食工原理-第6章蒸发与结晶.

第六章蒸发与结晶第一节概述蒸发的定义一蒸发的目的*溶液浓缩*溶质分离*纯净溶剂制取溶剂S溶质A（不挥发）溶剂S加热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。蒸发操作过程二冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液单效蒸发器除沫器二次蒸汽蒸发室加热室不凝性气体（生蒸汽）冷凝器蒸发器(加热室、蒸发室)除沫器冷凝器真空装置蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸气也是水蒸气。为了易于区别，前者称为加热蒸气或生蒸气，后者称为二次蒸气。分类三1、按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发2、按二次蒸气的利用情况分：单效和多效蒸发加热蒸气和二次蒸气单效蒸发：将二次蒸气不再利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作。冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液单效蒸发器除沫器二次蒸汽蒸发室加热室不凝性气体（生蒸汽）冷凝器多效蒸发：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。冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液并流多效蒸发器传热性质：属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。。蒸发操作的特点四溶液性质：热敏性、腐蚀性、结垢性、泡沫、粘度等。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。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。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。稀溶液或有机溶液沸点升高值较小，无机盐溶液较大。第二节单效蒸发溶液的沸点升高和温度差损失一对于同一种溶液，沸点升高值随溶液浓度及蒸发器内液柱高度而异，浓度越大，液柱越高，沸点升高值越大。溶液沸点升高的计算公式：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传热温度差损失：在一定操作压强条件下溶液的沸点升高。t—溶液的沸点，℃T—纯水在操作沸点，℃Ts—加热蒸气的温度，℃计算公式为：ottstTtTstTTΔt—传热的有效温度差，℃Δto—理论上的传热温度差，℃例：用476kN/m2（绝压）的水蒸气作为加热蒸汽（Ts=150℃），蒸发室内压力为1atm，蒸发30%的NaOH溶液，沸点为t=115℃。其最大传热温度差?有效温度差为多少？温度差损失为多少？则其最大传热温度差，用ΔtT来表示：ΔtT=Ts-T=150-100=50℃有效温度差为：Δt=Ts-t=150-115=35℃则温度差损失为：Δ=ΔtT-Δt=（Ts-T）-（Ts-t）=t-T=15℃即传热温度差损失等于溶液的沸点与同压下水的沸点之差。Δ溶液的沸点t（=T+Δ）有效传热温度差Δt（=ΔtT-Δ）（1）因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失Δ′；(浓度效应沸点升高)（3）因管路流体阻力而引起的温度差损失。（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：蒸发过程中引起温度差损失的原因有：冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液单效蒸发器tTt—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，℃在文献和手册中，可以查到常压（1atm）下某些溶液在不同浓度时的沸点数据。(表6-1不同浓度蔗糖沸点升高)非常压下的溶液沸点则需计算，估算方法有两种。1溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失•吉辛科公式•杜林法则非电解质溶液的沸点升高远小于电解质溶液式中—常压下水溶液的沸点升高，可由实验测定的tA值(或查表)求得，℃；Δ′—操作条件下溶液的沸点升高，℃；f—校正系数，无因次。其经验计算式为：at′—操作压强下二次蒸气的温度，℃；r—操作压强下二次蒸气的汽化热，kJ/kg。af(1)吉辛科公式rtf22730162.0例：已知蒸发器中的蔗糖溶液质量浓度为50%,蒸发的操作压强(绝对)为0.7105Pa,相应的水的沸点(二次蒸汽温度)为90℃。问该溶液浓度效应的沸点升高是多少？解：由饱和水蒸气性质表，查得在压强为0.7×105Pa时，水的汽化热r为2283kJ/kg，则校正系数f为935.02283)90273(0162.02f由表6-1，得1个大气压下，50%的蔗糖溶液的浓度效应沸点升高值为2℃，则℃87.12935.00f(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tA′、tw′—分别为压强pN下溶液的沸点与纯水的沸点，℃tA、tw—分别为压强pw下溶液的沸点与纯水的沸点，℃常用水作为标准液体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。''AAwwttktt液层内的溶液的沸点高于液面的沸点，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，Papo——液面的压强，即二次蒸气的压强，PaH——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：2mogHpp2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tm′，故因静压强而引起的温度差损失为：Δ″=tpm-tpotpm—与平均压强pm相对应纯水的沸点，℃tpo—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。对上式，如果总液层高度H为沸腾液层高度，则相应的液体密度ρ应为汽液混合物的平均密度。对于水溶液，可以用下式计算静压效应的沸点升高值tpm03.227)0075.0ln(3036.1844.3816以上各式的pm的计算均需要知道操作压强p，如果不知道操作压强，而只知道该压强下的饱和水蒸气温度t′，则可由下式计算水蒸气的饱和压强ptep03.227/44.38163036.183.133[例]用连续真空蒸发器将桃浆从含固形物11％浓缩至含固形物40％。蒸发器内真空度为93.3kPa，液层深度2m，采用100℃蒸汽加热，桃浆的密度为1180kg／m3。求温差损失及蒸发器的有效温差。[解](1)93.3kPa真空度下，水蒸气的饱和温度为41.6℃，在该温度下水的汽化潜热r′＝2400kJ／kg，参考糖液的数据，常压下沸点的升高△0′为1.0℃。由吉辛柯公式（2）液体平均压强K•查水的物性表tm＝59.6℃（3）有效温差KK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0.5~1.5K。3管路流体阻力而引起的温度差损失单效蒸发的计算项目有：（1）蒸发量；（2）加热蒸气消耗量；（3）蒸发器的传热面积通常生产任务中已知的项目有：（1）原料液流量、组成与温度；（2）完成液组成；（3）加热蒸气压强或温度；（4）冷凝器的压强或温度。单效蒸发的计算二式中F—原料液流量W—蒸发量x0—原料液的质量组成x1—完成液的组成对单效蒸发器作溶质衡算得10)(xWFFx)1(10xxFW1蒸发量w加热室F,x0,t0,h0D,T,H蒸发室W,T’,H’D,T,hw(F-W),x1t1,h1QL蒸发操作中，加热蒸气的热量一般用于将溶液加热至沸点，将水分蒸发为蒸气以及向周围散失的热量。对于某些溶液，如CaCl2、NaOH、H2SO4等水溶液稀释时释放出热量，则当其蒸发浓缩时应考虑供给和稀释热相当的浓缩热。2加热蒸气消耗量D2.1溶液稀释热不可忽略时对单效蒸发器作物料的热量衡算，得LwQDhhWFHWFhDH10)(wLhHQFhhWFHWD01)(式中D——加热蒸气的消耗量,kg/hH——加热蒸气的焓,kJ/kgh0——原料液的焓,kJ/kgH’——二次蒸气的焓,kJ/kgh1——完成液的焓,kJ/kghw——冷凝水的焓,kJ/kgQL——热损失,kJ/h若加热蒸气的冷凝液在蒸气的饱和温度下排除rrQFhhWFHWDL01)(加热蒸气的汽化热，kJ/kg2.2溶液的稀释热可以忽略时计算溶液比热的经验公式为：Cp=cpw(1-x)+cpBx当x0.2时，上式简化为：Cp=cpw(1-x)Cp—溶液的比热,kJ/(kg•℃);Cpw—纯水的比热,kJ/(kg•℃);CpB—溶质的比热,kJ/(kg•℃).Cp0=cpw(1-x0)+cpBx0=cpw-(cpw-cpB)x0Cp1=cpw(1-x1)+cpBx1=cpw-(cpw-cpB)x1(cp0-cpw)x1=(cp1-cpw)x0计算原料液及完成液的比热可分别写成联立上两式，得Fx0=(F-W)x1(F-W)cp1=Fcp0-Wcpw即为完成液比热与原料液比热间的关系式LppwpwQttFctcHWTcHD)()()(0101(F-W)cp1=Fcp0-WcpwrQFhhWFHWDL01)(r—加热蒸气的汽化热，kJ/kg；r′—二次蒸气的汽化热，kJ/kg。rr′rQttFcrWDLp)(010上式说明加热蒸气的热量用于将原料液加热到沸点、蒸发水分以及向周围的热损失。rrWDrrWDerQttFcrWDLp)(010若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失e—蒸发1kg水分时，加热蒸气的消耗量，称为单位蒸气耗量，kg/kg。单效蒸发操作中e≈1，每蒸发1kg的水分约消耗1kg的加热蒸气（由于蒸汽的汽化热随压强变化不大，即r≈r′）；实际蒸发操作中e值约为1.1或更大；1）温度差的损失的存在；2）二次蒸汽的气化潜热总是大于加热蒸汽的汽化潜热。e值是衡量蒸发装置经济程度的指标。3单位蒸气消耗量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：蒸发器的热负荷只是用于将水分汽化。Q=Dr3.1蒸发器的热负荷QmtKAQDrQ冷却水料液加热蒸汽冷凝水水完成液单效蒸发器K值约为600~6000W/m2KtTtsmPt取决于：冷凝器压力P、溶液浓度、蒸发室内液层深度，因此，tT。tT,,sDTr11111iidiimdoooobKAARAARAAPTTs△=t-T-----传热温度差损失3.2传热面积A蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：例:在单效薄膜式蒸发器内将番茄汁从固形物含量12％浓缩到28％。番茄汁已预热到最高许可温度60℃后进料。采用表压为70kPa的饱和水蒸气加热。设蒸发器传热面积为0.4m2，传热系数为1500w／(m2．K)。试近似估算蒸汽消耗量和原料量。[解]根据加热蒸汽的压强，由水蒸气表查得饱和温度为114．5℃，汽化潜热为2210kJ/kg，由传热速率方程计算传热量。蒸汽消耗量查水蒸气表，在60℃下水的汽化潜热为2340kJ／kg，则蒸发量：料液流量WF011WFxxD蒸发器的生产能力用单位时间内蒸发的水分量，即蒸发量表示。其生产能力的大小取决于通过传热面积的传热速率Q，因此也可以用蒸发器的传热速率来衡量生产能力。根据传热速率方程得单效蒸发时的传热速率为：Q=KAΔt或Q=KA(T-t1)1蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力和生产强度三进料状况影响蒸发器的生产能力：(1)低于沸点进料时，需消耗部分热量将溶液加热至沸点，因而降低了生产能力；(2)沸点进料时，通过传热面的热量全部用于蒸发水分，其生产能力有所增加；(3)高于沸点进料时，由于部分原料液的自动蒸发，使生产能力有所增加。WUA蒸发器的生产强度是指单位传热面积上单位时间