多效降膜式蒸發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器中都要經過預熱器將料液預熱至沸點或沸點以上的溫度方可進入蒸發器中進行蒸發，在多效降膜式蒸發器中，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?；炝髋c逆流加料法通常是采用蒸發溫度較高的效出料。適合于料液隨著蒸發溫度降低，濃度增高而黏度在變大的產品的蒸發上，尤其適合含糖量較高的物料。如：用于蜜汁用的蔗糖水溶液、味精生產中的谷氨酸二次母液、果糖、麥芽糖漿、葡萄糖漿等的生產[2]。而牛奶等熱敏性物料不宜采用此加料方法。僅以TNJM03-6200型三效降膜式蒸發器在木糖水溶液蒸發中的應用為例進行比較闡述。

1 主要技術參數

（1）物料介質：木糖水溶液

（2）生產能力：6 200 kg/h

（3）進料質量分數：12%

（4）進料溫度：66℃

（5）出料質量分數：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，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）

預熱級的熱量計算：

蒸發器設計蒸發狀態參數表（見表1）。

料液蒸發時沸點溫度(不計管道阻力及加熱室內靜壓強引起的溫度差損失，忽略比熱在蒸發過程中的微小變化，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型三效降膜式蒸發器并流加料，末效出料

表1 蒸發狀態參數

第二級預熱級的熱量計算：

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

三效加熱蒸發實際所需要的熱量為：

實際蒸發所需要的熱量與用于蒸發的熱量之比不低于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）

預熱級的熱量計算：

料液蒸發時沸點溫度：1效：82℃；2效：67.5℃；3效：51.5℃。

蒸發量分配：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）

預熱級的熱量計算：

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

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

圖2 TNJM03-6200型三效降膜式蒸發器混流加料，二效出料

圖3 TNJM03-6200型三效降膜式蒸發器逆流加料，一效出料

第一級預熱級的熱量計算：

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，經濟指標（單耗kg/kg，即每蒸發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，蒸發溫度的升高很容易產生結垢結焦，甚至引起熱變性。而對于其它一些料液如：味精生產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，隨著蒸發溫度的降低其黏度增大，甚至還有可能產生少量結晶現象，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

絕大多數的料液是在比較低的溫度下進入蒸發器進行蒸發的。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。仍以上述的參數為例進行闡述，其設備流程圖如圖4所示。

預熱級的熱量計算：

共分4個預熱級將20℃料液預熱至沸點以上的溫度。

料液蒸發時沸點溫度：1效：82℃；2效：67℃；3效：52℃。

蒸發量分配：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溫度的降低，各效蒸發量是逐漸降低。由于是低溫進料，所以料液經過逐級預熱溫升至沸點溫度以上才進入蒸發器開始蒸發。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。而本例最大優點是利用了末效二次蒸汽對料液進行了預熱，預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熱溫差比較大所帶來的效果。

4 結束語

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。能用一般的生產工藝完成蒸發任務，就沒必要采取比較繁復的加料方式[6]。此外，料液的濃度及黏度也是決定蒸發器究竟采用幾效出料的關鍵。這樣才能使設備設計更趨于合理化，滿足不同料液的生產需要。

[1] 劉殿宇.影響蒸發器使用的幾個因素[J].發酵科技通訊,2008, 37（4）：46-47.

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

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

[4] 劉殿宇.多效降膜蒸發器中各效蒸發面積的調整[J].醫藥工程設計，2008，29(3)：5-6.

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

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