1、第第8章章 溶液浓缩溶液浓缩张莉莉张莉莉教工编号教工编号070541主要内容主要内容第一节第一节 蒸发蒸发第二节第二节 冷冻浓缩冷冻浓缩本章重点和难点本章重点和难点2本章重点和难点本章重点和难点q掌握蒸发浓缩的操作原理、特点及其掌握蒸发浓缩的操作原理、特点及其工艺计算方法；工艺计算方法；q了解多效蒸发流程及计算原理；了解多效蒸发流程及计算原理；q熟悉单效真空工艺设备的配置。熟悉单效真空工艺设备的配置。q结晶的过程与影响因素结晶的过程与影响因素q冷冻浓缩的原理冷冻浓缩的原理3 溶液浓缩是从溶液浓缩是从溶液溶液中中除去部分溶剂除去部分溶剂的单元的单元操作，是溶质和溶剂部分分离的过程。操作，是溶质和
2、溶剂部分分离的过程。溶液浓缩溶液浓缩4第一节第一节 蒸发蒸发5一、蒸发过程概述一、蒸发过程概述1、蒸发的蒸发的概念概念u 使含有使含有不挥发性溶质不挥发性溶质的溶液的溶液沸腾汽化沸腾汽化并移出蒸气，并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发蒸发，所用的设备称为蒸发器。所用的设备称为蒸发器。蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食品蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食品等许多工业中。等许多工业中。6闪蒸？闪蒸？分离的基础：分离的基础：溶质与溶剂的挥发性不同。溶质与溶剂的挥发性不同。7净化溶剂净化溶剂（脱除溶质，制取纯净的溶剂）（脱除溶质，制取纯净
3、的溶剂）2、蒸发操作的蒸发操作的目的目的溶液浓缩溶液浓缩（脱除溶剂，制取浓缩液）（脱除溶剂，制取浓缩液）同时制备浓溶液和回收溶剂同时制备浓溶液和回收溶剂8 工业上被蒸发的溶液多为工业上被蒸发的溶液多为水溶液水溶液，本章的讨论仅限于，本章的讨论仅限于水溶液的蒸发。水溶液的蒸发。原则上，水溶液蒸发的基本原理和设备对其它液体的原则上，水溶液蒸发的基本原理和设备对其它液体的蒸发也是适用的。蒸发也是适用的。9 主体设备主体设备蒸发器蒸发器 由由加热室加热室和和分离室分离室两部分组成。两部分组成。1.加热室加热室 2.分离室分离室 3.混合冷凝器混合冷凝器 4.分离器分离器 5.缓冲罐缓冲罐 6.真空泵真
4、空泵3、蒸发流程蒸发流程 生蒸汽生蒸汽：从系统外引从系统外引来用作来用作 加热的水蒸汽加热的水蒸汽 二次蒸汽二次蒸汽：蒸发操作：蒸发操作中产生的蒸汽中产生的蒸汽料液料液加热介质加热介质（饱和水蒸汽）（饱和水蒸汽）分离室分离室 完成液完成液蒸汽蒸汽101112生蒸汽？二次蒸汽？生蒸汽？二次蒸汽？4、蒸发过程的分类蒸发过程的分类 大多数无特殊要求的溶液：常压、加压或减压大多数无特殊要求的溶液：常压、加压或减压 热敏性料液热敏性料液（抗生素溶液、果汁等的蒸发等）：（抗生素溶液、果汁等的蒸发等）：为保证产品质量，需在减压条件下进行。为保证产品质量，需在减压条件下进行。（1 1）常压蒸发、加压蒸发常压蒸
5、发、加压蒸发和和减压（真空）蒸发减压（真空）蒸发12 根据二次蒸汽是否用作另一蒸发器的加热蒸汽。根据二次蒸汽是否用作另一蒸发器的加热蒸汽。单效蒸发单效蒸发将二次蒸汽直接冷凝，不再利用将二次蒸汽直接冷凝，不再利用 其冷凝热的蒸发操作。其冷凝热的蒸发操作。多效蒸发多效蒸发将前一效的二次蒸汽引入下一效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（蒸发器）作为加热热源的串联蒸 发操作。发操作。（2 2）单效蒸发单效蒸发与与多效蒸发多效蒸发1314加加热热室室分离室分离室加加热热室室分离室分离室加加热热室室分离室分离室 额外蒸发额外蒸发 多效蒸发中，多效蒸发中，将某一效的二次蒸汽将某一效
6、的二次蒸汽引出一部分用作其它引出一部分用作其它加热目的的蒸汽（这加热目的的蒸汽（这部分蒸汽不再引入下部分蒸汽不再引入下一效）。一效）。15加加热热室室分离室分离室加加热热室室分离室分离室额外蒸发额外蒸发（3 3）间歇蒸发间歇蒸发与与连续蒸发连续蒸发 根据蒸发的根据蒸发的过程模式过程模式。间歇蒸发间歇蒸发分批进料或出料分批进料或出料的蒸发操作；的蒸发操作；非稳态操作；适合于非稳态操作；适合于小规模多品种小规模多品种的场合。的场合。连续蒸发适合于连续蒸发适合于大规模大规模的生产过程。的生产过程。16 蒸发：蒸发：热量传递过程热量传递过程，传热速率传热速率是蒸发是蒸发过程的控制因素；蒸发所用的设备属
7、于过程的控制因素；蒸发所用的设备属于热交换设备热交换设备 与一般的传热过程比较，蒸发过程具有与一般的传热过程比较，蒸发过程具有自身的特点自身的特点5、蒸发操作的蒸发操作的特点特点17（1）传热性质）传热性质 蒸汽冷凝蒸汽冷凝溶液沸腾；溶液沸腾；壁面两侧均为壁面两侧均为有相变的恒温传热过程有相变的恒温传热过程。（2）溶液沸点的改变）溶液沸点的改变 溶液浓度增高，沸点亦增高；溶液浓度增高，沸点亦增高；变温差传热变温差传热（3）溶液性质）溶液性质 晶体析出、结垢、产生泡沫，高温分解或聚合；晶体析出、结垢、产生泡沫，高温分解或聚合；粘度增大，腐蚀性增强。粘度增大，腐蚀性增强。18加加热热室室分离室分离
8、室（5）能源利用）能源利用 二次蒸气的潜热利用二次蒸气的潜热利用（4）泡沫夹带）泡沫夹带 损失物料，污染冷凝设备；损失物料，污染冷凝设备；冷凝前需去除泡沫。冷凝前需去除泡沫。19加加热热室室分离室分离室二、单效蒸发二、单效蒸发1 1、溶液的沸点溶液的沸点和和温度差损失温度差损失u 溶液的沸点升高溶液的沸点升高：在一定压强下，溶液的沸点：在一定压强下，溶液的沸点比纯水的高，两者之差称为溶液的沸点升高。比纯水的高，两者之差称为溶液的沸点升高。溶液的沸点由溶液的沸点由压强、溶液浓度压强、溶液浓度和和溶液性质溶液性质所决所决定。定。20 一般一般稀溶液或有机胶体溶液稀溶液或有机胶体溶液的沸点升高值较小
9、，的沸点升高值较小，无机无机盐溶液盐溶液沸点升高沸点升高较大。较大。对于同一溶液，沸点升高值随溶液浓度及蒸发器内液对于同一溶液，沸点升高值随溶液浓度及蒸发器内液柱高度而异，柱高度而异，浓度越大，液柱越高，沸点升高值越大浓度越大，液柱越高，沸点升高值越大。沸点升高现象对蒸发操作的有效温度差沸点升高现象对蒸发操作的有效温度差不利不利。21假设假设 t1溶液的沸点，溶液的沸点，Ts 加热蒸汽的饱和温度，加热蒸汽的饱和温度，TV与溶液压强相等时水的沸点，与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的饱和温度，即二次蒸气的饱和温度，溶液的沸点升高溶液的沸点升高=总温差总温差t0 =有效温差有效温差t =22t1
10、-TvTs-Tv Ts-t1蒸发器的蒸发器的温度差损失温度差损失t0 TVTSt1溶液的沸点升高溶液的沸点升高23=t0-t=(Ts-Tv)-(Ts-t1)=t1-Tv 因溶液蒸气压下降而引起的温度差损失因溶液蒸气压下降而引起的温度差损失 因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失 因管路流动阻力而引起的温度差损失因管路流动阻力而引起的温度差损失u 引起温度差损失引起温度差损失的原因主要有三个：的原因主要有三个：=+总温度差损失总温度差损失 24 因溶液蒸气压下降而引起的温度差损失因溶液蒸气压下降而引起的温度差损失 的计算有两种方法的计算有两种方法 常压下溶液
11、的沸点升高常压下溶液的沸点升高 Tv某压力下水的沸点温度某压力下水的沸点温度 r 某压力下水的汽化热某压力下水的汽化热 J/kg食品料液的食品料液的 可近似用可近似用糖液糖液的数据代替。的数据代替。在食品工业上，在食品工业上，不大。不大。a.用吉辛柯公式：用吉辛柯公式：25b.应用杜林规则：杜林规应用杜林规则：杜林规则指出溶液的沸点和相同则指出溶液的沸点和相同压强下，溶剂沸点之间呈压强下，溶剂沸点之间呈线性关系。因此，只要有线性关系。因此，只要有了杜林线（即了杜林线（即t=ktW+b），），即可求得不同浓度、压强即可求得不同浓度、压强下的溶液沸点。下的溶液沸点。NaOH水溶液的杜林线图水溶液的
12、杜林线图262728hP 因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失u 加热管内积有一定高度的液层，液层内压强大于液加热管内积有一定高度的液层，液层内压强大于液体表面压强，因此体表面压强，因此液层内部的沸点高于液面的沸点液层内部的沸点高于液面的沸点，两者之差即两者之差即。Pm=P+gh/2（P：液面上方的：液面上方的压强压强 Pa）=TmT（Tm,T：Pm和和P下的沸点下的沸点 ）通常以通常以液层中部液层中部的平均压强的平均压强Pm 及相应的沸点及相应的沸点Tm为准为准一般Tm和T可直接由Pm和P下查水的饱和温度（即水的沸点）。29 例例 在中央循环管蒸发器内
13、，蒸发在中央循环管蒸发器内，蒸发25%核桃浆核桃浆，已测得二次蒸汽的绝对压强为已测得二次蒸汽的绝对压强为40kPa。加热管内液。加热管内液层深度为层深度为2.3m，溶液平均密度为，溶液平均密度为1200kg/m3.试求因试求因溶液静压强引起的温度差损失及溶液的沸点。已知溶液静压强引起的温度差损失及溶液的沸点。已知操作条件下因溶液蒸汽压下降引起的温度差损失为操作条件下因溶液蒸汽压下降引起的温度差损失为6.25。3031 因管路流动阻力而引起的温度差损失因管路流动阻力而引起的温度差损失u 二次蒸汽由二次蒸汽由分离器到冷凝器分离器到冷凝器的流动中，的流动中，多效蒸发中多效蒸发中二次蒸汽由二次蒸汽由前
14、效经管路送至下效前效经管路送至下效作为加热蒸汽，作为加热蒸汽，因因管道流动阻力使管道流动阻力使 其压强稍有降低，温度也相应下降，其压强稍有降低，温度也相应下降，一般约降一般约降1。这种损失即为。这种损失即为。一般取效间二次蒸汽温度下降一般取效间二次蒸汽温度下降1 ，末效或单效，末效或单效蒸发器至冷凝器间下降蒸发器至冷凝器间下降11.5。32=+总温度差损失总温度差损失 需要注意的是：对于需要注意的是：对于单效蒸发单效蒸发，若指定，若指定的是蒸发器内的操作压强，则的是蒸发器内的操作压强，则不计不计入温度差损失入温度差损失中。中。33例：用连续真空蒸发器将桃浆从含固形物例：用连续真空蒸发器将桃浆从
15、含固形物11浓浓 缩至缩至40。蒸发器内真空度为。蒸发器内真空度为93kPa，液层深度为，液层深度为2m，加热蒸汽绝对压力为，加热蒸汽绝对压力为0.1MPa的饱和蒸汽，桃的饱和蒸汽，桃浆的密度为浆的密度为1180kg/m3.求温差损失及蒸发器的有效求温差损失及蒸发器的有效温差及溶液的沸点。温差及溶液的沸点。34解：蒸发器内的绝对压强为解：蒸发器内的绝对压强为101-938kPa，对应的沸点，对应的沸点Tv为为41.3，汽化热，汽化热r=2.40MJ/kg取料液浓度为制品浓度取料液浓度为制品浓度40，参考糖液数据，参考糖液数据，Pm=P+gh/2=8+1.1809.812/2=19.6kPa T
16、m=59.6=59.6-41.3=18.3 计算计算t 计算计算 计算计算t1 t1=TS-t 或或 t1=TV+=60.3 35 在单效中央循环管蒸发器内，将在单效中央循环管蒸发器内，将10%番茄酱浓缩番茄酱浓缩到到25%，分离室绝对压强为，分离室绝对压强为15kPa，番茄酱在蒸发器，番茄酱在蒸发器加热管内的液层高度为加热管内的液层高度为1.6m，操作条件下溶液的密度，操作条件下溶液的密度约为约为1230kg/m3，试求溶液的温度差损失和溶液的沸，试求溶液的温度差损失和溶液的沸点。点。36作业题作业题1F原料液流量，原料液流量，kg/h；W二次蒸汽流量二次蒸汽流量，kg/h；P完成液流量完成
17、液流量，kg/h；xF原料液的质量分数，原料液的质量分数，%；xP完成液的质量分数，完成液的质量分数，%；D加热蒸汽耗量加热蒸汽耗量，kg/h；HS 加热蒸汽的焓，加热蒸汽的焓，J/kg；hF原料液的焓，原料液的焓，J/kg；HV二次蒸汽的焓，二次蒸汽的焓，J/kg；hS蒸汽冷凝液的焓，蒸汽冷凝液的焓，J/kg；hP完成液的焓，完成液的焓，J/kg；QL 蒸发器的热损失，蒸发器的热损失，J/h。加加热热室室蒸发室蒸发室D,TS,HSP,xPt1,hPW,TV,HVF,TFxF,hFD,TS,hSQL372、单效蒸发的、单效蒸发的计算计算已知项目：已知项目：F、xF、TF、xP、PS 或或 TS
18、、PV或或 TV计算项目：计算项目：W或或P、D、A通过通过物料衡算物料衡算、热量衡算热量衡算和和传热速率方程传热速率方程计算！计算！溶质物料衡算溶质物料衡算 蒸发量蒸发量W加加热热室室蒸发室蒸发室F,x0,t0,h0D,TS,HSW,T,HP,xPt1,hPW,TV,HVF,TFxF,hFD,TS,hSQL38FxF=PxP=(FW)xP进入系统的热流量进入系统的热流量=离开系统的热流量离开系统的热流量+热量损失热量损失 蒸发器的热量衡算蒸发器的热量衡算加加热热室室蒸发室蒸发室F,x0,t0,h0D,TS,HSW,T,HP,xPt1,hPW,TV,HVF,TFxF,hFD,TS,hSQL39
19、由于食品生产中的溶液大多为有机溶液，稀由于食品生产中的溶液大多为有机溶液，稀释热很小，可略去不计，则溶液的焓可用比释热很小，可略去不计，则溶液的焓可用比热容计算，取热容计算，取0的液体的焓值为零，则有：的液体的焓值为零，则有：rSrV代入热量衡算公式代入热量衡算公式rs：加热蒸气的汽化热加热蒸气的汽化热,J/kg；rv：二次蒸气的汽化热二次蒸气的汽化热,J/kg；CpF：原料原料液的比热容液的比热容 J/(kg.k)；Cpw：水的比热容水的比热容J/(kg.k)；t1：溶液的沸点溶液的沸点)(%)1()(11FPFvLFPFvsTtFcWraQTtFcWrDrQ蒸发器的热负荷蒸发器的热负荷11
20、)(tcWFPhPPFPFFTFcFh1)(tWcFcPWPF40蒸发水分蒸发水分将原料液加热到沸点将原料液加热到沸点向周围的热损失向周围的热损失 若原料液在沸点下进入蒸若原料液在沸点下进入蒸发器且忽略热损失，则发器且忽略热损失，则 e：蒸发蒸发1kg水分加热蒸气的消耗量，称为水分加热蒸气的消耗量，称为单位蒸气耗量单位蒸气耗量，kg/kg 由于蒸汽的汽化热随压强的变化不大，单效蒸发操作中由于蒸汽的汽化热随压强的变化不大，单效蒸发操作中 e1，即蒸发，即蒸发1kg的水约需的水约需1kg的加热蒸汽。实际操作中有的加热蒸汽。实际操作中有热损失，热损失，e1，为，为1.1或稍多一些。或稍多一些。41
21、传热面积传热面积A A0 0传热速率方程传热速率方程 蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：A0蒸发器的传热外表面积，蒸发器的传热外表面积，m2K0基于外表面积的总传热系数基于外表面积的总传热系数；kw/(m2)tm 平均传热温度差平均传热温度差，Q蒸发器的热负荷蒸发器的热负荷，即蒸发器的传热速率，即蒸发器的传热速率，kw。42 蒸发过程中，加热两侧流体均处于蒸发过程中，加热两侧流体均处于恒温、变相恒温、变相状态状态tm=Ts-t 1 Ts加热蒸汽的温度，加热蒸汽的温度，；t1 溶液的沸点温度，溶液的沸点温度，。a.平均温度差平均温度差 tm43a对流
22、传热系数，对流传热系数，W/(m2)d管径，管径，mRi垢层热阻，垢层热阻，m2/Wb管壁厚度，管壁厚度，m管材的导热系数，管材的导热系数，W/(m)下标下标i表示管内侧、表示管内侧、o表示外侧、表示外侧、m表示平均。表示平均。b.基于传热外面积的总传热系数基于传热外面积的总传热系数K0溶液的性质、溶液的性质、蒸发器的操作条件、蒸发器的操作条件、蒸发器的类型等蒸发器的类型等44 若加热蒸气的冷凝水在饱和温度下排除，且忽若加热蒸气的冷凝水在饱和温度下排除，且忽略热损失，则蒸发器的热负荷为：略热损失，则蒸发器的热负荷为：Q=Dr Sc.蒸发器的热负荷蒸发器的热负荷Q45例：稳态下在单效蒸发器中浓缩
23、苹果汁。已知原料温例：稳态下在单效蒸发器中浓缩苹果汁。已知原料温度度43.3，浓度，浓度11，比热容，比热容3.9kJ/kgK，进料流量，进料流量0.67kg/s，蒸发室沸点温度，蒸发室沸点温度60.1，完成液浓度，完成液浓度75。加热蒸汽绝对压力为加热蒸汽绝对压力为300kPa。加热室外表面传热系数。加热室外表面传热系数为为943w/m2.k，蒸汽为饱和冷凝，忽略能量损失。计算，蒸汽为饱和冷凝，忽略能量损失。计算:1.蒸发量和完成液流量蒸发量和完成液流量2.加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量3.单位蒸汽消耗量单位蒸汽消耗量4.蒸发器的换热面积蒸发器的换热面积46解：解：12.157.064.0WD
24、e3.3.单位蒸气消耗量单位蒸气消耗量 231001.20)1.603.133(94310216864.0)(mtTKDrSss4.蒸发器换热面积蒸发器换热面积1.1.skgWFPskgxxFWPF/1.057.067.0/57.0)75.011.01(67.0)1(2.2.47skgrTtFCWrDkgkJrTkPapkgkJrTtsFpFvssvV/64.02168)3.431.60(9.367.0235557.0)(/2168,3.133,300/2355,1.601s148h v493、蒸发器的生产能力和生产强度、蒸发器的生产能力和生产强度 指单位时间内蒸发的水量，其单位为指单位时间内
25、蒸发的水量，其单位为kg/h。大小由蒸发器的传热速率大小由蒸发器的传热速率Q来决定。来决定。Q=KAt=KA(Ts-t1)A.蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力50蒸发水分蒸发水分将原料液加热到沸点将原料液加热到沸点向周围的热损失向周围的热损失原料液进入蒸发器温度原料液进入蒸发器温度传热面所传递热量用途传热面所传递热量用途蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力沸点下进入蒸发器沸点下进入蒸发器蒸发水分蒸发水分生产能力和传生产能力和传递速度成比例递速度成比例低于沸点下进入蒸发低于沸点下进入蒸发器器将冷溶液加热至沸将冷溶液加热至沸点点降低了生产能降低了生产能力力高于沸点下进入蒸发高于沸点下进入蒸发器器部分原
26、料液的自动部分原料液的自动蒸发蒸发有所增加有所增加51B.蒸发器的生产强度蒸发器的生产强度指单位时间内单位传热面积上所蒸发的水量。指单位时间内单位传热面积上所蒸发的水量。U=W/A生产强度是生产强度是衡量蒸发器性能衡量蒸发器性能的标准。的标准。对于给定的蒸发量而言，生产强度越大，则所需的对于给定的蒸发量而言，生产强度越大，则所需的传热面积越小，因而蒸发设备的投资越小。传热面积越小，因而蒸发设备的投资越小。52沸点进料且忽略热损失沸点进料且忽略热损失Q=Wrv=KA t U=K t/rv 提高蒸发强度的基本途径是提高总传热系数提高蒸发强度的基本途径是提高总传热系数K和传和传热温度差热温度差t（溶
27、液的沸点降低，粘度增加，溶液的沸点降低，粘度增加，K下降下降）（工厂供气条件有限工厂供气条件有限）传热温度差的提高是有限制的。传热温度差的提高是有限制的。a.传热温度差传热温度差t取决于取决于加热蒸汽加热蒸汽和和冷凝器中二次蒸汽的压强。冷凝器中二次蒸汽的压强。加热蒸汽压强越高，饱和温度越高加热蒸汽压强越高，饱和温度越高冷凝器中真空度的提高，溶液沸点降低冷凝器中真空度的提高，溶液沸点降低53b.总传热系数总传热系数K取决于两侧对流传热系数和污垢热阻。取决于两侧对流传热系数和污垢热阻。冷凝的传热系数冷凝的传热系数0通常总比沸腾传热系数通常总比沸腾传热系数i大，即传热总大，即传热总热阻中，蒸汽冷凝侧
28、的热阻较小。热阻中，蒸汽冷凝侧的热阻较小。当蒸发结垢和有结晶析出的溶液时，当蒸发结垢和有结晶析出的溶液时，污垢热阻污垢热阻是影响总是影响总传热系数的重要因素（定期清洗，采用减小垢层热阻的传热系数的重要因素（定期清洗，采用减小垢层热阻的其它措施，在溶液中加入晶种或微量阻垢剂等）。其它措施，在溶液中加入晶种或微量阻垢剂等）。管内溶液侧沸腾传热系数管内溶液侧沸腾传热系数i是影响总传热系数的主要因素是影响总传热系数的主要因素。54例：在单效薄膜蒸发器内，将番茄汁从固形物含量例：在单效薄膜蒸发器内，将番茄汁从固形物含量12%浓缩到浓缩到28%。番茄汁已预热到最高许可温度。番茄汁已预热到最高许可温度60后
29、进料。采用表压为后进料。采用表压为70kpa的饱和水蒸气加热。设蒸发的饱和水蒸气加热。设蒸发器传热面积为器传热面积为0.4m2，传热系数为，传热系数为1500w/(m2.k)，试近，试近似估算蒸汽消耗量和原料液流量。似估算蒸汽消耗量和原料液流量。55解：表压为解：表压为70kpa，则绝对压强为，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在此绝对压强下，查得加热蒸汽饱和温度为114.5，气化潜热为气化潜热为2210kJ/kg，由传热速率公式由传热速率公式则蒸汽消耗量为则蒸汽消耗量为 D=Q/rs=32700/(2210103)=0.0148kg/s 查得查得60下水的气
30、化潜热为下水的气化潜热为2340KJ/kg，则蒸发量为：则蒸发量为：W=Q/rv=32700/(2340103)=0.014kg/s原料液流量为：原料液流量为：F=W/(1-xF/xP)=0.014/(1-12/28)=0.0245kg/s3270060-5.1144.0150000）（mtKSQW56作业题作业题2：核桃浆以核桃浆以65kg/h的流量进入连续真空蒸发器进行浓缩的流量进入连续真空蒸发器进行浓缩。进料温度为。进料温度为16固形物含量为固形物含量为10.9%。产品排出温度为。产品排出温度为40，固形物含量为，固形物含量为40%。二次蒸汽在间壁式冷凝器中冷。二次蒸汽在间壁式冷凝器中冷
31、凝，离开冷凝器的二次蒸汽冷凝水温度为凝，离开冷凝器的二次蒸汽冷凝水温度为38。进冷凝器。进冷凝器的冷却水温度为的冷却水温度为21，离开时为，离开时为29.5，热量损失忽略不，热量损失忽略不计。试求计。试求：（1）生产产品和二次蒸汽冷凝水的流量；（）生产产品和二次蒸汽冷凝水的流量；（2）采用）采用121蒸汽供热时的蒸汽消耗量；（蒸汽供热时的蒸汽消耗量；（3）进冷凝器的冷却水流量。）进冷凝器的冷却水流量。核桃浆进料比热容可取为核桃浆进料比热容可取为3.9kJ/(kgK)，冷却水比热容取为，冷却水比热容取为4.187 kJ/(kgK)57作业题作业题3：在单效蒸发器中，每小时将在单效蒸发器中，每小时
32、将10000kg的糖溶液从的糖溶液从5%浓浓缩到缩到25%。原料液温度为。原料液温度为40。分离室的真空度为。分离室的真空度为60kPa，加热蒸汽表压为，加热蒸汽表压为30kPa。蒸发器的总传热系数为。蒸发器的总传热系数为2000W/(m2)，热损失很小可以略去不计。试求蒸发器的，热损失很小可以略去不计。试求蒸发器的传热面积及加热蒸汽消耗量。设液柱静压强引起的温度差传热面积及加热蒸汽消耗量。设液柱静压强引起的温度差损失可以忽略。当地大气压强为损失可以忽略。当地大气压强为101.33kPa。58作业题作业题4：在标准大气压下，对某糖类真空蒸发器的传热系数进在标准大气压下，对某糖类真空蒸发器的传热
33、系数进行实际测定。蒸发器内料液质量分数为行实际测定。蒸发器内料液质量分数为50%，密度为，密度为1220kg/m3。加热蒸汽的绝对压强为。加热蒸汽的绝对压强为0.2MPa，分离室内真，分离室内真空度为空度为80kpa。蒸发器内液层高度为。蒸发器内液层高度为2.8m。沸点进料，经。沸点进料，经3h试验后得蒸发的水分量为试验后得蒸发的水分量为2.7104kg。已知蒸发器传热。已知蒸发器传热面积为面积为100m2，假定热损失为总传热量的，假定热损失为总传热量的2%，试求传热系，试求传热系数。数。59三、多效蒸发三、多效蒸发 背景背景单效蒸发时，单效蒸发时，e1，即每蒸发，即每蒸发1kg水需消耗水需消
34、耗不少于不少于1kg的加热蒸汽。对于大规模的工业蒸发过程，的加热蒸汽。对于大规模的工业蒸发过程，如果采用单效操作必然消耗大量的加热蒸汽，这在如果采用单效操作必然消耗大量的加热蒸汽，这在经济上是不合理经济上是不合理的。工业上多采用的。工业上多采用多效蒸发多效蒸发操作。操作。60多效蒸发多效蒸发 将前一效的二次蒸汽引入下一效（蒸发器）作为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。加热热源的串联蒸发操作。优点：优点：节约生蒸汽的节约生蒸汽的用量，即提高了经用量，即提高了经济效益。济效益。61 多效蒸发时要求多效蒸发时要求各效的操作压强（温度）自第一效各效的操作压强（温度）自第
35、一效（生蒸汽加入的一效）至末效逐效降低。（生蒸汽加入的一效）至末效逐效降低。（1）操作原理）操作原理62效数 单效 双效 三效 四效 五效理论最小值1 1/2 1/3 1/4 1/5实际最小值1.1 0.57 0.4 0.3 0.27l 节省蒸汽量，效数节省蒸汽量，效数 ，能耗，能耗 ，操作费，操作费l 但是，效数增加，设备费用都成倍增大（合理的效数）。但是，效数增加，设备费用都成倍增大（合理的效数）。若原料液在沸点下进入蒸发器，并忽略热损失、各种温若原料液在沸点下进入蒸发器，并忽略热损失、各种温度差损失以及在不同压强下汽化热的差别，则理论上，度差损失以及在不同压强下汽化热的差别，则理论上，单
36、效的单效的D/W1，双效的，双效的D/W1/2，三效的，三效的D/W1/3,，n效的效的D/W1/n。63（2）多效蒸发流程）多效蒸发流程 按按溶液与蒸汽相对流向的不同溶液与蒸汽相对流向的不同，多效蒸发有，多效蒸发有3种常见的种常见的加料流程（模式）：加料流程（模式）：逆流：溶液与蒸逆流：溶液与蒸汽的流向相反。汽的流向相反。顺流：溶液与蒸顺流：溶液与蒸汽的流向相同。汽的流向相同。平流：每一效平流：每一效都加入原料液。都加入原料液。64 蒸汽和料液的流动方向一致，均从第一效流至末效。蒸汽和料液的流动方向一致，均从第一效流至末效。顺流法（并流法）顺流法（并流法）蒸汽流动方向：蒸汽流动方向：溶液流动
37、方向：溶液流动方向：原料液原料液加热蒸汽加热蒸汽冷凝器冷凝器 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12312365 顺流法的顺流法的优点优点：p1p2p3，料液可借此压强差自动地流向后一效而，料液可借此压强差自动地流向后一效而无须泵送；无须泵送；t1t2t3，溶液由前一效流入后一效处于过热状态会，溶液由前一效流入后一效处于过热状态会放出放出 溶液的过热量形成溶液的过热量形成自蒸发自蒸发，可产生更多的二次蒸汽，可产生更多的二次蒸汽，因此因此第三效的蒸发量最大第三效的蒸发量最大。料液的浓度依效序递增，高浓度料液在低温下蒸发，料液的浓度依效序递增，高浓度料液在低温下蒸发，对对热敏性
38、物料热敏性物料有利。有利。66 顺流法的顺流法的缺点缺点：3 2 13 2 1l 这两个因素使得后一效粘度较前一效双倍提高，这两个因素使得后一效粘度较前一效双倍提高，传热系数传热系数K ，整个系统的蒸发能力降低。，整个系统的蒸发能力降低。l 因此，若遇到溶液的随浓度w的增加而增加很快的情况，顺流流程就不适用，此时可用逆流流程。溶液浓度溶液浓度w3w2w1，w ，溶液温度溶液温度T1T2T3，t ，67优点：优点：lw、T对对的影响大致抵消，的影响大致抵消，各效的各效的K基本不变基本不变。缺点：缺点：p1 p2 p3料液从后效往料液从后效往前一效要前一效要用泵输送用泵输送；无自蒸发，所需热量大；
39、无自蒸发，所需热量大；高温加热面上易引起结焦高温加热面上易引起结焦和营养物的破坏。和营养物的破坏。逆流法逆流法w1w2w3，w ，T1T2T3，t ，12312 3原料液原料液加热蒸汽加热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蒸汽流动方向：蒸汽流动方向：溶液流动方向：溶液流动方向：12332168 各效各效分别进料并分别出料分别进料并分别出料，二次蒸汽多次利用。，二次蒸汽多次利用。平流法平流法原料液原料液加热蒸汽加热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 对易结晶的物料较合适对易结晶的物料较
40、合适（因为结晶体不便在效与效之（因为结晶体不便在效与效之间输送）。间输送）。69（3）多效蒸发的温差分配）多效蒸发的温差分配 多效蒸发器是由单效蒸发设备组成的，每效都相当于多效蒸发器是由单效蒸发设备组成的，每效都相当于单效蒸发器。因此，在实际操作中，每效都存在温差损失。单效蒸发器。因此，在实际操作中，每效都存在温差损失。此时，各效有效温差之和此时，各效有效温差之和 ti 必小于总温差必小于总温差 t0 。其。其总差值为总温差损失总差值为总温差损失 i。ti：第：第i效的有效传热温差。效的有效传热温差。i：第第i效的温差损失。效的温差损失。i=+t：有效总温差有效总温差ti=t0 i=t70 有
41、效总温差确定之后，此温差必须分配到各效，并满有效总温差确定之后，此温差必须分配到各效，并满足各效的换热基本方程。足各效的换热基本方程。实际中，将有效总温差实际中，将有效总温差t分配到各效，除总的应满分配到各效，除总的应满足足t=ti 及各效满足其换热方程之外，还应另加特定及各效满足其换热方程之外，还应另加特定的限制原则。的限制原则。71a.a.各效等面积原则各效等面积原则 按此原则分配有效温差，各效换热面积均相等。由此，按此原则分配有效温差，各效换热面积均相等。由此，nnnKQKQKQttt:.:.:22112172b.各效等压原则各效等压原则 设设ps为首效加热蒸汽压力，为首效加热蒸汽压力，
42、pc为冷凝器内压力，则总为冷凝器内压力，则总压差：压差：若各效加热蒸汽与料液侧分离室的压力差分别为若各效加热蒸汽与料液侧分离室的压力差分别为 p1，p2，则按此原则，各效压力差应符合下式：，则按此原则，各效压力差应符合下式：可依次确定各效分离室的压力以及对应的饱和温度。可依次确定各效分离室的压力以及对应的饱和温度。73c.各效蒸发量经验比例原则各效蒸发量经验比例原则 对无额外蒸汽引出的顺流操作，各效水分蒸发量可按对无额外蒸汽引出的顺流操作，各效水分蒸发量可按一定比例设计。例如对三效顺流蒸发，可按下列比例：一定比例设计。例如对三效顺流蒸发，可按下列比例：由总蒸发量及上述比例，可确定各效蒸发量，则
43、可计由总蒸发量及上述比例，可确定各效蒸发量，则可计算各效料液的浓度，从而进一步算出溶液沸点，则可得到算各效料液的浓度，从而进一步算出溶液沸点，则可得到温差分配结果。温差分配结果。74（4）多效蒸发的计算）多效蒸发的计算 多效蒸发计算中，已知条件是：多效蒸发计算中，已知条件是：原料液原料液的流量、组成的流量、组成和温度，加热蒸汽（生蒸汽）的压强或温度，冷凝器和温度，加热蒸汽（生蒸汽）的压强或温度，冷凝器的真空度或温度，末效的真空度或温度，末效完成液完成液的组成等。的组成等。需要计算的项目是：需要计算的项目是：加热蒸汽的消耗量加热蒸汽的消耗量、各效的蒸发各效的蒸发量量、各效的传热面积各效的传热面积
44、。解决方法仍采用解决方法仍采用物料衡算、热量衡算物料衡算、热量衡算和和传热速率方程传热速率方程三个基本方程式。三个基本方程式。多效蒸发中，效数越多，变量的数目越多。通常对其作一些简化和假定，然后用试差法试差法进行计算。75QL1加加热热室室分离室分离室D1,TS1,HS1,rS1P1,xP1t1,hP1W1,TV1,HV1，rV1F,TFxF,hFD1,TS1,hS1加加热热室室分离室分离室Dn,TSn,HSn,rSnPn,xPntn,hPnWn,TVn,HVn,rVnDn,TSn,hSnQLnD2,TS2,HS2,rS2加加热热室室分离室分离室P2,xP2t2,hP2W2,TV2,HV2,r
45、V2D2,TS2,hS2QL276a.多效蒸发的物料衡算多效蒸发的物料衡算（以顺流为例）（以顺流为例）对蒸发系统作溶质的衡算，得对蒸发系统作溶质的衡算，得n11WWWW对任一效作溶质衡算，得对任一效作溶质衡算，得ii21)(xWWWFFxF)/(i21iWWWFFxxFP)(xWFFxFnn21)(xWWWFFxF77b.多效蒸发的热量衡算多效蒸发的热量衡算第一效的热量衡算式：第一效的热量衡算式：对第二效有：对第二效有：)(%)1()(11111111111FPFvLFPFvsTtFcrWaQTtFcrWrDQ)(%)1()()()(1212222121222121122222ttcWFcrW
46、aQttcWFcrWQttcWFrWrDQPWPFvLPWPFvLPvs78)()(%)1()()()()(1-nn1-n21nn1-nn1-n21n1-nn1)-n(1-n21ttcWWWFcrWaQttcWWWFcrWQttcWWWFrWrDQPWPFvnnLPWPFvnnLPvnnsnnn对第对第n效有：效有：)()(%)1()()()()(2321333323213332322133333ttcWWFcrWaQttcWWFcrWQttcWWFrWrDQPWPFvLPWPFvLPvs对第对第3效有：效有：79其中，其中，ai第第i效的热损失占第效的热损失占第i效总传热量的效总传热量的%一
47、般可取一般可取a1=a2=ai=an=24 80 当无额外蒸汽引出时，当无额外蒸汽引出时，D2=W1D3=W2Dn=Wn-1 如果各效内溶液温度如果各效内溶液温度ti已知，则可由以上已知，则可由以上2n个方程个方程求出求出2n个未知数，个未知数，D1Dn，W1Wn81c.c.各效换热面积各效换热面积333322221111tKQStKQStKQS82例：在双效顺流蒸发设备中将番茄法从固形物质量分数例：在双效顺流蒸发设备中将番茄法从固形物质量分数4.34.3浓缩到浓缩到2828，进料流量，进料流量1.391.39kg/skg/s，沸点进料，第一，沸点进料，第一效沸点效沸点6060，加热蒸汽绝对压
48、力为，加热蒸汽绝对压力为118118kPakPa，冷凝器真空度，冷凝器真空度为为93.393.3kPakPa.第一效采用自然循环，总传热系数为第一效采用自然循环，总传热系数为900900W W/(m(m2 2K);K);第二效采用强制循环，总传热系数为第二效采用强制循环，总传热系数为18001800W/(mW/(m2 2K)K).除效间外，温差损失可忽略不计。试计算除效间外，温差损失可忽略不计。试计算（1 1）总蒸发量；（）总蒸发量；（2 2）各效蒸发量；（）各效蒸发量；（3 3）加热蒸汽耗量；）加热蒸汽耗量；（4 4）单位蒸汽消耗量；（）单位蒸汽消耗量；（5 5）换热面积。）换热面积。（假设
49、各效的热损失为传热量的（假设各效的热损失为传热量的2%2%）83假定效间流动温差损失为假定效间流动温差损失为1K1KQL1加加热热室室分离室分离室D1,TS1,HS1,rS1P1,xP1t1,hP1W1,TV1,HV1，rV1F,TFxF,hFD1,TS1,hS1D2,TS2,HS2,rS2加加热热室室分离室分离室P2,xP2t2,hP2W2,TV2,HV2,rV2D2,TS2,hS2QL284解：根据物料衡算解：根据物料衡算即即s/kg18.121WW(1)(1)P)(xWFFxFs/kg18.1)28/3.41(39.1)/1(PxxFWF总蒸发量总蒸发量)(%)1(1111111FPFv
50、sTtFCrWarDQ对第一效热衡算，有：对第一效热衡算，有：(2)(2)同理，对第二效热衡算，有：同理，对第二效热衡算，有：)(%)1(121222222ttCWFCrWarDQPWPFvs(3)(3)无额外蒸汽引出：无额外蒸汽引出：D2=W1(4)(4)85蒸汽蒸汽压强（压强（kPa）温度（温度（）汽化热（汽化热（kJ/kg）第第1效加热蒸汽效加热蒸汽118第第1效二次蒸汽效二次蒸汽60第第2效加热蒸汽效加热蒸汽第第2效二次蒸汽效二次蒸汽进冷凝器蒸汽进冷凝器蒸汽8.0各热参考值各热参考值104.25942.341.322302355235723962398（19.9）（19.8）（8.6）
