蒸发器-中央循环管式蒸发器
化工原理 08第七章蒸发与结晶
3．外热式蒸发器
外热式蒸发器的结构特点是把中 央循环管式蒸发器中管束较长的加热 室和分离室分开，这样，一方面降低 了整个设备的高度，另一方面由于循 环管没有受到蒸汽加热，加大了溶液 的密度差，且由于管子较长，从而加 快了溶液循环的速度（可达1.5m/s以 上）。
第七章 蒸发与结晶
安徽理工大学 张洪流
第一节 概述
蒸发是将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使溶剂部分汽化从而达 到将溶液浓缩等生产目的的单元操作。蒸发操作广泛用于化工、轻工、 制药、食品等多种工业生产中。
蒸发操作在工业生产中主要作用有： （1）将稀溶液浓缩直接得到液体产品，或将浓缩液进一步加工处理获 取固体产品；例如电解法制得的稀烧碱溶液、蔗糖水溶液、果汁、牛奶、 抗生素溶液等的蒸发。 （2）获取溶液中的溶剂作为产品；例如海水蒸发制取淡水。 （3）同时制取浓缩液和回收溶剂；例如制药中浸取液的蒸发。
图7-5 列文蒸发器 1－加热室2－加热管3－循 环管 4－蒸发室 5-除沫器
6－挡板7－沸腾室
5．强制循环型蒸发器
在一般的自然循环型蒸发器中，由于循 环速度较低，导致传热系数较小，且当溶液 有结晶析出时，易粘附在加热管的壁面上。 不适宜于处理粘度大、易结垢及有大量结晶 析出的溶液。为了提高循环速度，可采用强 制循环型蒸发器。它是利用外加动力（循环 泵）促使溶液循环，循环速度的大小可通过 调节循环泵的流量来控制，其循环速度一般 在2.5m/s以上。
中央循环管式蒸发器工作原理
中央循环管式蒸发器工作原理中央循环管式蒸发器属于自然循环型的蒸发器。
中央循环管式蒸发器是指由垂直管束组成，管束中央有一根直径较粗的管子。
细管内单位体积溶液受热面大于粗管的,即前者受热好,溶液汽化得多,因此细管内汽液混合物的密度比粗管内的小,这种密度差促使溶液作沿粗管下降而沿细管上升的连续规则的自然循环运动。
粗管称为降液管或中央循环管，细管称为沸腾管或加热管。
它的加热室由管径为25mr——75mn，长度为1m——2m(长径之比约为20-4)的直立管束组成，在管束中央安装一根较程的管子。
操作时，管束内单位体积溶液的受热面积大于粗管内的，即前者受热好，溶液汽化的多，因此细管内的溶波合汽量多，数使密度比粗管内溶液的要小，这种密度差促使溶液作沿粗管下降而沿细管上升的循环运动,做故粗管除称为中央循环管外还称为降液管，细管称为加热管或沸凋管。
为了促使溶液有良好的循环，设计时取中央循环管截面积为加热管束总截面积的40%-10%.它是工业生产中广泛使用且历史悠久的大型蒸发器，至今在化工、轻工、环保等行业中仍被广泛采用。
该设备与盘管式浓缩罐相类似，适用于鱼浆、木糖、牛奶、豆浆、果汁、蕃茄汁、淀粉糖、木糖、葡萄糖等热敏性、高粘度物料的浓缩。
化工原理学--蒸发讲义
蒸发器的传热温差不仅与蒸汽压力、溶液沸点 有关，还存在温度差损失。
温度差损失的定义
蒸发操作中，有效传热温度差低于理论传热 温度差的值，称作温度差损失（Δ）。
冷凝器操作压力下水的饱和温度
理论传热温差：
t T t o
加热蒸汽的饱和温度
有效（实际）传热温差： t T t
温度差损失 ： t t
③蒸发器传热面积Ａ（传热速率方程）
7.3.1 物料衡算
设：蒸发过程没有溶质的损失
Fw0 (F W )w
W F (1 w0 ) w
F——物料量，kg/s W——蒸发水量，kg/s w0、w——料液、完成液的浓度（％质量）
7.3.2 热量衡算
1、溶液浓缩热不可忽略
Dr0 Fi0 (F W ) i WI Ql Dr0 F (i i0 ) W (I i) Ql
某一浓度溶液的杜林线与浓度为零的直线之间的 垂直距离即为相应压力下该溶液的沸点升高Δ´ 。
杜林线图中可得三个结论：
①溶液浓度小时， Δ´与压 强关系不大，可取常压下 数据 Δ´a 。
②浓度升高，溶液沸点显 著增加；
③不同压力下溶液的沸点与 同压强下溶剂的沸点成线 性关系
7.3.3.2 液柱静压头使溶液沸点升高
7.2 蒸发设备（Evaporation Devices） 7.2.1 常用蒸发器
一、循环型蒸发器
（The Circulation Evaporator）
1、垂直短管式
（中央循环管式蒸发器）
循环动力：密度差
优点： 结构简单，操作可靠，
传热效果好，造价低；
缺点：循环速度低，易积污垢，
操作周期短，清洗不便。
W F (1 w0 ) w
[工学]食品工程原理06蒸发
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料液
2. 强制循环式蒸发器
5
二次蒸气
4
优点：适用于粘度大、易
1-加热室 2-循环泵
结晶、易结垢物料
加热 蒸气 3 1 完成液
3-循环管 4-蒸发室
5-除沫器
的蒸发循环速度大
小可调节，传热系 数较大。 缺点：动力消耗大。
2
（二）非循环型蒸发器（单程蒸发器）
1. 单程型蒸发器的特点 1
应用：
适于处理蒸发量大的稀溶液以及热敏性 或易生泡的溶液；不适于处理高粘度、 有结晶析出或易结垢的溶液。
3. 降膜式蒸发器
结构：
其加热室与升膜式蒸发器类似。
原理：
原料液由加热室顶部加入，经管端的液体 分布器均匀地流入加热管内，在溶液自身 重力作用下，溶液沿管内壁呈膜状下流， 并进行蒸发。
要求：
为了使溶液能在壁上均匀分布，且防止二 次蒸气由加热管顶端直接窜出，加热管顶 部必须设置加工良好的液体分布器。
（2）加热蒸气消耗量（热量衡算）
对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出 时，有：
FhF SHS VHV Shs Php
式中：S —— 加热蒸汽消耗量，kg/s； hF，hP，hs — 加料液，完成液和冷凝水的热焓，kJ/kg HV，Hs—— 二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，kJ/kg。
单效蒸发
二次蒸气不加利用而直接送到冷 凝器进行冷凝的蒸发操作。
将蒸发器产生的二次蒸气通到另外一
多效蒸发
个蒸发器作为加热蒸气，以便提高加 热蒸气（生蒸气）的利用率，这种串
联蒸发操作称为多效蒸发。
蒸发的目的
除去液态食品中的大量水分，减少包装、贮藏和运输费用。 提高制品浓度，获得浓缩的溶液直接作为产品或半成品。 使溶液达到适合于结晶操作的状态（饱和或过饱和浓度， 便于结晶操作。
中央循环管式蒸发器工作过程
中央循环管式蒸发器工作过程
一、原液进入蒸发器
蒸发器是利用热能将原液加热变成蒸气的一种设备。
原液通过管道进入蒸发器的第一级，经过加热后，液体中的部分水分开始蒸发，原液转化为浓缩液。
二、加热蒸发
在蒸发器中，原液通过加热管进行加热，随着温度的升高，原液中的水分逐渐蒸发，浓缩液的浓度逐渐增加。
热能来源可以是蒸汽、电能或其它热源。
三、蒸发出来的流体气相流向同步器
从蒸发器中蒸发出来的流体气相流向同步器。
同步器的作用是调节蒸发器和浓缩液排出管道之间的压力差，确保蒸发器内部压力稳定，使蒸发过程能够持续稳定地进行。
四、同步器的工作原理
同步器由两部分组成：一部分是气相管道，另一部分是
液相管道。
气相管道与蒸发器出口相连，液相管道与浓缩液排出管道相连。
当蒸发器内部压力升高时，气相管道中的压力也会随之升高，而液相管道中的压力变化不大，这样就会产生压力差，使浓缩液从液相管道流向气相管道，从而维持蒸发器内部的压力稳定。
五、浓缩液排出
从同步器流出的浓缩液通过管道进入下一级处理设备或者直接收集起来。
浓缩液的排出速度和浓度可以根据实际需要进行调节和控制。
六、中央循环管的作用
中央循环管是蒸发器的重要组成部分，它可以将加热后的溶液进行循环流动，增加溶液在蒸发器中的停留时间，从而提高蒸发效率。
同时，中央循环管还能防止溶液在蒸发器内壁形成热阻层，保证传热效率。
综上所述，中央循环管式蒸发器的工作过程包括原液进入蒸发器、加热蒸发、蒸发出来的流体气相流向同步器以及浓缩液排出等步骤。
通过这些步骤，原液可以转化为浓缩液并排出，实现物质的分离和提纯。
单效中央循环管蒸发器.
食品工程原理课程设计说明书番茄汁单效连续加料蒸发装置的设计姓名：学号：班级：年月日设计任务书目录1.前言1.1 概述1.2蒸发器选型2.单效蒸发工艺计算2.1 物料衡算2.2 热量衡算2.3 传热面积计算2.4 计算结果列表3.蒸发器主体工艺设计3.1 加热管的选择和管数的初步估计3.1.1 加热管的选择和管数的初步估计3.1.2 循环管的选择3.1.3 加热室直径的确定3.1.4 分离室直径与高度的确定3.2 接管尺寸的确定3.3 进料方式及加热管排布方式的确定3.3.1进料方式的确定3.3.2加热管排布方式的确定3.4 仪表、视镜与人孔的确定3.5 蒸发器主要部件规格列表4.蒸发装置的辅助设备4.1 气液分离器4.2 蒸汽冷凝器5.结语致谢附表参考文献1.前言1·1 概述食品工程原理是食品工程与科学专业主要课程之一，食品工业包含诸多的单元操作，如蒸发、结晶、杀菌等，本课程均有介绍。
本次设计题目为番茄汁单效连续加料蒸发装置的设计。
通过设计，一方面提高学生对食品工业单元操作的认识，另一方面加深学生对食品工程原理课程的理解与掌握。
本设计涉及的单元操作为蒸发。
蒸发是典型的传热过程，即是将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程。
蒸发是一种分离操作，广泛应用于化工、轻工、制药和食品等许多工业中溶剂为挥发性而溶质为非挥发性的场合。
在许多场合，蒸发系统的热量经济性成为整个生产流程的关键因素。
工业上蒸发主要以浓缩和分离为主要目的。
本设计以浓缩为主要目的，设计出将番茄汁的可溶性固形物含量由8％浓缩为40％的单效连续加料蒸发装置。
本设计首先确定浓缩罐的处理能力为6t/h番茄汁原浆。
根据选用蒸发器的特点进行物料衡算、热量衡算，进一步确定换热器的传热面积。
根据经验及相关文献，选取加热管的长度为1.3m，管径为50mm。
进而确定加热管数目，并确定排布方式。
根据加热管截面积与中央循环管的截面积的关系以及中央循环管直径与加热室直径的关系确定中央循环管的直径和加热室的直径。
了解蒸发器的结构及选型55
6
7
5）强制循环蒸发器 循环速度高达2.0～5.0m/s。 处理粘度大、易结沟或易结晶的溶液。
8
9
2.膜式式（单程型）蒸发器
1）升膜蒸发器： 加热管长径比为100～150，管径为25～50mm。二
次蒸汽在加热管内的速度为20～50m/s，减压下为： 100～160m/s。
处理蒸发量较大的稀溶液以及热敏性或生泡的溶 液。不适合处理易结晶、易结垢或粘度特大的溶液。
7
8
1.基本关系
1）物料衡算 对整个蒸发系统作溶质衡算，可得：
Fx0 F W xn
W
Fxn
xn
x0
F1
x0 xn
W W1 W2 Wn
9
对任一效作溶质衡算，可得：
Fx0 F W1 W2 Wi xi i 2
xi
F
W1
Fx0 W2
Wi
0
2）焓衡算
以00C的液体为基准，忽略热损失，可得： 第一效：
Fh0
D1 H1
hw
F
W1 h1
W1
H
1 1
若溶液的稀释热，且加热蒸汽的冷凝液在饱和温度
下排出，可得：
Q1 D1r1 Fc p0 t1 t0 W1r11
1
第i效：
Qi Di ri
Fc p0 W1c pw W2c pw Wi1c pw ti ti1 Wi ri1
H hw
0
若加热蒸汽的冷凝液在蒸汽的饱和温度下 排除，则：
D WH F W h1 Fh0 QL
r
1
2
2）溶液的稀释热可以忽略时
溶液的焓可以由比热算出，则：
h0 c p0 t0 0 c p0t0 h1 c p1 t1 0 c p1t1 hw c pw T 0 c pwT
蒸发设备的认知与操作—循环型(非膜式)蒸发器
中央循环管蒸发器的主要优点是结构简单、紧 凑，制造方便，操作可靠，投资费用少。缺点 是清理和检修麻烦，溶液循环速率较低，一般 仅在0.5 以下，传热系数小。它适用于黏度适 中、结垢不严重、有少量的结晶析出及腐蚀性 不大的场合。中央循环管式蒸发器在工业上的 应用较为广泛。
图16.2-1 中央循环管式蒸发器 1—外壳；2—加热室；3—中央循环管；4—蒸发室；5—除沫器
图16.2-2悬筐式蒸发器 1—加热室；2—分离室；3—除沫器 4—环形循环通道
ห้องสมุดไป่ตู้
中央循环管式蒸发器
中央循环管式蒸发器
中央循环管式蒸发器为最常见的蒸发器，其结构如图16.2-1所示。 它主要由加热室、蒸发室、中央循环管和除沫器组成。蒸发器的 加热器由垂直管束构成，管束中央有一根直径较大的管子，称为 中央循环管，其截面积一般为管束总截面积的40％～100％。当 加热蒸汽(介质)在管间冷凝放热时，由于加热管束内单位体积溶 液的受热面积远大于中央循环管内溶液的受热面积，因此，管束 中溶液的相对汽化率就大于中央循环管的汽化率，所以管束中的 气液混合物的密度远小于中央循环管内气液混合物的密度。这样 造成了混合液在管束中向上、在中央循环管向下的自然循环流动。 混合液的循环速率与密度差和管长有关。密度差越大，加热管越 长，循环速率越大。但这类蒸发器受总高限制，通常加热管为 1～2 ，直径为25～75 ，长径比为20～40。
图16.2-3外加热式蒸发器 1—加热室；2—蒸发室；3—循环管
悬筐式蒸发器
悬筐式蒸发器
其结构如图16.2-2所示，它的加热室像个篮筐，悬挂 在蒸发器壳体的下部，作用原理与中央循环管式相同， 加热蒸汽从蒸发器的上部进入加热管的管隙之间，溶 液仍然从管内通过，并经外壳的内壁与悬筐外壁之间 的环隙中循环，环隙截面积一般为加热管总面积的 100％～150％。这种蒸发器的优点是溶液循环速度比 中央循环管式要大（—般在1～1.5 m/s），而且，加 热器被液流所包围，热损失也比较小；此外，加热室 可以由上方取出，清洗和检修比较方便。缺点是结构 复杂，金属耗量大。它适用于容易结晶的溶液的蒸发， 这时可增设析盐器，以利于析出的晶体与溶液分离。
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标准蒸发器
一、标准蒸发器的原理
标准蒸发器也称为中央循环管式蒸发器，是一个由直立的加热管束组成的列管式换热器，管束中心的直径较大的管子称为中央循环管。
是目前应用较为广泛的蒸发设备。
操作时，液体由中央循环管下降，而由加热管束上升做循环流动。
蒸发的二次蒸汽和完成液分别从蒸发器顶部和底部排出。
循环管的截面积一般为管束总面积的40%-100%，管束直径25-75mm，管长与管径比20-40.溶液的循环速度在0.5m/s。
二、标准蒸发器的特点
1、标准蒸发器的优点
结构简单、制造方便、操作可靠、投资费用较小。
2、标准蒸发器的缺点
溶液的循环速度较低、传热系数较低、清洗和维修不够方便。
三、标准蒸发器的应用
中央循环管式蒸发器只适用于蒸发结垢不严重，只有少量结晶析出和腐蚀性小的料液。