食品工程原理課程設(shè)計(jì)—雙效并流降膜式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì)授課時(shí)間：20122013年度 第2學(xué)期題 目：雙效并流降膜式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)課程名稱：化工原理課程設(shè)計(jì)專業(yè)年級： 食品科學(xué)與工程2010級 學(xué) 號：1005100220姓名：王鵬指導(dǎo)教師：謝毅 黃麗 2013年7月11 日目錄第1章設(shè)計(jì)方案簡介- 2 -第2章工藝流程圖及說明- 3 -第3章工藝計(jì)算及主體設(shè)備選型；- 3 -3.1 估計(jì)各效蒸發(fā)量和完成液濃度- 3 -3.4 蒸發(fā)器的傳熱面積估算- 7 -4·2接管尺寸的確定- 9 -4·2·1溶液進(jìn)出口- 9 -4·2·2加熱蒸氣進(jìn)口與二次蒸汽出口- 10 -4·2

2、3;3冷凝水出口- 10 -第5章蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備- 10 -5·1氣液分離器- 10 -5·2蒸汽冷凝器- 11 -5·2·1由計(jì)算可知,進(jìn)入冷凝器的二次蒸汽的體積流量可計(jì)算得到冷凝器的直徑D- 11 -第6章參考文獻(xiàn)- 16 -第7章設(shè)計(jì)評述- 16 -課程名稱：化工原理課程設(shè)計(jì)填寫時(shí)間：_2011_年_12_月_2_日課程設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)題目：雙效并流蒸發(fā)器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)條件：采用雙效并流加料將11 %的果汁濃縮到46 %。蒸發(fā)能力： 18000kg/h；第I效的加熱蒸汽壓力：67.48kPa(絕壓)；冷凝器的絕壓為：8.173 kPa；第I效蒸發(fā)器的總傳

3、熱系數(shù)：1100 W/(m2·K)；第II效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)：850 W/(m2·K)設(shè)計(jì)內(nèi)容：計(jì)算蒸發(fā)器的傳熱面積設(shè)計(jì)的基本要求、任務(wù)、研究的問題通過課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生能綜合運(yùn)用本課程和前修課程的基本知識，進(jìn)行融會(huì)貫通、獨(dú)立思考，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成指定的化工單元操作的設(shè)計(jì)任務(wù)，從而得到化工工程設(shè)計(jì)的初步訓(xùn)練。完成設(shè)計(jì)方案的簡介、蒸發(fā)工藝設(shè)計(jì)計(jì)算、繪制工藝流程圖設(shè) 計(jì)進(jìn) 度安 排1月3日，布置任務(wù)，查閱、收集相關(guān)設(shè)計(jì)資料、參考文獻(xiàn)等；4月7日，完成設(shè)計(jì)計(jì)算；8月11日，完成設(shè)計(jì)說明書。第1章 設(shè)計(jì)方案簡介化工原理課程設(shè)計(jì)要求我們綜合運(yùn)用化工原理、化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)、化工儀表

4、自動(dòng)化等課程及有關(guān)先修課程所學(xué)知識，完成以化工單元操作為主的一次工程設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括化工工藝設(shè)計(jì)和化工設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從而對我們進(jìn)行一次設(shè)計(jì)技能的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的書本知識解決實(shí)際問題的能力。通過課程設(shè)計(jì)，要求能夠綜合運(yùn)用本課程和前修課程的基本知識進(jìn)行融會(huì)貫通，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成指定的化工設(shè)計(jì)任務(wù)，從而得到化工工程設(shè)計(jì)的初步訓(xùn)練。蒸發(fā)操作條件的確定主要指蒸發(fā)器加熱蒸汽的壓強(qiáng)（或溫度），冷凝器的操作壓強(qiáng)（或溫度）的確定，正確選擇蒸發(fā)的操作條件，對保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗極為重要。本課程設(shè)計(jì)是雙效并流設(shè)計(jì)。第2章 工藝流程圖及說明第3章 工藝計(jì)算及主體設(shè)備選型；3.1估計(jì)各效蒸發(fā)量和

5、完成液濃度每小時(shí)水分蒸發(fā)量： （常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)153頁）kg/h式中原料處理量，kg/h；x0進(jìn)效蒸發(fā)器料液的濃度，質(zhì)量百分比；x2出效蒸發(fā)器料夜的濃度，質(zhì)量百分比；W水分蒸發(fā)量kg/h；由常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)P153取W1:W2=1:1.1故 W1=6521.739 (kg/h)W2=18000-6521.739=7173.913(kg/h)其中，W1第效的蒸發(fā)量，kg/hW2第效的蒸發(fā)量，kg/h效二次蒸汽濃度=17.25%有關(guān)參數(shù)（1） 原料液總量：18000 kg/h（2） 進(jìn)料：=11%=89出料： =46% =41.4來自食品工程原理741頁飽和水蒸汽表二次蒸汽的熱參數(shù)值如下

6、表壓力(kPa)T()汽化潛熱(kg)效加熱蒸汽P=67.48=89 =2282.845效二次蒸汽P=29.81169=2333.054效加熱蒸汽P=28.536 =68=2335.565效二次蒸汽P=8.173=42冷凝處蒸汽P=7.752=41.3.2估計(jì)各效溶液的沸點(diǎn)和有效總溫度差式中：溫度差損失，操作壓強(qiáng)下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點(diǎn)升高，液層靜壓引起的溫度差損失，管路流動(dòng)阻力引起的溫度差，常壓下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點(diǎn)升高，校正系數(shù)，無因次，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式為：式中：操作壓強(qiáng)下二次蒸汽的溫度，操作壓強(qiáng)下二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg式中：溶液內(nèi)部平均壓強(qiáng)，Pa液面上方的壓強(qiáng)，Pa

7、溶液液層高度，m （該題設(shè)其液層高度為6m）溶液密度，kg/m3常壓下，11的蔗糖溶液水果原汁沸點(diǎn)變化情況與一般果汁相同故使用內(nèi)插法常溫下果汁沸點(diǎn)升高 ()()由于靜壓強(qiáng)，降膜式蒸發(fā)器：1=2=0() 1()兩效果汁的沸點(diǎn)分別為：tt=壓力(kPa)T()汽化潛熱(kJ/kg)效加熱蒸汽P=67.48=89 2282.845效料液P=32.307t=70.118=2329.879效二次蒸汽P=29.81169=2333.054效加熱蒸汽P=28.536 =682335.565效料液P=9.070t=43.992=2392.887效二次蒸汽P=8.173=42冷凝處蒸汽P=7.752=41.3.

8、3 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計(jì)算第i效的焓衡算式為：x（式中x為溶液的濃度變化，以質(zhì)量分率表示）。第i效的蒸發(fā)量的 計(jì)算式為式中 -第i效的加熱蒸汽量，kg/h，當(dāng)無額外蒸汽抽出時(shí)=；-第i效加熱蒸氣的汽化潛熱，kJ/kg ； - 第i效二次蒸氣的汽化潛熱，kJ/kg；-原料液的比熱 ， ； -水的比熱，；，-分別為第i效及第i-1效溶液的沸點(diǎn)，；-第i效的熱利用系數(shù)無因次，對于加熱蒸汽消耗量，可列出各效焓衡算式并與式聯(lián)解而求得。=0.98 第一效的焓衡量式為:=0.98進(jìn)料，=3.91kJ/(kg.)，=4.187kJ/(kg.)，查課本附錄九得=2125.4 kJ/kg,對于沸點(diǎn)

9、進(jìn)料，= =0.982329.879/2333.054 =0.98(a)同理第二效的熱衡算式為:=0.98所以=0.982392.887/2397.908+(180003.91-4.187)(70.118-43.992)/2397.908=0.933+751.477 (b)又+=13695.652 (d) 聯(lián)立(a),(b),(c)式,解得:=6696.42kg/h；=6999.23 kg/h= 6833.08kg/h3.4 蒸發(fā)器的傳熱面積估算任意一效的傳熱速率方程為:=式中-第i效的傳熱速率，W-第i效的傳熱系數(shù)，W/（m2.）-第i效的傳熱溫度差，-第i效的傳熱面積，m2在雙效蒸發(fā)中，為

10、了便于制造和安裝，通常采用各效傳熱面積相等的蒸發(fā)器，即 Q1=D1r16WQ2=W1r26W誤差為誤差很小，在誤差允許范圍之內(nèi),故計(jì)算得各效蒸發(fā)面積合理。其各效溶液濃度無明顯變化不必再算?？紤]到各種損失，安全系數(shù)取1.1故S1=1.1S1=1.1 212.80=234.08m2S2=1.1S2=1.1 218.06=239.87m2效數(shù)12冷凝器加熱蒸汽溫度()896742操作壓強(qiáng)Pi/ (KPa)67.4827.3078.173溶液沸點(diǎn)ti70.11843.992完成液濃度(%)17.2546蒸發(fā)水量Wi Kg/h6696.426999.23生蒸汽量D Kg/h6833.08傳熱面積Si m

11、2234.08239.87.第4章.工藝尺寸計(jì)算4.1加熱管及加熱室的選擇加熱管的選擇和管數(shù)確定根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)162頁，蒸發(fā)器通常采用38×2.5mm不銹無縫鋼管，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)管長L=9 m 當(dāng)加熱管的規(guī)格和長度確定后，可由下式初步估算所需管子數(shù)根根式中 S傳熱面積，；加熱管直徑，m； L管子長度，m 。因加熱管固定在管板上，考慮管板厚度所占據(jù)的傳熱面積則計(jì)算ni的管長應(yīng)用（L-0.1）m加熱室殼體直徑的計(jì)算：管心距一般為外徑的1.25-1.5倍，則選用正方形排列，管心距取1.25 38=48mm加熱室內(nèi)和加熱管數(shù)采用作圖法，具體做法是先計(jì)算管束中心線上的管數(shù)nc,管子按正

12、方形排列時(shí)：nc1=1.19 根 nc2 1.19根 取 式中 D殼體直徑，m；t管間距，m；nc沿直徑方向排列的管子數(shù)最外層管中心到殼體內(nèi)壁的距離，內(nèi)徑根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)163頁為了工程上安裝方便，取實(shí)際內(nèi)徑為1000mm4·2接管尺寸的確定流體進(jìn)出口的內(nèi)徑按下式計(jì)算式中 -流體的體積流量m3/h ；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(biāo)準(zhǔn)管。4·2·1溶液進(jìn)出口于并流加料的三效蒸發(fā)，第一效溶液流量最大，若各效設(shè)備尺寸一致的話，根據(jù)第一效溶液流量確定接管。取流體的流速為0.8m/s；所以取90X2.5mm規(guī)格管。4

13、3;2·2加熱蒸氣進(jìn)口與二次蒸汽出口各效結(jié)構(gòu)尺寸一致二次蒸汽體積流量應(yīng)取各效中較大者。取流體的流速為40m/s，所以取610X6.0mm規(guī)格管。4·2·3冷凝水出口冷凝水的排出一般屬于液體自然流動(dòng)，接管直徑應(yīng)由各效加熱蒸氣消耗量較大者確定。取流體的流速為0.1m/s所以取168X4.0mm規(guī)格管。第5章蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備5·1氣液分離器蒸發(fā)操作時(shí)，二次蒸汽中夾帶大量的液體，雖在分離室得到初步的分離，但是為了防止損失有用的產(chǎn)品或防止污染冷凝液，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，故氣液分離器或除沫器。其類型很多，我們選擇慣性式除沫器，

14、起工作原理是利用帶有液滴的二次蒸汽在突然改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，液滴因慣性作用而與蒸汽分離。取流體的流速為25m/s在慣性式分離器的主要尺寸可按下列關(guān)系確定：D0=D1；D1：D2：D3=1：1.5：2 H= D3 h=0.40.5 D1D0-二次蒸汽的管徑，m D1-除沫器內(nèi)管的直徑，mD2-除沫器外管的直徑，m D3-除沫器外殼的直徑，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則取相近標(biāo)準(zhǔn)管子，則 D0=245D1=245mm D2=367.5mm D3=490mm H=490mm h=98mm選取二次蒸汽流出管： 除霧器內(nèi)管：除霧器外罩管：5·2蒸汽冷凝器蒸汽冷凝器

15、的作用是用冷卻水將二次蒸汽冷凝。當(dāng)二次蒸汽為有價(jià)值的產(chǎn)品需要回收或會(huì)嚴(yán)重地污染冷卻水時(shí)，應(yīng)采用間壁式冷卻器。當(dāng)二次蒸汽為水蒸氣不需要回收時(shí)，可采用直接接觸式冷凝器。二次蒸汽與冷凝水直接接觸進(jìn)行熱交換，其冷凝效果好，被廣乏采用?，F(xiàn)采用多孔板式蒸汽冷凝器：5·2·1由計(jì)算可知,進(jìn)入冷凝器的二次蒸汽的體積流量可計(jì)算得到冷凝器的直徑D 取D=377mm機(jī)組號項(xiàng)目效蒸發(fā)器效蒸發(fā)器進(jìn)料濃度4.5%6.31%進(jìn)料溫度61.1-進(jìn)料量kg/h47162047.68二次蒸汽壓力MPa0.0210.008蒸汽溫度61.141.4出料濃度6.31%28%出料量kg/h2047.68716計(jì)算結(jié)果

16、匯總表料液處理量，kg/h4716蒸發(fā)水量,kg/h4000產(chǎn)品產(chǎn)量, kg/h716蒸汽用量, kg/h2047.68冷凝水用量，kg/h78700效蒸發(fā)器直徑,m1.6效蒸發(fā)器直徑,m1.8效蒸發(fā)器傳熱面積, m213.68效蒸發(fā)器傳熱面積, m270.56效蒸發(fā)器高度,m3.2效蒸發(fā)器高度，m3.6加熱管尺寸,mm上循環(huán)管直徑，m0.32下循環(huán)管直徑，m0.52加熱蒸汽進(jìn)口管徑，mm219效二次蒸汽出口進(jìn)入效的管徑，mm245效二次蒸汽的出口管徑，mm325分布器旋液式捕集器慣性捕集器冷凝器水噴式冷凝器設(shè)備流程及裝備圖（一）設(shè)備流程圖（二）一效蒸發(fā)器簡圖（三）慣性捕集器第6章 參考文獻(xiàn)1

17、 賈紹義，柴誠敬主編. 化工原理課程設(shè)計(jì)M. 天津：天津大學(xué)出版社，2002.2 蘄明聰，程尚模，趙永湘. 換熱器M. 重慶：重慶大學(xué)出版社，1990.3 魏兆燦. 塔設(shè)備設(shè)計(jì)M. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988.4 聶清德編. 化工設(shè)備設(shè)計(jì)M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991.5 袁林根. 機(jī)械工程手冊（第二版）M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.6 時(shí)鈞主編. 化學(xué)工程手冊M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996.7 匡國柱. 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.8 陳英南，劉玉蘭主編. 常用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì)M. 廣東：華東理工大學(xué)，2005.9 任曉光.化

18、工原理課程設(shè)計(jì)知道.化學(xué)工業(yè)出版社第7章 設(shè)計(jì)評述化工原理是在研究化學(xué)工業(yè)共性的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。本課程屬于技術(shù)基礎(chǔ)課程，主要研究化工生產(chǎn)中的物理加工過程，按其操作原理的共性歸納成若干個(gè)“單元操作”，研究對象由過程和設(shè)備兩部分組成，通過學(xué)習(xí)本課程不僅使學(xué)生掌握如流體輸送、液體攪拌、過濾、沉降、傳熱、蒸發(fā)、精餾、吸收、干燥等典型化工單元操作的知識，而且讓我們掌握一般工程處理方法。本次做的是蒸發(fā)操作。蒸發(fā)操作大量用于化工、制藥、食品、生物等生產(chǎn)。由此可見蒸發(fā)在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中的作用極其重要。鑒于蒸發(fā)的重要性，我們專門做了有關(guān)蒸發(fā)課程設(shè)計(jì)的的說明書。在老師的辛勤指導(dǎo)下，我們順利地完成了蒸發(fā)課程設(shè)計(jì)。雙效蒸發(fā)器是一種基于低溫操作和能耗節(jié)省的濃縮設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于中藥行業(yè)中，尤其適用于熱敏性物料的低溫真空濃縮，是目前中藥提取液濃縮過程的常用設(shè)備。在做課程設(shè)計(jì)的過程中，我們明白了理論與實(shí)際結(jié)合的重要性，課程設(shè)計(jì)讓我們有機(jī)會(huì)把所學(xué)的知識運(yùn)用在實(shí)踐中去，真正有用的解決實(shí)際問題。從這次課程設(shè)計(jì)的過程中，我學(xué)到了如何選