多效降膜式蒸發(fā)器不同加料方法及出料方法的比較及其意義

劉殿宇

（華禹乳品機械制造有限公司，黑龍江安達 151400）

進入蒸發(fā)器的料液溫度有兩種：一種為低于沸點溫度進料，一種為高于或等于沸點溫度進料[1]。低于沸點溫度的料液在降膜式蒸發(fā)器中都要經(jīng)過預(yù)熱器將料液預(yù)熱至沸點或沸點以上的溫度方可進入蒸發(fā)器中進行蒸發(fā)，在多效降膜式蒸發(fā)器中，加料方式也不盡相同。有并流加料法，逆流加料法及混流加料法。其中，以并流加料方法最為常見。采用什么樣的加料方法及第幾效出料是由物料的特性決定的。用于并流加料法末效出料的料液有很多，如：牛奶、果汁、茶浸提液、膠原蛋白、葡萄糖漿等。混流與逆流加料法通常是采用蒸發(fā)溫度較高的效出料。適合于料液隨著蒸發(fā)溫度降低，濃度增高而黏度在變大的產(chǎn)品的蒸發(fā)上，尤其適合含糖量較高的物料。如：用于蜜汁用的蔗糖水溶液、味精生產(chǎn)中的谷氨酸二次母液、果糖、麥芽糖漿、葡萄糖漿等的生產(chǎn)[2]。而牛奶等熱敏性物料不宜采用此加料方法。僅以TNJM03-6200型三效降膜式蒸發(fā)器在木糖水溶液蒸發(fā)中的應(yīng)用為例進行比較闡述。

1 主要技術(shù)參數(shù)

（1）物料介質(zhì)：木糖水溶液

（2）生產(chǎn)能力：6 200 kg/h

（3）進料質(zhì)量分?jǐn)?shù)：12%

（4）進料溫度：66℃

（5）出料質(zhì)量分?jǐn)?shù)：35%

（6）料液比熱按3.887 4 kJ/（kg?℃）計

（7）使用蒸汽壓力：0.75～0.8 MPa

（8）裝機容量：45 kW

2 不同加料方法的比較

2.1 同種物料及進料參數(shù)，不同種加料方法的工藝流程

同種物料條件下三種不同加料方法及出料方法的設(shè)備流程圖如圖1所示。

2.2 不同種加料方法其蒸氣耗量比較

2.2.1 并流加料末效出料的蒸汽耗量（見圖1）

預(yù)熱級的熱量計算：

蒸發(fā)器設(shè)計蒸發(fā)狀態(tài)參數(shù)表（見表1）。

料液蒸發(fā)時沸點溫度(不計管道阻力及加熱室內(nèi)靜壓強引起的溫度差損失，忽略比熱在蒸發(fā)過程中的微小變化，以下同)：1效：81.59 ℃；2效：66.64 ℃；3 效：52.24 ℃。

蒸發(fā)量分配：1效：3 235 kg/h；2效：1 418 kg/h；3效：1 547 kg/h。

進料量：S=（6 200×35）/(35－12)=9 434.78 kg/h；取9 435 kg/h。

第一級預(yù)熱級的熱量計算：

Q1=9 435×3.887 4（76 － 66）=366 776.19 kJ/h（這里料液比熱取3.887 3 kJ/（kg?℃）

圖1 TNJM03-6200型三效降膜式蒸發(fā)器并流加料，末效出料

表1 蒸發(fā)狀態(tài)參數(shù)

第二級預(yù)熱級的熱量計算：

Q2=9 435×3.887 4（92 － 76）=586 841.904 kJ/h

熱量衡算（多次試算結(jié)果）：

用于第一效加熱用的蒸汽量按下式計算：

D=[Wr－S?C(T－t)+ Q2]q/R

式中 D — 蒸汽耗量，kg/h；

W — 水分蒸發(fā)量，kg/h；W=3 297 kg/h；

S — 進料量，kg/h；S=9 435 kg/h；

C — 物料比熱，kJ（kg ?℃）；C=3.8874 kJ（kg ?℃）；

T — 進料溫度，℃；T=92℃；

t — 料液沸點溫度，℃；這里按65℃計算；

R — 加熱蒸汽潛熱，kJ/kg；R = 2 263.47 kJ/kg；

r — 二次蒸汽汽化潛熱，kJ/kg；r = 2 301.926 kJ/kg；

q — 熱量損失，5%～6%，這里按總熱量的6%計算。

則：

生蒸汽耗量計算[3]：

G0=3 582.94/(1+1)=1 791.47 kg/h（這里噴射系數(shù)μ=1）

用于一效加熱的一效二次蒸汽量：

3 582.94－1 791.47=1 791.47 kg/h

用于二效加熱的一效二次蒸汽量及熱量：

3 235－1 791.47=1 443.53 kg/h

1 443.53×2 301.926=3 322 899.239 kJ/h

二效加熱蒸發(fā)實際所需要的熱量為：

用于三效加熱的熱量：

1 418×2 339.128 = 3 316 883.5 kJ/h

三效加熱蒸發(fā)實際所需要的熱量為：

實際蒸發(fā)所需要的熱量與用于蒸發(fā)的熱量之比不低于99%可視為熱平衡，因此，不再試算。

由于混流與逆流加料、出料與并流發(fā)生了改變，其熱量衡算過程與并流衡算過程也不相同。

2.2.2 混流加料二效出料的蒸汽耗量（見圖2）

預(yù)熱級的熱量計算：

料液蒸發(fā)時沸點溫度：1效：82℃；2效：67.5℃；3效：51.5℃。

蒸發(fā)量分配：1效：3 328 kg/h；2效：1 299 kg/h；3效：1 573 kg/h。

第一級預(yù)熱級的熱量計算：

Q1=7 862×3.887 4（70－ 51.5）=565 410.67 kJ/h（這里料液比熱取3.887 3 kJ/（kg?℃）

第二級預(yù)熱級的熱量計算：

Q2=7 862×3.887 4（92 － 70）=672 380.3 kJ/h

熱量衡算（多次試算結(jié)果）：

用于第一效加熱用的蒸汽量按下式計算：

生蒸汽耗量計算：

G0=3 759.4/(1+1)=1 879.7 kg/h（這里噴射系數(shù)μ=1）

用于一效加熱的一效二次蒸汽量：

3 759.4－1 879.7=1 879.7 kg/h

用于二效加熱的一效二次蒸汽量及熱量：

3 328－1 879.7=1 448.3 kg/h

1 448.3×2 301.926=3 333 879.4 kJ/h

二效加熱蒸發(fā)實際所需要的熱量為：

用于三效加熱的熱量：

1 299×2 339.128=3 038 527.3 kJ/h

三效加熱蒸發(fā)實際所需要的熱量為：

2.2.3 逆流加料一效出料的蒸汽耗量（見圖3）

預(yù)熱級的熱量計算：

料液蒸發(fā)時沸點溫度：1效：82.7℃；2效：66.67℃；3效：51.54℃。

蒸發(fā)量分配：1效：3 393.5kg/h；2效：1 274.5kg/h；3效：1 532 kg/h。

圖2 TNJM03-6200型三效降膜式蒸發(fā)器混流加料，二效出料

圖3 TNJM03-6200型三效降膜式蒸發(fā)器逆流加料，一效出料

第一級預(yù)熱級的熱量計算：

Q1=7 903×3.887 4（71－ 51.54）=59 752.5 kJ/h（這里料液比熱取3.887 3 kJ/（kg?℃）

第二級預(yù)熱級的熱量計算：

Q2=6 628×3.887 4（92 － 71）=541 120.25 kJ/h

熱量衡算（多次試算結(jié)果）：

用于第一效加熱用的蒸汽量按下式計算：

D=[Wr－S?C(T－t)+ Q2]q/R

則：

生蒸汽耗量計算：

G0=3 799.4/(1+1)=1 899.7 kg/h（這里噴射系數(shù)μ=1）

用于一效加熱的一效二次蒸汽量：

3 799.4－1 899.7=1 899.7 kg/h

用于二效加熱的一效二次蒸汽量及熱量：

3 393.5－1 899.7=1 493.8 kg/h

1 493.8×2 301.926=3 438 617.1 kJ/h

二效加熱蒸發(fā)實際所需要的熱量為：

用于三效加熱的熱量：

1 274.5×2 339.128=2 981 218.6 kJ/h

三效加熱蒸發(fā)實際所需要的熱量為：

從上述不同進料及出料方式可看出，三種不同種加料方法其蒸氣耗量分別是：并流加料法：1 791.47 kg/h；混流加料法：1 879.7 kg/h；逆流加料法：1 899.7 kg/h。蒸汽耗量依次增高，經(jīng)濟指標(biāo)（單耗kg/kg，即每蒸發(fā)1 kg水分所消耗蒸汽的量）分別為：并流：0.29；混流：0.303；逆流：0.306。

對熱敏性物料，一般不采用后兩種方法進料及出料，如對牛奶來說，隨著濃度的增高，蒸發(fā)溫度的升高很容易產(chǎn)生結(jié)垢結(jié)焦，甚至引起熱變性。而對于其它一些料液如：味精生產(chǎn)中的谷氨酸二次母液、玉米浸泡液、葡萄糖漿等卻可以采用后兩種進料及出料方式[4-5]，這是由這些料液特性決定的，隨著蒸發(fā)溫度的降低其黏度增大，甚至還有可能產(chǎn)生少量結(jié)晶現(xiàn)象，這樣就可采用后兩種加料方式。

3 低于沸點溫度并流加料的蒸汽耗量計算

絕大多數(shù)的料液是在比較低的溫度下進入蒸發(fā)器進行蒸發(fā)的。其進料也有上述三種進料方法，后兩種不常采用，因此，不再贅述，需要說明的是并流加料末效出料也是最為常見的一種加料方式。仍以上述的參數(shù)為例進行闡述，其設(shè)備流程圖如圖4所示。

預(yù)熱級的熱量計算：

共分4個預(yù)熱級將20℃料液預(yù)熱至沸點以上的溫度。

料液蒸發(fā)時沸點溫度：1效：82℃；2效：67℃；3效：52℃。

蒸發(fā)量分配：1效：3 433 kg/h；2效：1 423 kg/h；3效：1 344 kg/h。

第1～4級預(yù)熱級的熱量計算分別是：

Q1=9 435×3.887 4（47 － 20）=990 295.7 kJ/h（這里料液比熱取3.887 3 kJ/（kg?℃），以下同）

圖4 TNJM03-6200型三效降膜式蒸發(fā)器并流加料，末效出料

Q2=9 435×3.887 4（61 － 47）=513 486.7 kJ/h

Q3=9 435×3.887 4（76 － 61）=550 164.3 kJ/h

Q4=9 435×3.887 4（92 － 76）=586 841.9 kJ/h

熱量衡算（多次試算結(jié)果）：

用于第一效加熱用的蒸汽量按下式計算：

D=[Wr－S?C(T－t)+ Q2]q/R

則：

生蒸汽耗量計算：

G0=3 803.86/(1+1)=1 901.93 kg/h（這里噴射系數(shù)μ=1）

用于一效加熱的一效二次蒸汽量：

3 803.86-1 901.93=1 901.93 kg/h

用于二效加熱的一效二次蒸汽量及熱量：

3 433－1 901.93=1 531 kg/h

1 531×2 301.926=3 524 248.7 kJ/h

二效加熱蒸發(fā)實際所需要的熱量為：

用于三效加熱的熱量：

1 423×2 339.128=3 328 579.1 kJ/h

三效加熱蒸發(fā)實際所需要的熱量為：

從上述熱量衡算可看出這種進料方法隨著蒸發(fā)溫度的降低，各效蒸發(fā)量是逐漸降低。由于是低溫進料，所以料液經(jīng)過逐級預(yù)熱溫升至沸點溫度以上才進入蒸發(fā)器開始蒸發(fā)。其蒸氣耗量要比上述并流、混流加料法大，與完全的逆流的蒸汽耗量所差無幾。而本例最大優(yōu)點是利用了末效二次蒸汽對料液進行了預(yù)熱，預(yù)熱后的蒸汽再進入冷凝器中，這也大大降低了冷凝器的冷凝負荷，起到節(jié)能降耗的作用。從上述可看出雖然進料溫度比較低，但蒸汽耗量增加并不明顯，這主要是因為末效預(yù)熱溫差比較大所帶來的效果。

4 結(jié)束語

降膜式加料及出料方法不盡相同，其蒸氣耗量也有明顯差別，采取什么樣的加料及出料方法應(yīng)由料液的特性及工藝要求作出判斷及選擇。能用一般的生產(chǎn)工藝完成蒸發(fā)任務(wù)，就沒必要采取比較繁復(fù)的加料方式[6]。此外，料液的濃度及黏度也是決定蒸發(fā)器究竟采用幾效出料的關(guān)鍵。這樣才能使設(shè)備設(shè)計更趨于合理化，滿足不同料液的生產(chǎn)需要。

[1] 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, 37（4）：46-47.

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

[3] 劉殿宇.熱泵在蒸發(fā)器中的應(yīng)用效果及注意事項[J].化工設(shè)備與管道，2011(2)

[4] 劉殿宇.多效降膜蒸發(fā)器中各效蒸發(fā)面積的調(diào)整[J].醫(yī)藥工程設(shè)計，2008，29(3)：5-6.

[5] 劉殿宇.降膜蒸發(fā)器生產(chǎn)能力降低的幾種主要因素[J].發(fā)酵科技通訊，2011，40(2)：40-45.

[6] 劉殿宇.防止熱敏性物料在降膜蒸發(fā)器中各效蒸中產(chǎn)生結(jié)焦的方法[J].中國乳品工業(yè)，2004(7)：44-46.