降膜式蒸發(fā)器效數(shù)的確定原則

劉殿宇

（華禹乳品機械制造有限公司，黑龍江 安達 151400）

0 前 言

降膜式蒸發(fā)器因其加熱溫度低，蒸發(fā)速率快，物料在設(shè)備中停留時間短，節(jié)能，在食品、乳品、化工、制藥及玉米深加工等生產(chǎn)中都有廣泛的應用。如用于牛奶、果蔬汁、維C、膠原蛋白、玉米浸泡液、污水處理等的蒸發(fā)濃縮。尤其適合熱敏性物料的蒸發(fā)濃縮，因為物料在加熱蒸發(fā)過程中有宜元素能最大限度地得到保護不被破壞。因此，越來越多的受到用戶的關(guān)注，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展降膜式蒸發(fā)器應用領(lǐng)域正在不斷地擴大。生產(chǎn)能力（每小時）小到幾十千克大到幾十噸的降膜式蒸發(fā)器在不同領(lǐng)域內(nèi)都有所應用。降膜式蒸發(fā)器分為單效，雙效及多效降膜式蒸發(fā)器。在實際應用過程中效數(shù)確定不夠合理的例子也曾出現(xiàn)過。究竟采用幾效進行蒸發(fā)更為合理，確定的原則是：應根據(jù)物料的特性、生產(chǎn)能力的大小、節(jié)能的效果、濃縮后料液濃度的高低等幾個方面進行綜合考慮進行確定。僅以RNJM03-8000型三效降膜式蒸發(fā)器在奶粉生產(chǎn)中的應用為例加以闡述。

1 主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點

1.1 技術(shù)參數(shù)

物料介質(zhì)：牛奶

水分蒸發(fā)量：8 000 kg/h

進料溫度：5℃

進料質(zhì)量分數(shù)：11.5%

出料質(zhì)量分數(shù)：38%～45%

使用蒸汽壓力：0.7～0.8 MPa

蒸發(fā)器狀態(tài)參數(shù)見表1

表1 蒸發(fā)器蒸發(fā)狀態(tài)參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)特點

圖1 RNJM03-8000型三效

蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)特點是：采用五個預熱級（包括一個殺菌段）將進入蒸發(fā)器的料液溫度由5℃預熱至92℃，采用并流加料法，末效出料。采用熱壓縮技術(shù)即熱泵抽吸一效二次蒸汽提高其溫壓作為一效的一部分加熱熱源。利用末效二次蒸汽對物料進行預熱，預熱后剩余部分二次蒸汽進入冷凝器中被冷凝成凝結(jié)水。蒸發(fā)器各個效體等全部進行絕熱保溫處理。其工藝流程如圖1所示。

2 多效蒸發(fā)的優(yōu)點

2.1 多效蒸發(fā)的節(jié)能效果

采用多效蒸發(fā)的最大優(yōu)點之一就是節(jié)省能源。多效蒸發(fā)二次蒸汽得到了充分的利用。如本例采用的是三效降膜式蒸發(fā)器，一效二次蒸汽作為二效的加熱熱源，二效二次蒸汽作為三效的加熱熱源。三效二次蒸汽對物料預熱后剩余部分二次蒸汽才進入冷凝器中被冷凝成凝結(jié)水由泵排出。如果是四效、五效等依此類推。設(shè)有熱壓縮技術(shù)的（熱泵）蒸發(fā)器經(jīng)濟指標（單耗kg/kg,即每蒸發(fā)1 kg水分所消耗蒸汽的量。）：單效0.625；雙效0.46；三效0.32；四效 0.28；五效 0.24（熱損失按 5%～6%計）[2,5]尤其大生產(chǎn)能力的節(jié)能效果更加明顯。

2.2 采用多效蒸發(fā)料液濃度提高得快

多效蒸發(fā)與單效蒸發(fā)的不同之一就是料液濃度提高得快，已蒸發(fā)的料液不需要在蒸發(fā)器中長時間的循環(huán)蒸發(fā)，即使在多效蒸發(fā)中某一效有小循環(huán)但料液在蒸發(fā)器中停留的時間卻很短，同生產(chǎn)能力的蒸發(fā)量小于一噸的單效與雙效降膜蒸發(fā)器物料在設(shè)備中的停留時間約差20 min以上。而本例物料進入蒸發(fā)器到出料，物料在設(shè)備中的停留時間僅為7 min。（蒸發(fā)參數(shù)穩(wěn)定的情況下）這也是為什么熱敏性物料如：乳品、蛋品、果蔬汁、膠原蛋白等宜采用降膜式蒸發(fā)器蒸發(fā)而不采用外循環(huán)等其他形式蒸發(fā)器蒸發(fā)的主要原因之一。多效蒸發(fā)最大的優(yōu)點之一就是連續(xù)進料連續(xù)出料，出料的濃度一次即可達到設(shè)計要求的濃度，而單效則不能夠?qū)崿F(xiàn)，需要循環(huán)進料，待到濃度達到了才可放料。理論上等量生產(chǎn)能力的單效與多效換熱面積應該相等，而實際上隨著二次蒸汽溫度的降低，料液濃度的增高，傳熱系數(shù)在變小，計算及應用的多效換熱面積往往都要大于單效的換熱面積，這也是為什么多效可連續(xù)出料的主要原因。

2.3 采用多效蒸發(fā)可降低冷凝負荷

采用多效蒸發(fā)可降低冷凝器的換熱面積、冷卻水的耗量及真空泵的電機功率的消耗，可使系統(tǒng)的真空度更加穩(wěn)定，更容易控制。采用多效蒸發(fā)末效蒸發(fā)量很小，對有熱壓縮技術(shù)的本例來看僅占一效蒸發(fā)量的42.4%，占總蒸發(fā)量的22.5%，不僅如此，末效的二次蒸又對物料進行了預熱，剩余部分才進入冷凝器中被冷凝掉。僅利用末效二次蒸汽一項本例就可節(jié)省冷凝器的換熱面約為40m2，冷卻水耗量約為29 T/h,真空泵功率可降低約5～7 kW[4]。

3 降膜式蒸發(fā)器效數(shù)確定

3.1 溫度差的損失

設(shè)加熱溫度為T,溶液的沸點為t,則蒸發(fā)器傳熱溫度差為Δt=T-t,在多效蒸發(fā)過程中，若無任何溫度損失時溶液的沸點溫度等于二次蒸汽的溫度，也必須等于進入次一效作為加熱的溫度，即:t1=T2，t2=T3， …而各效的溫度差為：Δt1=T1-t1，Δt2=T2-t2=t1-t2,….Δtn=Tn-tn=tn-1-tn.所以，各效溫度差總和為：∑Δt=Δt1+Δt2+…+Δtn而總的溫度差為第一效加熱溫度與末效二次蒸汽之差，即：∑Δt總=T1-tn，在無溫度差損失時，溫度差的總和應與總溫度差相等，即：∑Δt=∑Δt總，而實際上，蒸發(fā)過程中是有溫度差損失的，所以，∑Δt＜∑Δt總，∑Δt稱為有效總溫度差。兩者之間的差額∑Δ，稱為溫度差損失，即∑Δ= ∑Δt總-∑Δt，蒸發(fā)過程中溫度差損失主要有三項，一是溶液的沸點升高。在相同溫度下，由于溶質(zhì)的存在溶液的蒸汽壓力總是比純?nèi)軇┑臑榈?，因此，當液面的壓強一定時，溶液的沸點比純?nèi)軇┑臑楦?，所高出的溫度稱為溶液的沸點升高。溶液的沸點升高隨著溶液的濃度而變，濃度越高，沸點升高越大。這也是為什么在多效降膜蒸發(fā)過程中末效的換熱面積比較大的主要原因之一。二是溶液的靜壓強而引起的沸點升高。在蒸發(fā)過程中低層溶液所承受的壓強要比液面的為高。降膜式蒸發(fā)器與外循環(huán)等的蒸發(fā)器不同，料液在降膜管中是以液膜狀沿著降膜管壁在自身的重力及二次蒸汽流的作用下自上而下的流動，因此，靜壓強引起的沸點升高對降膜式蒸發(fā)過程來說并沒什么影響。三是各效間二次蒸汽在管道中，由于流體的阻力而引起的溫度損失。多效蒸發(fā)中二次蒸汽在進入次一效加熱殼程中，管路中由于流體阻力使蒸發(fā)壓強降低，蒸汽的飽和溫度隨之下降。因而發(fā)生蒸汽在各效間的溫度損失，這個損失與蒸汽速度、管路長短、管件多少、撲沫器的阻力等有關(guān)。管路損失溫度約為1℃.需要特別說明的是導致蒸發(fā)溫度降低的還有一個特別重要的影響因素那就是熱損失，蒸發(fā)過程不是完全絕熱的過程，是有熱量損失的。根據(jù)當?shù)丨h(huán)境條件的不同其熱量損失也不盡相同。這一點對多效蒸發(fā)的影響不容忽視，因此，建議蒸發(fā)器要進行保溫處理。

3.2 效數(shù)的確定

從上述中可看出在多效蒸發(fā)過程中其溫度差是有損失的，不僅如此還有熱損失造成蒸發(fā)溫度的降低。蒸發(fā)必須保持一定的溫度差，這樣才會推動蒸發(fā)有效快速的進行。也就是說隨著效數(shù)的增加，二次蒸汽作為次效的加熱溫度會越來越低，后效的蒸發(fā)溫度也越來越低，蒸發(fā)量越來越低，本例蒸發(fā)量的分配是：1 效：4 240 kg/h；2 效：1 960 kg/h；3效：1 800 kg/h。根據(jù)多效蒸發(fā)過程的特點，在選擇確定蒸發(fā)器的效數(shù)時也就必須適當，也不是效數(shù)越多就越好。具體的確定原則是：應根據(jù)物料的特性、生產(chǎn)能力的大小、節(jié)能的效果、濃縮后料液濃度的高低等幾個方面進行綜合考慮進行確定。對蒸發(fā)量不大，蒸發(fā)量在1 200～2 500 kg/h，物料出料濃度在40%～45%多采用雙效或三效，蒸發(fā)量在2 500～10 000 kg/h，出料濃度在40%～75%可選擇三效或四效，目前很少有采用單效蒸發(fā)，除非蒸發(fā)量很小，小于500 kg/h，濃度要求不高，料液屬于非熱敏性，間斷生產(chǎn)或在實驗室中用于實驗才考慮單效蒸發(fā)。單效蒸發(fā)濃度提高的慢且重復蒸發(fā)，在蒸發(fā)過程中物料受熱時間較長，尤其是熱敏性物料，會破壞料液中有益元素。對大生產(chǎn)能力的，一般生產(chǎn)能力超過10 000 kg/h就可采可用四效蒸發(fā)，超過20 000 kg/h可考慮采用四效或五效進行蒸發(fā)。有些蒸發(fā)還必須兼顧物料的特性，如本例物料為牛奶，牛奶中的蛋白質(zhì)，脂肪含量都很高，是典型的熱敏性物料，也是眾多物料中最難生產(chǎn)的物料之一，在生產(chǎn)過程中極易產(chǎn)生結(jié)垢或結(jié)焦，效數(shù)越多降膜管的布液量就越少，結(jié)垢結(jié)焦的可能性就越大，嚴重結(jié)垢結(jié)焦會影響產(chǎn)品品質(zhì)。所以，生產(chǎn)能力8 000 kg/h用于奶粉生產(chǎn)的蒸發(fā)器可選擇三效或四效降膜式蒸發(fā)器。

4 結(jié)束語

綜上所述，擇選并確定出合適的效數(shù)，在生產(chǎn)中，無疑可起到節(jié)能降耗的作用；可以達到連續(xù)進料，連續(xù)出料的目的，可以提高生產(chǎn)效率。由于生產(chǎn)的連續(xù)性使操作過程更加穩(wěn)定，更加容易控制。因此，效數(shù)的確定應有理論依據(jù)，除了必要的理論計算外，也必須根據(jù)不同的物料進行區(qū)別對待。只有這樣才能確定并選擇出最佳的方案來適應物料的生產(chǎn)。為了生產(chǎn)出更加穩(wěn)定的高品質(zhì)的產(chǎn)品，采用多效蒸發(fā)，全自動控制則是今后降膜式蒸發(fā)器的發(fā)展方向。

[1]夏青,陳常貴主編.化工原理(上)[M].天津:天津科學技術(shù)出版社,2005:1.

[2]劉殿宇.板式降膜蒸發(fā)器在膠原蛋白生產(chǎn)中的設(shè)計研究[J].農(nóng)產(chǎn)品加工,2012（1）：62-64.

[3]劉殿宇.影響蒸發(fā)器使用的幾個因素[J].發(fā)酵科技通訊,2008（4）：46-47.

[4]劉殿宇.利用末效二次蒸汽進行預熱的節(jié)能效果及意義[J].中國奶牛,2012(7)：40-41.

[5]劉殿宇，陳麗.熱泵在蒸發(fā)器中的應用效果及注意事項[J].化工設(shè)備與管道,2011，48（2）：35-36.