双效j降膜式蒸发器详细设计文件

1、题 目 双效并流果汁浓缩装置 学 院 轻工与食品工程学院 专 业 食品科学与工程 班 级 食品101班 姓 名 徐荣秀学 号 1005100613 指导老师 谢 毅 黄 丽 设计时间： 2013.7.12012.7.12 1.设计题目: 双效并流降膜式果汁浓缩装置及辅助设备的设计 12. 任务书 12.1设计任务及操作条件 12.2 设计项目 13. 蒸发工艺设计计算 13.1各效蒸发量及完成液液浓度估算 13.1.1总蒸发量的计算 13.1.2加热蒸汽消耗量和各效蒸发量_23.2多效蒸发溶液沸点和有效温度差的确定 23.31计算两效蒸发水量W1，W2及加热蒸汽的消耗量D1_33.32 分配有

2、效温差，计算传热面_43.4重新计算加热面积_53.5重新计算有效面积_63.6计算结果列_74. 蒸发器的主要结构尺寸 74.1加热管的选择和管数的初步估计 74.2加热室直径及加热管数的确定_84.3分离室直径与高度的确定_84.4接管尺寸的确定 94.4.1溶液的进出口内径_94.4.2加热蒸气进口与二次蒸汽出口 104.5.1溶液的进出口内径_104.5.2 冷凝水出口_104.5.3液体分布器_115.1 汽液分离器 115.2 蒸汽冷凝器 115.3冷凝水出口管径的确定_125.4淋水板的确定_125.5预热器_126工艺计算汇总表_127.课程设计心得 138.参考文献_131.

3、设计题目: 双效并流降膜式果汁浓缩装置及辅助设备的设计2.任务书2.1设计任务及操作条件含固形物11%（质量分率，下同）的果汁，拟经双效降膜蒸发装置进行浓缩，要求成品浓度为46%，原料汁许可最高温度为75，试设计该蒸发过程。假定采用沸点进料，效间流动温差损失设为1K，第一效采用自然循环，传热系数为1100w/(m2·k，第二效采用强制循环，传热系数为850w/(m2·k，各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出，并假设各效传热面积相等，忽略热损失。2.2 设计项目2.1写出设计计算书（计算过程及计算结果尽量表格化）。2.2蒸发器的工艺计算：确定蒸发器的传热面积。2.3蒸发器的

4、主要结构尺寸设计。2.4主要辅助设备选型，包括气液分离器及蒸汽冷凝器等。2.5绘制蒸发装置的流程图及蒸发器设备工艺简图。2.6对本设计进行评述。3. 蒸发工艺设计计算3.1各效蒸发量及完成液液浓度估算3.1.1总蒸发量的计算 总蒸发量W=F(1- 式中 W总蒸发量，Kg/h;F原料液量，Kg/h;原料液中溶质的质量分数，量纲为一；第n效中溶质的质量分数，量纲为一。已知F=18000 /h,则 W=18000x(1-=13695.65 /h因并流加料，且蒸发中无额外蒸汽引出,由经验公式：W1/W2 =1：1.1，且W=W1W2=2.1W1解得W1=6521.738 /h W2=1.1W1=717

5、3.912/h则 X1=X2=3.1.2加热蒸汽消耗量和各效蒸发量 据已知条件，假设各效温度，查饱和水蒸气表，列出各热参数值如下表各热参数值蒸汽压力（k pa）温度（）汽化热（kJ/kg）效加热蒸汽47,379852295.2效二次蒸汽28.196682333.6效加热蒸汽25.544672343.4效二次蒸汽7.8180412398.7进冷凝器蒸汽7.3766402401.13.2多效蒸发溶液沸点和有效温度差的确定=(T1-Tk- 式中有效总温度差，为各效有效温度差之和，T1 第一效加热蒸汽的温度，Tk冷凝器操作压强下二次蒸汽的饱和温度，总的温度差损失，为各效温度差损失之和，=+，式中由于溶

6、液的蒸汽压下降而引起的温差损失，或因沸点升高引起的温差损失，由于蒸发器中溶液的静压强而引起的温度差损失，由于管路流体阻力产生压强而引起温度差损失， 校正法求=f0=0.01620，式中0常压下由于溶液蒸汽压下降引起的温差损失，f校正系数，无因次Ti操作压强下水的沸点，也是二次蒸汽的饱和温度，ri操作压强下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg由于求果汁的0所用的参数未知，则由糖液的不同浓度下对应的常压沸点的升高来代替，则第一效时，X1=0.172时，0=0.27 f=0.0162=则可得1=f0=0.27X0.8072=0.2179第二效时，X2=0.46 时，0=1.5 f=0.0162=则 可得2

7、= f0=1.5X0.6658=0.9987对于降膜式蒸发器，不存在由于液柱静压力引起的温差损失，即=0对于第一效蒸发，而由于第一效的加热蒸汽是直接通入的，故也不存在流体阻力产生压降所引起的温度差损失所以=0对于第二效，所以 =10.2179+0+0=0.2179=0.9987+1=1.1329第一效沸点 t1=T1+1=68+0.2179=68.2179第二效沸点t2= T2+2=41+0.9987=42.99873.31计算两效蒸发水量W1，W2及加热蒸汽的消耗量D1第i效的焓衡算式为：由上式可求得第i效的蒸发量.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

8、蒸发，可取得0.960-x（式中x为溶液的浓度变化，以质量分率表示）。 第i效的蒸发量的 计算式为式中 -第i效的加热蒸汽量，当无额外蒸汽抽出时= - 第i效加热蒸气的汽化潜热 -第i效二次蒸气的汽化潜热-原料液的比热 -水的比热，-分别为 第i效及第i-1效溶液的沸点 -第i效的热利用系数无因次，对于加热蒸气消耗量，可列出各效焓衡算式并与式（3-2）联解而求得。 第一效的焓衡量式为: 查表得水的比热为，溶液的比热容为KJ/Kg.K作一效热量衡算，得，其中，又溶液为沸点进料， ，所以 同理作第二效热量衡算，得其中=0.98所以13695.65-=0.914+691.05整理得=6935.5Kg

9、/h=7196 Kg/h -6935.5=7030 Kg/h3.32 分配有效温差，计算传热面积任意一效的传热速率方程为= 式中 -第i效的传热速率，W-第i效的传热系数，W/（m2.）-第i效的传热温度差， -第i效的传热面积，m2 有效面积计算=85-68.2179=16.7821=W=67-42.9987=24.00133.4重新计算加热面积由于两效传热面积相差太大，故应调整各效的有效温差，并重复上述计算步骤再重新分配有效温度差S=重新分配有效温差，得重复上述计算步骤（1）计算各料液浓度=0.179(2计算各料液的温度因为第二效完成液浓度和二次蒸汽压力均不变，各种温度差损失可是为恒定，所

10、以第二效加热蒸汽温度为=42.9987+22.80=65.7987第一效二次蒸汽温度65.7987+1=66.7987由于无法查的果汁因为浓度引起的沸点变化，用10Bx的糖液代替其浓度，查表得浓度为17.9%的糖液沸点变化为=0.2768所以=66.7987+0.2214+1=67.67.0201第一效的沸点=67.0201+17.96=84.9801温度差重新分配后各效温度情况列表蒸汽压力（K Pa）温度(汽化热(J/kg效加热蒸汽57.83384.98012295.2效二次蒸汽27.49967.02012338.4效加热蒸汽26.26966.02012340.9效二次蒸汽7.8180412

11、398.76进冷凝器蒸汽7.3766402401.1再次做热量衡算=整理得 =6948.28Kg/h =7237.8Kg/h =13695.65-6948.28=6747.32Kg/h 3.5重新计算有效面积W=两效传热面积比较接近，故不再重算.3.6计算结果列表取15%的安全系数1.15X233.57=268.61=1.15X232.88=267.81结果列表效数12冷凝器加热蒸汽温度(84.980166.020140操作压强Pi/ (K Pa57.83326.26915.06溶液沸点ti67.020141完成液浓度(%17.949.07蒸发水量Wi Kg/h6766.56929.1生蒸汽量

12、D Kg/h7445.7传热面积Si m2268.61267.814蒸发器的主要结构尺寸4.1加热管的选择和管数的初步估计蒸发器的加热管通常选用、无缝钢管。根据经验值，用于浓缩物料的管子一般选择46mm，管子长度的选择应根据溶液结垢后的难以程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑，易结垢和易起泡沫溶液的蒸发易选用短管。根据经验我们选取：L=9m，,目前在换热器设计中,管心距的数值已经标准化,管子确定后,相应的管心距则为定值，由化工原理课程设计表4-4得表4-4不同加热管尺寸的管心距加热管外径，mm19253857管心距t,mm25324870所以选取，t=48mm的加热管当加热管的规格与长度

13、确定后，由下式可初步估算所需的管子数n;式中 S蒸发器的传热面积，由前面的工艺计算决定；加热管外径，m;L加热管长度，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，则计算管子数时的管长应取（L-0.1m.管子根数根，查资料圆整为301根。4.2加热室直径及加热管数的确定加热室的内径取决于加热管和循环管的规格，数目及管板上的排列方式，此设计选择用三角形的排列方式为准。中央循环管式蒸发器管心距t为相邻两管中心线间的距离，t一般为加热管外径的1.251.5 倍。由加热管的规格57×3.5，根据食品工程原理课程设计指导P12 表1-2，不同加热管尺寸的管心距，可选取t=48。选择三

14、角形排列进行计算；管束中心线上的管数计算式为。式中n总加热管数。计算得根最外层中心到壳体内壁的距离：1.2=1.2×38=45.6mm 加热室直内径的计算式计算的mm,取整后为1000mm.壳体外壁厚取10mm.4.3分离室直径与高度的确定计算分离室的体积V；V=式中；V分离器的体积，m3W某效蒸发器的二次蒸汽量，kg/h某效蒸发器的二次蒸汽密度，kg/m3U蒸汽体积强度，m3/(m3.s,一般允许值为U=1.11.5 m3/(m3.s，在本设计中取U=1.2 m3/(m3.s。又知，W1=6948.28kg/h，=0.1758kg/m3则 V1=kg/h，kg/m3V2=在确定了分

15、离室的体积，其高度与直径符合V=,确定高度与直径应考虑以下原则； =12,且 H >1.8 m 分离室的直径应尽量与加热室直径相同。取H/D=1.5.计算得 m 4.4接管尺寸的确定流体进口接管的内径按此式计算式中；流体的体积流量，m3/hu流体的适宜流速，m/s式中取u=80m/s4.4.1溶液的进出口内径 对于并流的双效蒸发，第一效溶液量最大，则可根据第一效的流量确定接管。溶液的进出口适宜流速按强制流动的情况考虑，同时为设计方便，进出口直径选取相同。本设计进口处料液的密度=1030kg/m3,进料的质量流量=18000 kg/h，取=0.8m/s(食品工程原理设计指导书P13，则=则

16、查食品工程原理P440 管子规格表，取相近的标准管mm.4.4.2加热蒸气进口与二次蒸汽出口 各效结构尺寸一致二次蒸汽体积流量应取各效中较大者。取流体的流速为80m/s，查化工原理附表得，蒸汽密度=0.3531kg/，流量D=7327.8Kg/h。一效二次蒸汽密度为，流量Kg/h.二效二次蒸汽密度为0.058285 ，流量6742.28kg/h.生蒸汽进口管径二效加热蒸汽的进出口管径二效蒸汽的出口管径所以，选取最大者作为蒸汽进出口管径取规格管。4.5.1溶液的进出口内径 对于并流的双效蒸发，第一效溶液量最大，则可根据第一效的流量确定接管。溶液的进出口适宜流速按强制流动的情况考虑，同时为设计方便

17、，进出口直径选取相同。本设计进口处料液的密度=1030kg/m3,进料的质量流量=18000 kg/h，取=0.8m/s(食品工程原理设计指导书P13，则=则查食品工程原理P440 管子规格表，取相近的标准管mm.4.5.2 冷凝水出口 冷凝水排出属于液体自然流动，接管直径应以各效加热蒸汽消耗量较大者确定，在本设计中，第一效加热蒸汽消耗量较大，即D=7327.8kg/h，又=1000 kg/m3，取=0.10 m/s，则=，则取相近标准管子4.5.3液体分布器为了使溶液能在壁上均匀的布膜，且防治二次蒸汽由加热管顶端直接窜出，加热器顶部必须安装设置加工良好的液体分布器。本设计根据自身设计的特点，

18、选择带有螺旋形沟槽的圆柱体分布器5蒸发装置的辅助设备 蒸发装置的辅助设备主要包括汽液分离器与蒸汽冷凝器。5.1 汽液分离器 蒸发操作时，二次蒸汽中夹带大量液体，虽然在分离室得到初步分离，但为了防止有用产品损失或防止污染冷凝液，还需设计汽液分离器，以使雾沫中的液体聚集并与二次蒸汽分离，其类型多，设置在蒸发器分离室顶部的有简易室，惯性室，及网式。我们选择惯性式除沫器，其工作原理是利用带有液滴的二次蒸汽在突然改变运动方向时，液滴因惯性作用而与蒸汽分离。在惯性式分离器的主要尺寸可按下列关系确定：D0=D1；D1：D2：D3=1：1.5：2 H=D3 h=0.40.5D1D0-二次蒸汽的管径，m D1-

19、除沫器内管的直径，mD2-除沫器外管的直径，m D3-除沫器外壳的直径，m H-除沫器的总高度，m h-除沫器内管顶部与器顶的距离，m又在本设计中， ,则取相近标准管子，则 D0=760mmD1=760mm D2=mm D3=H=mm h=5.2 蒸汽冷凝器 蒸汽冷凝器的作用是冷却水将二次蒸汽冷凝，。当二次蒸汽为有价值的产品需要回收或会严重地污染冷却水时，应采用间壁式冷却器。当二次蒸汽为水蒸气不需要回收时，可采用直接接触式冷凝器。二次蒸汽与冷凝水直接接触进行热交换，其冷凝效果好，被广乏采用。在本设计中，二次蒸汽不需回收，可直接冷凝，直接接触式冷凝器有多孔板，水帘式，填充塔式及水喷射线等。根据对

20、比及设计的蒸发器以及所处理的物料，选择多层多孔板冷凝器，其接触面积大，冷凝效果好。冷却水量式中 进入冷凝器二次蒸汽的流量，Kg/hX1冷却水可冷却的蒸汽量XKg，由化工单元操作课程设计图4-13多孔板式蒸汽冷凝器的性能曲线查得。冷却水一般用20的自来水，冷凝水的温度一般比进入冷凝器的蒸汽低35，所以查的压力7.8KPa，冷却水为20时的冷却水可冷却的蒸汽量X=20Kg/.Kg/h与实际数据相比，所计算值偏低，故设计时取=1.2X227.366=404.83Kg/h5.3冷凝水出口管径的确定所以，冷凝水的出口管径为mm所以取规格管。5.4淋水板的确定参考化工原理课程设计中蒸汽冷凝器的设计，由于冷

21、凝器的直径大于500mm，所以淋水板数目为9块板，淋水板堰高h=70mm。 5.5预热器对于果蔬汁，生产能力较大时可采用体外预热-焊接式的多管程列管式预热器，管中心距t与外径d0的比例常取t=1.25do,换热管在管板上的排列用正方形错列排列，传热效果好。热器长度与壳体直径比L/D.一般取6-10.不凝性气体的排出有两种方式，一是直接与冷凝水一起排入到效体壳程中，另一种是设不凝性气体排出管，并将其接至蒸发系统不凝气体排出管，由真空泵将其排出。6.工艺计算汇总表工艺数据汇总表效数12冷凝器加热蒸汽温度(84.980166.020140操作压强Pi/ (KPa57.83326.26915.06溶液沸点ti67.020141完成液浓度(%17.949.07蒸发水量Wi Kg/h6766.56929.1生蒸汽量D Kg/h7445.7传热面积Si m2268.61267.81管子规格：管的类型外径(mm壁厚(mm加热管管径382.5加热室内径100