课程设计--并流三效蒸发器.doc

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1、1 概述与设计方案的选择1.1 概述1.1.1 蒸发设备的分类 常用蒸发器主要由加热室和分离室两部分构成。蒸发器的多种结构型式即在于加热室和分离室结构的多样性及其组合方式的变化。按照蒸发器在溶液中的流动情况，可将蒸发器分为循环型和单程型两大类。（1）循环型蒸发器：其特点是溶液在蒸发器中作循环流动。根据引起溶液循环流动原理的不同，又可分为自然循环式和强制循环式两种类别。显然，强制循环蒸发器式依靠外加动力造成溶液在蒸发器中的循环流动，而自然循环式是依靠溶液在蒸发器中不同部位的密度差引起的自然循环流动。表1-1 常用循环型蒸发器的结构特点及主要性能汇总型式结构特点优点缺点中央循环管式（自然循环式和强

2、制循环式）加热时中央循环管和加热管内溶液受热程度不同，同时因加热管内蒸汽上升的抽吸作用使溶液产生由加热管上升，中央循环管下降的不断流动，从而提高了传热系数，强化了蒸发过程。在管内安装一旋桨式搅拌器，即构成强制循环式蒸发器。1. 构造简单，操作可靠2. 传热效果较好3. 投资费用较少1. 清洗和检修较麻烦2. 溶液循环速度较低（搅拌式可提速23倍）3. 因溶液的循环使蒸发器中溶液的组成总是接近于完成液组成，溶液沸点升高明显，传热温差减小，粘度较大，影响传热效果悬框式加热室像个悬框挂在蒸发器壳体内的下部，溶液沿加热室与壳体形成的环隙下降，沿加热管上升，不断循环流动1. 循环速度较前者大2. 蒸发器

3、外壳接触的是温度较低的沸腾溶液，热损失少3. 便与检修和更换4. 适用于蒸发易结垢或有晶体析出的液体1. 结构较复杂2. 单位传热面积用金属量最多列文式在加热管上部附加一段直管，由于其静压抑制了加热管中溶液的沸腾，减少了结垢的可能性，在直管上部装有立式隔板，使沸腾产生的气泡受到限制，与液体形成均匀混合物上升，这样循环管中的汽液混合物之间产生较大的密度差和推动力，故循环速度增大1. 可避免在加热管中析出晶体，减轻加热管表面上污垢的形成2. 传热效果较好3. 适用于处理有结晶析出的溶液1. 设备高达，消耗金属材料多，需要高大厂房2. 液柱静压引起的温度差损失较大，要求加热蒸汽压力较大3. 必须保持

4、在较大温差下操作强制循环式溶液的的循环借助外力作用，如用泵迫使溶液想一定方向流动1. 传热系数较自然循环式蒸发器大2. 适用于高粘度、易结垢、易结晶的溶液3. 加热蒸汽与溶液之间的温度差较小时(35)，仍可进行操作动力消耗大，单位传热面积耗费功率达0.40.8浸没燃烧式高温烟道气直接通入待蒸发溶液中，使溶液沸腾汽化1. 结构简单2. 传热速率快，效率高，适用于易结垢、易结晶或有腐蚀性的溶液1. 二次蒸汽难以再利用2. 不适用于热敏性或不能被烟道气污染的物料（2）单程型蒸发器单程型蒸发器的特点是溶液沿加热管壁呈膜状流动而进行传热和蒸发，一次通过加热室即可达到所要求的组成。其突出特点是传热效率高，

5、蒸发速率快，溶液在蒸发器内停留时间短，特别适用于热敏性物料的蒸发，因而在食品、生物制品。制药等工业部门得到广泛应用。根据物料在蒸发器内的流动方向及成膜原因的不同，单程型蒸发器有升膜式、降膜式、升-降模式、刮板薄膜等多种类型。表1-2 单程型蒸发器的结构特点和性能比较型式结构特点优点缺点升膜式加热室有多根垂直长管组成，原料液经预热由底部进入，受热沸腾后迅速汽化在管内高速上升，带动液体沿管内壁膜状上升并不断蒸发适用于蒸发量较大、热敏性及易产生泡沫的溶液蒸发不适用于粘度较大、易结垢或易结晶的溶液降膜式原料液由加热室顶部加入，在重力作用下沿管内壁膜状下降，在下降过程中被蒸发增浓可蒸发组成较高、粘度较大

6、的溶液不适于易结晶或易结垢的溶液升-降膜式原料液经预热后进入蒸发器底部，先由升膜式加热室上升，再由降膜式加热室下降适用于蒸发过程中溶液组成变化较大或厂房高度有一定限制的场合1. 对进料负荷波动相当敏感，设计不当时不易成膜2. 不适用于易结晶或易结垢溶液刮板薄膜原料液由蒸发器上部沿切线方向进入，被旋转叶片带动，在内壁上形成旋转下降的液膜，并不断蒸发浓缩适用于处理易结垢、易结晶或热敏性溶液结构复杂，动力消耗较大1.1.2 选型时应考虑的主要因素（1) 料液的性质（如热敏性、腐蚀性、结晶、结垢、粘性、起泡性等，尤其对粘度在蒸发过程中的增加程度及结垢情况应给予特别注意）；（2） 工程技术要求，如处理量

7、、蒸发量，安装现场的面积和高度、连续或间歇生产等；（3） 利用的热源和冷却的情况；（4）结构简单，操作可靠，造价和操作费用低廉，经济合理，维修方便。1.2 设计方案的选择本设计选择中央循环管式蒸发器。2 工艺设计计算计算公式出自食品工程原理2.1 估计各效蒸发量和完成液浓度木瓜浆：入口 10% 出口 42% 日处理量= 75.75t/d原料液加料量 kg/h总蒸发量：因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，假设各效蒸发量相等，即： 各效完成液浓度：其中：溶液沸点和有效温度差的确定：选定加热蒸汽温度为121,则相应的蒸汽压强为205.35kpa;冷凝器的操作压强 ；其它各效二次蒸汽的压强按各效间蒸汽压

8、强相等的假设来确定，即：由各效的二次蒸汽的压强，查的响应的二次蒸汽的温度及汽化热列于表中：表 二次蒸汽的温度及汽化热 效数 参数123二次蒸汽压强143.5781.7920.01二次蒸汽温度110.0594.0460.09汽化热2231.872273.242354.902.2 估计各效溶液的沸点和有效总温度差概述：被蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液。在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。当加热蒸汽的温度一定时，蒸发溶液时传热温差小于蒸发纯溶剂时的传热温差。从传热角度来看，传热推动力降低了，因而沸点的相对升高，又叫温差损失。对于电解质溶液，溶质的含量越大，这种效应也越显著。对于垂直管式蒸发器

9、，管内液柱的静压力及蒸汽在管道内的流动阻力也会引起溶液的沸点升高。计算公式出自食品工程原理2.2.1各效由于沸点升高而引起的温度差损失根据各效的二次蒸汽温度和各效完成液的组成，查得：各效溶液的沸点升高如下表：（注：食品料液的可近似用糖液的数据代替。） 表2-2 各效溶液的沸点升高13.420.342.00.1620.3061.20则各效由于溶液的沸点升高引起的温度差损失为：2.2.2 由于液柱静压力而引起的温度差损失某些蒸发器在操作时，器内溶液需要维持一定的液位，因而蒸发器中溶液内部的压强大于液面压强，致使溶液内部的沸点较高于液面处的沸点，二者之差即为因溶液静压强引起的温差损失 液层内平均压强

10、可按下式计算：已知三效中木瓜浆液平均密度分别为;表2-3 根据各效液压强查得对应的饱和液温度效数123压强149.45688.38227.603水的沸点111.1996.1467.1052.2.3 由流动阻力而引起的温度差损失在多效蒸发中末效以前各效的二次蒸汽流到下一效的加热室的过程中由于管道阻力使其压强降低蒸汽的饱和温度也相应降低由此引发的温度差损失即为，根据经验值均取.即2.2.4 各效料液的沸点和有效总温差各效温度差损失：可得，各效溶液的沸点：已知加热蒸汽的温度为 汽化热为各效有效温差为：2.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算计算公式出自化工原理课程设计 已知原料液的比热容为 水

11、的比热；实际上在并流加料中有自蒸发现象，蒸发过程有热损失，对某些溶液的蒸发还会有浓缩热，故必须考虑这些因素对蒸发水量的影响，为此，需对各效进行热量衡算。第一效的热衡算式为： 因沸点进料， （a)第二效的热衡算式为： （b)第三效的热衡算式： (c) （d)式中：2.4 蒸发器传热面积的估算计算公式出自食品工程原理2.5 有效温差的再分配2.6 核算（重复上述计算步骤）计算公式出自食品工程原理2.6.1 计算各效料液浓度由所求得的各效蒸发量，求各效料液的浓度，它们分别为2.6.2 计算各效料液的沸点表2-4 各效料液沸点升高效数123浓度%13.242042常压下沸点升高0.16480.31.1

12、6密度100011201290因末效完成液的浓度和冷凝器的压力不变，各种温度差损失及溶液沸点可视为恒定，即表2-5 二次蒸汽温度及汽化热效数123144.9484.18820.01110.31594.87260.092231.182271.212354.902.6.3 各效的热量衡算各效的焓衡算：2.6.4 传热面积的计算取平均面积3 蒸发器的主要结构工艺尺寸的设计中央循环管式蒸发器主体分为加热室和分离室，加热室由直立的加热管束组成，管束中间为一根直径较大的中央循环管；分离室是汽液分离的空间。其主要结构尺寸包括：加热室和分离室的直径和高度；加热管和循环管的规格，长度及在花板上的排列方式等。这些

13、尺寸取决于工艺计算结果，主要是传热面积。本次课设选取的中央循环管式蒸发器的计算方法如下;计算公式出自食品工程原理3.1 加热管的选择和管束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：252.5mm选择加热管长度选用：1m初步估算所需管子数为 3.2循环管的选择循环管的截面积是根据使循环阻力尽量减小的原则来考虑的。中央循环管式蒸发器的循环管截面积可取加热管总截面积的40%100%。本次计算取50% 。若表示循环管内径，则循环管的总截面积为： 根据上式结果，选取管径相近的标准管型号为3258循环

14、管的管长与加热管相等，为1 m。3.3加热管的直径以及加热管数目的确定加热管的内径取决于加热管和循环管的规格、数目及在管板上的排列方式。节热管在管板上的排列方式为正三角形。不同加热管尺寸的管心距查表得 表3-1 不同加热管尺寸的管心距加热管外径19253857管心距25324870由上表查得型号为252.5mm的管心距为 表3-2 壳体的尺寸标准壳体内径，4007008001000110015001600200最小壁厚，8101214根据估算，及容器的公称直径表，试选用D=900作为加热管的内径，并以此内径和循环管外径作同心圆，在同心圆的环隙中，按加热管的排列方式和管心距作图。有图可得，当内径

15、为900mm是，获得管数为488根，大于估算的管数，满足要求。所以加热管的直径为D=900,总加热管数n=488。3.4分离室直径和高度的确定分离室体积的计算式为 式中：其中，U为蒸发体积强度，一般允许值为，在此取。将工艺计算中二次蒸气的温度和流量以及根据温度所查得的二次蒸气的密度列于下 表3-3 二次蒸气相应密度 效次二次蒸气温度110.31594.87260.09二次蒸汽流量，kg/h756.03810.57838.41二次蒸气密度0.82540.48780.1301依据上表数据，分别算出各效分离室数据 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。确定需考虑的原则：在允许的条

16、件下分离室的直径应尽量与加热室相同根据 取 可得到 H=1.455m D=0.97m3.5接管尺寸的确定流体进出口计算 3.5.1溶液的进出口为统一管径，按第效的流量计算，溶液的适宜流速按强制流动算，即,则式中：依据无缝钢管的常用规格选为251.5mm的标准管。3.5.2加热管蒸汽进出口与二次蒸气出口的确定 表3-4 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空气及其他气体，m/s 0.815 0.080.15 2030 1520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894的标准管。3

17、.5.3冷凝水进出口的确定冷凝水的排出属于自然流动，对于各效冷凝水密度可查的表： 表3-5 各效冷凝水密度效次 温度 冷凝水的密度第效119.088943.730第效98.145959.680第效69.022978.328分别计算各效冷凝水的管径：为统一管径，取计算得到各效最大的管径为设计的管径，则依据无缝钢管的常用规格选用直径为764的标准管。4 附属设备的选择计算公式出自食品工程原理4.1气液分离器根据蒸气流速和各气液体分离器的性能，选择惯性式除沫器作为气液分离器。其主要尺寸确定为除沫器内管的直径 且 除沫器外罩管的直径 除沫器外壳的直径 除沫器的总高度 除沫器内管顶部与器顶的距离 为设计

18、方便取4.2蒸汽冷凝器选用多层多孔式冷凝器。5 设计结果汇总表5.1 蒸发操作参数 表5-1 蒸发操作参数汇总效次123冷凝器加热蒸汽温度121110.31594.87260.1操作压力205.35144.9484.18820溶液沸点119.08898.14569.022完成液浓度13.2420.042.0蒸发量756.03810.57838.41蒸汽消耗量766.76传热面积32.2032.0832.975.2蒸发器的主要结构尺寸的确定表5-2 蒸发器主要结构尺寸汇总加热管主要结构设计尺寸加热管（无缝钢管）管径规格252.5 mm加热管（无缝钢管）长度1 m加热管（无缝钢管)管数488循环管

19、规格 3258 mm加热室内径900mm分离室直径970mm分离室高度1950 mm溶液进出口管径251.5 mm加热蒸气进出口与二次蒸气出口管径894 mm冷凝水出口管径764 mm 5.3 气液分离器结构尺寸的确定 表5-3 气液分离器结构尺寸气压分离器主要结构设计尺寸除沫器内管的直径426 mm除沫器外罩管的直径 639 mm除沫器外壳的直径852 mm除沫器内管顶部与器顶的距离 200 mm6 结果与讨论本次课设的命题是并流三效蒸发器，年处理量为2.5万吨，处理物料为木瓜浆。木瓜的成分：番木瓜碱、木瓜蛋白酶、木瓜凝乳酶、番茄烃、维生素B、C、E、糖分、蛋白质、脂肪、胡萝卜素等。在进行设

20、备的选择与设计时，应充分考虑到食品物料的特殊性，比如，蛋白质高温变性，糖分高温焦化或分解，所以蒸发温度一般不超过127。本次设计选择加热蒸汽温度为121，则相应的蒸汽压强为205.35kpa;冷凝器的操作压强 。溶剂汽化需要吸收大量汽化潜热，所以蒸发操作是一个能耗大的过程。采用多效蒸发是降低能耗的最有效方法，在工业上应用很广。其目的是为了充分利用热能，即通过蒸发过程中二次蒸汽的再利用，以减少新鲜蒸汽的消耗量，从而提高蒸发装置的经济性。随效数增加，蒸汽节约越多，但并不是效数越多越好，多效蒸发器的效数受经济上和技术上等因素的限制。在多效蒸发器中，随着效数的增加，总蒸发量相同时所需新鲜蒸汽量减少，操

21、作费用降低；但效数越多，设备费用越高，而且随着效数的增加，所节约的新鲜蒸汽量越来越少。单效改为双效时新鲜蒸汽节约93%，但是由效改为效时节约新鲜蒸汽为10%，所以不能无限制地增加效数，最适宜效数应该使设备费和操作费总和为最小。所以，本次设计效数选为效。 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、

22、温度低、粘度大，传热系数低，所需传热面积大。 中央循环管式蒸发器（又称标准蒸发器），构造简单、操作可靠、传热效果较好、投资费用较少，且计算简便。其加热管的长度在12m之间，考虑到设备所占空间大小，本次选择1m的加热管。在允许的条件下分离室的直径应尽量与加热室相同。该蒸发器广泛应用于工业生产中，如浓缩果汁的生产，制糖。制盐工业中的蒸发结晶工段等。但缺点是清洗和检修较麻烦、溶液循环速度较低（搅拌式可提速23倍）、因溶液的循环使蒸发器中溶液的组成总是接近于完成液组成，溶液沸点升高明显，传热温差减小，粘度较大，影响传热效果。 关于无缝钢管：无缝钢管是一种具有中空截面、周边没有接缝的圆形，方形，矩形钢材

23、。无缝钢管是用钢锭或实心管坯经穿孔制成毛管，然后经热轧、冷轧或冷拨制成。无缝钢管具有中空截面，大量用作输送流体的管道，钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材，广泛用于制造结构件和机械零件，如石油钻杆、汽车传动轴、自行车架以及建筑施工中用的钢脚手架等。参考文献柴诚敬，张国亮，夏清，张凤宝等.化工原理：上册.2版.北京：高等教育出版社，2010.5贾绍义，柴诚敬主编.化工原理课程设计.天津：天津大学出版社，2002.8(2003.12重印）涂伟萍，陈佩珍，程达芬编.化工过程及设备设计.北京：北京工业出版社，2000.6李云飞，葛克山主编.食品工程原理：2版.北

24、京：中国农业大学出版社，2009.8方立国，董新法.化工制图Auto CAD实践教程与开发M化学工业出版社，2008结束语经过了这些天的课程设计，让我的各方面能力都有了进一步的提高。尤其是在计算方面，让我体会到了态度严谨的重要性，在计算时不能有半点马虎，否则就会有重新计算的危险。除此之外，在设计中涉及了大量的文献资料查询，通过这些天的查询，不仅提高了我查资料的能力，而且懂得了很多通过网络获取资料的方法。通过这次课程设计，巩固了我的食品工程原理的知识，提高了我独立思考的能力。这是第一次做这样的课程设计，刚开始真的无从下手，公式摆在面前密密麻麻的真的很烦，但是我不敢有丝毫的懈怠，一点一点的进行理解和计算，一字一字的敲上去，现在终于大功告成，真的有一种如释重负的感觉。最后，感谢给予我这项任务的老师，感谢所有我查阅过的书，感谢所有帮助过我的同学。谢谢你们！附录(主要符号说明）字母含义单位S传热面积溶液的比热容D加热蒸汽消耗量kg/sg重力加速度m/K总传热系数h液面高度mP蒸汽压强par汽化热T蒸汽温度t溶液温度W水分蒸发量kg/sF加料量kg/s密度传热温度差损失粘度