課程設(shè)計(jì)--并流三效蒸發(fā)器

1、<p>　　1 概述與設(shè)計(jì)方案的選擇</p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　1.1.1 蒸發(fā)設(shè)備的分類 </p><p>　　常用蒸發(fā)器主要由加熱室和分離室兩部分構(gòu)成。蒸發(fā)器的多種結(jié)構(gòu)型式即在于加熱室和分離室結(jié)構(gòu)的多樣性及其組合方式的變化。按照蒸發(fā)器在溶液中的流動(dòng)情況，可將蒸發(fā)器分為循環(huán)型和單程型兩大類

2、。</p><p>　?。?）循環(huán)型蒸發(fā)器：</p><p>　　其特點(diǎn)是溶液在蒸發(fā)器中作循環(huán)流動(dòng)。根據(jù)引起溶液循環(huán)流動(dòng)原理的不同，又可分為自然循環(huán)式和強(qiáng)制循環(huán)式兩種類別。顯然，強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器式依靠外加動(dòng)力造成溶液在蒸發(fā)器中的循環(huán)流動(dòng)，而自然循環(huán)式是依靠溶液在蒸發(fā)器中不同部位的密度差引起的自然循環(huán)流動(dòng)。</p><p>　　表1-1 常用循環(huán)型蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要

3、性能匯總</p><p><b>　?。?）單程型蒸發(fā)器</b></p><p>　　單程型蒸發(fā)器的特點(diǎn)是溶液沿加熱管壁呈膜狀流動(dòng)而進(jìn)行傳熱和蒸發(fā)，一次通過(guò)加熱室即可達(dá)到所要求的組成。其突出特點(diǎn)是傳熱效率高，蒸發(fā)速率快，溶液在蒸發(fā)器內(nèi)停留時(shí)間短，特別適用于熱敏性物料的蒸發(fā)，因而在食品、生物制品。制藥等工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　

4、根據(jù)物料在蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)方向及成膜原因的不同，單程型蒸發(fā)器有升膜式、降膜式、升-降模式、刮板薄膜等多種類型。</p><p>　　表1-2 單程型蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能比較</p><p>　　1.1.2 選型時(shí)應(yīng)考慮的主要因素</p><p>　　料液的性質(zhì)（如熱敏性、腐蝕性、結(jié)晶、結(jié)垢、粘性、起泡性等，尤其對(duì)粘度在蒸發(fā)過(guò)程中的增加程度及結(jié)垢情況應(yīng)給予特別注意）；

5、</p><p>　　工程技術(shù)要求，如處理量、蒸發(fā)量，安裝現(xiàn)場(chǎng)的面積和高度、連續(xù)或間歇生產(chǎn)等；</p><p>　　利用的熱源和冷卻的情況；</p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作可靠，造價(jià)和操作費(fèi)用低廉，經(jīng)濟(jì)合理，維修方便。</p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)方案的選擇</p><p>　　本設(shè)計(jì)選擇中央循環(huán)管式蒸發(fā)

6、器。</p><p><b>　　2 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算</b></p><p>　　計(jì)算公式出自《食品工程原理》</p><p>　　2.1 估計(jì)各效蒸發(fā)量和完成液濃度</p><p>　　木瓜漿：入口 10% 出口 42% 日處理量= 75.75t/d</p><p>　　原料液加料量 kg/h

7、</p><p><b>　　總蒸發(fā)量：</b></p><p>　　因并流加料，蒸發(fā)中無(wú)額外蒸汽引出，假設(shè)各效蒸發(fā)量相等，即：</p><p><b>　　各效完成液濃度：</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　溶液沸

8、點(diǎn)和有效溫度差的確定：</p><p>　　選定加熱蒸汽溫度為121,則相應(yīng)的蒸汽壓強(qiáng)為205.35kpa;冷凝器的操作壓強(qiáng) ；其它各效二次蒸汽的壓強(qiáng)按各效間蒸汽壓強(qiáng)相等的假設(shè)來(lái)確定，即：</p><p>　　由各效的二次蒸汽的壓強(qiáng)，查的響應(yīng)的二次蒸汽的溫度及汽化熱列于表中：</p><p>　　表 二次蒸汽的溫度及汽化熱</p><p>　

9、　2.2 估計(jì)各效溶液的沸點(diǎn)和有效總溫度差</p><p>　　概述：被蒸發(fā)的物料是溶有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液。在相同壓力下，溶液的沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)。當(dāng)加熱蒸汽的溫度一定時(shí)，蒸發(fā)溶液時(shí)傳熱溫差小于蒸發(fā)純?nèi)軇r(shí)的傳熱溫差。從傳熱角度來(lái)看，傳熱推動(dòng)力降低了，因而沸點(diǎn)的相對(duì)升高，又叫溫差損失。對(duì)于電解質(zhì)溶液，溶質(zhì)的含量越大，這種效應(yīng)也越顯著。對(duì)于垂直管式蒸發(fā)器，管內(nèi)液柱的靜壓力及蒸汽在管道內(nèi)的流動(dòng)阻力也會(huì)引起溶液的沸點(diǎn)升

10、高。</p><p>　　計(jì)算公式出自《食品工程原理》</p><p>　　2.2.1各效由于沸點(diǎn)升高而引起的溫度差損失</p><p>　　根據(jù)各效的二次蒸汽溫度和各效完成液的組成，查得：</p><p>　　各效溶液的沸點(diǎn)升高如下表：</p><p>　?。ㄗⅲ菏称妨弦旱目山朴锰且旱臄?shù)據(jù)代替。）</p>

11、;<p>　　表2-2 各效溶液的沸點(diǎn)升高</p><p>　　則各效由于溶液的沸點(diǎn)升高引起的溫度差損失為：</p><p>　　2.2.2 由于液柱靜壓力而引起的溫度差損失</p><p>　　某些蒸發(fā)器在操作時(shí)，器內(nèi)溶液需要維持一定的液位，因而蒸發(fā)器中溶液內(nèi)部的壓強(qiáng)大于液面壓強(qiáng)，致使溶液內(nèi)部的沸點(diǎn)較高于液面處的沸點(diǎn)，二者之差即為因溶液靜壓強(qiáng)引起的溫

12、差損失 液層內(nèi)平均壓強(qiáng)可按下式計(jì)算：</p><p>　　已知三效中木瓜漿液平均密度分別為;</p><p>　　表2-3 根據(jù)各效液壓強(qiáng)查得對(duì)應(yīng)的飽和液溫度</p><p>　　2.2.3 由流動(dòng)阻力而引起的溫度差損失</p><p>　　在多效蒸發(fā)中末效以前各效的二次蒸汽流到下一效的加熱室的過(guò)程中由于管道阻力使其壓強(qiáng)降低蒸汽的飽和溫

13、度也相應(yīng)降低由此引發(fā)的溫度差損失即為，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值均取.</p><p><b>　　即</b></p><p>　　2.2.4 各效料液的沸點(diǎn)和有效總溫差</p><p><b>　　各效溫度差損失：</b></p><p>　　可得，各效溶液的沸點(diǎn)：</p><p>　　已

14、知加熱蒸汽的溫度為 汽化熱為</p><p><b>　　各效有效溫差為：</b></p><p>　　2.3 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計(jì)算</p><p>　　計(jì)算公式出自《化工原理課程設(shè)計(jì)》</p><p>　　已知原料液的比熱容為 水的比熱；</p><p>　　實(shí)際上在并流加

15、料中有自蒸發(fā)現(xiàn)象，蒸發(fā)過(guò)程有熱損失，對(duì)某些溶液的蒸發(fā)還會(huì)有濃縮熱，故必須考慮這些因素對(duì)蒸發(fā)水量的影響，為此，需對(duì)各效進(jìn)行熱量衡算。</p><p>　　第一效的熱衡算式為： 因沸點(diǎn)進(jìn)料， （a)</p><p>　　第二效的熱衡算式為： （b

16、)</p><p><b>　　第三效的熱衡算式：</b></p><p>　　(c) </p><p><b>　　（d)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　2.4 蒸發(fā)器傳熱面積的估算</p

17、><p>　　計(jì)算公式出自《食品工程原理》</p><p>　　2.5 有效溫差的再分配</p><p>　　2.6 核算（重復(fù)上述計(jì)算步驟）</p><p>　　計(jì)算公式出自《食品工程原理》</p><p>　　2.6.1 計(jì)算各效料液濃度</p><p>　　由所求得的各效蒸發(fā)量，求各效料液的濃

18、度，它們分別為</p><p>　　2.6.2 計(jì)算各效料液的沸點(diǎn)</p><p>　　表2-4 各效料液沸點(diǎn)升高</p><p>　　因末效完成液的濃度和冷凝器的壓力不變，各種溫度差損失及溶液沸點(diǎn)可視為恒定，即</p><p>　　表2-5 二次蒸汽溫度及汽化熱</p><p>　　2.6.3 各效的熱量衡算<

19、/p><p><b>　　各效的焓衡算：</b></p><p>　　2.6.4 傳熱面積的計(jì)算</p><p><b>　　取平均面積</b></p><p>　　3 蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)工藝尺寸的設(shè)計(jì)</p><p>　　中央循環(huán)管式蒸發(fā)器主體分為加熱室和分離室，加熱室由直立的加

20、熱管束組成，管束中間為一根直徑較大的中央循環(huán)管；分離室是汽液分離的空間。其主要結(jié)構(gòu)尺寸包括：加熱室和分離室的直徑和高度；加熱管和循環(huán)管的規(guī)格，長(zhǎng)度及在花板上的排列方式等。這些尺寸取決于工藝計(jì)算結(jié)果，主要是傳熱面積。</p><p>　　本次課設(shè)選取的中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的計(jì)算方法如下;</p><p>　　計(jì)算公式出自《食品工程原理》</p><p>　　3.1 加熱

21、管的選擇和管束的初步估計(jì)</p><p>　　加熱管通常選用等幾種規(guī)格的無(wú)縫鋼管，管子長(zhǎng)度的選擇應(yīng)根據(jù)溶液結(jié)垢的難易程度，溶液的起泡性和廠房的高度等因素綜合考慮。</p><p>　　根據(jù)加熱管的型號(hào)選用：φ25×2.5mm</p><p>　　選擇加熱管長(zhǎng)度選用：1m</p><p>　　初步估算所需管子數(shù)為</p>

22、<p><b>　　3.2循環(huán)管的選擇</b></p><p>　　循環(huán)管的截面積是根據(jù)使循環(huán)阻力盡量減小的原則來(lái)考慮的。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的循環(huán)管截面積可取加熱管總截面積的40%～100%。本次計(jì)算取50% 。</p><p>　　若表示循環(huán)管內(nèi)徑，則循環(huán)管的總截面積為：</p><p>　　根據(jù)上式結(jié)果，選取管徑相近的標(biāo)準(zhǔn)管型號(hào)

23、為φ325×8㎜</p><p>　　循環(huán)管的管長(zhǎng)與加熱管相等，為1 m。</p><p>　　3.3加熱管的直徑以及加熱管數(shù)目的確定</p><p>　　加熱管的內(nèi)徑取決于加熱管和循環(huán)管的規(guī)格、數(shù)目及在管板上的排列方式。節(jié)熱管在管板上的排列方式為正三角形。</p><p>　　不同加熱管尺寸的管心距查表得 </p>

24、<p>　　表3-1 不同加熱管尺寸的管心距</p><p>　　由上表查得型號(hào)為φ25×2.5mm的管心距為</p><p>　　表3-2 殼體的尺寸標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　根據(jù)估算，及容器的公稱直徑表，試選用D=900作為加熱管的內(nèi)徑，并以此內(nèi)徑和循環(huán)管外徑作同心圓，在同心圓的環(huán)隙中，按加熱管的排列方式和管心距作圖。有圖可得，當(dāng)內(nèi)徑為900

25、mm是，獲得管數(shù)為488根，大于估算的管數(shù)，滿足要求。所以加熱管的直徑為D=900㎜,總加熱管數(shù)n=488。</p><p>　　3.4分離室直徑和高度的確定</p><p>　　分離室體積的計(jì)算式為</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　其中，U為蒸發(fā)體積強(qiáng)度，一般允許值為，在此取。</

26、p><p>　　將工藝計(jì)算中二次蒸氣的溫度和流量以及根據(jù)溫度所查得的二次蒸氣的密度列于下</p><p>　　表3-3 二次蒸氣相應(yīng)密度 </p><p>　　依據(jù)上表數(shù)據(jù)，分別算出各效分離室數(shù)據(jù)</p><p>　　為方便起見(jiàn)，各效分離室的尺寸均取一致，所以體積V取最大值。</p><p><b>　　確

27、定需考慮的原則：</b></p><p><b>　?、?lt;/b></p><p><b>　　②</b></p><p>　?、墼谠试S的條件下分離室的直徑應(yīng)盡量與加熱室相同</p><p><b>　　根據(jù) </b></p><p>

28、　　取 </p><p>　　可得到 H=1.455m D=0.97m</p><p>　　3.5接管尺寸的確定</p><p><b>　　流體進(jìn)出口計(jì)算</b></p><p>　　3.5.1溶液的進(jìn)出口</p><p>　　為統(tǒng)一管徑，按第Ⅰ效的流量計(jì)算，溶液的

29、適宜流速按強(qiáng)制流動(dòng)算，即,則</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　依據(jù)無(wú)縫鋼管的常用規(guī)格選為φ25×1.5mm的標(biāo)準(zhǔn)管。</p><p>　　3.5.2加熱管蒸汽進(jìn)出口與二次蒸氣出口的確定</p><p>　　表3-4 流體的適宜流速</p><p>　　飽和

30、蒸汽適宜的流速此處取</p><p>　　為統(tǒng)一管徑，取體積流量最大的末效流量為計(jì)算管徑的體積流量，則</p><p>　　依據(jù)無(wú)縫鋼管的常用規(guī)格選用為φ89×4㎜的標(biāo)準(zhǔn)管。</p><p>　　3.5.3冷凝水進(jìn)出口的確定</p><p>　　冷凝水的排出屬于自然流動(dòng)，</p><p>　　對(duì)于各效冷凝水密

31、度可查的表：</p><p>　　表3-5 各效冷凝水密度</p><p>　　分別計(jì)算各效冷凝水的管徑：</p><p>　　為統(tǒng)一管徑，取計(jì)算得到各效最大的管徑為設(shè)計(jì)的管徑，則</p><p>　　依據(jù)無(wú)縫鋼管的常用規(guī)格選用直徑為φ76×4㎜的標(biāo)準(zhǔn)管。</p><p><b>　　4 附屬設(shè)備的

32、選擇</b></p><p>　　計(jì)算公式出自《食品工程原理》</p><p><b>　　4.1氣液分離器</b></p><p>　　根據(jù)蒸氣流速和各氣液體分離器的性能，選擇慣性式除沫器作為氣液分離器。</p><p><b>　　其主要尺寸確定為</b></p>&l

33、t;p>　　除沫器內(nèi)管的直徑 </p><p><b>　　且 </b></p><p>　　除沫器外罩管的直徑 </p><p>　　除沫器外殼的直徑 </p><p>　　除沫器的總高度 </p><p>　　除沫器內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x </p>

34、<p><b>　　為設(shè)計(jì)方便取</b></p><p><b>　　4.2蒸汽冷凝器</b></p><p>　　選用多層多孔式冷凝器。</p><p><b>　　5 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表</b></p><p>　　5.1 蒸發(fā)操作參數(shù) </p>&

35、lt;p>　　表5-1 蒸發(fā)操作參數(shù)匯總</p><p>　　5.2蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定</p><p>　　表5-2 蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸匯總</p><p>　　5.3 氣液分離器結(jié)構(gòu)尺寸的確定</p><p>　　表5-3 氣液分離器結(jié)構(gòu)尺寸</p><p><b>　　6 結(jié)果與討論<

36、/b></p><p>　　本次課設(shè)的命題是并流三效蒸發(fā)器，年處理量為2.5萬(wàn)噸，處理物料為木瓜漿。木瓜的成分：番木瓜堿、木瓜蛋白酶、木瓜凝乳酶、番茄烴、維生素B、C、E、糖分、蛋白質(zhì)、脂肪、胡蘿卜素等。在進(jìn)行設(shè)備的選擇與設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到食品物料的特殊性，比如，蛋白質(zhì)高溫變性，糖分高溫焦化或分解，所以蒸發(fā)溫度一般不超過(guò)127。本次設(shè)計(jì)選擇加熱蒸汽溫度為121，則相應(yīng)的蒸汽壓強(qiáng)為205.35kpa;冷凝器

37、的操作壓強(qiáng) 。</p><p>　　溶劑汽化需要吸收大量汽化潛熱，所以蒸發(fā)操作是一個(gè)能耗大的過(guò)程。采用多效蒸發(fā)是降低能耗的最有效方法，在工業(yè)上應(yīng)用很廣。其目的是為了充分利用熱能，即通過(guò)蒸發(fā)過(guò)程中二次蒸汽的再利用，以減少新鮮蒸汽的消耗量，從而提高蒸發(fā)裝置的經(jīng)濟(jì)性。隨效數(shù)增加，蒸汽節(jié)約越多，但并不是效數(shù)越多越好，多效蒸發(fā)器的效數(shù)受經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上等因素的限制。在多效蒸發(fā)器中，隨著效數(shù)的增加，總蒸發(fā)量相同時(shí)所需新鮮蒸汽量

38、減少，操作費(fèi)用降低；但效數(shù)越多，設(shè)備費(fèi)用越高，而且隨著效數(shù)的增加，所節(jié)約的新鮮蒸汽量越來(lái)越少。單效改為雙效時(shí)新鮮蒸汽節(jié)約93%，但是由Ⅳ效改為Ⅴ效時(shí)節(jié)約新鮮蒸汽為10%，所以不能無(wú)限制地增加效數(shù)，最適宜效數(shù)應(yīng)該使設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)總和為最小。所以，本次設(shè)計(jì)效數(shù)選為Ⅲ效。</p><p>　?、笮д舭l(fā)需串接三個(gè)蒸發(fā)器，當(dāng)然，要求各效的操作壓力、對(duì)應(yīng)的加熱蒸汽溫度和溶液沸點(diǎn)依次降低。本次設(shè)計(jì)選擇的蒸發(fā)流程為并流加料，即物

39、料與二次蒸汽以相同的方向流過(guò)各效。此種加料方式的優(yōu)點(diǎn)是：前效壓強(qiáng)較后效高，料液可借此壓差自動(dòng)地流向后一效而無(wú)需泵輸送；同時(shí)，由于前效中溶液的沸點(diǎn)比后效高，當(dāng)料液進(jìn)入后效時(shí)會(huì)產(chǎn)生自蒸發(fā)。缺點(diǎn)是：末效于前幾效相比溶液濃度高、溫度低、粘度大，傳熱系數(shù)低，所需傳熱面積大。</p><p>　　中央循環(huán)管式蒸發(fā)器（又稱標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器），構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作可靠、傳熱效果較好、投資費(fèi)用較少，且計(jì)算簡(jiǎn)便。其加熱管的長(zhǎng)度在1~2m之間，考

40、慮到設(shè)備所占空間大小，本次選擇1m的加熱管。在允許的條件下分離室的直徑應(yīng)盡量與加熱室相同。該蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，如濃縮果汁的生產(chǎn)，制糖。制鹽工業(yè)中的蒸發(fā)結(jié)晶工段等。但缺點(diǎn)是清洗和檢修較麻煩、溶液循環(huán)速度較低（攪拌式可提速2~3倍）、因溶液的循環(huán)使蒸發(fā)器中溶液的組成總是接近于完成液組成，溶液沸點(diǎn)升高明顯，傳熱溫差減小，粘度較大，影響傳熱效果。</p><p>　　關(guān)于無(wú)縫鋼管：無(wú)縫鋼管是一種具有中空截面、周

41、邊沒(méi)有接縫的圓形，方形，矩形鋼材。無(wú)縫鋼管是用鋼錠或?qū)嵭墓芘鹘?jīng)穿孔制成毛管，然后經(jīng)熱軋、冷軋或冷撥制成。無(wú)縫鋼管具有中空截面，大量用作輸送流體的管道，鋼管與圓鋼等實(shí)心鋼材相比，在抗彎抗扭強(qiáng)度相同時(shí)，重量較輕，是一種經(jīng)濟(jì)截面鋼材，廣泛用于制造結(jié)構(gòu)件和機(jī)械零件，如石油鉆桿、汽車傳動(dòng)軸、自行車架以及建筑施工中用的鋼腳手架等。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>&l

42、t;p>　　柴誠(chéng)敬，張國(guó)亮，夏清，張鳳寶等.化工原理：上冊(cè).2版.北京：高等教育出版社，2010.5</p><p>　　賈紹義，柴誠(chéng)敬主編.化工原理課程設(shè)計(jì).天津：天津大學(xué)出版社，2002.8(2003.12重?。?lt;/p><p>　　涂偉萍，陳佩珍，程達(dá)芬編.化工過(guò)程及設(shè)備設(shè)計(jì).北京：北京工業(yè)出版社，2000.6</p><p>　　李云飛，葛克山主編.食

43、品工程原理：2版.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2009.8</p><p>　　方立國(guó)，董新法.化工制圖Auto CAD實(shí)踐教程與開(kāi)發(fā)[M]．化學(xué)工業(yè)出版社，2008</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)了這些天的課程設(shè)計(jì)，讓我的各方面能力都有了進(jìn)一步的提高。尤其是在計(jì)算方面，讓我體會(huì)到了態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹匾裕谟?jì)算時(shí)

44、不能有半點(diǎn)馬虎，否則就會(huì)有重新計(jì)算的危險(xiǎn)。除此之外，在設(shè)計(jì)中涉及了大量的文獻(xiàn)資料查詢，通過(guò)這些天的查詢，不僅提高了我查資料的能力，而且懂得了很多通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取資料的方法。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，鞏固了我的食品工程原理的知識(shí)，提高了我獨(dú)立思考的能力。這是第一次做這樣的課程設(shè)計(jì)，剛開(kāi)始真的無(wú)從下手，公式擺在面前密密麻麻的真的很煩，但是我不敢有絲毫的懈怠，一點(diǎn)一點(diǎn)的進(jìn)行理解和計(jì)算，一字一字的敲上去，現(xiàn)在終于大功告成，真的有一種如釋重負(fù)的感覺(jué)。<