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。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。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，℃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：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：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：

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。(1)吉辛科公式例：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0.7105Pa,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(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。

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：

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[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，得式中D——加热蒸气的消耗量,kg/h

H——加热蒸气的焓,kJ/kgh0——原料液的焓,kJ/kg

H’——二次蒸气的焓,kJ/kgh1——完成液的焓,kJ/kg

hw——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r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)+cpB

x

当x<0.2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(F-W)cp1=Fcp0-Wcpw

r—加热蒸气的汽化热，kJ/kg；

r′—二次蒸气的汽化热，kJ/kg。rr′

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。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QK值约为600~6000W/m2K

Pt取决于：冷凝器压力P、溶液浓度、蒸发室内液层深度，因此，t>T。

P△=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WFD

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。

蒸发器的生产强度是指单位传热面积上单位时间内蒸发的水量，单位为kg/(m2·h)，常采用生产强度U作为衡量蒸发器性能的标准。若为沸点进料，且忽略热损失，则：

由上式可以看出，欲提高蒸发器的生产强度，必须设法提高蒸发器的总传热系数和传热温度差。2蒸发器的生产强度

传热温度差主要取决于加热蒸气和冷凝器中二次蒸气的压强。传热温度差的提高是有一定限度的，原因如下：加热蒸气的压强越高，其饱和温度也越高，但是加热蒸气常受工厂的供汽条件所限。提高冷凝器的真空度，使溶液的沸点降低，也可以加大温度差，但是冷凝器真空度的提高也是受到限制的，一般冷凝器中的压强不低于10~20kPa。为了控制沸腾操作局限于泡核沸腾区，也不宜采用过高的传热温度差。

一般来说，增大总传热系数是提高蒸发器生产强度的主要途径。总传热系数K值取决于对流传热系数和污垢热阻。蒸气冷凝传热系数通常比溶液沸腾传热系数大，即传热总热阻中，蒸气冷凝侧的热阻较小。在蒸发器的设计和操作中，必须考虑及时排除蒸气中的不凝气，否则，其热阻将大大增加，使总传热系数下降。特点：热阻在管内垢层及管内沸腾传热一方提高传热系数的措施：

1、定期清理垢层；

2、加快流体的循环速度：自然循环→强制循环

3、加热微量阻垢剂以延缓形成垢层；在处理有结晶物析出的物料时，可加入少量晶种（结晶颗粒），使结晶尽可能在溶液主体中进行，而不是在加热面进行。

添加表面活性剂：表面活性剂降低了相界面之间的张力，从而产生了润湿、抗再黏附作用。既增大了沸腾传热系数、又可使沸腾侧的加热面不生成垢层。

提高传热系数的方法4、管型改造：

表面多孔管：在普通金属管内或外表面加上一薄层多孔金属，使换热表面具有大量稳定的汽化核心，使沸腾传热系数比光管提高10倍以上。提高传热系数的措施：第三节多效蒸发P二次蒸汽平流流程错流流程逆流流程并流流程按料液与二次蒸汽的走向分为一、多效蒸发及其流程原料液加热蒸汽至冷凝器

完成液123冷凝水冷凝水冷凝水

并流加料法的三效蒸发装置流程示意图1并流法思考1：P1、P2、P3大小顺序？P二次蒸汽123并流流程：思考2：并流流程优、缺点①料液可自动流入下一效，无需泵输送；②溶液会自蒸发而产生更多的蒸汽；③传热推动力依次减小；④K依次减小；2逆流法优、缺点：

①料液需用泵送入下一效,没有自蒸发；②传热推动力较为均匀；

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。

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。4混（错）流法P123平流流程优、缺点：①各效独立进料，传热状况均较好；②物料停留时间较短平流流程：P二次蒸汽123优、缺点：①兼有并、逆流的优点；②操作复杂；错（混）流流程：思考：1、粘度随浓度变化很大的料液，宜采用哪一种流程？平流、逆流或错流2、当最后浓缩液在高温下易被破坏时，宜采用哪一种流程？

并流3、当进料几乎是饱和液时，宜采用哪一种流程？

平流二、提高生蒸汽热能利用程度的措施采用多效额外蒸汽的引出蒸汽再压缩采用热泵蒸发流程冷凝水的自蒸发假设有n+1效，除最后一效外，每一效均抽出额外蒸汽，分别为E1、E2、……En。于是额外蒸汽的引出-----1kg生蒸汽可换取2kg的额外蒸汽(理想情况)不引出额外蒸汽时，有则总的额外蒸汽引出量E=nkg蒸汽再压缩

如将低品位的蒸汽压缩，提高其品位，则将大大提高蒸发系统的热能经济性。

喷射压缩

利用文丘里管，使高压蒸汽（工作蒸汽）以高速通过文丘里管，在喉部形成低压，将低压二次蒸汽吸入，混合成中压蒸汽。实际上是使用有效能位较高的蒸汽与有效能位较低的蒸汽混合，成为有效能位中等的蒸汽，可直接作为蒸发系统的加热蒸汽。

机械压缩

是将低压二次蒸汽采用压缩机进行压缩，成为高压蒸汽。它消耗的是机械能，但不需要高压蒸汽。

以氨为工作介质，高温、高压的氨蒸汽作为蒸发器的加热介质在加热室内冷凝，使溶液蒸发，生成二次蒸汽。冷凝后的高压液氨经膨胀阀降温后进入表面冷凝器，在其中与二次蒸汽接触，吸收热量，自身汽化成低压氨蒸汽，然后再用压缩机压缩到高温高压，完成一个工作循环。采用热泵蒸发流程

将冷凝水减压而自蒸发，与二次蒸汽一起进入下一效作为加热蒸汽用。冷凝水的自蒸发连续式、间歇式常压式、减压式、加压式循环式蒸发器：*

单程式中央循环管式蒸发器、悬框式蒸发器、列文式蒸发器（外循环蒸发器）自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同，产生了密度差而引起的循环运动；强制循环：依靠外加动力迫使溶液沿一个方向作循环运动。第四节蒸发设备优点：结构紧凑、制造方便、传热较好及操作可靠等，应用十分广泛。缺点：（1）循环速度较低，管内流速<0.5m/s；（2）溶液在加热室中不断循环，使其浓度始终接近完成液的浓度，因而溶液粘度大、沸点高，有效温度差小。（3）设备的清洗和维修也不够方便。中央循环管式蒸发器（自然循环型）其截面积一般为其它加热管总截面积的40～100%循环型料液生蒸汽应用广泛，适用于处理量大、结垢不严重的物系。细管：沸腾管或加热管，直径Ф25-75mm，长径比20-40升膜式蒸发器-----价廉降膜式蒸发器-----价廉刮板式蒸发器升-降膜式蒸发器溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不作循环流动。溶液通过加热室时，在管壁上呈膜状流动，故习惯上又称为液膜式蒸发器。

用于热敏性、高粘性、易结垢产品的浓缩、蒸馏或提纯。溶液不循环带来好处有：（1）溶液在蒸发器中的停留时间很短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发；（2）整个溶液的浓度，不象循环型那样总是接近于完成液的浓度，因而这种蒸发器的有效温差较大。

单程型料液在加热管内受热汽化，生成的蒸汽在加热管内高速上升（常压下汽速为20～50m/s，减压下汽速可达100至160m/s或更大些）。溶液被上升的蒸汽所带动，沿管壁成膜状上升并继续蒸发，汽、液混合物在分离器内分离。单程型升膜式蒸发器加热管直径约为25～50mm，管长和管径之比约为100～150分离器单程型升膜式蒸发器优点：溶液在蒸发器中不循环，停留时间很短，因而特

别适用于热敏性物料的蒸发；由于溶液呈膜状流动，因而对流传热系数较大。缺点：

对进料负荷的波动相当敏感，当设计或操作不适当时不易成膜，此时，对流传热系数将明显下降。适用场合：适用于黏度较小的（小于0.05Pa·s）、蒸发量较大、易受热分解的热敏性溶液者；不适用于粘度很大，易结晶或易结垢的物料的蒸发。单程型降膜式蒸发器料液是从蒸发器的顶部加入，在重力作用下沿管壁成膜状下降，并在此过程中蒸发增浓，在其底部得到浓缩液。

降膜式蒸发器可以蒸发浓度较高、粘度较大（0.05～0.45Pa·s）、蒸发量较小、热敏性的物料。但因液膜在管内分布不易均匀，传热系数比升膜式蒸发器的较小，仍不适用易结晶或易结垢的物料。布膜装置单程型刮板式蒸发器适用于黏度较大（大于1～10Pa·s及以上者）。优点：热阻影响小，传热系数大，停留时间短，一般为数秒或几十秒，故可适应于高粘度（如栲胶、蜂蜜等）和易结晶、结垢、含固体、热敏性的物料。缺点：结构复杂，动力消耗大，处理量很小且制造安装要求高。

刮板结构：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。原理：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。一、结晶的原理

固体物质以晶体状态从蒸气、液体熔化物或溶液中析出的过程称为结晶。结晶过程可分为溶液结晶、熔融结晶、升华结晶和沉淀结晶四类。

结晶过程的特点：（1）能够获得高纯度的产品；（2）对于挥发度较接近的体系，或恒沸物，或热敏性物系，若熔点相差较大，就可用结晶法分离；（3）结晶热一般只有汽化热的1/3~1/10