双效蒸发器设计课程设计.doc

课 程 设 计授课时间：20152016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- 1 -1.1物料介绍- 1 -1.2物料的浓缩方法- 1 -1.3真空浓缩优点- 1 -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- 2 -第2章设计计算- 2 -2.1工艺设计- 2 -2.1.1确定流程与蒸发器类型- 2 -2.1.2辅助设备选择- 3 -2.1.3工作流程- 3 -2.2工艺计算- 3 -2.2.1 估计各效蒸发量和完成液浓度- 3 -2.2.4 蒸发器的传热面积估算- 7 -2.3蒸发器结构的设计- 8 -2.3.1加热管及加热室的选择- 8 -2.3.1.1 加热管的选择和管数确定- 8 -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- 9 -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- 10 -2.3.3.3冷凝水出口- 10 -第3章 参考文献- 11 -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，冷冻浓缩设备和膜浓缩设备等，目前，食品工业使用最广泛的浓缩设备是真空浓缩设备，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%，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，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.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2.2.1 估计各效蒸发量和完成液浓度 每小时水分蒸发量： （常用化工单元设备设计153页） kg/h式中原料处理量，kg/h；x0进效蒸发器料液的浓度，质量百分比；x2出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=1923.08 (kg/h)W2=4038.46-1923.08=2115.38(kg/h)其中，W1第效的蒸发量，kg/hW2第效的蒸发量，kg/h效二次蒸汽浓度X1=12.51%X2=26.00%有关参数（1） 原料液总量：6000kg/h（2） 进料： =8.5% =25 P1=180kPa出料： =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()汽化潜热(kg)效加热蒸汽P=180=116 =2214.3效二次蒸汽P=49.281=2299.7效加热蒸汽P=47.4 =80=2307.8效二次蒸汽P=20=60冷凝处蒸汽P=19.3=59.2.2.2 估计各效溶液的沸点和有效总温度差 式中：温度差损失， 操作压强下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高， 液层静压引起的温度差损失，管路流动阻力引起的温度差， 常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高， 校正系数，无因次，其经验计算式为： 式中：操作压强下二次蒸汽的温度， 操作压强下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg 常压下，8.5的茶汁沸点变化情况与一般果汁相同故使用内插法常温下果汁沸点升高 () ()由于静压强，降膜式蒸发器：1=2=0() 1 () 双效茶汁的沸点分别为 tt=压力(kPa)T()汽化潜热(kJ/kg)效加热蒸汽P=180=116 2214.3效料液P=49.54t=82.118=2294.2效二次蒸汽P=49.281=2299.7效加热蒸汽P=47.4 =802307.8效料液P=21.23t=61.992=2351.1效二次蒸汽P=20=60冷凝处蒸汽P=19.3=59 .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：有上式可求得第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蒸发，可取得0.94-0.7x（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，kg/h，当无额外蒸汽抽出时= ； -第i效加热蒸气的汽化潜热，kJ/kg ； - 第i效二次蒸气的汽化潜热，kJ/kg；-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，对于加热蒸汽消耗量，可列出各效焓衡算式并与式联解而求得。 =0.98 第一效的焓衡量式为: =0.98进料，=3.99kJ/(kg.)， =4.187 kJ/(kg.)，查表得=2214.3 kJ/kg,对于沸点进料，= =0.982294.2/2299.7 =0.98 (a) 同理第二效的热衡算式为:=0.98所以 =0.982351.1/2354.9+(60003.99-4.187)(82.118-61.992)/2354.9=0.963+204.59 (b) 又+=4038.46 (d) 联立(a),(b),(c)式,解得:= 1952.81 kg/h；=2085.65 kg/h= 1992.66 kg/h2.2.4 蒸发器的传热面积估算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 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 Q1=D1r1=1992.662294.21000/3600=1.27106WK1取850 W/(m2K) K2取1500 W/(m2K)Q2=W1r2=1952.812351.11000/3600=1.28106W误差为 误差很小，在误差允许范围之内,故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，安全系数取1.1故S1=1.1S1=48.51 m2S2=1.1S2=49.38m2效数12冷凝器加热蒸汽温度()1168059操作压强Pi/ (KPa)18047.419.3溶液沸点ti82.11861.992完成液浓度(%)12.5126蒸发水量Wi Kg/h1952.812085.65生蒸汽量D Kg/h1992.66传热面积Si 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382.5mm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子数 根根式中 S传热面积，； 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ni的管长应用（L-0.1）m 2.3.1.2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1.25 38=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：nc1=1.19 根 nc2 =1.19根 取 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 最外层管中心到壳体内壁的距离， 内径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，允许的体积蒸发强度v=1.11.5 m3/(sm3)式中Vw-二次蒸汽体积流量m3/sH-蒸发室高度m V-允许的蒸发体积强度m3/(sm3)取V=1.2 m3/(sm3) h/d=2 H=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式中 -流体的体积流量m3/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/m3所以取57X2.5mm规格管。2.3.3.2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40m/s，生蒸汽进口管径二效加热蒸汽的进口管径二效蒸汽的出口管径所以取377X9.0mm规格管。2.3.3.3冷凝水出口 冷凝水的排出一般属于液体自然流动，接管直径应由各效加热蒸气消耗量较大者确定。取流体的流速为0.1m/s所以取89X4.0mm规格管。结果总览蒸发水量Kg/hW1=1952.81W2=2085.65生蒸汽量Kg/h1992.66传热面