第5章真空蒸发4.ppt
第五章 真空蒸发装置,双效蒸发器的计算步骤1.先假定各效加热面积相等。2.估算各效的浓度：假定蒸发量：W1:W2:W3=1:1.1:1.23.初步确定各效沸点：根据经验确定各效的压强降相等，若温度差损失不能忽略时，则计算损失，再求各效溶液的沸点。4.求各效的蒸发量和传热量：根据热量衡算，求各效的蒸发量和传热量。5.根据传热量计算各效的传热面积，若面积不相等，则重新分配有效温差，重复4，5步，直到各效的传热面积相等为止。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,真空蒸发装置的附属设备，主要包括捕集器(或称捕沫器、捕汁器)，冷凝器，水力喷射器及机械式抽真空泵和热能压缩机等。一、捕集器 它一般安装在蒸发设备蒸发室的顶部或侧面，其目的防止蒸发过程中形成极细微液滴被上升的二次蒸汽流带走，使汽液很好的得到分离，减少料液的损失，可以由此防止污染管道及其它蒸发器的加热面。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,1、造成液沫的主要原因：(1)由于蒸发过程中受热，在低压下操作，使溶液表面张力发生变化。生成大量的气泡沫。而且这时不少气泡不易破裂。泡上加泡。最后甚至会充满蒸发空间，无法操作。(2)二次蒸汽的高速运动使极细微液滴随行上升。带至室外，造成损失和污染。(3)料液以超过蒸发的沸腾温度进料。自身膨胀蒸发，形成大量飞沫，由于它们的体积发生突然的膨胀，夹带液沫逸出，在真空度较高的蒸发设备，多效蒸发的最终一效最易发生。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,2、捕集器的结构形式 在工业生产上，捕集器的工作原理不同，类型就有很多，但是把它们总结和归纳后，可发现不外乎为惯性型、离心型及表面型三太类。现分述如下(1)惯性型：如图534中(1)及(2)和(5)所示，它是在二次蒸汽高速上升运动时，突然改变其运动方向，让二次蒸汽与若干档板相碰撞，液体本身因质量大惯性大，不易改变运动方向，向前不断与档板碰撞。速度很快降下来，动能减小，使液体与二次蒸汽得到分离。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,2、捕集器的结构形式(1)惯性型：为了提高分离效果，要求容器的直径比二次蒸汽入口直径大2.53倍。在正常操作时效果尚好，缺点是阻力大，压力损失大。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,2、捕集器的结构形式(2)离心型：如图534中(3)所示，其形状与旋风分离器相似二次蒸汽沿分离器的壳壁呈切线方向进入，因此汽流产生回旋运动。液滴本身因质量大被甩至外璧，使之产生摩擦，速度下降，动能减少。液滴沿壁回流下来到蒸发器内参加蒸发。此种形式的捕集器，必须要求二次蒸汽速度大(一般在1230米秒)的才能充分发挥设备性能。其压力损失也大(一般为40100毫米汞柱)。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,2、捕集器的结构形式(2)离心型：,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,2、捕集器的结构形式(3)表面型：如图534中(4)所示，它是二次蒸汽通过多层金属网或者磁圈等所构成的捕集器。液滴被粘附在其表面，二次蒸汽则通过，速度小，压力损失小，一般只有几个毫米汞柱，由于磁圈填料或金属网，不易清洗，在食品工业中较少采用。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,3、选择捕集器的条件：捕集器的选择，必须考虑下面几个条件。(1)汽液分离效果好。(2)阻力小，即压力损失少。(3)汽液得到分离后，回流液进入蒸发室内具有较好的结果，不会使回流液在回到蒸发室的途中再次被二次蒸汽带走。(4)捕集器结构简单，体积及其尺寸小，金属耗量低。(5)生产结束时容易拆洗，没有死角。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,4、计算：捕集器的容积可按如下公式计算 式中：VD蒸汽分离器的容积，米3。W水份蒸发量(即二次蒸汽量)公斤h V二次蒸汽的比容，米3公斤 A捕集器的容积负荷，一般离心式捕集器A=4000-4500米3/时米3。其他类型的捕集器A=8 000-12000米3/时米3,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器 1、冷凝的主要目是：将真空浓缩所产生的二次蒸汽进行冷凝将其中之不凝结气体(如空气、二氧化碳等)分离以减轻抽真空系统的容积负荷；同时保证一定要求的真空度。如绝对压强140.4(毫米汞柱)60之饱和水蒸汽比容每公斤为7673(升)。而冷凝后之冷凝液，体积仅是1.017(升)，相差达7000倍。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器2、分类：二次蒸汽一般采用冷水进行冷凝，方法如下(1)一种是间接冷凝法，它是采用间接冷凝器(如蛇管式，列管式)，冷却水与二次蒸汽不直接接触，这样蒸汽冷凝液不会被水弄脏，使冷凝液能回收.二次蒸汽一般走管内，流速一般选1015(米秒)，冷凝液在一般管外，冷水在管内，则水的流速为1.5-2.5(米秒),第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器(2)直接冷凝法 这种方法在上是用冷水与二次蒸汽直接混合而使二次蒸汽冷凝，工厂中常用的直接冷凝器有干式高位逆流冷凝器和低位湿式冷凝器及喷射式冷凝器等。冷凝器是真空浓缩装置中主要的附属设备之一，现将乳品中常遇到的冷凝器分述如下。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器3、冷凝器的结构、工作原理、流程：(1)表面式冷凝器(间接冷凝器：如图535中(2)所示，工作原理与一般管壳式热交换器相同，因是通过一层传热壁间接传递热量的，再加上壁垢的生成使传递热量两边的温度差较大，即二次蒸汽与冷却水的终温可能温差达1012，除非冷凝液要回收，冷却水的使用是不经济的，故一般情况下较少采用。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器3、冷凝器的结构、工作原理、流程：(1)表面式冷凝器1真空浓缩锅2干式真空泵3冷却水泵8表面式冷凝器,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器3、冷凝器的结构、工作原理、流程：(2)大气式冷凝器：(干式高位逆流冷凝器)工作原理：冷凝器的流程如图(535)中(1)所示，二次蒸汽由冷凝器的下侧进入，向上通过隔板间隙，与从冷凝器上部进入的冷水逆流接触和冷凝，从气压管排出。不凝结气体由冷凝器上端排出，进入气液分离器将液滴分离后，再被抽真空装置吸取排到大气中。因被抽真空装置吸入的不凝结气体是没有液滴的，故称之为干式高位逆流冷凝器。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器3、冷凝器的结构、工作原理、流程：(2)大气式冷凝器：(干式高位逆流冷凝器)工作原理：,1真空浓缩锅2干式真空泵3冷却水泵4水池5大气式冷凝器6汽水分离器7气压式真空腿,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器3、冷凝器的结构、工作原理、流程：结构：冷凝器体是一个用钢板制成的圆筒。直径为4002000(毫米)，高度12005000(毫米)，内部装有淋水板常见的如图(536)，板数一般为38块，板上有孔眼或无孔眼，孔眼直径为25(毫米)，每块淋水板的面积为冷凝器断面积的6075。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器3、冷凝器的结构、工作原理、流程：结构：,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器3、冷凝器的结构、工作原理、流程：结构：大气式冷凝器是利用冷却水与二次蒸汽直接接触时进行冷凝。一般为逆流方式，冷却水之排出利用气压真空腿。故冷凝器需架设于适当之高度(1011M)，以利排水，不凝缩气体是用干式真空泵从冷凝器顶部抽出的。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器3、冷凝器的结构、工作原理、流程：结构：气压真空腿的高度计算可应用下式H=10.33hK+hw+hz（M）式中：hk冷凝器内之绝对压力,(M水柱)hw降水管中之阻力总和(约为0.10.2M水柱)hz补充高度，在正常条件下为0.5M水柱(在计算值后加),第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器3、冷凝器的结构、工作原理、流程：结构：由于这种冷凝器采用逆流方式，二次蒸汽温度与冷却水之终温仅相差13，冷却水消耗量较少，此外，结构简单，工作可靠。其缺点是架设过高，需要较长之管道，安装检修不便。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器3、冷凝器的结构、工作原理、流程：计算：,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,二、冷凝器(4)低水位冷凝器：前面介绍过高位逆流混合冷凝器。其中缺点之一就是太高，要安置在1011米位置上，为了降低大气脚(气压管)高度，可在它的下面联接抽水泵，使其抽吸压头等于气压管降低的高度，在顶端接干式真空泵或蒸汽喷射泵，因高度降低了，可安装在厂房内部，但要求配具有允许的真空吸头的抽水泵，管路联接要求严密，以免发生冷却水倒灌入蒸发器内部的事故，在整个冷凝器系统中，要配置干式真空泵和抽水泵，投资费高，能量消耗也多。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,(3)并流式冷凝器：结构如图53 8所示，冷却水网格中喷出，其流动方向与二次蒸汽流动方向相同，故称之并流冷凝器一般与湿式真空泵配套使用。特点：二次蒸汽温度与冷却水终了温度相差56，可见冷却水利用率设有逆流式混合冷凝器经济，另外一方面它必须与湿式真空泵配套使用，而湿式真空泵结构笨重，效率低，这种设备已属淘汰产品，乳品厂也不见采用。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,(3)并流式冷凝器：,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,(5)水力喷射冷凝器：它由水力喷射器及离心泵所组成，操作时兼有冷凝及抽真空两种作用。结构及工作原理，结构如图53 9所示，为水力喷射器结构，由图中可见，它是由喷咀、吸气室、混合室、扩散室等部分所组成的，工作时通过离心水泵的动力将水压入喷咀，为了防止高速水流的冲击作用，故在吸气室内装有流体导向板，对水流起缓冲及分配作用。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,(5)水力喷射冷凝器：,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,(5)水力喷射冷凝器：,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,(5)水力喷射冷凝器：操作过程：离心水泵将水压入喷咀后，由于喷咀断面积小速度快(1530米秒)射入混合室及扩散室而到排水管中在喷咀出口处形成低压区这样会不断的吸入二次蒸汽。因二次蒸汽与冷却水间有温差，混合后产生热交换，二次蒸汽温度降低，被冷却为冷凝水，与不凝性气体随冷却水一同排出，这样就完成了二次蒸汽的冷凝，又能起抽真空的作用，(要求供水压力稳定)，结束时，应先破坏真空，然后再关离心水泵。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,(5)水力喷射冷凝器：高速的液流(或称射流)夹带气体并能混合的原理。在任何自由湍急射流中都呈现着旋动小质团的不规则运动，这些小质团在其横向位移中，穿越射流的边界，而与周围静止环境中的质量相接触。当接触时，移动着的质量则把“动量”传给周围的界层，因此使周围界层的质点产生谐振运动，而归并于射流，附近空间的质点则渗进补充，从而源源不断地将气体介质夹带排出。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,(5)水力喷射冷凝器：喷射式冷凝器的特点 同时具有蒸汽的冷凝及抽真空的作用，在配置上可省略一个真空系统减少设备投资和能源的消耗。喷射式冷凝器本身没有机械运转部件，结构简单，造价低廉，适合小厂使用，运转可靠也不需经常维护。如果二次蒸汽具腐蚀性，也能适合使用。正常运转费用低，不需要润滑油等消耗。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,(5)水力喷射冷凝器：喷射式冷凝器的特点 不必安装于1 01 1米的高位，可与蒸发器二次蒸汽排出口处直接的水平方向联接。整个蒸发过程所配置的电动机功率低.其缺点表现在不能取得较高的真空度.,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,(5)水力喷射冷凝器：水力喷射器装时应注意事项：吸入二次蒸汽的管径，可按蒸汽流速5080米秒的范围内选择管径，要求尽量减少阻力损失。自离心水泵起，到水力喷射冷凝器上的冷水进入管路中，应尽量减少各种管件，减少阻力损失。排水管要垂直，管的下端应在水面下约200毫米。各联接口要求严密，防止漏泄发生。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵 真空泵的主要目是把二次蒸汽中不凝性的气体排出蒸发系统外面保证有正常的真空度在乳品工厂中用的真空泵有两种，一种是机械泵.另一种称真空喷射泵.1 机械式真空泵：基本上可分为两类：即干式真空泵和湿式真空泵，干式真空泵从容器中抽吸出气体，可以达到9699.9真空度，而湿式真空泵在抽吸气体同时还带有较多的水分，因此它只能产生8085真空度,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(1)往复式真空泵：它的构造如图543所示它与往复式压气机在作用原理上是完全相同的，仅结构有所不同，住复式真空泵由机身，气缸活塞，曲轴，联杆活块，进气及排气阀等组成 湿式真空泵如图543中(1)所示前面已介绍过，它是与并流式冷凝器配套使用它是通过活塞的往复运动把冷凝器内的冷凝水及不凝结气体一起同时排走，因笨重。真空度低，效率差，功率消耗多，经常维护费用高，目前已极少使用。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(1)往复式真空泵：干式真空泵，一般与干式逆流混合冷凝器配套使用它仅仅把不凝性气体抽走，效果较湿式真空泵好，使用广泛，但是占地面积大，维护费用高。干式真空泵在电动机的驱动下，通过曲轴连杆的作用，使汽缸内的活塞作往复运动，活塞的一端由真空系统吸入气体，并由另一端将吸入汽缸内的气体，通过气阀箱，再由排气管捧到大气中去，在整个进气和排气循环过程中，活塞起驱动作用，进排气阀片起逆止作用这样多活塞不断作住复运动时真空系统中的气体就不断被抽除而达到所需的真空度,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(1)往复式真空泵：,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(1)往复式真空泵：,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(1)往复式真空泵：,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(2)水环式真空泵 水环真空泵如图(123)。主要是由泵体和泵盖组成的工作室。泵体是一个呈放射状分布的叶片和轮组成的叶轮1，偏心地装置在园形的工作室内。泵起动前在工作室内灌清水，当电动机带动叶轮旋轴，由于离心力作甩，将水甩至工作壁形成一个旋转水环。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(2)水环式真空泵 水环上部内表面与轮壳相切，沿箭头方向旋转的叶轮在前半转中，水环的内表面逐渐与轮壳离开，因此各片之间的空隙逐渐扩大，这样空气从大镰刀形吸气口中被吸入而形成真空。在后半转中水环的内表面逐渐与轮壳接近，因此叶片间的空间逐渐缩小，各叶片问的空气被压缩并从小镰刀形的排气口中被排出。叶轮每转一周，叶片问容积即改变一次，叶片间的水就象活塞一样反复运动也就连续不断地抽吸与排出气体。,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(2)水环式真空泵 叶轮为铸铁制造成，有十二个叶片呈放射状均匀分布，有平衡孔(其中两个套扣供拆卸用)平衡轴向力叶轮靠键与轴4连接并可沿轴向滑动调节间隙，轴为优质碳钢制成支承在两个滚珠轴承上，右端有弹性联轴器与电动机直接联接托架用铸铁制成有止口保证与泵体准确联结，轴承间有空腔可存稀油，故这种泵用稀油，干油润滑均可,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(2)水环式真空泵 此泵结构简单紧凑，易于制造，操作可靠，转速较高可与电动机直联内部无需润滑，可使排出气体免受油污，排气量也较均匀，但由于高速运转，使泵体与泵叶磨损造成真空较低，需经常更换，功率消耗较大。水环式真空泵的技术特性如下表：,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(2)水环式真空泵,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(2)水环式真空泵,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(2)水环式真空泵,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(2)水环式真空泵,第五章 真空蒸发装置,第七节蒸发器的辅助设备,三真空泵(2)水环式真空泵,第五章 真空蒸发装置,第八节 多效蒸发的限度,采用多效蒸发器的目的，是为了减少加热蒸汽的消耗量，由前讨论得知，1公斤加热蒸汽，大约可蒸发1公斤水，似乎效数愈多愈经济，但实际上由于蒸发室中溶剂水的汽化潜热较加热室中蒸汽潜热为大，且有热量损失，故每蒸发1公斤的水分，实际需要大于1公斤的蒸汽量，根据经验数据，蒸发1公斤的水分，所消耗的加热蒸汽量(公斤)约为下列数值：单效蒸发设备为11双效为0.57，三效为0.4，四效为0.3、五效为0.27等。由此可见。自单效改为双效时。加热蒸汽的节省约为5 0，自四效改为五效时，其节约程度已降至1.,第五章 真空蒸发装置,第八节 多效蒸发的限度,故多效蒸发设备的经济意义虽在于节省加热蒸汽，但是有限度的，况且添加蒸发效数需添加设备费用，当再添一效蒸发器的费用不能与所节省加热蒸汽的收益相抵消时，即达到效数的限度。此外，另一个限制效数的重要原因为温度差损失的增加，使有效温度差降低，又由于有效温度差须分配到多效蒸发器的各效，则效数愈多，损失于各效的温度差愈大，各效分配的温度差愈见减少，势必引起设备生产操作强度降低。,第五章 真空蒸发装置,第八节 多效蒸发的限度,根据经验数据各效分配到的温度差最少不应少于57，亦即须使溶液维持在饱和沸腾温度阶段，效数愈高，温度差损失愈大，当到达某一效时，可能发生温度差损失等于甚至大于总有效温度差，此时，蒸发操作实际上是无法进行的。从我国目前情况看，乳品工厂目前均有双效蒸发以上出现，但效数不多。最多3-4效。效数多少和生产量也有一定关系。如下表：,第五章 真空蒸发装置,第八节 多效蒸发的限度,第五章 真空蒸发装置,例题,第五章 真空蒸发装置,双效蒸发器的设计计算已知：进料量：S=1000kg/h，浓度B0=12%出料浓度：B2=50%沸点进料：t0=t1加热蒸汽压强：1.5kg/cm2=14.71kPa冷凝器的绝对压力：0.15kg/cm2=147.1kPa传热系数k1=1450kcal/m2h=6069485 J/m2hK传热系数k2=900kcal/m2h=3767267 J/m2hK原料比热：0.93 kcal/kg=3893 J/kgK液面高度：1m效平均密度：1050kg/m3效平均密度：1170kg/m3各效加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出,第五章 真空蒸发装置,双效蒸发器的设计计算求：1.总蒸发量和各效蒸发量2.加热蒸汽耗量3.蒸发器的传热面积解：(1).总蒸发量：,第五章 真空蒸发装置,双效蒸发器的设计计算(3)设各效间的压强降相等，估算各效二次蒸汽的温度：则一效蒸发器的压力P1=1.5-0.675而B2=50%,第五章 真空蒸发装置,双效蒸发器的设计计算(2)估算各效的溶液的浓度(为计算沸点升高)因并流加料，可设W1:W2=1:1.1W=W1+W2=2.1W=760kg/hW1=760/2.1=362kg/hW2=1.1*362=398kg/h第一效出料浓度：而B2=50%,第五章 真空蒸发装置,双效蒸发器的设计计算已知：进料量：S=1000kg/h，浓度B0=12%出料浓度：B2=50%沸点进料：t0=t1加热蒸汽压强：1.5kg/cm2=14.71kPa冷凝器的绝对压力：0.15kg/cm2=147.1kPa传热系数k1=1450kcal/m2h=6069485 J/m2hK传热系数k2=900kcal/m2h=3767267 J/m2hK原料比热：0.93 kcal/kg=3893 J/kgK液面高度：1m效平均密度：1050kg/m3效平均密度：1170kg/m3各效加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出,
