單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計課程設(shè)計修正版

輕工食品學(xué)院食品工程原理課程設(shè)計單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計指導(dǎo)教師提交日期2013.01.04單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計2 3 3一設(shè)計題目 3二設(shè)計任務(wù) 3三設(shè)計要求 3四原始數(shù)據(jù) 4五主要技術(shù)參數(shù) 4 5一設(shè)計方案的確定 5二數(shù)據(jù)工藝計算 三工藝尺寸計算 81.加熱管的直徑和長度 82.加熱管的尺寸及管數(shù)的初步估算 93.蒸發(fā)器的尺寸 4.連接管直徑的確定 四附屬設(shè)備尺寸計算 1.選用噴射式冷凝器 2.除沫器的選擇 3.真空泵的選擇 工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總表 第一部分引言在化學(xué)工業(yè)、日用化工工業(yè)、食品工業(yè)、制藥工業(yè)等眾多行業(yè)中，通常要遇到將溶液蒸發(fā)濃縮的工業(yè)操作。蒸發(fā)是采用加熱的方法，使溶液中的溶劑在沸騰狀態(tài)下部分汽化，并將其移除的一種單元操作。蒸發(fā)操作的目的，一是為了提高溶液的濃度，二是為了回收溶劑或脫除雜質(zhì)。單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計3蒸發(fā)操作按二次蒸汽的利用情況可分為單效與多效蒸發(fā)。蒸發(fā)可在大氣壓、減壓或加壓的情況下進行。在減壓下進行的蒸發(fā)，稱為真空蒸發(fā)。一項好的設(shè)計，應(yīng)該做到工藝性能良好、設(shè)計投資少、操作費用低，即技術(shù)上應(yīng)滿足工藝的要求，經(jīng)濟上合算，且能保證安全生產(chǎn)。對于蒸發(fā)器的設(shè)計，總的來說是確定蒸發(fā)方案，即確定蒸發(fā)的操作條件、蒸發(fā)設(shè)備的型號、蒸發(fā)流程等，進行工藝計算和設(shè)備結(jié)構(gòu)的計算、強度計算或選型，隨后用流程圖、設(shè)備圖和設(shè)計說明書表達設(shè)計者的設(shè)計思想和第二部分蒸發(fā)裝置設(shè)計條件與任務(wù)一設(shè)計題目試設(shè)計一臺單效或雙效真空蒸發(fā)器，日處理400T的酒糟水，進料溫度80℃。固形物含量6%,產(chǎn)品溫度50℃,固形物含量40%。二設(shè)計任務(wù)1、根據(jù)溶液的性質(zhì)及工藝要求確定蒸發(fā)器的操作條件、蒸發(fā)器的型式等2、根據(jù)物料衡算及熱量衡算計算加熱蒸汽消耗量及各效的蒸發(fā)量3、求出各效傳熱量和傳熱面積4、蒸發(fā)器尺寸的確定和有關(guān)構(gòu)件的選擇5、附屬設(shè)備的選型6、繪制流程圖及蒸發(fā)器的裝配圖7、制圖和編寫設(shè)計說明書三設(shè)計要求1、根據(jù)設(shè)計任務(wù)書合理選擇蒸發(fā)器的類型2、對蒸發(fā)器進行工藝計算3、必須根據(jù)有關(guān)國標來選擇蒸發(fā)器的構(gòu)件四原始數(shù)據(jù)原料：濃度為6%的廢酒糟水產(chǎn)品：濃度為35%的酒糟漿單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計4進料溫度：80℃出料溫度：50℃日處理量：日處理酒糟水400T,一天工作20h溫度要求：沸點溫度不要超過50℃五主要技術(shù)參數(shù)完成液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)：x?=35%出料溫度：t?=50℃表1各蒸汽狀態(tài)參數(shù)類型壓力溫度(℃)密度(kg/m3)汽化潛熱(kJ/kg)飽和加熱蒸汽二次蒸汽 第三部分蒸發(fā)裝置設(shè)計說明書一設(shè)計方案的確定本次蒸發(fā)設(shè)計要求的物料處理量較大，結(jié)合酒糟水熱敏性，粘度以及設(shè)備造價等方面考慮，選擇單效降膜式蒸發(fā)器。該設(shè)備傳熱效率高，料液由加熱器頂部加入，液體在重力作用下，沿管內(nèi)壁成液膜狀向下流動，由于向下加速，克單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計5服加速壓頭比升膜式小，沸點升高也小，加熱蒸汽與料液溫差大，且不存在靜液層效應(yīng)，物料沸點均勻，傳熱系數(shù)高，所以傳熱效果較好。在降膜式的料液，經(jīng)蒸發(fā)后，流下的液體基本達到需要的濃度。所以，管子要有足夠的長度，才能保證傳熱的效果。這種設(shè)備的設(shè)計，關(guān)鍵在于必須有料液進管的均勻分配裝備。目的是避免局部過熱合焦壁。由于這許多優(yōu)點，所以食品工業(yè)應(yīng)用廣泛，例如牛奶、果汁等濃縮。表2降膜蒸發(fā)器的主要性能蒸發(fā)器型式造價總傳熱系數(shù)溶液在管內(nèi)流速停留時間完成液濃度能否恒定濃縮比處理量對溶液性質(zhì)的適應(yīng)性稀溶液高粘度稀溶液高粘度易生泡沫易結(jié)垢熱敏性結(jié)晶析出降膜式廉良好高0.4～1.0短尚能高大較適好尚適不適良好不適提高生產(chǎn)強度的途徑之一是增大傳熱溫差△t,提高加熱蒸汽的溫度或是降低溶液的沸點均可增加△t。加熱蒸汽的溫度(及相應(yīng)壓強)受鍋爐額定壓強的限制，因此，在許多情況下需要采用真空蒸發(fā)以降低溶液免遭破壞。且由于酒糟含酒精，為了避免酒精因過高沸點蒸發(fā)，所以采用減壓真空蒸發(fā)，同時保持低溫濃縮，保留酒精以及其風味成分。真空蒸發(fā)的特點在于：①減壓下溶液的沸點下降，有利于處理熱敏性物料。②溶液的沸點隨所處的壓強減小而降低，故對相同壓強的加熱蒸汽而言，當溶液處于減壓時可以提高總傳熱溫差；但與此同時，溶液的粘度加大，所以總傳熱系數(shù)下降。③真空蒸發(fā)系統(tǒng)要求有造成減壓的裝置，使系統(tǒng)的投資費用和操作費用提高。1)加熱方式：直接飽和蒸汽加熱，壓力0.2Mpa3)加料方式：并流式單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計61.4輔助設(shè)備：旋液式分布器，水噴式冷凝器，單級真空噴射泵，離心除沫器二數(shù)據(jù)工藝計算3.1物料衡算日處理量為400T,每天工作20小時，每個小時的處理量F=20T/h對整個蒸發(fā)系統(tǒng)作溶質(zhì)的物料衡算，可得：產(chǎn)量=F-W=20000-16571.43=3428.57kg/hx原料液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)x?完成液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)：3.2熱量衡算=16331.3kg/h(《食品工程原理》P720,公式7-D加熱蒸汽消耗量(kg/h)t,——完成液的溫度(℃),即溶液的沸點(℃)r’次蒸汽的汽化潛熱(kJ/kg)單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計7A'操作壓強下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點升高(℃)△"范圍為0.5~1.5,取1.0(由管路流動阻力引起的沸點升高)(溶液內(nèi)部平均壓強(pa))T'操作壓強下二次蒸汽溫度(℃)r操作壓強下二次蒸汽汽化潛熱(℃)A'=f△?=0.71×0.8=0.568℃在液膜蒸發(fā)器中，由于液體是膜狀流動，故不考慮△”△=△+△"=0.568+1.0=1.0568℃3.4傳熱面積計算表3.各類蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)K。值蒸發(fā)器的型式總傳熱系數(shù)KW/(m2·K)蒸發(fā)器的型式總傳熱系數(shù)W/(m2·K)水平沉浸加熱式升膜式標準式(自然循環(huán))降膜式標準式(強制循環(huán))懸筐式外加熱式(自然循蛇管式單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計8外加熱式(強制循 傳熱面積三工藝尺寸計算1.加熱管的直徑和長度蒸發(fā)器的加熱管通?？蛇x用①25×2.5mm,①32×2mm,①38×2.5mm,φ42×3mm及φ57×3.5mm等幾種規(guī)格的無縫鋼管。管子長度的選擇應(yīng)根據(jù)溶液結(jié)垢的程度、溶液的起泡性和廠房高度等因素來考慮，一般從1.5m到6m不等。具體數(shù)值可參考下列范圍：(短管：1.5～2.5m;中管：2.5～4m;長管：5～6m)加熱管的管間距確定，可按表選?。罕?.幾種常用加熱管規(guī)格及管間距管子規(guī)格(mm①25×2.5①32×2①38×2.5①57×3.5管間距(mm)加熱室由單根或多根垂直管組成，加熱管長徑之比為50～100,管徑在25～50之間。由于加熱量大，故選擇無縫鋼管φ57×3.5,管長5m2.加熱管的尺寸及管數(shù)的初步估算表5.取管間距為1.25dg的正六角形排列正六角形數(shù)根數(shù)正六角形數(shù)根數(shù)174單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計9253——《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》P?根據(jù)排列4層共61根管子實際加熱面積A'=61×3.14×0.057×5=54.59m2要求實際最大生產(chǎn)能力，所需熱量由公式和,得到實際最大生D?=t(b-1)+2.5drt——管心距，為管子直徑的1.25倍(mm)D?=1(b-1)+2.5d=1.25×57×4.1×√6I-1)+2.5×57=683.4mm取外殼壁厚δ=6mm選外徑為700mm——《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》P6g3.蒸發(fā)器的尺寸蒸發(fā)室直徑=8.3145×(50+273)/(199×18)=121m3/kg蒸發(fā)室體積a——修正系數(shù)a=0.7~0.9取8=20000(m2/m3·h)a=0.8蒸發(fā)室的截面積蒸發(fā)室的高度蒸發(fā)器的總高度為0.82+5.00=5.82m單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計4.連接管直徑的確定加熱蒸汽進口管徑dmVr飽和蒸汽速度由《食品工廠機械與設(shè)備》得：加熱蒸汽進口壓力為3大氣壓，取飽和蒸汽的速度為30m/s,蒸汽進口壓力為1大氣壓，取飽和蒸汽的速度為25m/s,故本題加熱蒸汽進口壓力為2大氣壓，取飽和蒸汽的速度為27.5m/s。故0.146m2的熱軋無縫鋼管所以實際飽和加熱蒸汽的速度：二次蒸汽出口進入冷凝器的管徑：二次蒸汽的出口溫度為50℃,由表1得由《食品工廠機械與設(shè)備》查得，在減壓真空狀態(tài)下，管的出口處二次蒸汽速度為100～160米/秒，取v?=140m/s取整后選用d?=710mm,壁厚為10mm,內(nèi)截面積為0.374m2的熱軋無縫鋼管單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計四附屬設(shè)備尺寸計算1.選用噴射式冷凝器冷凝器選用噴射式冷凝器，它由噴射器和離心水泵組成，又稱水力噴射器，兼有冷凝及抽真空兩種作用。其工作原理是利用高壓水流，通過噴嘴噴出，聚合在一個焦點上，由于噴射的水流速度較高，在周圍形成負壓區(qū)，水流經(jīng)擴散管增壓排出，而在負壓區(qū)可以不斷地吸入二次蒸汽，經(jīng)導(dǎo)向盤與冷卻水接觸，由《蒸發(fā)過程設(shè)計》P?6,設(shè)氣室為1個大氣壓，水室2.5個大氣壓，噴嘴直徑d=15mm,流量系數(shù)φ=0.93通過一個噴嘴的水流量故單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計噴嘴數(shù)取整數(shù)為N=20個2.除沫器的選擇除沫器種類多，有折射式、球式、金屬網(wǎng)絲式、離心式、沖擊式、旋風式除沫器等，其中離心式除沫器可直接安裝在蒸發(fā)器內(nèi)分離室的頂部也可安裝在其外部，安裝位置的選擇性多，故選用離心式除沫器。3.真空泵的選擇單級真空噴射泵結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，無傳動裝置，有利于泵的日常維修。表6.進料濃度%6進料溫度℃進料量kg/h20000二次蒸汽壓強kPa生蒸汽溫度℃出料濃度%出料量kg/h3428.57工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總表通過上述工藝設(shè)計得到的設(shè)計結(jié)果匯總表如下所示：表7.16571.4316331.348.36 單效蒸發(fā)裝置的設(shè)計加熱管直徑/mm加熱管管心距/mm加熱管數(shù)加熱器外殼尺寸/mm①700×6蒸發(fā)器高度/mm蒸發(fā)器直徑/mm4370加熱蒸汽進口接管管徑/mm①450×9.0二次蒸汽出口接管管徑/mm實際傳熱面積/m2實際最大生產(chǎn)能力/(kgh1)除沫器離心式除沫器冷凝器噴射式冷凝器真空泵旋片式真空泵蒸發(fā)設(shè)備圖mm蒸發(fā)器規(guī)格蒸發(fā)器外徑蒸發(fā)器高度加熱管長度加熱蒸汽進口直徑二次蒸汽出