单效蒸发装置的设计课程设计修正版

轻工食品学院食品工程原理课程设计单效蒸发装置的设计指导教师提交日期2013.01.04单效蒸发装置的设计2 3 3一设计题目 3二设计任务 3三设计要求 3四原始数据 4五主要技术参数 4 5一设计方案的确定 5二数据工艺计算 三工艺尺寸计算 81.加热管的直径和长度 82.加热管的尺寸及管数的初步估算 93.蒸发器的尺寸 4.连接管直径的确定 四附属设备尺寸计算 1.选用喷射式冷凝器 2.除沫器的选择 3.真空泵的选择 工艺设计计算结果汇总表 第一部分引言在化学工业、日用化工工业、食品工业、制药工业等众多行业中，通常要遇到将溶液蒸发浓缩的工业操作。蒸发是采用加热的方法，使溶液中的溶剂在沸腾状态下部分汽化，并将其移除的一种单元操作。蒸发操作的目的，一是为了提高溶液的浓度，二是为了回收溶剂或脱除杂质。单效蒸发装置的设计3蒸发操作按二次蒸汽的利用情况可分为单效与多效蒸发。蒸发可在大气压、减压或加压的情况下进行。在减压下进行的蒸发，称为真空蒸发。一项好的设计，应该做到工艺性能良好、设计投资少、操作费用低，即技术上应满足工艺的要求，经济上合算，且能保证安全生产。对于蒸发器的设计，总的来说是确定蒸发方案，即确定蒸发的操作条件、蒸发设备的型号、蒸发流程等，进行工艺计算和设备结构的计算、强度计算或选型，随后用流程图、设备图和设计说明书表达设计者的设计思想和第二部分蒸发装置设计条件与任务一设计题目试设计一台单效或双效真空蒸发器，日处理400T的酒糟水，进料温度80℃。固形物含量6%,产品温度50℃,固形物含量40%。二设计任务1、根据溶液的性质及工艺要求确定蒸发器的操作条件、蒸发器的型式等2、根据物料衡算及热量衡算计算加热蒸汽消耗量及各效的蒸发量3、求出各效传热量和传热面积4、蒸发器尺寸的确定和有关构件的选择5、附属设备的选型6、绘制流程图及蒸发器的装配图7、制图和编写设计说明书三设计要求1、根据设计任务书合理选择蒸发器的类型2、对蒸发器进行工艺计算3、必须根据有关国标来选择蒸发器的构件四原始数据原料：浓度为6%的废酒糟水产品：浓度为35%的酒糟浆单效蒸发装置的设计4进料温度：80℃出料温度：50℃日处理量：日处理酒糟水400T,一天工作20h温度要求：沸点温度不要超过50℃五主要技术参数完成液中溶质的质量分数：x₁=35%出料温度：t₁=50℃表1各蒸汽状态参数类型压力温度(℃)密度(kg/m³)汽化潜热(kJ/kg)饱和加热蒸汽二次蒸汽 第三部分蒸发装置设计说明书一设计方案的确定本次蒸发设计要求的物料处理量较大，结合酒糟水热敏性，粘度以及设备造价等方面考虑，选择单效降膜式蒸发器。该设备传热效率高，料液由加热器顶部加入，液体在重力作用下，沿管内壁成液膜状向下流动，由于向下加速，克单效蒸发装置的设计5服加速压头比升膜式小，沸点升高也小，加热蒸汽与料液温差大，且不存在静液层效应，物料沸点均匀，传热系数高，所以传热效果较好。在降膜式的料液，经蒸发后，流下的液体基本达到需要的浓度。所以，管子要有足够的长度，才能保证传热的效果。这种设备的设计，关键在于必须有料液进管的均匀分配装备。目的是避免局部过热合焦壁。由于这许多优点，所以食品工业应用广泛，例如牛奶、果汁等浓缩。表2降膜蒸发器的主要性能蒸发器型式造价总传热系数溶液在管内流速停留时间完成液浓度能否恒定浓缩比处理量对溶液性质的适应性稀溶液高粘度稀溶液高粘度易生泡沫易结垢热敏性结晶析出降膜式廉良好高0.4～1.0短尚能高大较适好尚适不适良好不适提高生产强度的途径之一是增大传热温差△t,提高加热蒸汽的温度或是降低溶液的沸点均可增加△t。加热蒸汽的温度(及相应压强)受锅炉额定压强的限制，因此，在许多情况下需要采用真空蒸发以降低溶液免遭破坏。且由于酒糟含酒精，为了避免酒精因过高沸点蒸发，所以采用减压真空蒸发，同时保持低温浓缩，保留酒精以及其风味成分。真空蒸发的特点在于：①减压下溶液的沸点下降，有利于处理热敏性物料。②溶液的沸点随所处的压强减小而降低，故对相同压强的加热蒸汽而言，当溶液处于减压时可以提高总传热温差；但与此同时，溶液的粘度加大，所以总传热系数下降。③真空蒸发系统要求有造成减压的装置，使系统的投资费用和操作费用提高。1)加热方式：直接饱和蒸汽加热，压力0.2Mpa3)加料方式：并流式单效蒸发装置的设计61.4辅助设备：旋液式分布器，水喷式冷凝器，单级真空喷射泵，离心除沫器二数据工艺计算3.1物料衡算日处理量为400T,每天工作20小时，每个小时的处理量F=20T/h对整个蒸发系统作溶质的物料衡算，可得：产量=F-W=20000-16571.43=3428.57kg/hx原料液中溶质的质量分数x₁完成液中溶质的质量分数：3.2热量衡算=16331.3kg/h(《食品工程原理》P720,公式7-D加热蒸汽消耗量(kg/h)t,——完成液的温度(℃),即溶液的沸点(℃)r’次蒸汽的汽化潜热(kJ/kg)单效蒸发装置的设计7A'操作压强下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高(℃)△"范围为0.5~1.5,取1.0(由管路流动阻力引起的沸点升高)(溶液内部平均压强(pa))T'操作压强下二次蒸汽温度(℃)r操作压强下二次蒸汽汽化潜热(℃)A'=f△₄=0.71×0.8=0.568℃在液膜蒸发器中，由于液体是膜状流动，故不考虑△”△=△+△"=0.568+1.0=1.0568℃3.4传热面积计算表3.各类蒸发器总传热系数K。值蒸发器的型式总传热系数KW/(m²·K)蒸发器的型式总传热系数W/(m²·K)水平沉浸加热式升膜式标准式(自然循环)降膜式标准式(强制循环)悬筐式外加热式(自然循蛇管式单效蒸发装置的设计8外加热式(强制循 传热面积三工艺尺寸计算1.加热管的直径和长度蒸发器的加热管通常可选用①25×2.5mm,①32×2mm,①38×2.5mm,φ42×3mm及φ57×3.5mm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程度、溶液的起泡性和厂房高度等因素来考虑，一般从1.5m到6m不等。具体数值可参考下列范围：(短管：1.5～2.5m;中管：2.5～4m;长管：5～6m)加热管的管间距确定，可按表选取：表4.几种常用加热管规格及管间距管子规格(mm①25×2.5①32×2①38×2.5①57×3.5管间距(mm)加热室由单根或多根垂直管组成，加热管长径之比为50～100,管径在25～50之间。由于加热量大，故选择无缝钢管φ57×3.5,管长5m2.加热管的尺寸及管数的初步估算表5.取管间距为1.25dg的正六角形排列正六角形数根数正六角形数根数174单效蒸发装置的设计9253——《化工单元过程及设备课程设计》P₆根据排列4层共61根管子实际加热面积A'=61×3.14×0.057×5=54.59m²要求实际最大生产能力，所需热量由公式和,得到实际最大生D₁=t(b-1)+2.5drt——管心距，为管子直径的1.25倍(mm)D₁=1(b-1)+2.5d=1.25×57×4.1×√6I-1)+2.5×57=683.4mm取外壳壁厚δ=6mm选外径为700mm——《化工单元过程及设备课程设计》P6g3.蒸发器的尺寸蒸发室直径=8.3145×(50+273)/(199×18)=121m³/kg蒸发室体积a——修正系数a=0.7~0.9取8=20000(m²/m³·h)a=0.8蒸发室的截面积蒸发室的高度蒸发器的总高度为0.82+5.00=5.82m单效蒸发装置的设计4.连接管直径的确定加热蒸汽进口管径dmVr饱和蒸汽速度由《食品工厂机械与设备》得：加热蒸汽进口压力为3大气压，取饱和蒸汽的速度为30m/s,蒸汽进口压力为1大气压，取饱和蒸汽的速度为25m/s,故本题加热蒸汽进口压力为2大气压，取饱和蒸汽的速度为27.5m/s。故0.146m²的热轧无缝钢管所以实际饱和加热蒸汽的速度：二次蒸汽出口进入冷凝器的管径：二次蒸汽的出口温度为50℃,由表1得由《食品工厂机械与设备》查得，在减压真空状态下，管的出口处二次蒸汽速度为100～160米/秒，取v₂=140m/s取整后选用d₂=710mm,壁厚为10mm,内截面积为0.374m²的热轧无缝钢管单效蒸发装置的设计四附属设备尺寸计算1.选用喷射式冷凝器冷凝器选用喷射式冷凝器，它由喷射器和离心水泵组成，又称水力喷射器，兼有冷凝及抽真空两种作用。其工作原理是利用高压水流，通过喷嘴喷出，聚合在一个焦点上，由于喷射的水流速度较高，在周围形成负压区，水流经扩散管增压排出，而在负压区可以不断地吸入二次蒸汽，经导向盘与冷却水接触，由《蒸发过程设计》P₃6,设气室为1个大气压，水室2.5个大气压，喷嘴直径d=15mm,流量系数φ=0.93通过一个喷嘴的水流量故单效蒸发装置的设计喷嘴数取整数为N=20个2.除沫器的选择除沫器种类多，有折射式、球式、金属网丝式、离心式、冲击式、旋风式除沫器等，其中离心式除沫器可直接安装在蒸发器内分离室的顶部也可安装在其外部，安装位置的选择性多，故选用离心式除沫器。3.真空泵的选择单级真空喷射泵结构简单，制造方便，无传动装置，有利于泵的日常维修。表6.进料浓度%6进料温度℃进料量kg/h20000二次蒸汽压强kPa生蒸汽温度℃出料浓度%出料量kg/h3428.57工艺设计计算结果汇总表通过上述工艺设计得到的设计结果汇总表如下所示：表7.16571.4316331.348.36 单效蒸发装置的设计加热管直径/mm加热管管心距/mm加热管数加热器外壳尺寸/mm①700×6蒸发器高度/mm蒸发器直径/mm4370加热蒸汽进口接管管径/mm①450×9.0二次蒸汽出口接管管径/mm实际传热面积/m²实际最大生产能力/(kgh¹)除沫器离心式除沫器冷凝器喷射式冷凝器真空泵旋片式真空泵蒸发设备图mm蒸发器规格蒸发器外径蒸发器高度加热管长度加热蒸汽进口直径二次蒸汽出