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蒸发
将溶液加热，使其中部分溶剂气化并不断去除，以提高溶液中的溶质浓度的过程即蒸发。
一、蒸发原理与目的
蒸发原理:
蒸发是溶液浓缩的单元操作。
它采用加热的方法，使溶有不挥发性溶质的溶液沸腾，其中的部分溶剂被气化除去，而溶液得到浓缩。
蒸发目的：
1.制取浓缩产品--如浓缩果汁、蔬菜汁。
2.获得饱和溶液，冷却后使溶质结晶--味精、白糖、精制盐。
3.制取纯溶剂--蒸馏水、海水淡化等。
从目的看：
是使溶剂和溶质分离，属化工分离，传质过程。
从机理看：
溶剂分离出来的速率直接取决于供热量或供热速率，属传热过程。
二、基本流程图
热源：
水蒸汽，一般称为加热蒸汽。
二次蒸汽：
当蒸发的物料为水溶液时，蒸发产生的溶剂蒸汽，亦称为水蒸气。
注意：
Ø加热蒸汽温度高于二次蒸汽温度。
Ø料液、加热蒸汽分别在管内、管外流动。
Ø二次蒸汽是否利用可将操作分为单效或多效蒸发。
Ø蒸发过程进行的必要条件:
不断提供热源（加热蒸汽）;不断排除二次蒸汽。
三、蒸发过程的特点与方法
Ø特点：
（1）传热性质传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液进行沸腾，故属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。
Ø
（2）溶液特性有些物料浓缩时易于结晶，结垢；有些热敏性物料由于沸点升高更易于变性；有些则具有较大的粘度或较强的腐蚀性等。
Ø（3）溶液沸点的改变由于不挥发溶质的存在，溶液的蒸气压低于同温度下纯溶剂的蒸气压。
因此，在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点，这种现象称为溶液的沸点升高。
溶液的沸点升高导致蒸发的传热温度差的降低。
Ø（4）泡沫夹带二次蒸汽常夹带大量液沫，须除去。
Ø（5）能源利用利用二次蒸汽产生的潜热是须考虑。
食品工业蒸发的特点
1.热敏性要求低温短时,采用真空蒸发器及液膜式蒸发器
2.腐蚀性设备防腐,不锈钢
3.粘稠性采用外力强制循环或加搅拌
4.发泡性食品沸腾时形成泡沫,加入表面活性剂或采用机械
装置消泡
5.挥发性∵芳香成分和风味成分易挥发
6.结垢性食品中Ca、Mg离子浓缩后产生沉淀；蛋白质、糖、果胶等到受热过度后变性、结块、焦化等；均形成垢层
蒸发的分类
●自然蒸发--溶液中的溶剂在低于沸点下汽化，例如海盐的晒制。
●沸腾蒸发--使溶液中的溶剂在沸点时汽化，在溶液各个部分都同时发生汽化现象。
●沸腾蒸发的速率远超过自然蒸发速率。
蒸发操作的方法
1.常压蒸发和减压蒸发（又称真空蒸发）
Ø减压（真空）蒸发时，不凝性气体用真空泵抽走，其特点：
溶液沸点低。
Ø真空操作优点：
①可利用低温热源；
②采用同样的热源温度△tm↑,S↓；
③有利于处理热敏性物质；
④系统热损失小。
Ø缺点：
①溶液粘度增大，总传热系数↓
②系统投资和操作费用大。
2.单效蒸发和多效蒸发
单效----二次蒸汽直接冷凝，不利用其冷凝热的操作。
（二次蒸汽未被利用）
多效----二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，利用其冷凝热。
（节省加热蒸汽用量）
3.间歇蒸发和连续蒸发
间歇蒸发----一次进料，一次出料，非稳定过程，适用小批量，多品种生产。
连续蒸发----连续进料，连续出料，稳定过程，适用大批量生产。
四、蒸发设备
Ø基本构成：
蒸发器，冷凝器，除沫器等。
Ø蒸发器主要由加热室及分离器组成，按加热室结构和操作溶液流动情况，可分为:
1.循环型（非膜式）
2.单程型（膜式）
3.直接加热蒸发器
1.循环式蒸发器（非膜式）
Ø特点：
溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度。
操作稳定。
Ø
此类蒸发器主要有:
（1）中央循环管式（标准式）
（2）悬筐式蒸发器（3）列文式蒸发器
（4）外热式蒸发器（5）强制循环蒸发器
（1）中央循环管式（标准式）
Ø结构和原理：
下部的加热室由垂直管束组成，中间由一根直径较大的中央循环管。
当管内液体被加热沸腾时，中央循环管内气液混合物的平均密度较大；而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。
在密度差的作用下，溶液由中央循环管下降，而由加热管上升，做自然循环流动。
溶液的循环流动提高了沸腾表面传热系数，强化了蒸发过程。
Ø特点：
自然循环，溶液循环好，传热效率高，结构紧凑，制造方便，操作可靠。
循环=0.4～0.5m/s。
Ø适用于处理结垢不严重、腐蚀性较小的溶液。
（2）悬筐式蒸发器
Ø结构：
如图5.2.2，其加热室像篮筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，加热蒸气由顶部引入，在管间加热管内的溶液。
其原理和中央循环管式相同，但溶液沿悬筐外壁和外壳体内壁所形成的环隙向下做循环流动。
循环速度略大。
Ø优点：
适用于易结晶、结垢溶液的蒸发；热损失较小。
Ø缺点：
结构复杂，单位传热面的金属消耗量较多。
（3）列文式蒸发器
Ø结构特点：
在加热室之上增设2.7～5米高的沸腾室。
Ø原理：
由于沸腾室内液柱静压力的作用，加热管内的溶液只升温不沸腾，升温后的溶液上升至沸腾室时，压力降低，沸腾气化。
这样，就将溶液的沸腾气化由加热室转移到没有传热面的沸腾室，另外，其循环管的截面积约为加热管总截面积的2～3倍，溶液流动阻力小，因而循环速度可达1.5～2.5m/s。
Ø优点：
可显著减轻和避免加热管表面的结晶和结垢，较长时间不需要清洗，传热效果较好。
Ø
缺点：
由液柱静压力引起的温度差损失较大，要求加热蒸气有较高的压力；设备庞大，消耗材料多，需要高大的厂房。
（4）外热式蒸发器
Ø结构：
如图5.2.3。
Ø特点：
加热室装于蒸发室之外；采用了长加热管（管长与管径之比为50～100）；液体下降管（也称循环管）不再受热；
Ø优点：
循环速度较大（可达1.5m/s）；加热室便于清洗和更换。
Ø
（1）~（4）为自然循环型蒸发器：
加热室与循环管内溶液间的密度差而产生溶液的自然循环运动。
缺点：
循环速度小，传热效果差。
（5）强制循环蒸发器
Ø结构：
如图5.2.5所示。
溶液循环需用输送设备完成。
Ø优点：
循环速度大（2～3.5m/s），且可调节；可用于蒸发粘度大，易结晶结垢的物料；传热系数较大。
Ø缺点：
输送设备能耗大，每平方米加热面积约需0.4-0.8kW。
2.膜式（单程型）蒸发器
Ø特点：
溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。
Ø优点：
溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的 蒸发；温度差损失较小，表面传热系数较大。
Ø缺点：
设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。
此类蒸发器主要有
（1）.升膜式蒸发器，
（2）.降膜式蒸发器，（3）.升—降膜蒸发器，（4）.刮板式蒸发器。
（1）.升膜式蒸发器
Ø结构：
如图5.2.6所示。
其加热室由许多垂直长管组成，常用管径为25-50mm,管长与管径之比为100-150。
Ø原理：
热的料液自蒸发器底部进入加热管内迅速气化，在蒸气的带动下，溶液沿管壁呈膜状迅速上升，并继续蒸发，当到达分离室和二次蒸气分离后即可得到完成液。
Ø适用于处理蒸发量大的稀溶液及热敏性或易生泡的溶液；不适于较浓溶液、粘度很大的溶液和易结晶、结垢溶液的蒸发。
（2）.降膜式蒸发器
Ø如图5.2.7所示，其结构原理与升膜式类似。
区别在于：
料液在蒸发器顶部加入，底部得到完成液；加热管顶部装有液体分布器，以使液体成膜；对浓度较高，粘度较大溶液也适用；结构较复杂。
Ø
适用于处理热敏性物料，但不适用于处理易结晶、易结垢或粘度特大的溶液。
（3）升-降膜式蒸发器
Ø由升膜管束和降膜管束组合而成。
底部有一隔板将加热管均分为二。
Ø
一般用于浓缩过程中粘度变化大的溶液；或厂房高度有一定限制的场合。
（4）.刮板式蒸发器
Ø利用外加动力成膜。
Ø优点：
适用于高粘度、易结晶、易结垢或热敏性溶液。
Ø缺点：
结构复杂，动力耗费大，传热面积小。
第二节单效蒸发
一、溶液的沸点和温度差损失
定义：
在一定压强下，溶液沸点与纯水沸点之差叫溶液沸点升高。
溶液沸点升高的计算式如下：
△=t-T′（6-1）
式中:
△----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，即二次蒸汽的饱和温度，℃
溶液沸点升高△又称为传热温度差损失，有：
△=△tT-△t
式中:
△tT----理论上的传热温度差,℃。
△t----传热的有效温度差,℃。
Ø通常，把加热蒸气的温度和二次蒸气温度的差值称为蒸发器的理论传热温度差，记为
；
Ø把加热蒸气温度和溶液沸点的差值
称为有效传热温度差；
Ø把理论传热温度差和有效传热温度差之间的差值称为蒸发器的传热温度差损失，△=△tT-△t
蒸发过程中引起温度差损失的原因有三：
①溶液蒸汽压下降，溶液沸点升高而引起的温度差损失△′；
②加热管内液柱静压强引起的温度差损失△″；
③管路流体阻力引起的温度差损失△″′；
Ø因此总温度差损失可以表示为:
△=△′+△″+△″′
1.由于溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失△′
Ø常压下，△′=tA-T′
式中：
tA----常压下溶液的沸点，℃。
T′----常压下水的沸点，℃。
Ø减压、加压（非常压）下则需要进行压力修正，方法有：
（1）系数修正法
（2）杜林规则
方法一、系数修正法
△′=f·△α′
式中:
△α′----常压下由于溶液蒸气压下降引起的沸点升高（即温度差损失），℃；
△′----操作压强下的温差损失，℃；
f----校正系数，无因次。
经验计算式（吉辛柯公式）为：
式中：
T′----操作压强下二次蒸汽温度,℃。
r′----操作压强下二次蒸汽的汽化热，kJ/kg
方法二、杜林规则
Ø一定浓度的某种液体的沸点与相同压强下标准液体（一般取纯水）的沸点呈线性关系。
直线斜率:
式中:
k---杜林直线斜率,无因次.
tA、tw----压强PM下溶液的沸点与纯水的沸点，℃。
tA‘、tw’----压强PN下溶液的沸点与纯水的沸点，℃。
2.液柱高度引起的温度差损失△″
Ø静力学方程：
Pm＝P′＋0.5ρgh -----（6-11）
式中：
P′----液面压强，即二次蒸汽压强，Pa
h----液层深度，m.。
Pm----液层中部平均压强，Pa.
液柱高度引起的温度差△″：
△″＝tpm-tp‘---------（6-12）
式中：
tpm---在压强Pm下纯水的沸点，℃。
tp’---在压强P′（二次蒸汽压强）下纯水的沸点，℃。
3.管路流体阻力引起的温度差损失△″′
Ø△″′=1.0～1.5℃。
一般取1℃。
Øp=P′+ρgh----------（6-10）
Ø溶液深度不同，压强也不同，为简化起见，以中部压强Pm为准。
二、单效蒸发计算
单效蒸发的计算问题可以分为两类：
设计型和操作型。
●设计型：
已知：
原料液的流量F、浓度x0和温度t0，完成液的浓度x，加热蒸气的压力和冷凝器内（或蒸发室内）的压力。
求：
水分蒸发量W，加热蒸气消耗量D和蒸发器所需要的传热面积A。
●操作型：
已知：
原料液的流量、浓度和温度，加热蒸气和冷凝器的压力，蒸发器的传热面积。
求：
水分蒸发量W，加热蒸气消耗量D和完成液浓度x。
●基本关系式：
物料衡算式，热量衡算式，传热速率方程
1．计算内容包括：
（1）蒸发水量W（kg/h）?
（2）加热蒸汽D（kg/h）?
（3）加热面积S（m2）?
（4）蒸发器的生产能力和生产强度？
2.解决问题的方法：
（1）物料衡算→W
（2）热量衡算→D（3）传热速率方程→S．
2.1计算蒸发水量W可从下面几个方面考虑：
①系统;②规则;③基准
Ø作溶质的物料衡算：
•F---原料液的流量，kg/h；
•W---单位时间内蒸发的水分量，即蒸发量，kg/h；
•x0---原料液的质量组成；
•x1-完成液的质量组成。
2.2加热蒸汽量D的计算
Ø稳定体系热量衡算，Q入=Q出
Ø
（1）溶液稀释热不可忽略时，对蒸发器做物料焓衡算，有
式中：
D---加热蒸汽的消耗量，g/h；
H---加热蒸汽焓，kJ/kg；
h0---原料液的焓，kJ/kg；
H′---二次蒸汽的焓，kJ/kg；
h1---完成液的焓，kJ/kg；；
hW---冷凝水的焓，kJ/kg；
QL---热损失，kJ/h；
r----加热蒸汽的汽化热，kJ/kg
当原料液预热至沸点再进入蒸发器t1=t0，且忽略热损失QL=0时，有Dr=Wr’即：
单位蒸汽消耗量e：
影响单位蒸汽消耗量的主要因素是蒸发的效数。
e＞1单效蒸发器,e＜1多效蒸发器
2.3传热面积S0计算
Ø由传热速率公式可得：
Q=KS0△tm或 S0=Q/（K△tm）
式中：
S0---蒸发器的传热外面积，m2;K---总传热系数，W/（m2·K）或W/（m2·℃）
△tm---平均温度差，K或℃;Q---蒸发器的热负荷（传热速率），W
（1）平均温度差△tm：
△tm=T-t---（4-35）
式中:
T---加热蒸汽的温度，K或℃；t---操作条件下溶液的沸点，K或℃。
（2）总传热系数K：
由下列公式求出：
三、蒸发器的生产能力和生产强度
根据热量衡算得：
Q=Dr=Wr'+FCp（t1-t0）+QL
（1）生产能力W
W=f（Q,QL,t0）
①热损失QL↑时，W↓；
②原料液低于沸点进入蒸发器，t0③热负荷Q↑时，W↑；
④原料液高于沸点进入蒸发器，t0>t1，W↑（有自蒸发产生）
（2）生产强度U[kg/（m2·h）]
定义为单位传热面上单位时间内蒸发的水量。
U=W/S
当为沸点进料，且无热损失时
Wr'＝KS△tmU＝K△t／r'
提高生产强度U的途径
有2种:
①△t↑,U↑，
方法：
☆提高冷凝器真空度，
使t↓→△t↑U↑,但μ↑,K↓；因此要控制在泡核沸腾区。
此外增加真空设备费及动力费用。
☆提高加热蒸汽的温度
②K↑,U↑，
方法：
☆排除不凝性气体。
☆提高沸腾一侧的α，由于α冷凝>α沸腾。
☆蒸发器结构,采用强制循环，搅拌,防止结垢、结晶。
☆清洁污垢。
☆加阻垢剂。
第三节多效蒸发
多效蒸发为两个以上蒸发器串联，有几个蒸发器即有几效。
多效蒸发的目的：
是为了减少加热蒸汽的消耗量。
一、多效蒸发流程简介
第一效：
加入加热蒸汽（生蒸汽）
第二效：
第一效出来的二次蒸汽进入的那一效。
其余效类推。
总则：
T1>T2>T3>TˊP1>P2>P3>Pˊ
二、按加料方式不同，多效蒸发可分为以下几种：
1.并流（以三效蒸发为例）
Ø溶液的流向和蒸气的流向相同，从第1效到第3效，压力逐效降低，溶液浓度逐效升高。
Ø特点：
a.溶液的输送可以利用各效间的压力差进行。
b.溶液由前一效进入后一效时，由于减压，存在自蒸发现象，故后一效产生的二次蒸气略多。
c.传热系数逐效减小，最末一、二效尤为显著。
优点：
①物流属△P下降的过程，省泵。
②有自蒸发，节能。
③高浓度溶液的温度依效序降低对浓缩热敏性食品有利。
Ø缺点：
x1Ø自蒸发现象：
在并流流程中，由于后一效的压力较前一效的低，所以，当溶液由前一效进入后一效时，往往由于过热而自行蒸发，常称为自蒸发或闪蒸，这就使后一效可以产生稍多一些的二次蒸气。
Ø传热系数逐效减小：
并流加料时，后一效溶液的浓度较前一效的为大，而沸点又低，溶液的粘度相应也较大，使得后一效蒸发器的传热系数常较前一效的为小，这在最末一、二效更为严重。
因此，并流加料时，第1效的传热系数往往比末效的大得多。
2．逆流
Ø溶液的流向和蒸气的流向相反，压力逐效降低，溶液浓度逐效降低。
Ø特点:
a.各效之间溶液的输送要用泵。
b.没有自蒸发，还需多消耗部分热量将溶液加热至沸点。
c.各效溶液的粘度比较接近，传热系数相差不大.
Ø蒸汽：
1→2→3，物料：
3→2→1。
Ø
适用于粘度随浓度和温度变化较大的溶液，而不适于热敏性物料的蒸发。
3.平流
Ø优点：
二次蒸汽多次利用，提高能量的利用率，适用于蒸发过程中有结晶的情况。
Ø蒸汽：
1→2→3
Ø物料：
1、2、3
Ø料液独进独出，流向平行
4.错流
以5效为例：
蒸汽：
1→2→3→4→5，物料：
3→2→1→4→5
综合逆流、并流的优点，克服其缺点。
三、多效蒸发和单效蒸发的比较
1.溶液的温度差损失：
Ø比较基准：
多效和单效蒸发的操作条件相同，即第一效的加热蒸汽压强和冷凝器的操作压强各自相同。
△t=T-T'-△=△tmax-△
Ø
由于每一效均有温差损失，所以有：
△t１＝△tmax-△1
△t2＝△tmax-△1-△2
△t3＝△tmax-△1-△2-△3
Ø推而广之：
2蒸发能力与热能经济性
（1）蒸发操作的经济性：
用1kg加热蒸汽所能产生的二次蒸汽表示，即W/D，反映了操作费用。
W/D↑，经济性↑
Ø单位蒸汽消耗量
Ø理想条件（①水溶液沸点进料；②一次蒸汽和二次蒸汽的汽化热大致相等;③不计热损失。
）下，
Ø单效蒸发：
W/D=1→1kg蒸汽可蒸发1kg水。
Ø多效（n效）蒸发：
W/D=n→1kg蒸汽可蒸发nkg水,即每蒸发1kg水需消耗1/nkg蒸汽。
但实际上，多效蒸发的加热蒸汽消耗量与蒸发水量之比随效数的增加,并非呈线性。
D/W值与效数间的关系
（2）蒸发能力
多效蒸发的生产强度必远小于单效蒸发的生产强度，多效蒸发其实是以降低设备的生产强度，即增大设备的投资费用为代价，来提高加热蒸汽的经济性。
最佳效数的确定
Ø可根据设备费用和操作费用之和为最小的原则，一般取3～4效；对于△较小的体系，可增大效数。
Ø对于海水淡化（得到溶剂的操作），因△=0，效数可达20～30效。
四、多效蒸发效数受限的原因
（1）实际耗汽量大于理论值，蒸发1kg的水实际所耗加热蒸汽量高于理论值。
（2）设备费用的增加多效蒸发虽可节约蒸汽,但蒸发器及其附属设备的费用却成倍地增加。
（3）蒸发器有效传热温差存在极限随着效数不断增加，每效分配的有效温差逐渐减少。
蒸发器有效传热温差存在极限的原因
五、提高加热蒸汽的利用率
1.采用多效蒸发
2.额外蒸汽的引出（作其它加热设备的热源）
vD1=W1
vD2=W1-E1=W2=D1-E1
vD3=W2-E2=W3=D1-E1-E2
vW=W1+W2+W3=3D1-2E1-E2
vD1=W/3+2E1/3+E2/3
注意:
各效引出的额外蒸汽量大于增加的加热蒸汽量！
3.二次蒸汽再压缩
Ø方法:
采用压缩机、蒸汽喷射泵、热泵循环再压缩法。
Ø消耗压缩功
Ø充分利用二次蒸汽的潜热
Ø节水
六、多效蒸发计算
Ø
（一）物料衡算
1.总蒸发量W
Fx0=（F-W）xn
vW=W1+W2+…+Wn
2.估算各效蒸发量Wi,各效蒸发量按经验估算:
v并流加料也可用经验方法估算:
双效:
W1:
W2=1:
1.1
三效:
W1:
W2:
W3=1:
1.1:
1.2
3.估算各效浓度xi
（二）焓衡算（热量衡算）
1.各效二次蒸汽压强
P1—加热蒸汽压强，Pa或kPa
Pk—冷凝器中蒸汽压强，Pa或kPa
2.各效的各种温度差损失
Ø各效的各种温差损失均按前述方法进行估算
3.各效溶液沸点及总有效温度差
Ø各效沸点：
Ø各效有效温度差：
Ø总温度差：
4.多效系统中加热蒸汽消耗量
Ø通过焓衡算求得（以0C的液体为基准，分别对各效作焓衡算）。
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