TS1,HS1,rS1P1,xP1t1,hP1W1,TV1,HV1，rV1F,TFxF,hFD1,TS1,hS1加熱室分離室Dn,TSn,HSn,rSnPn,xPntn,hPnWn,TVn,HVn,rVnDn,TSn,hSnQLnD2,TS2,HS2,rS2加熱室分離室P2,xP2t2,hP2W2,TV2,HV2,rV2D2,TS2,hS2QL276a.多效蒸發(fā)的物料衡算（以順流為例）對蒸發(fā)系統(tǒng)作溶質(zhì)的衡算，得對任一效作溶質(zhì)衡算，得77b.多效蒸發(fā)的熱量衡算第一效的熱量衡算式：對第二效有：78對第n效有：對第3效有：79其中，ai——第i效的熱損失占第i效總傳熱量的%一般可取a1=a2=…=ai=…=an=2~480當(dāng)無額外蒸汽引出時，D2=W1D3=W2…Dn=Wn-1如果各效內(nèi)溶液溫度ti已知，則可由以上2n個方程求出2n個未知數(shù)，D1~Dn，W1~Wn81c.各效換熱面積82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28％，進(jìn)料流量1.39kg/s，沸點(diǎn)進(jìn)料，第一效沸點(diǎn)60℃，加熱蒸汽絕對壓力為118kPa，冷凝器真空度為93.3kPa.第一效采用自然循環(huán)，總傳熱系數(shù)為900W/(m2·K);第二效采用強(qiáng)制循環(huán)，總傳熱系數(shù)為1800W/(m2·K).除效間外，溫差損失可忽略不計(jì)。試計(jì)算（1）總蒸發(fā)量；（2）各效蒸發(fā)量；（3）加熱蒸汽耗量；（4）單位蒸汽消耗量；（5）換熱面積。（假設(shè)各效的熱損失為傳熱量的2%）83假定效間流動溫差損失為1KQL1加熱室分離室D1,TS1,HS1,rS1P1,xP1t1,hP1W1,TV1,HV1，rV1F,TFxF,hFD1,TS1,hS1D2,TS2,HS2,rS2加熱室分離室P2,xP2t2,hP2W2,TV2,HV2,rV2D2,TS2,hS2QL284解：根據(jù)物料衡算即(1)總蒸發(fā)量對第一效熱衡算，有：(2)同理，對第二效熱衡算，有：(3)無額外蒸汽引出：D2=W1(4)85蒸汽壓強(qiáng)（kPa）溫度（℃）汽化熱（kJ/kg）第1效加熱蒸汽118第1效二次蒸汽60第2效加熱蒸汽第2效二次蒸汽進(jìn)冷凝器蒸汽8.0各熱參考值104.25942.341.322302355235723962398（19.9）（19.8）（8.6）加熱蒸汽耗量和各效蒸發(fā)量據(jù)已知條件，效間流動溫差損失為1K，查飽和水蒸氣表，列出各熱參數(shù)值見下表。86方程(1)(2)(3)(4)聯(lián)立，代入數(shù)值可解得：W1=D2=0.589kg/s，W2=0.591kg/s，D1=0.634kg/s溶液的比熱=溶質(zhì)的比熱×溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)+溶劑的比熱×溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，當(dāng)溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)<20%時，可忽略溶質(zhì)的比熱×溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，所以初始料液的比熱為：單位蒸汽耗量：e=D1/W=0.634/1.18=0.537第一效傳熱面積：A1=Q1/K1△t1=D1rs1/K1(TS-t1)=35.5m2第二效傳熱面積：A2=Q2/K2△t2=D2rs2/K1(t1-t2)=46.2m287作業(yè)題5：在雙效順流蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)1t/h，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的某溶液。溶液在第一效的出口濃度為15%，第二效出口的最終濃度為30%。第一效內(nèi)的沸點(diǎn)為108℃，第二效內(nèi)為75℃。第二效二次蒸汽的絕對壓強(qiáng)為30kPa。已知15%溶液的比熱容為3.56kJ/kg·K。試求（1）料液在第二效中自蒸發(fā)的水量；（2）此水分量占總水分蒸發(fā)量的百分比。88（5）多效蒸發(fā)與單效蒸發(fā)的比較1、溶液的溫度差損失多效蒸發(fā)的溫度差損失較單效蒸發(fā)時為大。效數(shù)越多，溫度差損失越大。單效、二效和三效蒸發(fā)器裝置中的溫度差損失892、加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性多效蒸發(fā)旨在通過二次蒸汽的再利用，提高加熱蒸汽的利用程度，從而降低能耗設(shè)單效蒸發(fā)與n效蒸發(fā)所蒸發(fā)的水量相同，則在理想情況下，單效蒸發(fā)時單位蒸汽用量為D/W=1，而n效蒸發(fā)時D/W=1/n（kg蒸汽/kg水）效數(shù)越多，單位蒸汽的消耗量越小，相應(yīng)的操作費(fèi)用越低若需蒸發(fā)大量的水分，宜采用多效蒸發(fā)。903、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力即蒸發(fā)量與蒸發(fā)器的傳熱速率成正比，設(shè)各效蒸發(fā)器的傳熱面積相等、各效傳熱系數(shù)亦相等，則：單效——Q=KA△t，U=Q/A多效——Q=Q1+Q2+Q3…+Qn

=KA(△t1+△t2+△t3+…+△tn)=KA∑△tU=Q/nA91設(shè)操作條件即加熱蒸汽壓力、冷凝器操作壓力以及原料與完成液濃度均相同，無溫度差損失，則二者生產(chǎn)能力大致相同。實(shí)際上，由于多效蒸發(fā)的溫度差損失較大，因此，多效蒸發(fā)時的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度均較單效時小。采用多效雖可提高經(jīng)濟(jì)效益（加熱蒸汽的利用率），但降低了生產(chǎn)強(qiáng)度，其經(jīng)濟(jì)性的提高是以增加設(shè)備費(fèi)為代價(jià)的。924、多效蒸發(fā)中的效數(shù)限制及最佳效數(shù)

傳熱的有效溫差不能小于5~7℃。

隨著效數(shù)的增加，每效分配到的有效溫差將逐漸減小，但不能小于此值。溶液的沸點(diǎn)升高（即溫度差損失）大，采用的效數(shù)少，例如NaOH溶液，一般用2~3效；溶液的沸點(diǎn)升高小，采用的效數(shù)多，如糖水溶液的蒸發(fā)用4~6效，海水淡化的溫度差損失為零，蒸發(fā)裝置可達(dá)20~30效之多。93

①效數(shù)，單位蒸汽的耗量，操作費(fèi)用；②效數(shù)，設(shè)備投資費(fèi)。

③盡管(D/W)min隨效數(shù)的增加而降低，但降低的幅度越來越小蒸發(fā)的適宜效數(shù)應(yīng)根據(jù)設(shè)備費(fèi)與操作費(fèi)之和為最小的原則權(quán)衡確定。效數(shù)的確定

94料液蒸發(fā)溫度的安全限制第一效不能使用溫度過高的加熱蒸汽，因此限制了效數(shù)的增加。一般對于食品物料的蒸發(fā)，最常用的是2~3效。95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）蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)：加熱室、分離室等單程型（膜式）四、蒸發(fā)設(shè)備△’’可忽略不計(jì)96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、緩和溶液結(jié)垢情況。1、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)：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；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。97（1）夾層鍋98蒸發(fā)器的底層是夾層，夾層內(nèi)通入加熱蒸汽。夾層鍋有多種型式，最常見的為半球形殼體上加一段圓柱形殼體的可傾式夾層鍋。由于是夾套作傳熱面，因此傳熱面積有限，傳熱系數(shù)較低，往往通過攪拌來提高其傳熱系數(shù)。傳熱溫度差不宜大，否則會導(dǎo)致產(chǎn)品變質(zhì)或結(jié)垢，一般用于物料黏度高、處理批量小，需要較好混合的場合。加熱室由垂直管束組成，管束中央有一直徑較大的管子。循環(huán)產(chǎn)生的原因：細(xì)管內(nèi)單位體積液體受熱面大，受熱良好，致使細(xì)管內(nèi)汽液混和物比粗管內(nèi)小，密度差促使溶液循環(huán)。（2）中央循環(huán)管式（或標(biāo)準(zhǔn)式）蒸發(fā)器99中央循環(huán)管蒸發(fā)器的改進(jìn)。加熱蒸汽由中央蒸汽管進(jìn)入