蘋果汁濃縮過程中三效并流蒸發(fā)器的設(shè)計方案

蘋果汁濃縮過程中三效并流蒸發(fā)器的設(shè)計方案設(shè)計說明書在制作果汁中，待處理好原理后，需要將果汁進行濃縮?，F(xiàn)以每天72噸（按8h/天計）的流量將蘋果汁固形物為 12%的溶液濃縮到40%，原料液在第一效的沸點下加入，料液比熱容為3.20kJ/kg℃；各效蒸發(fā)器中溶液的平均密度分別為：1 1100kg/m3， 2 1250kg/m3， 3 1300kg/m3。加熱蒸汽絕壓為 500kPa，冷凝器的絕壓為20kPa。根據(jù)經(jīng)驗，取各效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)分別為：K1 1500W/m2℃，K2 1000W/m2℃，K3 600W/m2℃。各效加熱蒸汽冷凝液在飽和溫度下排出， 各效傳熱面積相等，并忽略熱損失，不考慮液柱靜壓對沸點的影響。試設(shè)計一合適的三效并流蒸發(fā)系統(tǒng)滿足生產(chǎn)要求。主要參數(shù)說明處理能力：每天 72噸（按8h/天計）蘋果汁。設(shè)備型式：中央循環(huán)管式蒸發(fā)器操作條件：①將蘋果汁固形物為12%的溶液濃縮到40%，原料液溫度為第一效沸點溫度，料液比熱容為3.20kJ/kg℃②加熱蒸汽絕壓為

500kPa，冷凝器的絕壓為

20kPa。③各效蒸發(fā)器中溶液的平均密度分別為：

1

1100kg/m3，

2

1250kg/m3，3

1300kg/

m3，各效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)分別為：

K1

1500W/m2

℃，K2

1000W/

m2

℃，K3

600W/m2

℃。④各效加熱蒸汽冷凝液在飽和溫度下排出，各效傳熱面積相等，并忽略熱損失 ,不考慮液柱靜壓對沸點的影響。設(shè)計計算多效蒸發(fā)工藝計算的主要依據(jù)是物料衡算、 熱量衡算及傳熱速率方程。計算的主要項目有：加熱蒸汽的消耗量，各效溶劑蒸發(fā)量以及各效的傳熱面積。 計算的已知參數(shù)包括：料液的流量、溫度和組成，加熱蒸汽的壓力和冷凝器中的壓力等。3.1設(shè)計方案的確定隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，蒸發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與形式亦不斷改進和創(chuàng)新，其種類繁多，結(jié)構(gòu)各異。在工業(yè)中常用的間接加熱蒸發(fā)器分別為循環(huán)型和單程型兩大類。循環(huán)型的蒸發(fā)器中有中央循環(huán)管式、懸框式、外加熱式、列文式及強制循環(huán)管等，單程型的蒸發(fā)器有升膜式、降膜式、升-降膜式等。本設(shè)計選擇中央循環(huán)管式蒸發(fā)器。因為循環(huán)型蒸發(fā)器中的中央循環(huán)管式又稱標準式蒸發(fā)器，在化學工業(yè)中應(yīng)用廣泛。結(jié)構(gòu)和原理：其下部的加熱室由垂直管束組成，中間由一根直徑較大的中央循環(huán)管。當管內(nèi)液體被加熱沸騰時，中央循環(huán)管內(nèi)氣液混合物的平均密度較大；而其余加熱管內(nèi)氣液混合物的平均密度較小。在密度差的作用下，溶液由中央循環(huán)管下降，而由加熱管上升，做自然循環(huán)流動。溶液的循環(huán)流動提高了沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，強化了蒸發(fā)過程。這種蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)緊湊，操作可靠，傳熱效果好。但溶液的循環(huán)速度低，傳熱溫差小，影響了傳熱。在中央循環(huán)管內(nèi)安裝一旋漿式攪拌器即構(gòu)成強制循環(huán)蒸發(fā)器，可是液體的循環(huán)速度提高2～3倍。下圖為并流加料三效蒸發(fā)物料衡算和熱量衡算的示意圖：11'W2、T2'W3、T3'W、TP1'P2'P3'D1、T1W1T2W2T3F、x0、t0x1、t1x2、t2x2、t3T1 T2 T33.2估算各效蒸發(fā)量與完成液濃度蘋果汁原料液加料量F721039000kg/h8總蒸發(fā)量WF(1x0)9000(10.12)6300kg/hx30.40因并流加料，蒸發(fā)中無額外蒸汽引出，可設(shè)W1:W2:W31:1.1:1.2WW1W2W33.3W1W163001909.09kg/h3.3W21.11909.092100kg/hW31.21909.092290.91kg/hx1Fx090000.12FW190000.15231909.09x2Fx090000.12FW1W20.216490001909.092100x30.403.3估算二次蒸汽壓強及溶液沸點和有效溫度差加熱蒸汽絕壓為500kPa,冷凝器的絕壓為20kPa。設(shè)各效間壓力降相等，則總壓力差為PP1PK'50020480kPa各效間的平均壓力差為P480Pi160kPa33由各效的壓力差可求得各效蒸發(fā)室的壓力，即'P1Pi500160340kPaP1P2'P12Pi5002160180kPaP3'PK'20kPa由各效的二次蒸汽壓力，從手冊中可查的相應(yīng)的二次蒸汽的溫度和汽化潛熱列于下表中。效數(shù)一二三二次蒸汽壓力P'/kPa34018020i二次蒸汽溫度Ti'/℃137.78116.8460.08（即下一效加熱蒸汽的溫度）二次蒸汽的汽化潛熱ri'/kJ/kg2155.182213.912354.92（即下一效加熱蒸汽的汽化潛熱（1）各效由于溶液沸點而引起的溫度差損失 '根據(jù)各效二次蒸汽溫度 Ti'（也即相同壓力下水的沸點）和各效完成液濃度 xi查的相應(yīng)質(zhì)量分數(shù)的沸點升高：糖液不同質(zhì)量分數(shù)對應(yīng)的常壓沸點升高濃度/%15.2321.6440.00常壓下的沸點升高a'/℃0.200.331.00再計算各效由于溶液蒸汽壓下降所引起的溫度差損失：'T2'16.2(137.78273.15)20.200.25℃116.21'a13r12155.1810T22116.84273.152'16.2'16.20.330.37℃2'a22213.91103r2'16.2T32'16.2(60.08273.15)21.000.76℃3r3'a32354.92103''''1.38℃123（2）由于不考慮液柱靜壓對沸點的影響，故溫度差損失不計，即 ''（3）由流動阻力而引起的溫度差損失'''，取經(jīng)驗值1℃，即'''''''''123

01℃，則'''3℃。故蒸發(fā)室裝置的總的溫度差損失為：''''''1.3803℃4.38（4）各效料液的溫度和有效溫度差，由各效二次蒸汽壓力Pi'及溫度差損失i，即可由下式估算各效料液的溫度ti，tit'ii''''''1111''''''2222''''''3333各效料液的溫度為：

0.25 0 1 1.25℃0.37 0 1 1.37℃0.76 0 1 1.76℃t1 T1' 1t2 T2' 2

137.78 1.25 139.03℃116.84 1.37 118.21℃t3 T3' 3 60.08 1.76 61.84℃有效總溫差： t (Ts Tk')查手冊可得500kPa飽和蒸汽的溫度為151.67℃，汽化潛熱為2113.25KJ/kg，所以 t 151.67 60.08 4.38 87.21℃。3.4加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量第一效的熱量衡算式為：W11D1r1t0t1)('Fcpo'r1r1對于沸點進料，t0 t1，考慮到蘋果汁濃縮熱的影響，熱利用計算式為i0.980.7xi，式中xi為第i效蒸發(fā)器中料液濃度的變化。10.980.7(0.15230.12)0.9574所以，W11D1r10.95742113.25D10.9388D1r1'2155.18第二效的熱量衡算式為：W2W1r2FcpoWc1t1t22r2'pwr2'20.980.7x20.980.70.21640.15230.9351W2W1r2FcpoWc1t1t22r2'pwr2'0.93512155.18W190003.204.187W1139.03118.212213.912213.910.8735W1253.27第三效的熱量衡算式為：W33W2r3FcpoWc1pwW2cpwt2t3r3'r3'30.980.7x30.980.70.40.21640.8515W3W2r3FcpoWc1t2t33r3'pwW2cpwr3'0.85152213.91W290003.204.187W14.187W2118.2161.842354.922254.920.7114W20.0891W1613.03又W1 W2 W3 6300kg/h解得：W12183.66kg/hW22160.69kg/hW31955.58kg/hD12326.01kg/h3.5估算蒸發(fā)器的傳熱面積SiQiKitiQ1D1r12326.012113.251031.3654106W3600t1T1t1151.67139.0312.64℃Q1.36541062S1172.01mK1t1150012.64Q2W1r1'2183.662155.181031.3073106W3600t2T2t2137.78118.2119.57℃S2Q21.30731062K2t2100019.5766.80mQ3'2160.692213.911031.3288106WW2r23600t3T3t3116.8461.8455.00℃S3Q31.328810640.27m2K3t360055.00誤差為1 Smin 0.441，誤差較大，故應(yīng)調(diào)整各效的有效溫度差，重復(fù)上述計算Smax步驟。3.6重新分配各效的有效溫度差SS1t1S2t2S3t372.0112.6466.8019.5740.2755.0050.82m2t12.6419.5755.00重新分配有效溫度差，得：t1'S1t172.0112.6417.91℃S50.82'S2t266.8019.5725.72℃t2S50.82t3'S3t340.2755.0043.59℃S50.823.7重復(fù)上述計算步驟（1）計算各效料液濃度，它們分別為：x1Fx090000.12FW190000.15842183.66x2Fx090000.120.2320FW1W290002183.662160.69x30.4000（2）計算各效料液的溫度。因末效完成液濃度和二次蒸汽壓強不變，各種溫度差損失可視為恒定，故末效溶液的沸點t3仍為t361.84℃，而t3'43.59℃，則第三效加熱蒸汽溫度（也即第二效二次蒸汽溫度）為：T3 T2' t3 t3' 61.84 43.59 105.43℃由于各種溫度差損失可視為恒定， 2 1.37℃，故第二效溶液的沸點為：t2T2'2105.431.37106.80℃同理，由t2'25.72℃，可求得T2T1't2t2'106.8025.72132.52℃由11.25℃，求得t1T1'1132.521.25133.77℃T1151.67℃溫差重新分配后各效溫度情況見下表：效數(shù)一二三加熱蒸汽的溫度Ti/℃151.67132.52105.43有效溫度差ti'/℃17.9125.7243.59各效溶液沸點ti/℃133.77106.8061.84（3）加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的計算。T1' 132.52℃ r1' 2170.39kJ/kgT2'105.43℃r2'2243.71kJ/kgT3'60.08℃r3'2354.92kJ/kg各效的熱量衡算：第一效：10.980.7x10.980.70.15840.120.9531W1D1r10.95312113.25D10.9280D11r1'2170.39第二效：20.980.7x20.980.70.23200.15840.9285W2W1r2Fcpot1t22r2'W1cpwr2'0.92852170.39W190003.204.187W1133.77106.802243.712243.710.8514W1321.43第三效：30.980.7x30.980.70.40.23200.8624W3W2r3FcpoWc1pwW2cpwt2t33r3'r3'0.86242243.71W290003.204.187W14.187W2106.8061.842354.922354.920.7527W2 0.0689W1 474.19又W1 W2 W3 6300kg/h解得：W12171.52kg/hW22170.32kg/hW31958.16kg/hD12340.00kg/h與第一次比較，其相對誤差為：2183.661 0.00562171.522160.691 0.00442170.321 1955.58 0.00131958.16相對誤差均小于 0.05，故計算的各效蒸發(fā)量 W結(jié)果合理，其各效溶液濃度無明顯變化，不需重新計算。（4）蒸發(fā)器傳熱面積的計算。Q1D1r12340.002113.251031.3736106W，t1'17.91℃3600S1Q1t'1.373610651.13m2K1150017.911Q2'2171.522170.391031.30926'25.72℃W1r1360010W，t2S2Q21.309210650.90m2K2t2'100025.72Q3W2r2'2170.322243.711031.3527106W，t3'43.59℃3600S3Q31.35271062K3t3'60043.5951.72m誤差：1Smin150.900.0160.05，Smax51.72計算結(jié)果合理，取平均傳熱面積 S 51.25m23.8蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸中央循環(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，長度及在花板上的排列方式等。這些尺寸的確定取決于工藝計算結(jié)果， 主要是傳熱面積。我們選取的中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的計算方法如下。（1）加熱管的選擇和管束的初步估計蒸發(fā)器的加熱管通常選用 25 2.5mm， 38 2.5mm， 57 3.5mm等幾種規(guī)格的無縫鋼管，長度一般為0.6:2.0m。管子長度的選擇應(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。本次設(shè)計加熱管選用2.5mm長度為2m的無縫鋼管。由下式估算所需管數(shù)：n'=S51.250.1226根d0L0.13.140.0382式中S——蒸發(fā)器的傳熱面積，由前面的工藝計算決定，m2；d0——加熱管的管徑，m；L——加熱管長度，m。因加熱管固定在管板上，考慮到管板厚度占據(jù)的傳熱面積，計算n時的管長用L0.1m。為完成傳熱任務(wù)所需的最小實際管數(shù)n只有在管板上排列加熱管后才能確定。2）循環(huán)管直徑的選擇循環(huán)管的截面積是根據(jù)使循環(huán)阻力盡量減少的原則來考慮的。其截面積可以取加熱管總截面積的 40％～100％，若以表示D1循環(huán)管內(nèi)徑，則：D12(0.4~1)n24d14D1n'0.4~1d12260.43822.5314mm對于加熱面積小的蒸發(fā)器，應(yīng)取較大的的百分數(shù)。查管規(guī)格表，所以本設(shè)計選取的循環(huán)管應(yīng)選用32512mm的管子，長度為2m。（3）加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定加熱室的內(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。加熱管在管板上的排列方式有三角形、正方形、同心圓等，目前以三角形居多。管心距t為相鄰兩管中心線之間的距離，t一般為加熱管外徑的1.25-1.5倍。目前在換熱器設(shè)計中，管心距的數(shù)值已經(jīng)標準化，管子規(guī)格確定后，相應(yīng)的管心距則為定值。三角形排列時加熱管直徑與管心距的關(guān)系加熱管外徑d0/mm19253857管心距t/mm25324870加熱室內(nèi)徑和加熱管數(shù)采用作圖法來確定， 具體做法是：先計算管束中心線上管束nc，管子按正三角形排列時，nc1.1n管子按正方形排列時，nc1.19n式中n——總加熱管數(shù)該設(shè)計以三角形排列初步估算加熱室內(nèi)徑，即nc1.1n1.122617加熱室內(nèi)徑Ditnc121~1.5d04817121.538882mm根據(jù)初估加熱室內(nèi)徑值和容器公稱直徑系列，試選一個內(nèi)徑作為加熱室內(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。作圖所得管數(shù) n必須大于初始值n'，如不滿足，應(yīng)令選一設(shè)備內(nèi)徑，重新作圖，直至合適為止。殼體內(nèi)徑的標準尺寸列于下表中，作為參考。殼體的尺寸標準殼體內(nèi)徑，mm400-700800-10001100-15001600-2000最小壁厚，mm8101214根據(jù)表選取加熱室殼體內(nèi)徑為 1000mm，壁厚為10mm。根據(jù)繪圖可知管數(shù)n 228根，大于初始值n'，故符合要求。（4）分離室直徑和高度的確定分離室的直徑和高度取決于分離室的體積，而分離室的體積又與二次蒸汽的體積流量及蒸發(fā)體積強度有關(guān)。W 3分離室體積的計算式為: V m式中V——分離室的體積， m3；W——某效蒸發(fā)器的二次蒸汽流量，

kg/h；——某效蒸發(fā)器的二次蒸汽密度，

kg/m3

；U——蒸發(fā)體積強度， m3/(m3s)，即每立方米分離室每秒鐘產(chǎn)生的二次蒸汽量，一般允許值為1.1:1.5m3/(m3s)?，F(xiàn)取分離室中U1.1m3/(m3s）；而二次蒸汽的密度見下表。二次蒸汽密度的確定效次一二三二次蒸汽溫度Ti'/℃132.52105.4360.08密度/kg/m31.6050.7140.131根據(jù)前述計算值到代入分離器體積的計算式可得：V1W11U2171.520.3416m3360036001.6051.1V2W22U2170.320.7676m3360036000.7141.1V3W33U1958.163.786m3360036000.1311.1一般情況下，各效的二次蒸汽量是不同的， 且密度也不相同，按上述算出的分離室體積也不相同，通常末效體積最大。為了方便起見，設(shè)計時各效分離室尺寸可取一致。分離室體積宜取其中最大者。所以分離器的體積選取其中的最大者，即V3.786m3分離室體積確定后，其高度H與直徑D符合下列關(guān)系：VD2H4H/D1:2。對于中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，其分離室高度一般不能小于1.8m，以保證足夠的霧沫分離高度。分離室的直徑也不能太小，否則二次蒸汽流速過大，導致霧沫夾帶現(xiàn)象嚴重。根據(jù)上述原因，取

H/D

1.5代入值，解得

D 1.476m，H

2.214m

1.8m，故符合要求。（5）接管尺寸的確定流體進出口的內(nèi)徑按下式計算 d 4Vsu式中Vs-----流體的體積流量，m3/s；u-----流體的適宜流速，m/s。估算出內(nèi)徑后，應(yīng)從管規(guī)格表格中選用相近的標準管。流體的適宜流速列于下表中：強制流動的自然流動的空氣及其它液體，m/s液體，m/s飽和蒸汽，m/s氣體，m/s0.8:150.08:0.1520:3015:20①溶液的進出口管對于并流加料的三效蒸發(fā)，第一效溶液的流量最大，若各效設(shè)備采用統(tǒng)一尺寸，應(yīng)根據(jù)第一效溶液流量來確定接管。取適宜流速選取 u 2m/s,010000.8815500.121066kg/m3F490004Vs40360010660.0386mdu3.142u所以選用 45 2.5mm無縫不銹鋼管。②加熱蒸汽進口與二次蒸汽出口接管查表已知11.605kg/m3，20.714kg/m3，30.131kg/m3；又適宜的飽和蒸汽流速一般在20:30m/s之間取u30m/s。V1W12171.520.376m3/s136001.605V2W22170.320.844m3/s236000.714V3W31958.164.152m3/s336000.1314Vs44.152d0.420mu3.1430可以由不銹鋼管規(guī)格表查得選取的蒸汽接管規(guī)格為 426 16mm。③冷凝水出口冷凝水的排出一般屬于液體自然流動 u 0.08:0.15m/s，接管直徑應(yīng)由各效加熱蒸汽消耗量較大者確定。第三效的蒸汽冷凝量為 1958.16kg/h；由手冊查得，60.08℃時冷凝水的密度為 978.30kg/m3；適宜流速選為0.10m/s。可計算冷凝水出口管徑：4Vs41958.160.084md3.140.103600u978.30可以由不銹鋼管規(guī)格表查得選取的冷凝水出口管徑規(guī)格為 89 3.5mm。3.9蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備的設(shè)計蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備主要包括氣液分離器與蒸汽冷凝器。一、氣液分離器蒸發(fā)操作時，二次蒸汽中夾帶大量的液體，雖在分離室得到初步分離，但為了防止損失有用的產(chǎn)品或防止污染冷凝液體，還需設(shè)置氣液分離器，以使霧沫中的液體聚集并與二次蒸汽分離，故氣液分離器又稱為捕沫器或除沫器。其類型很多，設(shè)置在蒸發(fā)器分離室頂部的有簡易式、慣性式及網(wǎng)式除沫器等，在蒸發(fā)器外部的有折流式、旋流式及離心式除沫器等。慣性式除沫器是利用帶有液滴的二次蒸汽在突然改變運動方向時，液滴因慣性作用而與蒸汽分離。其結(jié)構(gòu)簡單，中小型工廠中應(yīng)用較多。本設(shè)計選用慣性式除沫器。慣性式除沫器的主要尺寸按下列關(guān)系確定：D0 D1 420mm規(guī)格選取 426 16mmD1:D2:D3 1:1.5:2D2 1.5D1 630mmH D3 2D1 840mmh 0.5D1 210mm式中D0——二次蒸汽的管徑， m；D1——除沫器的內(nèi)管的直徑， m；D2——除沫器外罩管的直徑， m；D3——除沫器外殼直徑， m；H——除沫器的總高度， m；h——除沫器內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x， m。二、蒸汽冷凝器（1）主要類型蒸汽冷凝器的作用是用冷卻水將二次蒸汽冷凝。 當二次蒸汽為有價值的產(chǎn)品需要回收或會嚴重污染冷卻水時，應(yīng)采用間壁式冷卻器，如列管式、板式、螺旋板式及淋水式等熱交換器。當二次蒸汽為水蒸氣不需要回收時， 可采用直接接觸式冷凝器。二次蒸汽與冷卻水直接接觸進行熱交換，其冷卻效果好、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價格低廉，因此被廣泛使用，故在本設(shè)計中選用直接接觸式冷凝器。直接接觸式冷凝器有多孔板式、水簾式、填充塔式及水噴射式等。各種型式蒸汽冷凝器的性能冷凝器型式多層多孔板單層多孔板水簾式填充塔式水噴射式式式水汽接觸面大較小較大大最大積壓強降，Pa1067-2000小，可不計1333-3333較小大塔徑范圍大小均可不宜過大≦350mm≦100mm二次蒸汽量<2t/h結(jié)構(gòu)與要求較簡單簡單較簡單，安簡單不簡易，裝有一定加工有一要求定要求水量較大較大較大較大最大其他 孔易堵塞 適用于腐蝕性蒸汽綜合考慮各種設(shè)備的性能，本設(shè)計選用水噴射式蒸汽冷凝器。水噴射式冷凝器的工作原理是冷卻水依靠泵加壓后經(jīng)噴嘴霧化使二次蒸汽冷凝。冷凝氣也隨冷卻水由排水管排出。此過程產(chǎn)生真空，則不需要真空泵就可以造成和保持系統(tǒng)的真空度。但單位二次蒸汽所需的冷卻水量大，二次蒸汽量過大時不宜采用。2）蒸汽冷凝器的設(shè)計與選用①工作水量的計算對以冷凝為主的水噴射式冷凝器，其冷卻水用量決定于被冷凝蒸汽的熱焓、冷卻水的進出口溫度，按下式計算：冷卻水用量DW31958.16kg/h，冷卻水進出口溫度分別為t120℃，t240℃平均溫度tt1t230℃2由平均溫度查得：Cp4.187kJ/(kgC)；蒸汽的焓I2549.3kJ/kgD(ICPt2)Wt2t1CP1958.162549.34.187405.57104kg/h4.1874020式中W——冷卻水用量，kg/h；D——冷凝蒸汽量， kg/h