【doc】液-固三相流化床蒸发器浓缩食品液体的实验研究

【doc】液-固三相流化床蒸发器浓缩食品液体的实验研究 液-固三相流化床蒸发器浓缩食品液体的实 验研究 第20卷第4期 2004年8月 OOD&m咖YVoI.20No.4 August2004 汽一液一固三相流化床蒸发器浓缩食品液体 的实验研究 Experimentalstudyonthevapor?-liquid?-solidthree?-phasefluidized bedevaporatortocondensefoodliquid 高启君刘振义李丁宋继田甄永杰 GAOQi-junLiUZhen—yiHDingSONGJi—tianZHENYo~-jie (天津科技大学机械工程学院,天津300222) (CollegeofMechanicalEngineering,TianjinUniversityofScience&Technology,Tian jin300222,Ch/na) 摘要:介绍了三相流化床蒸发器的结构特点,对其传热和防, 除垢性能进行了研究:论述了把汽一液一固三相流化床蒸发 器应用于食品液体浓缩的可行性.研究结果表明:汽一液一 固三相流化床蒸发器具有良好的传热和防,除垢性能,在食 品工业中具有一定的应用前景. 关键词:汽一液一固;三相流化床;蒸发器;食品液体 Ab嘣:Thestructureandcharacteristicsofthethree-phaseflowfluidized bedevaporator,theheattransfercharacteristicsandthepropertiesofitspre— ventingandcleaningfanlsingandthefeasibilityofusingfluldizedbedevapora— torwiththethree-phaseflowtocondensefoodliquidwereintroducext.There— suitsshowedthatthevapor??liquid??solidthree-pha.~fluidizedbedevaporator hadgooapropertiesofheattransfer,preventingandcleaningfanlsing.Itwould beusedbroadlytocondensefoodliquidinfuture. K~rds:Vapor-liquid—solid;Three-phaseflowfluidizedbed;Evaporator; Foodliquid 在食品生产过程中,一些食品液体常常采用蒸发浓缩方 法除去部分水分.由于食品液体大多为热敏性物料,浓缩过 程中要求既要提高产品浓度,又要最大限度的保护产品有效 营养成分不被破坏,而且往往出现加热壁面结垢等问题,这 样不仅影响了传热性能,而且大大影响产品品质,可见采用 何种形式的蒸发设备和是一个很重要的问题. 随着现代工业技术的发展,蒸发作为一种重要的单元操 作,其技术不断地改进和创新.汽一液一固三相流化床蒸发 器就是近年来发展起来的一种新型,高效蒸发设备.这种设 备具有较好的传热和防,除垢性能,适应于易结垢物料的蒸 发浓缩. 关于汽一液一固三相流化床蒸发器的流态化,传热和结 垢等方面的研究已有文献报道llj,但其研究大多是针对化 工液体的.由于食品液体大多为热敏性物料,其对蒸发浓缩 作者简介:高启君(1975一),男,天津科技大学机械工程学院研究 生.E-mail:gaoqj741101@sina.con 收稿日期.'2004—07—03 有特殊的要求.因此,研究汽一液一固三相流化床蒸发器浓 缩食品液体具有重要的现实意义. l结构特点 流化床蒸发器是,种新型的蒸发设备,其主要创新在于 它将流态化技术应用于蒸发浓缩过程中,它是在加热管内加 入了惰性固体粒子作为流化介质,通过改善流体的流动形 态,从而强化传热;同时由于惰性固体粒子与壁面的频繁碰 撞及所形成的三相流对壁面的冲刷作用,能够提高传热性 能,而且具有较好的防,除垢效果,适应于易结垢的热敏性物 料的蒸发浓缩. 根据粒子流化形式的不同,可以将流化床蒸发器分为非 循环型(一般称之为流化床蒸发器)和循环型流化床蒸发器 两种型式.循环型流化床蒸发器根据粒子流化循环的方式 又可分为内循环和外循环两种型式.非循环型流化床蒸发 器的结构示意图如1图所示,其加热器下管箱被分布板分成 两部分,分布板以下为料液进口段,分布板以上为固体粒子 分配段.换热管在分配段伸出并在伸出部分打上圆孑L,孑L的 取决于流量的大小.料液从进口进入并经分布板分配 后,带动固体粒子均匀地分布到各个加热管中呈散式流化 态.非循环型流化床蒸发器的固体惰性粒子全部在换热管 内流化,因此又被称为固定流化床蒸发器. 图1非循环型流化床蒸发器示意图 机械与设计2004年第4期 循环型流化床蒸发器示意图如图2所示,料液和固体粒 子在下管箱内均匀混合并流态化,经分布板分配后进人换热 管束,然后在固液分离器中把粒子分离出来,料液从分离器 顶部出口流出,进入汽液分离室,固体粒子经外部循环管返 回下管箱并进入下一次循环. 二次蒸汽 加 热 蒸 汽 图2循环型流化床蒸发器示意图 2传热性能研究 实验以葡萄糖溶液,南瓜汁,茶叶浸提液为物料L3],分 别对汽一液一固三相流的非循环型及循环型流化床蒸发器 的传热特性进行了研究,有粒子时的三相流和无粒子时的两 相流管内沸腾传热性能比较如图3,图4,图5所示. 从图3,图4,图5中的实验数据可以看出:加入惰性固体 粒子的汽一液一固三相流化床蒸发器,无论是循环型还是非 循环型,其传热系数都较无粒子时的汽一液两相流动的传热 系数有较大提高,表明汽一液一固三相流化床蒸发器具有良 好的传热性能,惰性粒子的加入强化了传热.分析认为传热 性能增加的原因在以下三个方面:?惰性固体粒子的加入增 加了汽化核心,抑制了大汽泡的形成;?固体粒子的存在,加 强了流体本身的湍动程度,增大了加热壁面处的液体对流强 度,削弱了流体层流边界层,强化了流体与加热壁面问的对流 传热;?固体粒子的存在,改变了工质的导热能力. 4800 3800 2800 籁 垛 蕞 _ ' 吕 ? 晕.葺 垛 蕞 1800 lCe=30%,Es=6%,AT=8?,Tv=85?800 1.72.22.7 物料流量I/m3?hI1 图3葡萄糖溶液三相流和两相流 沸腾传热性能的比较(循环型) 物料流量I/m3?h 图4南瓜汁三相流和两相流沸腾传热的比较(循环型) 26 ' g ? 专—暑 蕞 迎 物料流量L/m3?h 图5茶叶浸提液三相流和两相流 沸腾传热的比较(非循环型) 3防,除垢性能研究 实验以葡萄糖溶液,南瓜汁,茶叶浸提液为物料,分别对 汽一液一固三相固定及循环流化床蒸发器的防,除垢性能进 行了初步的研究,为便于观察及分析,实验在镀膜电加热透 明石英玻璃管中进行.以葡萄糖溶液蒸发浓缩为例,实验发 现:在物料浓度较高时,当系统中不加入惰性粒子,在其它操 作条件不变的情况下,系统连续运转约40h,镀膜石英玻璃 蒸发管透明度开始下降,系统中开始有结垢现象发生;当系 统中加人体积分率为6%的惰性固体粒子,系统连续运转 150h,镀膜石英玻璃蒸发管透明度保持得很好,看不到有垢 层产生;说明惰性粒子的存在可以抑制垢层的形成,具有很 好的防垢效果. 在已经结垢的蒸发管内,加人体积分率为6%的惰性固 体粒子,实验发现,镀膜石英玻璃蒸发管透明度开始逐渐恢 复,直至完全透明,说明适量惰性粒子的存在不但可以抑制 垢层的形成,而且还能除去已经存在的垢层. 汽一液一固三相循环流化床这种良好的防,除垢性能也 可以借助传热系数随操作条件和时间的变化曲线进行研究. 图6示出了葡萄糖溶液蒸发浓缩时在结垢,除垢情况下的传 热系数随操作时间的变化曲线.从图中可以看出:在系统结 垢不完全时,由于垢层逐渐增加,传热系数随操作的进行,其 值是逐渐降低的;在结垢的蒸发管中,加人体积分率为6%的 惰性粒子,随着操作的进行传热系数逐渐升高,到达一定的 时刻,传热系数的值会大于无粒子两相流没结垢时的传热系 数值,这主要是由于粒子的加入强化了传热,粒子的存在对 传热的强化作用开始大于由于剩余垢层的存在对传热的阻 碍作用,但由于垢层没有完全脱落,随着操作的进行,垢层继 续脱落,传热系数会继续升高,直至达到一个稳定值,即垢层 完全脱落后的传热系数值,此时惰性粒子既较好的强化了传 热,又起到了防垢效果. 研究分析认为,汽一液一固三相流化床蒸发器这种良好 的防,除垢性能原因在于以下三个方面:首先,惰性固体粒子 在床层内的流动阻碍了流体中析出的固体物向壁面的扩散; 其次,固体粒子的加入,为沉积物提供了沉积表面,而沉积至 粒子表面的垢层极易溶于液体中,从而降低了污垢沉积到传 热表面的可能性C6】;另外,固体粒子与传热壁面发生频繁的 撞击,防止了换热壁面上垢层诱发点的生成,把结垢过程控 ))I? , %%:一 %:一子子F1.流粒粒习一相瓷璃\1一两陶玻Fr 第20卷第4期高启君等:汽一液一固三相流化床蒸发器浓缩食品液体的实验研究 制在诱导期,从而阻止了垢层的形成,达到很好的防,除垢 效果. 宣 ? 圣 辍 垛 蕞 操作时暗】t/h 图6葡萄糖溶液蒸发浓缩传热系数 随操作时间的变化曲线 汽一液一固三相流流化床蒸发器这种良好的防,除垢性 能,较好地解决了设备的在线清洗问题,能节约能源;此外, 由于惰性粒子的加入防止了物料结垢从而能提高产品质量. 可见这种蒸发设备适宜于易结垢食品液体的蒸发浓缩. 4加热管管壁温度变化 实验研究发现,使用汽一液一固三相流化床蒸发器在对 食品物料蒸发浓缩过程中,其加热管管壁的温度低于两相流 的管壁温度,如图7,图8所示,这将有利于热敏性食品物料 的蒸发浓缩. 94.5 93.5 92.5 91.5 赠905 刨895 88.5 87.5 2.12.32.52.7 液体流量I/m3?h 图7葡萄糖溶液三相流与两相流壁温的比较(循环型) \ 赠 剖 液体流量I/m3?h 图8茶叶浸提液三相流与两相流壁温的比较(非循环型) 惰性粒子的加入能够降低加热管管壁的温度,研究分析 认为其原因在于:惰性固体粒子的存在使流体主体内部温度 分布更加均匀,与未加入惰性固体粒子的汽一液两相流相 比,流体中心温度有所升高而流体边界层内温度有所降低, 这样在管外壁温度保持不变的情况下,使得与流体边界层相 邻的管内壁温度有所降低.因此汽一液一固三相循环流化 床蒸发器的壁温较之未加入惰性固体粒子的两相流的壁温 有所降低. 5结束语 通过对葡萄糖溶液,南瓜汁,茶叶浸提液等不同食品物 料的研究表明:加热管内填充惰性粒子而形成的汽一液一固 三相流化床蒸发器具有良好的传热和防,除垢性能,解决了 设备的在线除垢问题,提高了经济效益,能够降低加热管管 壁温度,有利于热敏性食品液体的浓缩,在食品工业中具有 一 定的应用前景. 参考文献 1李修伦,闻建平.垂直管内三相流化床沸腾传热特性[J].化学工 程,1995(2):50,54. 2于志家,徐维勤,沈自求.垂直套管环隙内气液固三相流动沸腾传 热与抗垢性能[J].大连理工大学,1997(7):471—473. 3牛立宏.三相循环流化床蒸发器传热及流体力学性能研究[D].天 津:天津科技大学硕士学位论文,2003,3. 4高丽兰.南瓜汁浓缩过程质量评估与三相循环流化床蒸发器蒸发 特性研究[D].天津:天津科技大学硕士学位论文,2004,3. 5任斌.惰性粒子流化床蒸发器传热与流体力学性能研究[D].天 津:天津轻工业学院硕士学位论文,2001,12. 6陈健生,李修伦,等.汽液固三相循环流化床蒸发器强化传热和防 垢研究J].化学T业与工程,2000,17(1):15,19 特J氟:?自洁型发泡枪,不堵枪 ?高压充分混合.发泡倍率大 ?流量大.工作效率高 ?电脑控温,故障跟踪自检 ?体积小.重量轻,推动轻便 用途: 适用于各类容器(罐),管 道,车辆,空调器,热水器 的保温绝热隔音的施工. 备有多种型号现货供应 ????????????? 工商认定北京市守信 27