双效蒸发器设计课程设计

1、课程设计授课时间：2015 2016年度 第1学期题 目双效蒸发器设计课程名称：机械与设备课程设计专业年级：食品科学与工程卓越班学号：1301715046姓名：雷璇华指导教师：许林李文山目录第 1 章 引言 - 2 -1.1 物料介绍 - 2 -1.2 物料的浓缩方法 - 2 -1.3真空浓缩优点 - 2 -1.4 多效流程的优点 - 2 -1.5浓缩设备介绍 - 2 -1.6 多效流程基本类型 - 3 -第 2 章 设计计算 - 3 -2.1 工艺设计 - 3 -2.1.1 确定流程与蒸发器类型 - 3 -2.1.2 辅助设备选择 - 3 -2.1.3 工作流程 - 3 -2.2 工艺计算

2、- 4 -2.2.1 估计各效蒸发量和完成液浓度 - 4 -2.2.4 蒸发器的传热面积估算 - 8 -2.3 蒸发器结构的设计 - 9 -2.3.1 加热管及加热室的选择 - 9 -2.3.1.1 加热管的选择和管数确定 - 9 -2.3.1.2 加热室壳体直径的计算： - 9 -2.3.2 分离室结构计算 - 10 -2.3.3 接管尺寸的确定 - 10 -2.3.3.1 溶液进出口 - 10 -2.3.3.2 加热蒸气进口与二次蒸汽出口 - 11 -2.3.3.3 冷凝水出口 - 11 -第 3 章 参考文献 - 12 -第 1章 引言1.1 物料介绍物料为茶汁， 其粘度低， 具有一定的

3、热敏性， 一些成分遇热分解， 不含有颗粒和悬浮物， 不易结晶。1.2 物料的浓缩方法食品浓缩可以采用真空蒸发浓缩设备，使用最广泛的浓缩设备是真空浓缩设备，冷冻浓缩设备和膜浓缩设备等， 目前， 食品工业冷冻浓缩设备对于热敏性和挥发性成分料液的浓缩 有很大的吸引力。1.3 真空浓缩优点在真空的状态下，料液的沸点下降， 加速了水分蒸发，避免了料液高温处理，适合用于 处理热敏性料液。热源可以采用低压蒸汽或废热蒸汽。 由于料液的沸点较低，是浓缩设备的热敏损伤减少。 对料液起加热杀菌作用，有利于食品的保藏。1.4 多效流程的优点效数越多，节省的加热蒸汽量就越少，由单效改为双效时，加热蒸汽用量可减少50%，

4、但由四效改为五效只能节省 10%，热能经济性提高不大。效数越多， 温度若损失越大， 分配到各效的有效温度差就越小， 为了维持料液在溶液沸腾阶 段每效的有效温度差不小于5-7 C,这样也限制了效数的增加。1.5 浓缩设备介绍一般由蒸发器，冷凝器，真空系统组成。蒸发器：产生浓缩液和二次蒸汽，常见的形式：中央循环管式，浓缩锅，外加热式蒸发 器，升膜式蒸发器，降膜式蒸发器。冷凝器： 将二次蒸汽冷凝成水和不凝气， 减轻真空系统的负荷， 使系统保持一定的作用， 常见的形式：填料式冷凝器，孔板式冷凝器，喷射式冷凝器。真空系统：保持真空度。1.6 多效流程基本类型并流法特点： 1 料液与蒸汽流动方向相同 2.

5、靠压差进料， 3.进料温度较沸点高， 有闪蒸作用， 4.料液粘度依次增高， 5.末效需要较大的传热面积。逆流法： 1,料液与蒸汽流动方向相反， 2 各效间的料液流动需要泵送。 3、进料温 度较沸点低（末效除外） ，4、料液粘度较稳定。 5、易造成结焦和营养破坏。第 2章 设计计算2.1 工艺设计2.1.1 确定流程与蒸发器类型物料为茶汁，初始固形物含量为 8.5%，完成液浓度 26%，料液浓度依次增加，加热蒸 汽压强180kPa,末效冷凝器压强 20kPa，可通过压差进料，因此选择并流法。由于粘度不高， 且不含颗粒物， 不适宜选择刮板式蒸发器， 由于最后完成液浓度为 26%， 浓度不高， 不适

6、宜用中央循环式浓缩锅， 由于茶汁具有一定的热敏性， 故不适用外加热式蒸 发器。综上所述，采用降膜式蒸发器，其特点是：蒸发时间短，适用于处理热敏性料液。大 多以双效或多效形式组成蒸发设备，一提高浓缩物，不适用于处理易结晶或结垢的溶液。2.1.2 辅助设备选择泡沫捕集器：防止细小的液滴被二次蒸汽带出，造成浪费，防止冷凝污染。泵：因为粘度低， 选择离心泵， 其作用是排除浓缩液， 真空泵为蒸发器提供所需真空度， 以及排除系统中产生的不良气体。冷凝器选择喷射式，对真空度要求不高，还能将系统内不凝气体抽走。2.1.3 工作流程工作时，料液经泵从平衡槽抽出，通过由二效蒸发器二次蒸汽加热的预热器，然后依 次经

7、二效一效蒸发器盘管预热，预热后的料液在列管式杀菌器杀菌，并在温管内保温24S，随后相继通过一效蒸发器二效蒸发器，最后由出料泵抽出。生蒸汽结合气分别向杀菌器，一效蒸发器和热压泵供气， 一效蒸发器产生的二次蒸汽，一部分通过热压泵作为一效蒸发器的加热蒸汽，其余的被导入二效蒸汽作为加热蒸汽，二效蒸发器产生的二次蒸汽，先通过预热器，在料液进行预热的同时冷凝， 余下二次蒸汽与不凝性气体一起由水力喷射器冷凝抽出，各处加热蒸汽产生的冷凝水由泵抽出，储槽内的洗液用于设备的就地清洗。2.2工艺计算221估计各效蒸发量和完成液浓度每小时水分蒸发量：x0/ W F 10x2(常用化工单元设备设计153页)W 6000

8、 1 00854038.46 kg/h0.26式中F0 原料处理量，kg/h;X0进I效蒸发器料液的浓度，质量百分比；X2出U效蒸发器料夜的浓度，质量百分比； W水分蒸发量kg/h ;由常用化工单元设备设计P153取 W1:W2=1:1.1故 W1= 4038.46 =1923.08 (kg/h)1 1.1W=4038.46-1923.08=2115.38(kg/h)其中，W第I效的蒸发量，kg/hW第U效的蒸发量，kg/hI效二次蒸汽浓度X1 陋 =6000 8.5% =12.51%F0 W16000 1923.08X2F。FX0二6000 8.5%W1 W2 =6000 1923.08 2

9、115.38有关参数(1) 原料液总量：6000kg/h(2) 进料：x1 =8.5% T1 =25E P1=180kPa出料：x2 =26%P2=20kPa据已知条件，假设各效温度，查饱和水蒸气表来自化工原理饱和水蒸汽表压力(kPa)T( C)汽化潜热(kg)I效加热蒸汽P=180T1=1161 =2214.3I效二次蒸汽P=49.2T1811=2299.7U效加热蒸汽P=47.4T2=802=2307.8U效二次蒸汽P=20T2=6022354.9冷凝处蒸汽P=19.3T3=5932362222估计各效溶液的沸点和有效总温度差t m t0式中：温度差损失，C操作压强下由于溶液蒸汽压下降而引

10、起的沸点升高，C 液层静压引起的温度差损失，C管路流动阻力引起的温度差，Ca常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，Cf 校正系数，无因次，其经验计算式为:f 0.0162(T273)2r式中：T 操作压强下二次蒸汽的温度，C操作压强下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg般果汁相同a2 1.48 C常压下，8.5%的茶汁沸点变化情况与 故使用内插法常温下果汁沸点升咼a1 0.145 C0.0162 81273 22299.70.1450.128 ( C)0.0162 602732354.91.481.129(C)由于静压强，降膜式蒸发器：1= 2=0(C )121 ( C )双效茶汁的沸点分别为t

11、 1111810.1180 18182.118 Ct 2 =222600.9920 16061.992 C压力(kPa)T( C)汽化潜热(kJ/kg)I效加热蒸汽P=180T1=1162214.3I效料液P=49.54t 1=82.1181 =2294.2I效二次蒸汽P=49.2811=2299.7U效加热蒸汽P=47.4T2=802307.8U效料液P=21.23t 2 =61.9922=2351.1U效二次蒸汽P=20T2=6022354.9冷凝处蒸汽P=19.3T3=5932362.2.2.3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算第i效的焓衡算式为：Qi(FCp。W/Cpw W2Cpw

12、 .W 1Cpw) (ti 1 ti) Wr有上式可求得第i效的蒸发量Wi，若在焓衡算式计入溶液的能缩热及蒸发器的热损失时，尚需考虑热利用系数一般溶液的蒸发，可取得0.94-0.7 x(式中x为溶液的浓度变化，以质量分率表示)。第i效的蒸发量W的计算式为rtit*WiiDi 丄(FCp。WiCpw W2Cpw Wi iCpw)-r*r*式中Di-第i效的加热蒸汽量，kg/h，当无额外蒸汽抽出时Di = W 1 ；ri -第i效加热蒸气的汽化潜热，kJ/kg ;r -第i效二次蒸气的汽化潜热，kJ/kg ;Cp0-原料液的比热，kJ (kg. C)；Cpw-水的比热，kJ (kg. C);-i，

13、-i 1-分别为第i效及第i-1效溶液的沸点，C；i-第i效的热利用系数无因次，对于加热蒸汽消耗量，可列出 各效焓衡算式并与式W Wi W2Wn联解而求得。i =0.98第一效的焓衡量式为：W1X凶 FCp。1)AA1 =0.98进料，Cp0=3.99kJ/(kg. C)，Cpw =4.187 kJ/(kg. C)，查表得 ”=2214.3kJ/kg,对于沸点进料，t0 t1De1 1同理第二效的热衡算式为：W1 =0.98 2294.2/2299.7 D1 =0.98 D1(a)2 =0.98所以W2FCp0WiC pw-1 -22=0.98W12351.1/2354.9+(60003.99

14、- W1 4.187)(82.118-61.992)/2354.9(b)=0.963+204.59又 W1+W? =4038.46(d)联立(a),(b),(c) 式,解得：W1 = 1952.81 kg/h ; W2 =2085.65 kg/hD1= 1992.66 kg/h224蒸发器的传热面积估算任意一效的传热速率方程为Si =QiKi ti式中Qi-第i效的传热速率，WKi-第i效的传热系数，W/（ ml C）ti-第i效的传热温度差，CSi -第i效的传热面积，mi在双效蒸发中，为了便于制造和安装，通常采用各效传热面积相等的蒸发 器，即SiQiQi=Diri=1992.66 2294

15、.2 1000/3600=1.27 106Wt1 T -t111682.11833.882 CKi 取 850 W/(m2?)K2取 1500 W/(m2?K)S1 KQ1127 10644.10m2850 33.882Q2=W1r2=1952.81 2351.1 1000/3600=1.28 106Wt2 T t281 61.99219.008 Cq2S2K2 t21.28 106244.89m2 1500 19.008误差为1 纽 1 44卫 0.018 0.05误差很小，在误差允许范围之内，故Smax44.89计算得各效蒸发面积合理。其各效溶液浓度无明显变化不必再算 考虑到各种损失，安全

16、系数取1.1故 S1=1.1S1=48.51 m22S=1.1S2=49.38m效数12冷凝器加热蒸汽温度（C）1168059操作压强Pi/ （KPa）18047.419.3溶液沸点tiC82.11861.992完成液浓度（）12.5126蒸发水量W Kg/h1952.812085.65生蒸汽量D Kg/h1992.66传热面积S m244.1044.892.3蒸发器结构的设计2.3.1加热管及加热室的选择 2.3.1.1加热管的选择和管数确定根据常用化工单元设备设计162页，蒸发器通常采用 38 x 2.5mm不锈无缝钢管，取管长L=6 m当加热管的规格和长度确定后，可由下式初步估算 所需管

17、子数nin2S nd(L 0.1)Sdo(L 0.1)44.1033.14 38 105.963根Sdo(L 0.1)44.893.14 38 10 3 5.964根式中S传热面积，m2 ;d。加热管直径，m；L管子长度，m。因加热管固定在管板上，考虑管板厚度所占据的传热面积则计算口的管长应用(L-0.1) m2.3.1.2加热室壳体直径的计算:管心距一般为外径的1.25-1.5倍，则选用正方形排列，管心距取1.2538=48mm加热室内和加热管数采用作图法，具体做法是先计算管束中心线上的管数nc,管子按正方形排列时：n c1=1.1 638 根 nc2 =1.19一648 根Di t nc

18、1 2b b (1 1.5)d0 取b 1.5b0 1.5 38 57mm式中D壳体直径，m；t管间距，m；nc沿直径方向排列的管子数b最外层管中心到壳体内壁的距离,内径 D1B t nc 1 2e 488 12 57/1000 336mmD2B t nc 1 2e 488 12 57/1000336mm根据常用化工单元设备设计163页 为了工程上安装方便，取实际内径为 480mm2.3.2分离室结构计算分离室长泾比：h/d=12蒸发体积强度：每秒从每立方米蒸发室中排出的二次蒸汽体积,强度 v=1.1 1.5 m3/(sm3)允许的体积蒸发D Vw 0.78HV式中Vw-二次蒸汽体积流量 m3

19、/sH-蒸发室高度mV 允许的蒸发体积强度m3/(sm3)取 V=1.2 m3/(sm3)h/d=2D 、Vw 0.78HV1952.81. 0.78 2D 1.2 3600 0.181.36H=2D=2.72m2.3.3接管尺寸的确定流体进出口的内径按下式计算d式中Vs -流体的体积流量m/h ; U 流体的适宜流速m/s ,估算出内径后，应从管规格表格中选用相近的标准管。2.3.3.1溶液进出口于并流加料的三效蒸发，第一效溶液流量最大，若各效设备尺寸一致的话, 根据第一效溶液流量确定接管。取流体的流速为0.8m/s ;进料口密度取 1000kg/m30.052mD 阿4 60000 u V 3600 1000 3.14 0.8所以取巾57X2.5mn规格管。233