蔗糖水溶液三效并流加料蒸发装置的设计

食品工程原理课程设计说明书设计题目：蔗糖水溶液三效并流加料蒸发装置的设计设计者：班级14粮工姓名余海军学号20144064146指导教师：设计成绩：日期黑龙江八一农垦大学食品学院目录1.概述…………………………………………………………………………（1）1.1蒸发及蒸发流程………………………………………………………（1）1.2蒸发操作的分类………………………………………………………（1）1.3蒸发操作的特点………………………………………………………（1）1.4蒸发设备………………………………………………………………（2）1.5蒸发器选型……………………………………………………………（3）2.设计任务……………………………………………………………………（3）2.1设计任务………………………………………………………………（3）2.2操作条件………………………………………………………………（3）3.设计条件及设计方案说明…………………………………………………（4）4.物性数据及相关计算………………………………………………………(5）4.1蒸发工艺设计计算………………………………………………………(5)4.2估计各效蒸发量和完成液浓度…………………………………………（5）4.3估计各效蒸发溶液的沸点和有效总温度差……………………………（6）4.4加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算…………………………（8）4.5蒸发器传热面积的估算…………………………………………………（9）4.6有效温度的再分配………………………………………………………（10）4.7重复上述计算步骤………………………………………………………（10）4.8计算结果列表……………………………………………………………（13）5.主体设备计算和说明…………………………………………………………（14）5.1加热管的选择和管数的初步估计………………………………………（14）5.2循环管的选择……………………………………………………………（14）5.3加热室的直径以及加热管数目的确定…………………………………（15）5.4分离室直径和高度的确定………………………………………………（15）5.5接管尺寸的确定…………………………………………………………（17）6.辅助设备的选择………………………………………………………………（18）6.1气液分离器…………………………………………………………………（18）6.2蒸汽冷凝器………………………………………………………………（19）7.三效蒸发器主要结构尺寸和计算结果………………………………………（21）7.1蒸发器的主要结构尺寸…………………………………………………（21）7.2气液分离器结构尺寸……………………………………………………（21）7.3蒸汽冷凝器主要结构……………………………………………………（21）8.心得体会………………………………………………………………………（22）9.参考文献………………………………………………………………………（22）11概述1.1蒸发及蒸发流程蒸发是采用加热的方法，使含有不挥发性杂质（如盐类）的溶液沸腾，除去其中被汽化单位部分杂质，使溶液得以浓缩的单元操作过程。蒸发操作广泛用于浓缩各种不挥发性物质的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较为常见的单元操作。化工生产中蒸发主要用于以下几种目的：（1）获得浓缩的溶液产品；（2）将溶液蒸发增浓后，冷却结晶，用以获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等产品；（3）脱除杂质，获得纯净的溶剂或半成品，如海水淡化。进行蒸发操作的设备叫做蒸发器。蒸发器内要有足够的加热面积，使溶液受热沸腾。溶液在蒸发器内因各处密度的差异而形成某种循环流动，被浓缩到规定浓度后排出蒸发器外。蒸发器内备有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，应将其在冷凝器中加以冷凝。蒸发过程中经常采用饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把作热源用的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。1.2蒸发操作的分类按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。真空蒸发有许多优点：（1）在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸发器的传热面积；（2）可以利用低压蒸气作为加热剂；（3）有利于对热敏性物料的蒸发；（4）操作温度低，热损失较小。在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用。因此，单效蒸发多为真空蒸发；多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在真空下操作。1.3蒸发操作的特点2从上述对蒸发过程的简单介绍可知，常见的蒸发时间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传热过程，蒸发器也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，蒸发操作又有如下特点:(1)沸点升高蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在港台压力下溶液的蒸气压较同温度下纯溶剂的蒸气压低，使溶液的沸点高于纯溶液的沸点，这种现象称为溶液沸点的升高。在加热蒸气温度一定的情况下，蒸发溶液时的传热温差必定小于加热唇溶剂的纯热温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。(2)物料的工艺特性蒸发的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能析出晶体，或易于结垢；有些则具有较大的黏度或较强的腐蚀性等。如何根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备是蒸发操作彼此必须要考虑的问题。(3)节约能源蒸发时汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸气。如何充分利用热量，提高加热蒸气的利用率是蒸发操作要考虑的另一个问题。1.4蒸发设备蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热室和蒸发室组成。蒸发的辅助设备包括：使液沫进一步分离的除沫器，和使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需真空装置。兹分述如下：由于生产要求的不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。对常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：（1）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度。操作稳定。此类蒸发器主要有：a.中央循环管式蒸发器b.悬筐式蒸发器c.外热式蒸发器d.列文式蒸发器e.强制循环蒸发器其中，前四种为自然循环蒸发器。（2）单程型蒸发器特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。优点：溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的蒸发；温度差损失较小，表面传热系数较大。缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。3此类蒸发器主要有:a.升膜式蒸发器b.降膜式蒸发器c.刮板式蒸发器1.5蒸发器选型本次设计采用的是中央循环管式蒸发器。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。中央循环管式蒸发器结构紧凑，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1～2m；加热管径多为25～75mm之间。但实际上，由于结构上的限制，其循环速度一般在0.4～0.5m/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。2设计任务2.1设计任务(1)蒸发器处理能力为年产10000吨蔗糖水溶液;2.2操作条件（1）原料液浓度10%，完成液浓度70%;原料液温度第一效沸点温度；原料液比热容3.768kJ/kg·℃;（2）加热蒸汽压为.200kPa（绝压），冷凝器压强为15kPa（绝压）。（3）各效蒸发器的总传热系数：K1=1500W/（m2·℃）；K2=1000W/（m2·℃）；K3=500W/（m2·℃）;（4）各效蒸发器中液面的高度1.5m；（5）各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。各效传热面积相等，并忽略浓缩热和热损失。（6）每年按300天计，每天24小时连续运行。（7）厂址:大庆43设计条件及设计方案说明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、传热较好及操作可靠等。它的加热室由垂直的加热管束组成，在管束中央有一根直径很大的管子，称为中央循环管。在蒸发操作中，为保证传热的正常进行，根据经验，每效分配到的温差不能小于5～7℃。通常，对于沸点升高较大的电解质溶液，应采取2～3效。由于本次设计任务是处理KNO3溶液。这种溶液是一种沸点升高较大的电解质，故选用三效蒸发器。另外，由于KNO3溶液是一种粘度不大的料液，故多效蒸发流程采用并流操作。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等。多效蒸发器的计算一般采用迭代计算法。4.物性数据及相关计算4.1蒸发工艺设计计算5并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算示意图Ⅰ00,,Fxt11,DT'1p'3p'2p1T2T3T11,xt22,xt33,xt2T1W2W3TⅡⅠⅢ'11WT，'22WT，'33,WT00,,Fxt年产量：：10000吨，且每年按照300天计算，每天24小时。24300)1010000(3F1389kg/h总蒸发量：hkgFWXX/5.1190)7.01.01(1389)1(30因并流加料，蒸发中无额外蒸气引出，可设123::1:1.1:1.212313.370.022.08.39675.360138910.01389135.05.360138910.01389/9.42375.3602.1/8.39675.3601.1/75.3603.35.119032102101321xWWFFxxWFFxxhkgWhkgWhkgW64.3估计各效蒸发溶液的沸点和有效总温度差设各效间压力降相等，则总压力差为kPaPPPk18515200'1各效间的平均压力差为kPaPPi7.6131853由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即kPaPPkPaPPPkPaPpPkii156.767.61220023.1387.61200''31'21'1由各效的二次蒸气压力，从手册中可查得相应的二次蒸气的温度和气化潜热列于下表中。表4-1二次蒸气的温度和气化潜热效数ⅠⅡⅢ二次蒸气压力，kPaPi138.376.615二次蒸气温度0iT,C(即下一效加热蒸汽的温度）1099353.5二次蒸气的气化潜热'r,kJ/kgi（即下一效加热蒸汽的气化潜热）223422752370(1)各效由于溶液沸点而引起的温度差损失蒸发操作常常在加压或减压下进行，从手册中很难直接查到非常压下的溶液沸点。所以用以下方法估算。af20.0162(273)iTfra—常压下(101.3kPa)由于溶质引起的沸点升高，即溶液的沸点-水的沸点常压下水的沸点为100℃。查表得常压下不同质量分数的蔗糖沸点如下表7质量分数kg/l13.5%22%70%沸点℃/Aitt100.1100.3105.1经查表知200k