双效蒸发课程设计课件.docx

食品工程原理课程设计说明书设计题目：番茄汁双效并流蒸发装置的设计姓 名：祖馨月班级：一2祖4级食品科学写工程(1)近学 号：'201440'61123指导教师：张春芝日 期：20165 M 21 B前言31.1 设计题目31.2 蒸发流程特点31.3 设计任务及操作条件31.3.1 设备型式：31.3.2 操作条件42 .设计项目42.1 设计方案简介： 42.2 蒸发器的工艺计算：42.2.1 估算各效蒸发量和完成液浓度52.2.2 估计各效溶液的沸点和有效总温度差的估算52.2.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算72.2.4 蒸发器传热面积的估算82.2.5 有效温差的再分配8226重复上述计算步骤82.3 计算结果列表93 .蒸发器的主要结构尺寸设计103. 1. 1加热管的选择和管数的初步估计 10循环管的选择103. 1. 3加热室直径及加热管数目的确定103. 1. 4分离室直径与高度的确定113. 2接管尺寸的确定123. 2. 1番茄汁的进出口123. 2.2加热蒸汽进口与二次蒸汽出口123. 2.3冷凝水出口124 .蒸发装置的辅助设备134.1 气液分离器134.2 2蒸汽冷凝器134.3 泵的选型145 .番茄汁双效并流加料蒸发装置的流程图和蒸发器设备工艺简图15156 .设计总结167 .参考文献16刖三1.1 设计题目番茄汁双效并流加料蒸发装置的设计。1.2 蒸发流程特点蒸发是使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高 的单元操作。蒸发具有它独特的特点：从传热方面看，原料和加热蒸汽均为相变过程， 属于恒温传热：从溶液特点分析，有的溶液有晶体析出、易结垢、易生泡沫、高温下易 分解或聚合，粘度高、腐蚀性强；从传热温差上看，因溶液蒸汽压降低，沸点增高，故 传热温度小于蒸发纯水温度差；从泡沫夹带情况看，二次蒸汽夹带泡沫，需用辅助仪器 除去；从能源利用上分析，可以对二次蒸汽重复利用等。这就需要我们从五个方面考虑 蒸发器的设计。随着工业蒸发技术的发展，蒸发器的结果和形式也不断的改进。目前蒸发器大概分 为两类：一类是循环型，包括中央循环管式、悬筐式、外热式、列文式及强制循环式等; 另一类是单程型，包括升膜式、降膜式、升一一降膜式等。这些蒸发器形式的选择要多 个方面综合得出。现代化工生产实践中，为了节约能源，提高经济效益，很多厂家采用的蒸发设备是 多效蒸发。因为这样可以降低蒸汽的消耗量，从而提高蒸发装置的各项热损失。多效蒸 发流程课分为：并流流程、逆流流程、平流流程及错流流程。在选择形式时应考虑料液 的性质、工程技术要求、公用系统的情况等。1.3 设计任务及操作条件1.3.1 设备型式：中央循环管式蒸发器。图17中央循环管式蒸发器132操作条件蒸发器处理能力为日产量为36吨/天，含固形物为4.4%的番茄汁，成品浓度为22%；原料液温度为第一效沸点温度。(2)加热蒸汽压力为200kPa(绝压).冷凝器压力为95kPa(绝压)；(3) Ki=900W / (m2 ), K2=1800W / (m2)(4)番茄汁的比热为4.01kJ/kg。(5)各效蒸发器中料液液面高度为：1m；(6)各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。假设各效的传热面积相等，并忽略 热损失。(7)每年按300天计，日工作量是8小时。(8)厂址：大庆地区。2.设计项目2.1 设计方案简介：本次设计要求采用中央循环管式蒸发器，在工业上被称为标准蒸发器。其特点是结构 紧凑、制造方便、操作可靠等。它的加热室由一垂直的加热管束构成，在管束中央有一 根直径较大的管子，为中央循环管。结构和原理：其下部的加热室由垂直管束组成，中 间由一根直径较大的中央循环管。当管内液体被加热沸腾时，中央循环管内气液混合物 的平均密度较大；而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。在密度差的作用下，溶 液由中央循环管下降，而由加热管上升，做自然循环流动。溶液的循环流动提高了沸腾 表面传热系数，强化了蒸发过程。这种蒸发器结构紧凑，制造方便，传热较好，操作可靠等优点，应用十分广泛，有" 标准蒸发器”之称。为使溶液有良好的循环，中央循环管的截面积，一般为其余加热管 总截面积的40%100%；加热管的高度一般为0.62m；加热管径多为2575mm之间。 但实际上，由于结构上的限制，其循环速度一般在0.40.5m/s以下；蒸发器内溶液浓 度始终接近完成液浓度；清洗和维修也不够方便。在蒸发操作中，为保证传热的正常进行，根据经验，每一效的温差不能小于57。通 常，对于沸点升高较大的电解质溶液，应采取23效。由于本次设计任务是处理番茄 汁。这种溶液是一种沸点升高较大的电解质，故选用两效蒸发器。另外，由于番茄汁是 一种粘度不大的料液，故多效蒸发流程采用并流法操作。多效蒸发器工艺设计的主要依据是物料衡算、热量衡算及传热速率方程。计算的主要项 目为蒸发器的传热面积。2.2 蒸发器的工艺计算：Di Ti%V 1xi ta图27并流加料双效蒸发的物料衡算和热量衡算示意图2.2.1 估算各效蒸发量和完成液浓度P=36000*30000*8=4500kg/hF=P*xx0=4500*0.20.04=8250kg/h总蒸发量 W=F(l-( xi/ x2) )=8250 *(1-(0.04/3.22)= 6750kg/hWi： W2=l： 1W= Wi+ W2Wi= W2=3375 kg/hxi= F Xi/(F- Wi)=8250*0.04/(8250-3375)=0.068x2=F xo /(F- Wi- W2)=8250*0.04/(8250-3375-3375)=0.22以上各式中:W总蒸发量，kg/h;Wi各效蒸发量，kg/h;F原料液流量，kg/h;Xo、Xi原料及各效完成液浓度(质量)222估计各效溶液的沸点和有效总温度差的估算各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差 P=(Pi-P k必(200-95)0=52.5 kPa式中4P各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差，kPa；Pi第一次加热蒸汽的压强，kPa；P,k 末效冷凝器中的二次蒸汽的压强，kPa0由各效的二次蒸汽压力，从手册中可查得相应的二次蒸汽的温度和气化潜热列于下表 中。二次蒸汽的温度和气化潜热效数III二次蒸汽压力P j, kPa19.96.6二次蒸汽温度T t, (即下一效的加热蒸汽的温度)6038. 3二次蒸汽的气化潜热r；, kj/kg(即下一效加热蒸汽的气化 潜热)23552405fi=0.0162*(60+273) 2/2355=0.763f2=0.0162*(38.3+273) 2/2405=0.652(1)各效由于溶液沸点而引起的温度差损失:根据各效二次蒸汽温度(也即相同压力 下水的沸点)和各效完成液的浓度，由表可查得各效由于溶液蒸汽压下降所引起的温度 差损失为 ' 1= fi ( oi)=O.763*(64.7-6O)=3.57 2= f2(A, o2)=O.652*(38.3-37.3)=O.652所以 X A =3.57+0.652=4.222由于液柱静压力而引起的沸点升高(温度差损失)为简便计，以液层中部点出的压力和 沸点代表整个液层的平均压力和平均温度，根据附表3可查得溶液平均密度分别为983.2 kg/m3 . 993.3 kg/m30则根据流体静力学方程，液层的平均压力为Pm=P + P gL/2所以 Pmi=Pi+P gL=19.9+09832*981*l=247 kPaPm2=P2'+ p gL=6.6+0.9933*9.81*l= 11.47kPa由平均压力可查得对应的饱和温度为Tml=63.1, Tm2=48.2所以，i=Tmi-Ti=63.1-60=3.12二丁 m2-T，2=48.2-38.3=9.1£=31+9：1=12.2由流动阻力而引起的温度差损失取经验值1,即则X一 ：=2故蒸发装置的总的温度差损失为£ =X '+!：+X '=4.2+12.2+2=18.4(4)各效料液的温度和有效总温差，由各效二次蒸汽压力P；及温度差损失即可由 下式估算各效料液的温度ti ti=Ti+AiAi=A，i+A+A，=3.6+3.1+l=8.72=A，2+A，2+A，2=0.7+9.1+l=10.8各效料液的温度为ti=Ti+Ai=60+8.7=68.7t2=T2+A2=38.3+10.8=49.1有效总温度差E At= (Ts-T；k)-E A式中：ZAt有效总温度差，为各有效温度差之和，；Ti效加热蒸汽的温度，°C；T* 冷凝器操作压强下二次蒸汽的饱和温度，;£总的温度差损失，为各效温度差之和，由手册可查得200kPa饱和蒸气的温度为120.2C、气化潜热为2204.6kj/kg,所以£At= (Ts-T;k)-E A=120.2-38.3-18.4=63.52.2.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算第I效的热量衡算式为Wi= n 1 (Din/n+Fcpo) (u-ti)/r；对于沸点进料to，考虑到番茄汁浓缩热的影响，热 利用系数计算式为n xi,式中为第i效蒸发器中料液溶质质量分数的变化。n 1=0.98-0.7* (0.068-0.04) =0.9604所以 W1= ni (Diri/rj) =0.9604Di2204.Q/2355=0.8991Di(a)第II效的热量衡算式为W2= n 2( Dz2/2+(FCpo-WiCpw) (tl-t2)/2 n 2=0.98-0.7 Ax2=0.98-0.7*(0.22-0.068)=0.8736W2= n 2D2r2/2+(FCpo-WiCpw) (tl-t2)/2=0.8736*235405Wi+(8250*4.01-4.178 Wi)(68.7-49.1)405=0.8264Wi+235.5=0.8264*0.8991 Di+235.5=0.74 Di+235.5(b)又 W=Wi+W2=6750(c)联解式(a)至(c),可得Wi=3573.4kg/hW2=3176.6kg/hD1=3974.4kg/hD2=Wi=3573.4kg/h2.2.4 蒸发器传热面积的估算Ai= Q/ KiAti式中：Cb第i效传热速率，W；Ki第i效传热系数，W/(m2);Ai第i效传热面积，m2；ti第i效的传热温差，Q1=Din=3974.4*2204,6*103600=2.434*106Wtl=Ti-ti=120.2-68.7=51.5Ai= Qi/ KiAti=2.434*106/(900*51.5)=52.51 m2Q2= D2r2=3573.4*2355*103600=2.338*106Wt2=T2-t2=T，1-t2=60-49.1=10.9A2= Q2/ K2At2=2.338*106/(1800*10.9)=119.16 m2误差为1-Amin/Amax=l-52.51/119.16=0.4406,误差较大，应调整各效的有效温差，重复上 述计算过程。225有效温差的再分配A= (AiAti+ A2At2)/ X At =(52.51*51.5+119.16*10.9)/62.4=64.15 m2重新分配有效温度差得，t' 1=(Ai/A)Ati=(52.5iy64.15)*51.5=42.16t' 2=(A2/A)At2=(119.14.15)*12.5=23.22226重复上述计算步骤计算各效料液浓度，由所求得的各效液蒸发量，可求各效料液的浓度，即X1= FX1/(F-W1)= 8250*0.04/(8250-3375)=0.068x2= Fxi/(F-Wi-W2)= 8250*0.04/(8250-3375-3375)=0.22计算各效料溶液的温度，因末效完成液浓度和二次蒸汽压力均不变，各种温度差损失可视为恒定，故末效溶液的温度仍为49.1C,即t2=49.1则第II效二次蒸汽温度为T2=T' i=t2+At?2=49.1+23.22=72.32由第II效二次蒸汽的温度(72.32)及第II效料液的浓度(0.22)查找杜林线图，可得 第II效料的沸点为38.2。由液柱静压力及流动阻力而引起的温度差损失可视为不变， 故第II效料液的温度为t2=tA2+A： 2+一： 2=38.2+9.1+1.0=48.3同理 丁2=T i=t2+At' 2=48.3+23.22=71.52由第I效二次蒸汽的温度(60C)及第I效料液的浓度(0.068)查杜林线图，可得第II 效料液的沸点为64.1。则第I效料液的温度为ti=tAi+A; ; 1+A： : ; 1=64.1+3.l+1.0=67.2第I效料液的温度也可由下式计算tTi-At' i=120.2-42.16=78.04说明溶液的各种温度差损失变化不大，不需重新计算，故有效总温度差不变，即EAt=63.5各效热量衡算Ti=120.2 ri=2230kj/kgT' i=71.52n=2329kj/kg第I效n i=0.98-0.7Axi=0.98-0.7* (0.068-0.04) =0.9604Wi=rii (Di ri/ r/) =0.9604Di2230/329 =0.9196 Di (e)第II效n 2=0.98-0.7 Ax2=0.98-0.7* (0.22-0.068) =0.8736W2= n 2【D2 r2/2+(FCpo-WiCpw) ( tl-t2)/ T2 =0.8736*2357405Wi+(8250*4.01-4.178Wi)(67.2-48.3)/405=0.8275Wi+227.1(f)联解式(e)至式(f),可得Wi=3569.3kh/hW2=3180.7kg/hDi=3583.6kg/h与第一次计算结果比较，其相对误差为|1-3569.573.4|=0.0011511- 3180.176.61 =0.00129|1-3583.6974.4|=0.03832计算相对误差均在0.05以下故蒸发量的计算结果合理。其各效溶液浓度无明显变化，不 需重新计算。蒸发器传热面积计算Q1=Din=3583.6*2230*103600=2.22*106Wt' i=42.16Ai= Qi/ KiAti=2.22*106/(900*42.16)=58.5 m2O2=Wir' i=3569.3*2329*103600=2.31*106Wt，2=23.22A2= Q2/ K2At2=2.31*107(1800*23.22)=55.3 m2误差为1- Amin/ Amax =1- 55.至8.5=0.0447<0.05,迭代计算结果合理,取平均传热面积 S=56.9 m22.3计算结果列表效次III冷凝器