双效真空蒸发器及辅助设备的设计选择

食品工程原理课程设计说明书设计题目：姓名：班级：学号：指导教师：日期：任务书设计任务及操作条件含固形物16%（质量分率，下同）的鲜牛乳，拟经双效真空蒸发装置进行浓缩，要求成品浓度为49%，原料液温度为第一效沸点（60℃），加热蒸汽压力为450kPa(表)，冷凝器真空度为94kPa，日处理量为15吨/天，日工作时间为8小时，试设计该蒸发过程。假定采用中央循环管式蒸发器，双效并流进料，效间流动温差损失设为1K，第一效采用自然循环，传热系数为900w/(m2·k)，第二效采用强制循环，传热系数为1800w/(m2·k)，各效蒸发器中料液液面均为1m，各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出，并假设各效传热面积相等，忽略热损失。I目录1蒸发工艺设计计算--------------------------------------------------------11•1蒸浓液浓度计算--------------------------------------------------------11•2溶液沸点和有效温度差的确定--------------------------------------------11•2•1各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失--------------------------21•2•2各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失------------------------------21•2•3由经验不计流体阻力产生压降所引起的温度差损失------------------------31•4蒸发器的传热面积和有效温度差在各效中的分布----------------------------41•5有效温差再分配--------------------------------------------------------52蒸发器工艺尺寸计算------------------------------------------------------72•1加热管的选择和管数的初步估计------------------------------------------72•1•1加热管的选择和管数的初步估计----------------------------------------72•1•2循环管的选择--------------------------------------------------------72•1•3加热室直径及加热管数目的确定----------------------------------------82•1•4分离室直径与高度的确定----------------------------------------------92•2接管尺寸的确定--------------------------------------------------------92•2•1溶液进出口---------------------------------------------------------102•2•2加热蒸气进口与二次蒸汽出口-----------------------------------------102•2•3冷凝水出口---------------------------------------------------------103蒸发装置的辅助设备-----------------------------------------------------103•1气液分离器-----------------------------------------------------------103•2蒸汽冷凝器-----------------------------------------------------------113•2•1由计算可知,进入冷凝器的二次蒸汽的体积流量可计算得到冷凝器的直径D--114工艺计算汇总表--------------------------------------------------------115工艺流程图、蒸发器设备简图及加热器的管子排列图-------------------------125•1工艺流程图-----------------------------------------------------------125•2中央循环管切面图-----------------------------------------------------126课程设计心得-----------------------------------------------------------13致谢---------------------------------------------------------------------13参考文献-----------------------------------------------------------------1411蒸发工艺设计计算1·1蒸浓液浓度计算多效蒸发的工艺计算的主要依据是物料衡算和、热量衡算及传热速率方程。计算的主要项目有：加热蒸气（生蒸气）的消耗量、各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积。计算的已知参数有：料液的流量、温度和浓度，最终完成液的浓度，加热蒸气的压强和冷凝器中的压强等。蒸发器的设计计算步骤多效蒸发的计算一般采用试算法。(1)根据工艺要求及溶液的性质，确定蒸发的操作条件（如加热蒸气压强及冷凝器的压强），蒸发器的形式、流程和效数。(2)根据生产经验数据，初步估计各效蒸发量和各效完成液的浓度。(3)根据经验假设蒸气通过各效的压强降相等，估算个效溶液沸点和有效总温差。(4)根据蒸发器的焓衡算，求各效的蒸发量和传热量。(5)根据传热速率方程计算各效的传热面积。若求得的各效传热面积不相等，则应按下面介绍的方法重新分配有效温度差，重复步骤（3)至（5），直到所求得各效传热面积相等（或满足预先给出的精度要求）为止。F=8102.54=3125kg/h总蒸发量:W=F（1-20XX）=3125(1-42.014.0)=2083.3kg/h并流加料蒸发中无额外蒸汽引出,可设1W:W2=1:1.1而W=W1+W2=2083.3kg/h由以上三式可得:W1=992kg/h;W2=1091.3kg/h;设各效间的压强降相等，则总压强差为：X1=01FXFW=0.21;X2=012FXFWW=0.421·2溶液沸点和有效温度差的确定由各效的二次蒸汽压强从手册中查得相应的二次蒸汽温度和汽化潜热列与下表中:蒸汽压力（KPa）温度(℃)汽化热(kJ/kg)一效加热蒸汽601158.762190.9一效二次蒸汽19.9602355二效加热蒸汽19.8592357二效二次蒸汽7.439.82401.6进冷凝器蒸汽738.82403.8多效蒸发中的有效传热总温度差可用下式计算：有效总温度差)(/1KTTt式中t-----有效总温度差，为各效有效温度差之和，℃。21T-----第一效加热蒸气的温度，℃。/KT-----冷凝器操作压强下二次蒸气的饱和温度，℃。-------总的温度差损失，为各效温度差损失之和，℃，=/+//+///式中/---由于溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失，℃，//---由于蒸发器红溶液的静压强而引起的温度差损失，℃，///----由于管道流体阻力产生压强降而引起的温度差损失，℃，1·2·1各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失则f='2rT0162.0=764.02355602.2732.016.021=32.0764.0=0.24℃ｆ='2rT0162.0=66.06.24018.392.2732.016.0220.6616.1=0.77℃/=0.24+0.77=1.01℃1·2·2各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失由于蒸发器中溶液静压强引起的温度差损失某些蒸发器在操作时，器内溶液需维持一定的液位，因而蒸发器中溶液内部的压强大于液面的压强，致使溶液内部的沸点较液面处的为高，二者之差即为因溶液静压强引起的温度差损失，为简便起见，日夜内部的沸点可按液面和底层的平均压强来查取，平均压强近似按静力学方程估算：pm=p/+2gL式中pm—蒸发器中液面和底层的平均压强，pap/—二次蒸气的压强，即液面处的压强，，pa—溶液的平均密度，L-液层高度g-重力加速度，根据pm=p/+2gL取液位高度为1米有牛乳的平均密度=1.030kg/m3Pm1=2181.9030.19.19=25.0KPaPm2=4.122181.9030.14.7KPa对应的饱和溶液温度为:T1/pm=63.3℃;T2/pm=49.2℃;根据=pmptt3式中pmt--根据平均压强求取牛乳的沸点℃，pt--根据二次蒸气压强求得水的沸点℃所以1=T1/pm-T/1=63.3-60=3.3℃2=T2/pm-T/2=49.2-39.8=9.4℃''=3.3+9.4=12.7℃1·2·3由经验不计流体阻力产生压降所引起的温度差损失由于管道流体阻力产生的压强降所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次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起的温度差损失即为，根据经验其值可以省略。'''=1+1+1=3℃根据以估算的各效二次蒸汽压强1t及温度差损失△，即可由下式估算溶液各效溶液的沸点t所以总的温度差损失为=/+''+'''=1.01+12.7+2=15.71℃溶液的沸点ti=Ti/+i///1//1/110.24+3.3+1=4.54℃17.1114.977.02222℃所以各效溶液沸点：t1=T1′+Δ1′=60+0.24=60.24℃，t2=T2′+Δ2′=38.8+0.77=39.57℃由手册可查得601KPa饱和蒸汽压的温度为158.76℃，汽化热为2190.9KJ/kg，所25.10471.158.3876.158)(KStTT℃蒸汽压力（KPa）温度(℃)汽化热(kJ/kg)一效加热蒸汽601158.762190.9一效溶液19.964.62355一效二次蒸汽19.8602357二效溶液2550.4二效加热蒸汽19.8592313.4二效二次蒸汽7.439.82401.6进冷凝器蒸汽738.82403.81·3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算第i效的焓衡算式为：01211(.....)()pwiiippwcipwiiiQDrFcWcWWcttWr有上式可求得第i效的蒸发量iW.若在焓衡算式计入溶液的能缩热及蒸发器的热损失时，尚需考虑热利用系数一般溶液的蒸发，可取得0.960-△x（式中△x为溶液的浓度变化，以质量分率表示）。4第i效的蒸发量iW的计算式为10121[(.....)]pwiiiiiippwcipwiirttWDFcWcWWcrr式中iD------第i效的加热蒸汽量，当无额外蒸汽抽出时iD=1iWir------第i效加热蒸气的汽化潜热r------第i效二次蒸气的汽化潜热0pc-----------原料液的比热pwc---------水的比热it，1it--------分别为第i效及第i-1效溶液的沸点i-----------第i效的热利用系数无因次，对于加热蒸气消耗量，可列出各效焓衡算式并与式（3-2）联解而求得。i第一效的焓衡量式为:W1=][/1100/1111rttFcrrDp911.014.021.07.0960.01