1、第十一章 溶液濃縮,掌握蒸發(fā)濃縮的操作原理、特點及其 工藝計算方法； 熟悉單效真空的工藝設(shè)備的配置； 了解多效蒸發(fā)流程及計算原理。,本章重點和難點：,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。 濃縮方法：平衡濃縮（利用在分配上某種差異而獲得溶質(zhì)和溶劑分離的方法）、非平衡濃縮 蒸發(fā)利用溶質(zhì)和溶劑揮發(fā)度的差異，將溶液加熱至沸騰，使溶劑汽化并排除。所涉及的平衡是汽液平衡。 結(jié)晶則是利用溶質(zhì)之間溶解度的差異使溶質(zhì)從過飽和的溶液中析出，固液平衡。 冷凍濃縮利用稀溶液與固態(tài)溶劑在凝固點下的平衡關(guān)系，使溶劑從溶液中結(jié)晶析出。固液平衡。,1.1蒸發(fā)的定義,1.2加熱蒸氣和二次蒸氣,使含

2、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)需要不斷的供給熱能。工業(yè)上采用的熱源通常為水蒸氣，而蒸發(fā)的物料大多是水溶液，蒸發(fā)時產(chǎn)生的蒸氣也是水蒸氣。為了易于區(qū)別，前者稱為加熱蒸氣或生蒸氣，后者稱為二次蒸氣。,1 概述,1.3分類,1、按操作室壓力分：常壓、加壓、減壓（真空）蒸發(fā),單效蒸發(fā)：將二次蒸氣不在利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸發(fā)操作。 多效蒸發(fā)：若將二次蒸氣通到另一壓力較低的蒸發(fā)器作為加熱蒸氣，則可提高加熱蒸氣（生蒸氣）的利用率，這種串聯(lián)蒸發(fā)操作稱為多效蒸發(fā)。,2、按二次蒸氣的利用情況分：單效和多效蒸發(fā),1.4蒸發(fā)操

3、作的特點,1、傳熱性質(zhì)：屬于壁面兩側(cè)流體均有相變化的恒溫傳熱過程。,2、溶液性質(zhì)：熱敏性、腐蝕性、結(jié)晶性、結(jié)垢性、泡沫、粘度等。,3、沸點升高：當(dāng)加熱蒸氣一定時，蒸發(fā)溶液的傳熱溫度差要小于蒸發(fā)純水的溫度差。,4、泡沫挾帶：二次蒸氣中帶有大量泡沫，易造成物料損失和冷凝設(shè)備污染。,5、能源利用：二次蒸氣的利用是蒸發(fā)操作中要考慮的關(guān)鍵問題之一。,溶液的沸點升高：一定壓強(qiáng)下，溶液的沸點較純水高，兩者之差，稱為溶液的沸點升高。,稀溶液或有機(jī)溶液沸點升高值較小，無機(jī)鹽溶液較大。 對于同一種溶液，沸點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，沸點升高值越大。,2 單效蒸發(fā)2.1溶液的沸點升

4、高和溫度差損失,溶液沸點升高的計算公式：,式中 t0溶液的沸點升高， Ts 溶液的沸點， TV與溶液壓強(qiáng)相等時水的沸點，即二次蒸氣的 飽和溫度，,式中 t1 溶液的沸點， ,計算公式為：,實際傳熱溫度即有效溫差為,（1）因溶液的蒸汽壓下降而引起的溫度差損失；,（3）因管路流體阻力而引起的溫度差損失 。,（2）因加熱管內(nèi)液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失；,總溫度差損失為：,蒸發(fā)過程中引起溫度差損失的原因有：,1. 溶液的沸點升高值可以通過查手冊的數(shù)據(jù)表，查圖線或通過計算求得， 稀溶液 Kbmb Kb 沸點升高常數(shù)，kg/mol，若水為溶劑， Kb0.51kg/mol Mb 溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度，mol

5、/kg 減壓下的沸點升高，可由常壓下沸點升高按吉辛柯公式計算,T某壓力下水的沸點溫度 K r 某壓力下水的汽化熱 J/kg,常壓下溶液的沸點升高 ,食品料液的 可近似用糖液的數(shù)據(jù)代替。 在食品工業(yè)上， 不大。,2.由液層靜壓效應(yīng)而引起的溫差損失 加熱管內(nèi)溶液液位維持一定，處于不同深度的溶液受到不同的靜壓強(qiáng)，所以溶液內(nèi)部的沸點比液面處高，兩者之差即。 液層內(nèi)的平均壓力Pm Pm=P+gh/2 P為液面上方分離室內(nèi)的壓力Pa,Tm,T對應(yīng)的Pm與P相應(yīng)的沸點。,3. 二次蒸汽由分離器到冷凝器的流動中，在管道內(nèi)會產(chǎn)生阻力損失，也可能會散失熱量，這些能量消耗造成的溫差損失 一般取0.51.5,例：用連

6、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。,解：蒸發(fā)器內(nèi)的絕對壓力101938kPa，對應(yīng)的沸點T為41.3，汽化熱r=2.40MJ/kg 1.取料液濃度為制品濃度40，參考糖液數(shù)據(jù)，,2.計算 Pm=P+gh/2=8+1.1809.812/2=19.6kPa Tm=59.6 =59.6-41.3=18.3 ,3.計算t,單效蒸發(fā)的計算項目有： （1）蒸發(fā)量； （2）加熱蒸氣消耗量； （3）蒸發(fā)器的傳熱面積,通常生產(chǎn)任務(wù)中已知的項目有： （1）原

7、料液流量、組成與溫度； （2）完成液組成； （3）加熱蒸氣壓強(qiáng)或溫度； （4）冷凝器的壓強(qiáng)或溫度。,3單效蒸發(fā)的計算,式中 F原料液流量 W二次蒸汽流量 P完成液流量 xF原料液的質(zhì)量組成 xP完成液的組成,對單效蒸發(fā)器作溶質(zhì)衡算，得,(1) 蒸發(fā)量w,(2).蒸發(fā)器的熱量衡算,進(jìn)入系統(tǒng)的熱流量等于離開系統(tǒng)的熱流量加上熱量損失,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,式中 D加熱蒸氣的消耗量,kg/h rs加熱蒸氣的汽化熱, J/kg rv二次蒸氣的汽化熱, J/kg QL熱損失, J/h,對單效蒸發(fā)器作物料的熱量衡算，得,加熱蒸氣消耗量D,若原料液

8、預(yù)熱至沸點再進(jìn)入蒸發(fā)器，且忽略熱損失，上式簡化為：,式中 e蒸發(fā)1kg水分時，加熱蒸氣的消耗量，稱為單位蒸氣耗量，kg/kg 單效蒸發(fā)時 e=1,實際1,一般,若沸點進(jìn)料的蒸發(fā)操作，消耗1Kg加熱蒸汽，產(chǎn)生約1kg的二次蒸汽,蒸發(fā)器的傳熱面積由傳熱速率公式計算，即：,式中 S0蒸發(fā)器的傳熱外表面積，m2 K0基于外表面積的總傳熱系數(shù)；kw/(m2) tm 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。,(3) 傳熱面積S0,在蒸發(fā)過程中，加熱兩側(cè)流體均處于恒溫、變相狀態(tài)下，故：,a 平均溫度差tm,b 基于傳熱外面積的總傳熱系數(shù)K0,若加熱蒸氣的冷凝水在飽和溫度下排除，且忽略熱損

9、失，則蒸發(fā)器的熱負(fù)荷為：,c 蒸發(fā)器的熱負(fù)荷Q,例題 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,解：,例題,3.單位蒸氣消耗量D,4.蒸發(fā)器換熱面積,多效蒸發(fā)時要求后效的操作壓強(qiáng)和溶液的沸點均較前效低，引入前效的二次蒸汽作為后效的加熱介質(zhì)，即后效的加熱室成為前效二次蒸汽的冷凝器，僅第一效

10、需要消耗生蒸汽。,一般多效蒸發(fā)裝置的末效或后幾效總是在真空下操作，由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作為下一效的加熱蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，即經(jīng)濟(jì)性。,4 多效蒸發(fā)(1)多效蒸發(fā)原理,如果第一個蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽引入第二個蒸發(fā)器作為加熱蒸汽兩個蒸發(fā)器串聯(lián)工作，第二個蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽送到冷凝器排出，則稱為雙效蒸發(fā)。,表 單位蒸氣消耗量,強(qiáng)調(diào)：蒸發(fā)量與傳熱量成正比，多效蒸發(fā)并沒有提高蒸發(fā)量，而只是節(jié)約了加熱蒸汽，其代價則是設(shè)備投資增加。在相同的操作條件下，多效蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力并不比傳熱面積與其中一個效相等的單效蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力大。,錯誤觀點：多效蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力是單效蒸發(fā)器的若干倍。,蒸

11、氣和料液的流動方向一致，均從第一效到末效。,缺點：沿料液流動方向濃度逐漸增高，致使傳熱系數(shù)下降，在 后二效中尤為嚴(yán)重。,優(yōu)點：,在操作過程中，蒸發(fā)室的壓強(qiáng)依效序遞減，料液在效間流動不需用泵；,料液的沸點依效序遞降，使前效料進(jìn)入后效時放出顯熱，供一部分水汽化；,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。,(2)多效蒸發(fā)流程a 順流法,并流加料法的三效蒸發(fā),料液與蒸氣流動方向相反。原料由末效進(jìn)入，用泵依次輸送至前效，完成液由第一效底部取出。加熱蒸氣的流向仍是由第一效順序至末效。,優(yōu)點：濃度較高的料液在較高溫度下蒸發(fā)，粘度不高，傳熱系 數(shù)較大。,缺點：（1）各效間需用泵輸送；

12、（2）無自蒸發(fā)； （3）高溫加熱面上易引起結(jié)焦和營養(yǎng)物的破壞。,b 逆流法,逆流加料法的三效蒸發(fā)裝置流程示意圖,效數(shù)多時，也可采用順流和逆流并用的操作，稱為混流法，這種流程可協(xié)調(diào)兩種流程的優(yōu)缺點，適于粘度極高料液的濃縮。,c 平流法 原料液分別加入各效中，完成液也分別自各效底部取出，蒸氣流向仍是由第一效流至末效。此種流程適用于處理蒸發(fā)過程中伴有結(jié)晶析出的溶液。,d 混流法,平流加料法的三效蒸發(fā)裝置流程示意圖,(3)多效蒸發(fā)的溫差分配 由于存在溫差損失，蒸發(fā)器有效換熱溫差總是小于理想溫差。 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，在實際操作中，每效都存在溫差損失。此時，各

13、效有效溫差之和 必小于總溫差 。其總差值為總溫差損失 。,第i效的有效傳熱溫差。,第i效的溫差損失。,有效總溫差,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。,效有效總溫差分配到各效，除總的應(yīng)滿足 及各效滿足其換熱方程之外，還應(yīng)另加特定的限制原則。 a.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，,b.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 ，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。,c.各效蒸發(fā)量經(jīng)驗比例原則 對無額外蒸汽引出的順

14、流操作，各效水分蒸發(fā)量可按一定比例設(shè)計。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，則可計算各效料液的濃度，從而進(jìn)一步算出溶液沸點，則可得到溫差分配結(jié)果。,(4) 多效計算,1.總蒸發(fā)量的計算,各效蒸發(fā)量之和,物料衡算,第一效和第二效的出料濃度,2.加熱蒸汽耗量及各效蒸發(fā)量,單效蒸發(fā),a1第一效的蒸發(fā)因數(shù)，1kg加熱蒸汽冷凝時放出的熱量所能蒸發(fā)出溶液中的千克數(shù),a11 1第一效的自蒸發(fā)系數(shù)，料液進(jìn)入蒸發(fā)器放出顯熱，引起料液部分,水分汽化能力的大小,10，TFt1放出顯熱促進(jìn)水的汽化 10，TFt1需吸收顯熱，削弱了水的汽化,1因存在熱損失對W1產(chǎn)生影響，第一效的

15、熱利用因數(shù)。10.98,3.各效換熱面積,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，沸點進(jìn)料，第一效沸點60，加熱蒸汽絕對壓力為118kPa，冷凝器真空度為93kPa.第一效采用自然循環(huán)，總傳熱系數(shù)為900W.(m2K);第二效采用強(qiáng)制循環(huán)，總傳熱系數(shù)為1800W.(m2K).除效間外，溫差損失可忽略不計。試計算（1）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。,解：總蒸發(fā)量,據(jù)已知條件，假定效間流動溫差損失為1K，查表，列出各熱參數(shù)值見表。,換熱面積,單位蒸發(fā)消耗量,11.2 冷凍濃縮,冷凍濃縮是利用冰

16、與水溶液之間的固液相平衡原理的一種濃縮方法。 將稀溶液中的水分凍結(jié)成冰晶，并去除這部分冰晶從而使溶液中的溶質(zhì)濃度得到提高。,適用于熱敏性食品物料的濃縮，可避免芳香物質(zhì)因加熱造成的揮發(fā)損失。已應(yīng)用于果汁、咖啡、果酒和乳品類液體食品的濃縮。,將某種液體在低溫（-10）下進(jìn)行冷卻，當(dāng)冷卻到某一個階段（例如為-10時），溶液中有晶核出現(xiàn)，此時，溶液的濃度上升了，再繼續(xù)冷卻，當(dāng)溶液的濃度達(dá)到了無法濃縮的濃度，這種濃度稱為共晶濃度（或稱低共熔濃度）. 將某種液體在共晶溫度以下（全部凍結(jié)），達(dá)到的濃縮濃度點稱為某種溶液的共晶點（即低共熔點），也就是說共晶點是指物料中水分完全凍結(jié)成冰晶時的溫度。,11.2.1

17、 在食品工業(yè)中的應(yīng)用 1.冷凍濃縮方法的優(yōu)點： （1）揮發(fā)性芳香成分損失和酶，色素等熱敏性成分變化極少； （2）可避免操作中微生物的增殖； （3）不存在膜分離中的泄漏短路危險； （4）可避免因蒸餾引起的聚合反應(yīng)和冷凝反應(yīng)； （5）含多種溶質(zhì)的溶液濃縮時，僅去除水分，不會造成母液組成的變化。,主要缺點： 冷凍濃縮過程本身不具有殺菌滅酶作用，因此濃縮制品必須凍藏或再加熱處理，才能保存。 制品的濃度不僅受低共熔濃度限制，也受冰晶濃縮液分離的難易程度影響，一般而言，濃度越高，黏度也越大，分離也就越困難 過程中會造成不可避免的溶質(zhì)損失，且成本高。,2. 應(yīng)用 （1）咖啡工業(yè)：雀巢公司1986年采用冷凍濃

18、縮設(shè)備與噴霧設(shè)備相結(jié)合的方法，使咖啡的質(zhì)量達(dá)到自然沖調(diào)的品質(zhì)；咖啡濃縮 （2）啤酒工業(yè)：使啤酒的體積減少到原來的1/4，只要加入水和CO2可制成與原來啤酒從感官上無法辨別的啤酒 （3）乳品工業(yè)：代替煉乳，制成的濃縮奶沖釋后可制成與鮮牛奶毫無差別,（4）果汁工業(yè)：2000年我國進(jìn)口美國和巴西的冷凍濃縮果汁5999噸，2001年接近1萬噸。濃度為65Bx。主要為巴西的圣保羅和美國佛羅里達(dá)，其余為墨西哥，西班牙和地中海地區(qū)，利用內(nèi)襯聚乙烯袋的50加侖鐵桶或大罐銷往各地。 （5）番茄汁：先用膜濃縮將番茄汁濃縮至20%，再用冷凍濃縮繼續(xù)濃縮至40.8%。,11.2.2 冷凍濃縮操作原理 冷凍濃縮的溶液濃

19、度必須低于最低共熔點濃度，且固相為溶劑冰晶與溶液成平衡，而不是溶質(zhì)固體。 冰點下降,對于稀溶液,Ti為冰點下降，K R為氣體常數(shù)，8.314kJ/kgk T0為水的溫度，K xB為溶液的摩爾分?jǐn)?shù) rcr為結(jié)晶熱，J/kg,Ti,由于一般過程為可逆的等溫等壓過程，幫，rcr/T0=S結(jié)合溶液滲透壓的計算式可推得：,S為水轉(zhuǎn)化為冰的熵變，J/（kgk） 0為水的密度，kg/m3 /Ti為滲透壓與冰點下降的比值，約為1.2106Pa/K,如果溶液由A點繼續(xù)冷卻到C點，溫度為T2 ，此溶液為過冷溶液，溫差（T1T2）稱為溶液的過冷度。 過冷度是不穩(wěn)定狀態(tài)的溶液，分為互相平衡的兩個相，即濃縮液相和冰晶相

20、。 圖中B點為濃縮液，F(xiàn)點為冰晶，濃縮液濃度為x2，若原料液的總量為F，冰晶量為G，濃縮液量為S，則由物料的溶質(zhì)衡算：,可利用一些管式、板式、攪拌夾套式的熱交換器和真空結(jié)晶器、內(nèi)冷轉(zhuǎn)鼓式結(jié)晶器、帶式冷卻結(jié)晶器等各種設(shè)備。 一般冷凍過程的結(jié)晶有兩種形式：一種是層狀凍結(jié)，另一種是懸浮凍結(jié)。 1.層狀凍結(jié) 是一種單向凍結(jié)，在管式、板式以及轉(zhuǎn)鼓式、帶式設(shè)備中進(jìn)行。晶層依次沉積在先前由同一溶液形成的晶層之上。一般為針狀或棒狀。 2.懸浮凍結(jié) 在受攪拌的冰晶浮液進(jìn)行的。,11.2.3 冰晶濃縮液的分離 懸浮液過濾，過濾床層為冰晶床（冰床），濾液即為濃縮液。,F進(jìn)料量，kg/h X0進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù) S濃縮液量

21、，kg/h X2濃縮液質(zhì)量分?jǐn)?shù) G冰晶量，kg/h 單位質(zhì)量冰量所夾帶的濃縮液量,由于夾帶損失的溶質(zhì)量與制品中溶質(zhì)量相比甚小，則,溶質(zhì)損失率冰晶夾帶損失之溶質(zhì)量與原料液中原有溶質(zhì)質(zhì)量之比,蒸發(fā)設(shè)備 蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)：加熱室、分離器等,特點：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。,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）和單程型（膜式）兩大類。,一、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)和強(qiáng)制循環(huán),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

22、。,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：,粗管降液管或中央循環(huán)管，其截面積為加熱管總截面積40100 細(xì)管沸騰管或加熱管，直徑2575mm，長徑比2040,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)。,1 中央循環(huán)管式（或標(biāo)準(zhǔn)式）蒸發(fā)器,此蒸發(fā)器為中央循環(huán)管蒸發(fā)器的改進(jìn)。加熱蒸汽由中央蒸汽管進(jìn)入加熱室，加熱室懸掛在器內(nèi)，可取出，便于清洗及更換，循環(huán)通道由加熱室與蒸發(fā)器外殼壁面內(nèi)的環(huán)隙組成。,優(yōu)點：（1）溶液循環(huán)速度較高，約在11.5m/s之間； （2）改善了加熱管內(nèi)結(jié)垢情況，并提高了傳熱速率。,缺點：設(shè)備耗材量大，占地面大，加熱管內(nèi)溶液滯留量大。,該蒸發(fā)器適用蒸發(fā)有晶體析出的溶液。,2 懸筐式蒸發(fā)器,結(jié)構(gòu)特點：,由于循環(huán)管內(nèi)的溶液未受蒸汽加熱，其密度較加熱管內(nèi)大，因此形成溶液沿循環(huán)管下降而沿加熱管上升的循環(huán)運(yùn)動，循環(huán)速度可達(dá)1.5m/s。,加熱室較長，其長徑比為50100； 加熱室和分離室分開。,物料的運(yùn)動：,3 外熱式蒸發(fā)器,優(yōu)點：利用外加動力（泵）進(jìn)行循環(huán)，適于處理粘度大，易結(jié)晶或易結(jié)垢的溶液。,缺點：動力消耗大，通常為0.40.8kw/（m2傳熱面），使用此蒸發(fā)器時加熱面受到