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《食工原理》第六章_物料浓缩___第二节_蒸发.ppt

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《食工原理》第六章_物料浓缩___第二节_蒸发.ppt
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蒸 发,,成 员:秦开心林志华左雄锋吴 斌田道道朱 雯吴婷婷朱小琼苏晓杰李冬梅,蒸发,使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气,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。 一、蒸发操作的目的 1.将稀溶液浓缩直接得到液体产品;如:果汁、烧碱溶液的制取等; 2.制取或回收纯溶剂;如:海水淡化; 3.同时制取浓缩液和回收溶剂。,,蒸发,1.蒸发的概念利用溶质和溶剂之间挥发度的差异,用加入热能的方法使溶剂汽化,而非挥发性的溶质留在溶液中,从而达到分离的目的,所涉及的平衡为汽液平衡。溶液受热时,溶剂分子获得能量汽化。进行蒸发的必要条件是热能的不断供给和生蒸汽的不断排除。,2、按二次蒸气的利用情况分:单效和多效蒸发,单效蒸发:将二次蒸气不在利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作。 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。,1、按操作室压力分:常压、加压、减压(真空)蒸发,分类,第二节 蒸发设备的特点分析,一、蒸发器的类型与结构循环型 (中央循环管式,悬筐是,外加式)(外加热式又分自然循环型和强制循环型) 蒸发器 非循环型(单程型)(升膜式,降膜式,升降膜式)其他类型 (刮板薄膜式,板式等) 1.循环型 (1)中央循环管式蒸发器 优点:结构简单,操作可靠,投资少; 缺点:循环速度低,传热系数低,清洗难度大。,,,,,(2)悬筐式蒸发器,优点:循环速度加快,清洗、检修方便,传热系数高,热损失小; 缺点:结构复杂,设备费用高。,(3)外热式,,特点:加热室与分离室分开,由循环管连 接,这样可以改变加热室与分离室的距 离,且调节循环速度使料液达到不在加 热室沸腾,而在加热管顶端沸腾。,优点:便于清洗和更换,降低蒸发器的总 高度,循环速度快,传热系数大; 缺点:单位面积金属耗量大,热损失大;,(5)强制循环型,工作原理:,蒸发设备的一类。溶液在设备内的循环主要依靠外加动力所产生的强制流动。循环速度一般可达1.5-3.5米/秒。传热效率和生产能力较大。原料液由循环泵自下而上打入,沿加热室的管内向上流动。蒸汽和液沫混合物进入蒸发室后分开,蒸气由上部排出,流体受阻落下,经圆锥形底部被循环泵吸入,再进入加 热管,继续循环。 特点:循环速度大且可以调节,但动力消耗大; 适用范围:适于处理高黏度、易结垢或有结晶析出的溶液。,,二、膜式(单程)蒸发器,膜式蒸发器和非膜式蒸发器的比较: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。,1 升膜式蒸发器,,加热室由单根或多根垂直管组成。原料液由加热室底部引入,为高速上升的二次蒸气所带动,沿壁面边呈膜状流动。适于处理蒸发量大的稀溶液以及热敏性或易生泡的溶液;不适于处理高粘度、有结晶析出或易结垢的溶液。,(2)降膜式,加热室与升膜式蒸发器类似。原料液由加热室顶部加入,经液体分布器均匀地流入加热管内,在溶液自身重力作用下,溶液沿管内壁呈膜状下流,并进行蒸发。适用于处理热敏性物料,但不适于处理易结晶、结垢或粘度大的溶液。,,3 升—降膜式蒸发器,由升膜管束和降膜管束组合而成,蒸发器底部封头内有一隔板,将加热管束均分为二。原料液在预热器中加热达到或接近沸点后,引入升膜加热管束的底部,汽液混合物经管束由顶部流入降膜加热管束,然后转入分离器,完成液由分离器底部取出。适于处理粘度变化大的溶液,或厂房高度有一定限制的场合。,4 刮板搅拌薄膜蒸发器,加热管是一根垂直的空心管,圆管外有夹套,内通加热蒸气,圆管内装可以旋转的搅拌叶片。原料液沿切线方向进入管内,由于受离心力、重力及叶片的刮带作用,在管壁上形成旋转下降的薄膜,并不断的被蒸发,完成液由底部排出。 适用于高粘度、易结晶、易结垢或热敏性溶液的蒸发。 缺点:结构复杂,动力耗费大,传热面小,处理能力不大。,5板式蒸发器,板式蒸发器由板式换热器和分离器组合而成。加热板用不锈钢冲压而成,其厚度为1~1.5㎜,四周用橡胶垫圈密封,板与板之间形成蒸汽与料液流动通道。加热板排成四片一组,蒸汽在4~1和2~3板间冷凝,料液在1~2板间升膜流动,在3~4板间降膜流动。视生产能力的需要可增减板的组数。蒸发形成的汽液混合物进入离心分离器进行分离。,,优点:单位体积的传热面积大,效率高;操作灵活,传热面积可按要求随意增减,装拆方便;所需厂房高度小。 缺点:垫圈密封要求较高,操作温度有限,不宜处理含固体微粒的料液。,三、蒸发器的辅助设备,1.除沫器 (1)作用:气液分离,防止有用产品的损失。 (2)型式:,2.冷凝器和真空装置,(1)冷凝器:在蒸发操作过程中,二次蒸汽若是有用物料或会产生严重污染时,应采用间壁式冷凝器回收;二次蒸汽不被利用时,必须冷凝成水方可排除,同时排除不凝性气体。对于水蒸气的冷凝,可采用汽、水直接接触的混合式冷凝器。型式:混合式(凝液需回收)间壁式(凝液不需要回收),(2)真空装置:减压操作中使用,将冷凝液中的不凝气抽出,保证蒸发所需的真空度。真空装置的种类:喷射泵、水环真空泵等。,水环泵,往复泵,水力喷射泵,单效蒸发,在蒸发器内原料被加热溶剂汽化,产生的二次蒸汽引出后冷凝或排空,不再被利用。单效蒸发是最基本的蒸发流程。进行单效蒸发时常采用单效真空蒸发。,二、蒸发操作流程,,1.操作要点:,(1)不断提供热能,维持溶剂的气化; (2)不断移走蒸汽; 2.蒸发设备---蒸发器 结构:加热室、分离室(蒸发室); 基本概念:加热剂:饱和水蒸气(加热蒸汽); 二次蒸汽:蒸发了的蒸汽;完成液;,单效蒸发,蒸发操作的快慢主要取决于蒸发器加热室热交换的换热量Q。Q=KA∆t在蒸发过程中对传热量Q影响最显著的是传热温度差∆t ∆t = T- t1,1.蒸发器的温度差损失一定压强下,料液的沸点较纯水的沸点T′要高,两者沸点之差称为温度差损失∆,∆= t1-T′ (1)因溶液的蒸汽压下降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″; (3)因管路流体阻力而引起的温度差损失 。,总温度差损失为:,1 溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失,(5-4),,式中 tA——溶液沸点,℃,主要与溶液的类别、浓度及操作压强有关。T′——与溶液压强相等时水的沸点,即二次蒸气的饱和温度,℃,2 .液柱静压强引起的温度差损失,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。 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:式中 pm——液层中部的平均压强,Pa p′——液面的压强,即二次蒸气的压强,Pal——液层深度,m,(5-10),,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′ (5-11)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。,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℃。,3)因管路流体阻力而引起的温度差损失,传热的有效温度差:,式中 Δt——传热的有效温度差, ℃ T——纯水在操作沸点, ℃Ts——加热蒸气的温度, ℃,Δt=Ts-T-Δ=Ts-T-,二、单效蒸发的计算,单效蒸发的计算项目有: (1)蒸发量; (2)加热蒸气消耗量; (3)蒸发器的传热面积,1.蒸发量,对单效蒸发器作溶质衡算,得式中 qmF—原料液流量qmW—蒸发量x0—原料液的质量组成x1—完成液的组成,,2 加热蒸气消耗量,通过热量衡算可求得加热蒸汽消耗量。 进人蒸发器的热量为:qmDH+qmFh0 离开蒸发器的热量为: qmwH,+(qmF-qmW)h1+qmDhw+Q1 qmDH+qmFh0 = qmwH,+(qmF-qmW)h1+qmDhw+Q1 式中 qmD—加热蒸汽消耗量,kg/sH—加热蒸汽的焓,J/kgh0—原料液的焓,J/kgH,--二次蒸汽的焓,J/kgh1—完成液的焓,J/kghw—冷凝水的焓,J/kgQL—热损失,J/kg,3 传热面积A,蒸发器的传热面积由传热速率公式计算,即:,多效蒸发,一.多效蒸发原理: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,故提高了生蒸汽的利用率。,二、多效蒸发流程 1 顺流法,蒸气和料液的流动方向一致,均从第一效到末效。,特点:,1.溶液在效间的输送不需要泵; 2.有自蒸发现象; 3.完成液在末效排出,热量消耗低; 4.各效由于温度渐升而导致传热系数下降,生产能力降低或传热面积增加。,,2 .逆流法,料液与蒸气流动方向相反。,特点:,1.溶液在效间的输送需要泵; 2.无自蒸发现象,产生的二次蒸汽量少; 3.完成液在第一效排出,温度较高,损失的热量多,且不利于热敏性材料的蒸发; 4.传热系数均匀,保持在较高的水平。,,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。此种流程适用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。,特点:,溶液不在效间流动,有利于有结晶析出的情况或得到不同浓度的料液。 4.混流法效数多时,也可采用顺流和逆流并用的操作,称为混流法,这种流程可协调两种流程的优缺点,适于粘度极高料液的浓缩。,,食品物料蒸发操作的特点,料液在蒸发浓缩过程中发生的变化对浓缩液品质有很大的影响。一般来讲,食品物料的蒸发具有如下特性: (1)热敏性 (2)腐蚀性 (3)粘稠性 (4)结垢性 (5)泡沫性 (6)易挥发成分 根据上述性质可对蒸发设备进行选型。,
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