蒸发器设计PPT

蒸发器课程设计西北农林科技大学胡仲秋2016.08.27蒸发器举例图1双效蒸发器流程《食品工程原理》知识的实际运用单效蒸发的计算在给定的生产任务和确定了操作条件以后，通常需要计算以下的这些内容：①水分的蒸发量；②加热蒸汽消耗量；③蒸发器的传热面积。要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程，热量衡算方程和传热速率方程来解决。（1）物料衡算主要方法及公式PFPxFxWPF)1(PFxxFW（2）热量衡算SvprQWrttFcS损)(0如果是沸点进料，并忽略热损失和溶液浓度较低时，等压比热容Cp近似不变，则SrWrS（3）蒸发器传热面积的计算mtKA由传热速率方程得1mtTtssSrioiioimooooddddRddRK111''''''图2三效并流流程图流程图3三效逆流流程图流程单效工艺计算是多效蒸发的基础蒸发设备结构及形式蒸发器蒸发器主要由加热室和分离室组成。按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。（1）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。根据引起循环运动的原因不同可分为自然循环型和强制循环型两类。自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起。强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动。①垂直短管式（1）循环型蒸发器②热式加热室与蒸发室分开③循环蒸发器（2）单程型蒸发器①升膜式蒸发器适用于：蒸发量大（较稀的溶液），热敏性及易起泡的溶液。不适用于：高粘度，易结晶、结垢的溶液。②降膜式蒸发器适用于：粘度大的物料；不适用于：易结晶的物料，固形成均匀的液膜较难，不高。③刮片式蒸发器特点：借外力强制料液呈膜状流动，可适应高粘度，易结晶、结垢的浓溶液蒸发缺点：结构复杂，制造要求高，加热面不大，且需要消耗一定的动力蒸发器的辅助设备蒸发辅助设备有：除沫器、冷凝器、输水器、真空泵等。蒸发器设计应用案例设计题目设计蒸发量为4吨/小时的双效真空浓缩装置，用于浓缩番茄酱的生产。已知进料浓度为4.25%，成品浓度为28%，第一效真空度为600mmHg,第二效真空度为700mmHg。加热蒸汽的压力为0.15Mpa。设计要求内容1、浓缩方案的确定：蒸发器的型式、蒸发操作流程、蒸发器的效数等；2、蒸发工艺的计算：进料量、蒸发水量、蒸发消耗量、温差损失、传热量、传热面积等；3、蒸发器结构的计算：加热室尺寸、加热管尺寸及排列、蒸发室尺寸、接管尺寸等；4、附属设备的计算：冷凝器、真空系统的选用；5、流程图及装配图绘制。蒸发器设计应用案例1、设计方案的确定设计步骤2、工艺方案的说明3、工艺计算4、设计结果汇总5、设备流程及装备图（1）物料衡算（2）热量衡算（3）计算蒸发器传热面积-确定设备尺寸蒸发器设计应用案例1、设计方案的确定（1）蒸发器的确定：选用外加热式蒸发器，它的特点是加热室与分离室分开，便于清洗和更换。这种结构有利于降低蒸发器的总高度，所以可以采用较长的加热管。并且，因循环管不受热而增大了溶液的循环速度，可达1.5m/s。（2）蒸发器的效数：双效真空蒸发。真空操作的压力小，故在蒸发器内物料的沸点就低，对于番茄这种热敏性较高的物料，采用真空蒸发降低沸点是有必要的。采用多效蒸发是减少加热蒸汽耗用量，提高热能经济性的有效措施。然而也不能无限地增加效数。理由如下：①效数越多，节省地加热蒸汽量就越少。由单效改为双效时，加热蒸汽用量可减少50%，但由四效改为五效只能节省10%，热能经济性提高不大。②效数越多，温度差损失越大，分配到各效的有效温度差就越小。为了维持料液在溶液沸腾阶段，每效的有效温度差不能小于5--7摄氏度。这样也限制了效数的增加。③热敏性溶液的蒸发，一般不超过三效。（3）加热方式：直接饱和蒸汽加热，压力0.15Mpa。（4）操作压力：Ⅰ效为600mmHg真空度，Ⅱ效为700mmHg真空度。（5）加料方式：并流式。其优点在于：①后一效蒸发室的压强比前一效的低，故溶液在效简述送不用泵而利用各效间的压力差;②后一效溶液的沸点较前一效的低，溶液进入后效时发生闪蒸现象，产生较多二次蒸汽；③高浓度溶液的温度依效序降低对浓缩热敏性食品有利。（6）辅助设备：冷凝器用水喷式冷凝器；惯性捕集器1、设计方案的确定蒸发器设计应用案例蒸发器设计应用案例2、工艺方案的说明（1）本流程采用直接蒸汽加热，双效外加热式蒸发器，并流法蒸发。使用25℃水作为冷却剂，冷凝水出口温度为40℃。（2）设备流程：①物料：预热杀菌后的番茄酱由循环泵由下部进入，流出后由上部进入蒸发分离室，先经加热器的管内上升，通过弯头进入另一台加热器，经加的热料液由管内下降，以切线方向进入Ⅰ效蒸发分离器进行汽液分离。然后由物料泵送至Ⅱ效再蒸发。料液料液聚集到倾斜的底部，由排出口与循环管连接，经液位平衡器至Ⅰ效蒸发室，当Ⅰ效蒸发室达到平衡液位时，料液直接进入Ⅱ效加热器。蒸发产生的二次蒸汽与物料一起进入分离器。由二效分离器出来的物料浓度达到所要求28％。②加热蒸汽：Ⅰ效蒸发与其预热管内物料的热能由蒸汽供给，Ⅱ效蒸发和预热管内物料的热能全部为一效二次蒸汽供给。Ⅱ效二次蒸汽全部进入水喷式冷凝器冷却。3）本流程采用直接蒸汽加热，双效外加热式蒸发器，顺流法蒸发。优点是料液沸点依效序递降，因而当前效料液进入后效时，便在降温的同时放出其显热，供一小部分水分汽化，增加蒸发器的蒸发量。使用25℃水作为冷却剂，冷凝水出口温度为40℃。真空蒸发的条件：不断供给热量；要维持番茄酱的沸腾，需要不断供给热量。必须顺速排除二次蒸汽；如不及时排除二次蒸汽，又会凝结成水回到番茄酱中去。本操作中将二次蒸汽引入另一效蒸发器作为热源使用，热能利用率高。3、工艺计算蒸发器设计应用案例（一）物料衡算（1）原料处理量:每小时处理量：式中F0—原料处理量，kg/h；x0——进Ⅰ效蒸发器料液的浓度，质量百分比；x2——出Ⅱ效蒸发器料夜的浓度，质量百分比；W——水分蒸发量kg/h；日处理量：每天10小时：4715×10=47.15吨/日（2）初步估算一、二效的蒸发水量取W1:W2=1:1.1故W1==1904.8(kg/h)W2=4000-1904.8=2095.2(kg/h)；Ⅰ效出来的物料浓度==6.31%其中，W1——第Ⅰ效的蒸发量，kg/h；W2——第Ⅱ效的蒸发量，kg/h；（3）成品产量：F2=F0-W=4716-4000=716kg/hnxxFW01hKgxxxWF/471625.42828400002201.11400010001WFxFx8.19044716%25.44716蒸发器设计应用案例3、工艺计算（二）热量衡算（1）有关参数①总蒸发量：4000kg/h②进料：X0=4.25%t0=61.1℃(查《食品工程原理》843页此温度下水的比热Cpw=4179J/Kg.k)出料：X2=28%；t2=41.4℃料液比热计算:③真空度分配：第Ⅰ效：600mmHgP1=0.21×105Pa（查得此压力下饱和蒸汽温度t1=61.1℃）第Ⅱ效：700mmHgP2=0.08×105Pa（查得此压力下饱和蒸汽温度t2=41.4℃）来自《食品工程原理》饱和水蒸汽表)/(4001)10025.41(4179)1001(0kKgJxCCOW3、工艺计算蒸发器设计应用案例压力(Pa)T(℃)比焓(KJ/kg)汽化潜热(KJ/kg)Ⅰ效加热蒸汽0P=1.5×1050t=111.30i=2695.10r=2229.3Ⅰ效二次蒸汽1P=0.21×1051t=61.11i=2606.61r=2352.5Ⅱ效加热蒸汽2P=0.08×1052t=41.42i=2570.22r=2396.4二次蒸汽的热参数值如下表蒸发器设计应用案例3、工艺计算(2）温度损失的计算式中：——温度差损失，℃——操作压强下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，℃——液层静压引起的温度差损失，℃——管路流动阻力引起的温度差，℃——常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，℃f——校正系数，无因次，其经验计算式为：式中：——操作压强下二次蒸汽的温度，℃r——操作压强下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg0ttfma'2')273(0162.0rTfaT蒸发器设计应用案例3、工艺计算20ghppm式中：Pm——溶液内部平均压强，PaP0——液面上方的压强，Pah——溶液液层高度，m（该题设其液层高度为6m）ρ——溶液密度，kg/m3该题密度为常温下番茄酱沸点升高由压强51.223kPa查表得：Tm=82℃取33/10028.1mkgCa15.01)℃(115.015.05.23522731.610162.02amkPp223.51210028.1681.9210003)℃(3.217.60820TTm)℃(1)℃(4.2213.21115.0蒸发器设计应用案例3、工艺计算（3）W1、W2、D1的计算物料衡算公式：①②式中W1、W2——Ⅰ、Ⅱ效蒸发水量[kg/h]D1、D2——Ⅰ、Ⅱ效蒸汽量[kg/h]β1、β2——Ⅰ、Ⅱ效自蒸发系数F0——原料处理量[kg/h]C0——原料比热[kJ/(kg•k)]η1、η2——热利用系数（来自《食品工厂机械与设备》192页）1120011WCFDW20022CFDW根据逆流时的自然蒸发系数，按下式计算:将①式代入②式中，又因∵D2=W1，③将③式代入②式中得∴A=1.0085+1.0085=2.017nnnTciT1nnT=β00838.0186.41.616.26061.614.41β100822.0186.44.412.25704.411.61β212111wooooCFWCFD00838.000822.0001.441760186.4471611WD1100838.078.141WD98.1420085.1w11D蒸发器设计应用案例3、工艺计算00822.00186.4471698.1420085.1w12D8.120085.11D18.1308.1298.142BhKgABWD/68.2047017.218.13040001∴第Ⅰ效实际蒸发量第Ⅱ效实际蒸发量与初估各效蒸发水量比较误差≤3﹪，可不必对各效蒸发水量及浓度加以修正。（4）第Ⅰ效放出浆量F1及浓度X1hkgD/11.192298.14268.20470085.198.1420085.1w11hkgD/29.20528.1268.20470085.18.120085.1w12蒸发器设计应用案例3、工艺计算%17.789.279343.20011.19224716%25.44716/89.279311.19224716F1211WFxFxhkgWFoooo蒸发器设计应用案例3、工艺计算（5）Ⅰ、Ⅱ效加热面积的确定Ⅰ效传热量：Ⅱ效传热量：各效有效温度差：其中——两效间温度损失hkJrD/46003176.224668.2047Q011hkJrD/44815916.233111.1922Q122℃2.501.613.111T101TT℃7.184.4111.61T21212TT12℃112各类蒸发器传热系数（《食品工程原理》）蒸发器型式传热系数K（w/m2·k）蒸发器型式传热系数K（w/m2·k）水平沉浸加热式600~2,300升膜式1,200~6,000标准式（自然循环）600~3,000降膜式1,200~3,500标准式（强制循环）1,200~6,000悬筐式600~3,000外加