三效蒸发器.doc

吉林化工学院 食 品 工 程 原 理 课 程 设 计题目 年处理量为2.2万吨桃浆三效蒸发器的设计 教 学 院 化工与生物技术学院 专业班级 食品科学与工程 学生姓名 学生学号 12340110 指导教师 隋新 2014年5月16日 吉林化工学院食品工程原理课程设计目录课程设计任务书IV1、 蒸发技术概况11.1 蒸发11.1.1 蒸发的两个基本过程11.1.2 影响因素11.2 蒸发设备21.2.3蒸发器的特点21.3 蒸发操作的分类42、 设计方案的选择62.1 蒸发器的选择63、 工艺计算73.1 估计各效蒸发量和完成液浓度73.2 估计各效溶液的沸点和有效总温差73.2.1各效由于溶液的沸点而引起的温度差损失83.2.2由于液注静压力而引起的沸点升高93.2.3 由流动阻力而引起的温度差损失93.2.4各效料液的温度和有效总温差93.3加热蒸汽的消耗量和各效蒸发水量的初步计算103.4 蒸发器的换热面积的估算113.5有效温差的再分配123.6 重复上述计算步骤123.6.1 计算各效料液的浓度123.6.2计算各料液的温度133.6.3 各效的热量衡算143.6.4 蒸发器传热面积的计算153.7 计算结果总汇表164、 蒸发器的主要结构尺寸计算174.1加热管的选择和管数的初步估计174.2循环管的选择174.3加热室直径及加热管数目的确定174.4分离室直径与高度的确定184.5.1 热蒸汽进口二次蒸汽出口194.5.2 溶液进出口194.5.3 冷凝水出口205、设计结果汇总表216、结果与讨论22致谢23参考文献24附录25II中文摘要蒸发器的类型。蒸发操作广泛应用于化工、轻工、冶金、制药、食品等工业部门中。根据溶液在蒸发器中的流动情况，大致可分为循环型和单程型两大类。循环型蒸发器包括中央循环管式，悬筐式，外热式，列文式及强制循环式等：单程蒸发器包括升模式、降模式，升-降模式及刮板式等。多效蒸发的工艺计算。主要依据是物料衡算、热量衡算及传热速率方程。本次设计的目标包括：（1）选择适宜的木瓜浆蒸发器并进行核算，主要有物料核算和热量核算、传热面积的确定、蒸发器主要尺寸的确定等。（2）结构设计的结算，包括加热室直径、加热管的选择和管束的初步估计、加热管数目、分离室的直径和高度。（3）绘制工艺流程图（4）编写设计说明书。设计中应尽量全面考虑各方面因素的影响，尤其注意在较不影响成果的情况下尽量节约成本，实现经济合理性。 课程设计任务书1设计题目 年处理量为2.2万吨桃浆三效蒸发器的设计2 操作条件 （1）桃浆固形物含量：入口10%，出口42%。（2）加热介质：121的加热蒸汽，各效的冷凝液均在饱和温度下排出，假设各效传热面积相等，并忽略热损失，冷凝器的压力是20KPa。（3）每年按330天计，每天24小时连续生产。（4）各效蒸发器的总传热系数为K11800 W/(m2)，K21200 W/(m2)，K3600W/(m2)。（5）估计蒸发器中溶液的液面高度为1.2m。（6）原料液比热容3.9kJ/(kg/K)，在三效中液体的平均密度分别为1000 kg/m3，1120 kg/m3，1290kg/m3。3 设计任务（1）选择适宜的并流三效蒸发器并进行核算。（2）工艺设计计算包括选择适宜的蒸发器并进行核算，主要包括物料衡算和热量衡算、传热面积的确定、蒸发器主要尺寸的确定等。（注明公式及数据来源）（3）结构设计计算选择适宜的结构方案，进行必要的结构设计计算。主要包括包括加热室直径、加热管的选择和管束的初步估计、加热管数目、分离室的直径和高度。（注明公式及数据来源）（4）绘制工艺流程图 绘制设备工艺条件图一张（2号图纸）； CAD绘制。 （5）编写设计说明书食品科学与工程系教研室2012年5月1、 蒸发技术概况1.1 蒸发蒸发是使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质的浓度提高的单元操作。1.1.1 蒸发的两个基本过程蒸发两个基本过程的两个必要组成部分是加热料液使溶剂水沸腾和不断除去汽化产生的水蒸气。一般前一部分在蒸发器中进行，后一部分在冷凝器中完成。工程上，蒸发过程只是从溶液中分离出部分溶剂，而溶质仍留在溶液中，因此，蒸发操作即为一个使溶液中的挥发性溶剂与不挥发性溶质的分离过程。由于溶剂的汽化速率取决于传热速率，故蒸发操作属传热过程，蒸发设备为传热设备，但是，蒸发操作与一般传热过程比较，有以下特点：1、 传热性质：属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。2、溶液性质：热敏性、腐蚀性、结晶性、结垢性、泡沫、粘度等。3、溶液沸点升高：当加热蒸气一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发纯水的温度差。4、泡沫挟带：二次蒸气中带有大量泡沫，易造成物料损失和冷凝设备污染。5、能源利用：二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。5、能源利用：蒸发时产生大量二次蒸汽，如何利用它的潜热，是蒸发操作中考虑的关键问题之一。1.1.2 影响因素影响蒸发快慢的因素：温度、湿度、液体的表面积、液体表面上的空气流动等。水由液态或固态转变成汽态，逸入大气中的过程称为蒸发。而蒸发量是指在一定时段内，水分经蒸发而散布到空中的量。通常用蒸发掉的水层厚度的毫米数表示，水面或土壤的水分蒸发量，分别用不同的蒸发器测定。一般温度越高、湿度越小、风速越大、气压越低、则蒸发量就越大；反之蒸发量就越小。1.2 蒸发设备1.2.1蒸发器蒸发器实质上是一个换热器，主要由加热室和蒸发室两部分组成。加热室向液体提供蒸发所需要的热量，促使液体沸腾汽化；蒸发室使气液两相完全分离。加热室中产生的蒸气带有大量液沫，到了较大空间的蒸发室后，这些液体借自身凝聚或除沫器等的作用得以与蒸气分离。通常除沫器设在蒸发室的顶部。1.2.2蒸发器分类蒸发器按操作压力分常压、加压和减压3种。按溶液在蒸发器中的运动状况分有：循环型。沸腾溶液在加热室中多次通过加热表面，如中央循环管式、悬筐式、外热式、列文式和强制循环式等。单程型。沸腾溶液在加热室中一次通过加热表面，不作循环流动，即行排出浓缩液，如升膜式、降膜式、搅拌薄膜式和离心薄膜式等。直接接触型。加热介质与溶液直接接触传热，如浸没燃烧式蒸发器。蒸发装置在操作过程中，要消耗大量加热蒸汽，为节省加热蒸汽，可采多效蒸发装置和蒸汽再压缩蒸发器。1.2.3蒸发器的特点目前常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中停留的情况，大致可分为循环型和单程型两大类。1.循环型蒸发器这一类型的蒸发器，溶液都在蒸发器中作循环流动。由于引起循环的原因不同，又可分为自然循环和强制循环两类。（1）中央循环管式蒸发器又称作标准式蒸发器。它的加热室由垂直管束组成，中间有一根直径很大的中央循环管，其余管径较小的加热管称为沸腾管。由于中央循环管较大，其单位体积溶液占有的传热面，比沸腾管内单位溶液所占有的要小，即中央循环管和其它加热管内溶液受热程度不同，从而沸腾管内的汽液混合物的密度要比中央循环管中溶液的密度小，加之上升蒸汽的向上的抽吸作用，会使蒸发器中的溶液形成由中央循环管下降、由沸腾管上升的循环流动。（2）悬筐式蒸发器为了克服循环式蒸发器中蒸发液易结晶、易结垢且不易清洗等缺点，对标准式蒸发器结构进行了更合理的改进，这就是悬筐式蒸发器。加热室4悬挂在蒸发器壳体的下部，并且以加热室外壁与蒸发器内壁之间的环形孔道代替中央循环管。溶液沿加热管中央上升，而后循着悬筐式加热室外壁与蒸发器内壁间的环隙向下流动而构成循环。此外，这种蒸发器的加热室可由顶部取出进行检修或更换，而且热损失也较小。它的主要缺点是结构复杂，单位传热面积的金属消耗较多。（3）列文式蒸发器 为使蒸发器更适用于蒸发粘度较大、易结晶或结垢严重的溶液，并提高溶液循环速度以延长操作周期和减少清洗次数，可采用列文蒸发器。其结构特点是在加热室上增设沸腾室。加热室中的溶液因受到沸腾室液柱附加的静压力的作用而并不在加热管内沸腾，直到上升至沸腾室内当其所受压力降低后才能开始沸腾，因而溶液的沸腾汽化由加热室移到了没有传热面的沸腾室，从而避免了结晶或污垢在加热管内的形成。 2.单程型蒸发器这一大类蒸发器的主要特点是：溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不作循环流动即成为浓缩液排出。溶液通过加热室时，在管壁上呈膜状流动，故习惯上又称为液膜式蒸发器。根据物料在蒸发器中流向的不同，单程型蒸发器又分以下几种。（1）升膜式蒸发器其加热室由许多竖直长管组成。料液经预热后由蒸发器底部引入，在加热管内受热沸腾并迅速汽化，生成的蒸汽在加热管内高速上升，溶液则被上升的蒸汽所带动，沿管壁成膜状上升并继续蒸发，汽、液混合物在分离器2内分离，完成液由分离器底部排出，二次蒸汽则在顶部导出。须注意的是，如果从料液中蒸发的水量不多，就难以达到上述要求的汽速，即升膜式蒸发器不适用于较浓溶液的蒸发；它对粘度很大，易结晶或易结垢的物料也不适用。（2）降膜式蒸发器降膜式蒸发器和升膜式蒸发器的区别在于，料液是从蒸发器的顶部加入，在重力作用下沿管壁成膜状下降，并在此过程中蒸发增浓，在其底部得到浓缩液。由于成膜机理不同于升膜式蒸发器，故降膜式蒸发器可以蒸发浓度较高、粘度较大（例如在0.050.45Ns/m2范围内）、热敏性的物料。但因液膜在管内分布不易均匀，传热系数比升膜式蒸发器的较小，仍不适用易结晶或易结垢的物料。 3.直接接触传热的蒸发器实际生产中，有时还应用直接接触传热的蒸发器。它是将燃料（通常为煤气和油）与空气混合后，在浸于溶液中的燃烧室内燃烧，产生的高温火焰和烟气经燃烧室下部的喷嘴直接喷入被蒸发的溶液中。高温气体和溶液直接接触，同时进行传热使水分蒸发汽化，产生的水汽和废烟气一起由蒸发器顶部排出。其燃烧室在溶液中的浸没深度一般为0.20.6m，出燃烧室的气体温度可达1000以上。因是直接触接传热，故它的传热效果很好，热利用率高。由于不需要固定的传热壁面，故结构简单，特别适用于易结晶、结垢和具有腐蚀性物料的蒸发。目前在废酸处理和硫酸铵溶液的蒸发中，它已得到广泛应用。但若蒸发的料液不允许被烟气所污染，则该类蒸发器一般不适用。而且由于有大量烟气的存在，限制了二次蒸气的利用。此外喷嘴由于浸没在高温液体中，较易损坏。从上介绍可以看出，蒸发器的结构型式很多，各有其优缺点和适用的场合。在选型时，首先要看它能否适应所蒸发物料的工艺特性，包括物料的粘性、热敏性、腐蚀性以及是否容易结晶或结垢等，然后再要求其结构简单、易于制造、金属消耗量少，维修方便、传热效果好等等。1.3 蒸发操作的分类1、按蒸发方式分：自然蒸发：即溶液在低于沸点温度下蒸发，如海水晒盐，这种情况下，因溶剂仅在溶液表面汽化，溶剂汽化速率低。沸腾蒸发：将溶液加热至沸点，使之在沸腾状态下蒸发。工业上的蒸发操作基本上皆是此类。2、按加热方式分：直接热源加热它是将燃料与空气混合，使其燃烧产生的高温火焰和烟气经喷嘴直接喷入被蒸发的溶液中来加热溶液、使溶剂汽化的蒸发过程。间接热源加热容器间壁传给被蒸发的溶液。即在间壁式换热器中进行的传热过程。3、按操作压力分：可分为常压、加压和减压（真空）蒸发操作。很显然，对于热敏性物料，如抗生素溶液、果汁等应在减压下进行。而高粘度物料就应采用加压高温热源加热（如导热油、熔盐等）进行蒸发。4、按效数分：可分为单效与多效蒸发。若蒸发产生的二次蒸汽直接冷凝不再利用，称为单效蒸发。若将二次蒸汽作为下一效加热蒸汽，并将多个蒸发器串联，此蒸发过程即为多效蒸发。212、 设计方案的选择2.1 蒸发器的选择本实验选择中央循环管式蒸发器，其型式在前面已经介绍，这里不再说明。2.2蒸发流程的选择三效并流顺流也称并流，并流加料法是最常见的蒸发操作流程。三效并流装置是由三个蒸发器组成的并流加料装置。溶液和蒸汽的流向相同，即都由第一效顺序流至末效，故称为并流加料法。生蒸汽通入第一效加热室，蒸发出的二次蒸汽进入第二效的加热室作为加热蒸汽，第二效的二次蒸汽又进入第三效的加热室作为加热蒸汽，第三效的二次蒸汽则送至冷凝器全部冷凝。原料液进入第一效，浓缩后由底部排出，依次进入后面各效时，完成液由末效底部取出。并流加料法的优点：（1）由于后一效蒸发室的压强比前一效的低，故溶液在效间输送不用泵而利用各效间的压力差。（2）由于你后一效溶液的沸点较前一效的低，溶液进入后一效时发生闪蒸现象，产生较多二次蒸汽。（3）高浓度溶液的温度依效序降低对浓缩热敏性食品有利。但是，由于逐效浓度增高，且温度降低，黏度升高，传热系数下降，增加了末效蒸发的困难。3、 工艺计算计算公式出自食品工程原理3.1 估计各效蒸发量和完成液浓度总进料量 kg/h (食品工程原理328页）总蒸发量 kg/h 式中：W-总蒸发量,kg/h;F-进料流量，kg/h；-进料浓度；-完成液浓度因为并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设： （食品工程原理325页）kg/hkg/h kg/h （食品工程原理337页）3.2 估计各效溶液的沸点和有效总温差设各效间压力降相等，则总压力差为各效间的平局压力差为 （食品工程原理335页）由各效的压力差可以求得各效蒸发室的压力，即由各效的二次蒸汽压力，从手册中可查得相应的值表3-1二次蒸汽的温度和气化潜热效数IIIIII二次蒸汽压力kPa143.5781.7920二次蒸汽温度1109460二次蒸汽的汽化热kJ/kg2232227323553.2.1各效由于溶液的沸点而引起的温度差损失根据各效二次蒸汽的温度和各效完成液的浓度而知道由各效溶液沸点而引起的温度差损失，由于是桃浆，可以近似用糖液的数据代替。 （食品工程原理326页）3.2.2由于液注静压力而引起的沸点升高为简便计，以液层中部点处的压力和沸点代表整个液层的平板压力和平均温度，则根据流体静力学方程，静层的平均压力为 （食品工程原理326页）所以 由平均压力可查的对应的饱和的温度为 3.2.3 由流动阻力而引起的温度差损失取经验值,即， （食品工程原理327页）故蒸发装置的总温差损失为3.2.4各效料液的温度和有效总温差 （食品工程原理327页）各料液的温度为 （食品工程原理325页）有效总温度差，已知121气化潜热为2203KJ/Kg3.3加热蒸汽的消耗量和各效蒸发水量的初步计算第效的热量恒算式为 （食品工程原理337页）由于是沸点进料，热利用系数，式中为第效蒸发器中料液溶质质量分数的变化。第效热量恒算式第效的热量恒算式又 3.4 蒸发器的换热面积的估算 （食品工程原理338页） 误差为，误差较大，应调整各效的有效温度差，重复上述计算过程。3.5有效温差的再分配重新分配有效温差得3.6 重复上述计算步骤3.6.1 计算各效料液的浓度由所求得的各效蒸发量，可求得各效料液的浓度，即 （食品工程原理337页）3.6.2计算各料液的温度因末效的完成液的浓度和二次蒸汽的压力均不变，各种温度差损失可视为恒定，故末效溶液的温度仍为68.89,即则第效的加热蒸汽的温度（第效的二次蒸汽的温度）为 （化工传递与单元操作课程设计81页）由第效的二次蒸汽温度（94.34即第效的料液的浓度（0.213）可知（查表得）由第效加热蒸汽的温度（102.46），可知第效二次加热蒸汽的温度第效二次蒸汽的温度（115.09）,以及第效的浓度（0.137）查得时，有效总温差不变，即表3-2温度差重新分配后各项温度情况表效次IIIIII加热蒸汽温度121115.0994.15有效温度差8.7812.6325.26料液温度119.28102.4668.893.6.3 各效的热量衡算 （食品工程原理附录）第效 （食品工程原理337页）第效第效又 与第一次结果相比较，其相对误差为相对误差在0.05以下，不需再计算3.6.4 蒸发器传热面积的计算 （食品工程原理331页） (食品工程原理338页）误差为则3.7 计算结果总汇表表3-3效次IIIIII冷凝器加热蒸汽温度121115.0994.1560操作压力2020溶液温度119.28102.4668.89完成液浓度13.721.542蒸发量747.89728.26637.26蒸汽消耗量795.71传热面积 30.5630.4230.294、 蒸发器的主要结构尺寸计算4.1加热管的选择和管数的初步估计加热管通常选用等几种规格的无缝钢管，管子长度的选择应根据溶液结垢的难易程度，溶液的起泡性和厂房的高度等因素综合考虑。根据加热管的型号选用蒸发器加热管选取：的无缝钢管所选管子数， （化工传递与单元操作课程设计85页） 其中 S-蒸发器的传热面积，m2 L-加热管长度，m；取L=2m d0-加热管外径，m；取则根4.2循环管的选择有经验公式循环管内径，因为S较大，取，取管为4.3加热室直径及加热管数目的确定表41 不同加热管尺寸的管心距加热管外径19253857管心距25324870按正三角形排列，管束中心在线管束根加热室内径，其中 t为管心距，t=70mm， 取 。则4.4分离室直径与高度的确定分离室体积的计算式为式中 -分离室的体积，m3; -某效蒸发器的二次蒸汽量，kg/h; -某效蒸发器二次蒸汽密度，kg/m3 ， -蒸发体积强度，m3/(m3.s);。一般用允许值为取表4-2效次二次蒸气温度115.994.1560二次蒸汽流量，kg/h747.89728.26637.26二次蒸气密度0.98350.50240.1301 （化工传递与单元操作86页）为方便起见，各效分离室的尺寸均取一致，所以体积V取最大值。V=1.13m确定了分离室的体积，其高度与直径符合下列关系， （化工传递与单元操作86页）利用此关系确定高度和直径时应考虑如下原则：(1)分离室的高度与直径之比。(2)在条件允许的情况下，分离室的直径尽量与加热室相同，这样可使结构简单制造方便。(3)高度和直径都适于施工现场的安放。故选 4.5 接管尺寸的确定 流体进出口的内径按下式计算 4.5.1 热蒸汽进口二次蒸汽出口表43 流体的适宜流速强制流体的液体，m/s 自然流体的液体，m/s饱和蒸汽，m/s空气及其它液体，m/s0.815 0.080.15 20301520饱和蒸汽适宜的流速此处取为统一管径，取体积流量最大的末效流量为计算管径的体积流量，则依据无缝钢管的常用规格选用为 的标准管4.5.2 溶液进出口为统一管径，按第效的流量计算，溶液的适宜流速按强制流动算，即则依据无缝钢管的常用规格选为的标准管。4.5.3 冷凝水出口取W=637.26kg/h，计算按自然流动取u=0.12m/s，取管5、 设计结果汇总表表5-1加热管主要结构设计尺寸加热管（无缝钢管）管径规格加热管（无缝钢管）长度加热管（无缝钢管)管数循环管规格加热室内径分离室直径分离室高度溶液进出口管径加热蒸气进出口与二次蒸气出口管径冷凝水出口管径6、结果与讨论首先，由于中央循环管较大，其单位体积溶液占有的传热面，比沸腾管内单位溶液所有的要小，即中央循环管和其它加热管内溶液受热程度不同，从而沸腾管内的汽液混合物的密度要比中央循环管中溶液的密度小，加之上升蒸汽的向上的抽吸作用，会使蒸发器中的溶液形成由中央循环管下降、由沸腾管上升的循环流动这种蒸发器由于结构紧凑、制造方便、传热较好及操作可靠等优点，应用十分广泛。但是由于结构上的限制，循环速度不大。所以，本设计采用中央循环管式蒸发器，应用并流的方式进行三效蒸发。 三效蒸发需串接三个蒸发器，当然，要求各效的操作压力、对应的加热蒸汽温度和溶液沸点依次降低。本次设计选择的蒸发流程为并流加料，即物料与二次蒸汽以相同的方向流过各效。此种加料方式的优点是：前效压强较后效高，料液可借此压差自动地流向后一效而无需泵输送；同时，由于前效中溶液的沸点比后效高，当料液进入后效时会产生自蒸发。缺点是：末效于前几效相比溶液浓度高、温度低、粘度大，传热系数低，所需传热面积大。对于本次设计在计算方面:在重新分配有效温度差后，计算各料液的温度时，间接地采用了逆推的方法，算出了各效的料液沸点温度，这对我们以后的计算也起到了铺垫的作用。在选择