課程設(shè)計(jì)并流三效蒸發(fā)器

1、1 概述與設(shè)計(jì)方案的選擇1.1 概述 蒸發(fā)設(shè)備的分類(lèi) 常用蒸發(fā)器主要由加熱室和別離室兩局部構(gòu)成。蒸發(fā)器的多種結(jié)構(gòu)型式即在于加熱室和別離室結(jié)構(gòu)的多樣性及其組合方式的變化。按照蒸發(fā)器在溶液中的流動(dòng)情況，可將蒸發(fā)器分為循環(huán)型和單程型兩大類(lèi)。1循環(huán)型蒸發(fā)器：其特點(diǎn)是溶液在蒸發(fā)器中作循環(huán)流動(dòng)。根據(jù)引起溶液循環(huán)流動(dòng)原理的不同，又可分為自然循環(huán)式和強(qiáng)制循環(huán)式兩種類(lèi)別。顯然，強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器式依靠外加動(dòng)力造成溶液在蒸發(fā)器中的循環(huán)流動(dòng)，而自然循環(huán)式是依靠溶液在蒸發(fā)器中不同部位的密度差引起的自然循環(huán)流動(dòng)。表1-1 常用循環(huán)型蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要性能匯總型式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)中央循環(huán)管式自然循環(huán)式和強(qiáng)制循環(huán)式加熱時(shí)中

2、央循環(huán)管和加熱管內(nèi)溶液受熱程度不同，同時(shí)因加熱管內(nèi)蒸汽上升的抽吸作用使溶液產(chǎn)生由加熱管上升，中央循環(huán)管下降的不斷流動(dòng)，從而提高了傳熱系數(shù)，強(qiáng)化了蒸發(fā)過(guò)程。在管內(nèi)安裝一旋槳式攪拌器，即構(gòu)成強(qiáng)制循環(huán)式蒸發(fā)器。1. 構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作可靠2. 傳熱效果較好3. 投資費(fèi)用較少1. 清洗和檢修較麻煩2. 溶液循環(huán)速度較低攪拌式可提速23倍3. 因溶液的循環(huán)使蒸發(fā)器中溶液的組成總是接近于完成液組成，溶液沸點(diǎn)升高明顯，傳熱溫差減小，粘度較大，影響傳熱效果懸框式加熱室像個(gè)懸框掛在蒸發(fā)器殼體內(nèi)的下部，溶液沿加熱室與殼體形成的環(huán)隙下降，沿加熱管上升，不斷循環(huán)流動(dòng)1. 循環(huán)速度較前者大2. 蒸發(fā)器外殼接觸的是溫度較低的

3、沸騰溶液，熱損失少3. 便與檢修和更換4. 適用于蒸發(fā)易結(jié)垢或有晶體析出的液體1. 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜2. 單位傳熱面積用金屬量最多列文式在加熱管上部附加一段直管，由于其靜壓抑制了加熱管中溶液的沸騰，減少了結(jié)垢的可能性，在直管上部裝有立式隔板，使沸騰產(chǎn)生的氣泡受到限制，與液體形成均勻混合物上升，這樣循環(huán)管中的汽液混合物之間產(chǎn)生較大的密度差和推動(dòng)力，故循環(huán)速度增大1. 可防止在加熱管中析出晶體，減輕加熱管外表上污垢的形成2. 傳熱效果較好3. 適用于處理有結(jié)晶析出的溶液1. 設(shè)備高達(dá)，消耗金屬材料多，需要高大廠(chǎng)房2. 液柱靜壓引起的溫度差損失較大，要求加熱蒸汽壓力較大3. 必須保持在較大溫差下操作強(qiáng)制循

4、環(huán)式溶液的的循環(huán)借助外力作用，如用泵迫使溶液想一定方向流動(dòng)1. 傳熱系數(shù)較自然循環(huán)式蒸發(fā)器大2. 適用于高粘度、易結(jié)垢、易結(jié)晶的溶液3. 加熱蒸汽與溶液之間的溫度差較小時(shí)(35)，仍可進(jìn)行操作動(dòng)力消耗大，單位傳熱面積消耗功率達(dá)浸沒(méi)燃燒式高溫?zé)煹罋庵苯油ㄈ氪舭l(fā)溶液中，使溶液沸騰汽化1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單2. 傳熱速率快，效率高，適用于易結(jié)垢、易結(jié)晶或有腐蝕性的溶液1. 二次蒸汽難以再利用2. 不適用于熱敏性或不能被煙道氣污染的物料2單程型蒸發(fā)器單程型蒸發(fā)器的特點(diǎn)是溶液沿加熱管壁呈膜狀流動(dòng)而進(jìn)行傳熱和蒸發(fā)，一次通過(guò)加熱室即可到達(dá)所要求的組成。其突出特點(diǎn)是傳熱效率高，蒸發(fā)速率快，溶液在蒸發(fā)器內(nèi)停留時(shí)間短，

5、特別適用于熱敏性物料的蒸發(fā)，因而在食品、生物制品。制藥等工業(yè)部門(mén)得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)物料在蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)方向及成膜原因的不同，單程型蒸發(fā)器有升膜式、降膜式、升-降模式、刮板薄膜等多種類(lèi)型。表1-2 單程型蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能比擬型式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)升膜式加熱室有多根垂直長(zhǎng)管組成，原料液經(jīng)預(yù)熱由底部進(jìn)入，受熱沸騰后迅速汽化在管內(nèi)高速上升，帶動(dòng)液體沿管內(nèi)壁膜狀上升并不斷蒸發(fā)適用于蒸發(fā)量較大、熱敏性及易產(chǎn)生泡沫的溶液蒸發(fā)不適用于粘度較大、易結(jié)垢或易結(jié)晶的溶液降膜式原料液由加熱室頂部參加，在重力作用下沿管內(nèi)壁膜狀下降，在下降過(guò)程中被蒸發(fā)增濃可蒸發(fā)組成較高、粘度較大的溶液不適于易結(jié)晶或易結(jié)垢的溶液升-降

6、膜式原料液經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入蒸發(fā)器底部，先由升膜式加熱室上升，再由降膜式加熱室下降適用于蒸發(fā)過(guò)程中溶液組成變化較大或廠(chǎng)房高度有一定限制的場(chǎng)合1. 對(duì)進(jìn)料負(fù)荷波動(dòng)相當(dāng)敏感，設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)不易成膜2. 不適用于易結(jié)晶或易結(jié)垢溶液刮板薄膜原料液由蒸發(fā)器上部沿切線(xiàn)方向進(jìn)入，被旋轉(zhuǎn)葉片帶動(dòng)，在內(nèi)壁上形成旋轉(zhuǎn)下降的液膜，并不斷蒸發(fā)濃縮適用于處理易結(jié)垢、易結(jié)晶或熱敏性溶液結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)力消耗較大 選型時(shí)應(yīng)考慮的主要因素（1) 料液的性質(zhì)如熱敏性、腐蝕性、結(jié)晶、結(jié)垢、粘性、起泡性等，尤其對(duì)粘度在蒸發(fā)過(guò)程中的增加程度及結(jié)垢情況應(yīng)給予特別注意；（2） 工程技術(shù)要求，如處理量、蒸發(fā)量，安裝現(xiàn)場(chǎng)的面積和高度、連續(xù)或間歇生產(chǎn)等；（

7、3） 利用的熱源和冷卻的情況；4結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作可靠，造價(jià)和操作費(fèi)用低廉，經(jīng)濟(jì)合理，維修方便。1.2 設(shè)計(jì)方案的選擇本設(shè)計(jì)選擇中央循環(huán)管式蒸發(fā)器。2 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算公式出自?食品工程原理?2.1 估計(jì)各效蒸發(fā)量和完成液濃度原料液加料量 kg/h總蒸發(fā)量：因并流加料，蒸發(fā)中無(wú)額外蒸汽引出，假設(shè)各效蒸發(fā)量相等，即： 各效完成液濃度：其中：溶液沸點(diǎn)和有效溫度差確實(shí)定：選定加熱蒸汽溫度為121,那么相應(yīng)的蒸汽壓強(qiáng)為205.35kpa;冷凝器的操作壓強(qiáng) ；其它各效二次蒸汽的壓強(qiáng)按各效間蒸汽壓強(qiáng)相等的假設(shè)來(lái)確定，即：由各效的二次蒸汽的壓強(qiáng)，查的響應(yīng)的二次蒸汽的溫度及汽化熱列于表中：表 二次蒸汽的溫度及汽化

8、熱 效數(shù) 參數(shù)123二次蒸汽壓強(qiáng)二次蒸汽溫度汽化熱2354.902.2 估計(jì)各效溶液的沸點(diǎn)和有效總溫度差概述：被蒸發(fā)的物料是溶有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液。在相同壓力下，溶液的沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)。當(dāng)加熱蒸汽的溫度一定時(shí)，蒸發(fā)溶液時(shí)傳熱溫差小于蒸發(fā)純?nèi)軇r(shí)的傳熱溫差。從傳熱角度來(lái)看，傳熱推動(dòng)力降低了，因而沸點(diǎn)的相對(duì)升高，又叫溫差損失。對(duì)于電解質(zhì)溶液，溶質(zhì)的含量越大，這種效應(yīng)也越顯著。對(duì)于垂直管式蒸發(fā)器，管內(nèi)液柱的靜壓力及蒸汽在管道內(nèi)的流動(dòng)阻力也會(huì)引起溶液的沸點(diǎn)升高。計(jì)算公式出自?食品工程原理?各效由于沸點(diǎn)升高而引起的溫度差損失根據(jù)各效的二次蒸汽溫度和各效完成液的組成，查得：各效溶液的沸點(diǎn)升高如下表：注：

9、食品料液的可近似用糖液的數(shù)據(jù)代替。 表2-2 各效溶液的沸點(diǎn)升高那么各效由于溶液的沸點(diǎn)升高引起的溫度差損失為： 由于液柱靜壓力而引起的溫度差損失某些蒸發(fā)器在操作時(shí)，器內(nèi)溶液需要維持一定的液位，因而蒸發(fā)器中溶液內(nèi)部的壓強(qiáng)大于液面壓強(qiáng)，致使溶液內(nèi)部的沸點(diǎn)較高于液面處的沸點(diǎn)，二者之差即為因溶液靜壓強(qiáng)引起的溫差損失 液層內(nèi)平均壓強(qiáng)可按下式計(jì)算：三效中木瓜漿液平均密度分別為;表2-3 根據(jù)各效液壓強(qiáng)查得對(duì)應(yīng)的飽和液溫度效數(shù)123壓強(qiáng)水的沸點(diǎn) 由流動(dòng)阻力而引起的溫度差損失在多效蒸發(fā)中末效以前各效的二次蒸汽流到下一效的加熱室的過(guò)程中由于管道阻力使其壓強(qiáng)降低蒸汽的飽和溫度也相應(yīng)降低由此引發(fā)的溫度差損失即為，根

10、據(jù)經(jīng)驗(yàn)值均取.即 各效料液的沸點(diǎn)和有效總溫差各效溫度差損失：可得，各效溶液的沸點(diǎn)：加熱蒸汽的溫度為 汽化熱為各效有效溫差為：2.3 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計(jì)算計(jì)算公式出自?化工原理課程設(shè)計(jì)? 原料液的比熱容為 水的比熱；實(shí)際上在并流加料中有自蒸發(fā)現(xiàn)象，蒸發(fā)過(guò)程有熱損失，對(duì)某些溶液的蒸發(fā)還會(huì)有濃縮熱，故必須考慮這些因素對(duì)蒸發(fā)水量的影響，為此，需對(duì)各效進(jìn)行熱量衡算。第一效的熱衡算式為： 因沸點(diǎn)進(jìn)料， a)第二效的熱衡算式為： b)第三效的熱衡算式： (c) d)式中：2.4 蒸發(fā)器傳熱面積的估算計(jì)算公式出自?食品工程原理?2.5 有效溫差的再分配2.6 核算重復(fù)上述計(jì)算步驟計(jì)算公式出自

11、?食品工程原理? 計(jì)算各效料液濃度由所求得的各效蒸發(fā)量，求各效料液的濃度，它們分別為 計(jì)算各效料液的沸點(diǎn)表2-4 各效料液沸點(diǎn)升高效數(shù)123濃度%2042常壓下沸點(diǎn)升高密度100011201290因末效完成液的濃度和冷凝器的壓力不變，各種溫度差損失及溶液沸點(diǎn)可視為恒定，即表2-5 二次蒸汽溫度及汽化熱效數(shù)123 各效的熱量衡算各效的焓衡算： 傳熱面積的計(jì)算取平均面積3 蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)工藝尺寸的設(shè)計(jì)中央循環(huán)管式蒸發(fā)器主體分為加熱室和別離室，加熱室由直立的加熱管束組成，管束中間為一根直徑較大的中央循環(huán)管；別離室是汽液別離的空間。其主要結(jié)構(gòu)尺寸包括：加熱室和別離室的直徑和高度；加熱管和循環(huán)管的規(guī)格

12、，長(zhǎng)度及在花板上的排列方式等。這些尺寸取決于工藝計(jì)算結(jié)果，主要是傳熱面積。本次課設(shè)選取的中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的計(jì)算方法如下;計(jì)算公式出自?食品工程原理?3.1 加熱管的選擇和管束的初步估計(jì)加熱管通常選用等幾種規(guī)格的無(wú)縫鋼管，管子長(zhǎng)度的選擇應(yīng)根據(jù)溶液結(jié)垢的難易程度，溶液的起泡性和廠(chǎng)房的高度等因素綜合考慮。根據(jù)加熱管的型號(hào)選用：25選擇加熱管長(zhǎng)度選用：1m初步估算所需管子數(shù)為 循環(huán)管的截面積是根據(jù)使循環(huán)阻力盡量減小的原那么來(lái)考慮的。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的循環(huán)管截面積可取加熱管總截面積的40%100%。本次計(jì)算取50% 。假設(shè)表示循環(huán)管內(nèi)徑，那么循環(huán)管的總截面積為： 根據(jù)上式結(jié)果，選取管徑相近的標(biāo)準(zhǔn)管型

13、號(hào)為3258循環(huán)管的管長(zhǎng)與加熱管相等，為1 m。加熱管的內(nèi)徑取決于加熱管和循環(huán)管的規(guī)格、數(shù)目及在管板上的排列方式。節(jié)熱管在管板上的排列方式為正三角形。不同加熱管尺寸的管心距查表得 表3-1 不同加熱管尺寸的管心距加熱管外徑19253857管心距25324870由上表查得型號(hào)為25 表3-2 殼體的尺寸標(biāo)準(zhǔn)殼體內(nèi)徑，4007008001000110015001600200最小壁厚，8101214根據(jù)估算，及容器的公稱(chēng)直徑表，試選用D=900作為加熱管的內(nèi)徑，并以此內(nèi)徑和循環(huán)管外徑作同心圓，在同心圓的環(huán)隙中，按加熱管的排列方式和管心距作圖。有圖可得，當(dāng)內(nèi)徑為900mm是，獲得管數(shù)為488根，大于估

14、算的管數(shù)，滿(mǎn)足要求。所以加熱管的直徑為D=900,總加熱管數(shù)n=488。別離室體積的計(jì)算式為 式中：其中，U為蒸發(fā)體積強(qiáng)度，一般允許值為，在此取。將工藝計(jì)算中二次蒸氣的溫度和流量以及根據(jù)溫度所查得的二次蒸氣的密度列于下 表3-3 二次蒸氣相應(yīng)密度 效次二次蒸氣溫度二次蒸汽流量，kg/h二次蒸氣密度依據(jù)上表數(shù)據(jù)，分別算出各效別離室數(shù)據(jù) 為方便起見(jiàn)，各效別離室的尺寸均取一致，所以體積V取最大值。確定需考慮的原那么：在允許的條件下別離室的直徑應(yīng)盡量與加熱室相同根據(jù) 取 流體進(jìn)出口計(jì)算 溶液的進(jìn)出口為統(tǒng)一管徑，按第效的流量計(jì)算，溶液的適宜流速按強(qiáng)制流動(dòng)算，即,那么式中：依據(jù)無(wú)縫鋼管的常用規(guī)格選為251

15、.5mm的標(biāo)準(zhǔn)管。加熱管蒸汽進(jìn)出口與二次蒸氣出口確實(shí)定 表3-4 流體的適宜流速?gòu)?qiáng)制流體的液體，m/s自然流體的液體，m/s 飽和蒸汽，m/s空氣及其他氣體，m/s 0.815 2030 1520飽和蒸汽適宜的流速此處取為統(tǒng)一管徑，取體積流量最大的末效流量為計(jì)算管徑的體積流量，那么 依據(jù)無(wú)縫鋼管的常用規(guī)格選用為894的標(biāo)準(zhǔn)管。冷凝水進(jìn)出口確實(shí)定冷凝水的排出屬于自然流動(dòng)，對(duì)于各效冷凝水密度可查的表： 表3-5 各效冷凝水密度效次 溫度 冷凝水的密度第效第效第效分別計(jì)算各效冷凝水的管徑：為統(tǒng)一管徑，取計(jì)算得到各效最大的管徑為設(shè)計(jì)的管徑，那么依據(jù)無(wú)縫鋼管的常用規(guī)格選用直徑為764的標(biāo)準(zhǔn)管。4 附屬設(shè)

16、備的選擇計(jì)算公式出自?食品工程原理?根據(jù)蒸氣流速和各氣液體別離器的性能，選擇慣性式除沫器作為氣液別離器。其主要尺寸確定為除沫器內(nèi)管的直徑 且 除沫器外罩管的直徑 除沫器外殼的直徑 除沫器的總高度 除沫器內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x 為設(shè)計(jì)方便取選用多層多孔式冷凝器。5 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表5.1 蒸發(fā)操作參數(shù) 表5-1 蒸發(fā)操作參數(shù)匯總效次123冷凝器加熱蒸汽溫度121操作壓力20溶液沸點(diǎn)完成液濃度蒸發(fā)量蒸汽消耗量傳熱面積表5-2 蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸匯總加熱管主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸加熱管無(wú)縫鋼管管徑規(guī)格252.5 mm加熱管無(wú)縫鋼管長(zhǎng)度1 m加熱管無(wú)縫鋼管)管數(shù)488循環(huán)管規(guī)格 3258 mm加熱室內(nèi)徑900mm

17、別離室直徑970mm別離室高度1950 mm溶液進(jìn)出口管徑251.5 mm加熱蒸氣進(jìn)出口與二次蒸氣出口管徑894 mm冷凝水出口管徑764 mm 5.3 氣液別離器結(jié)構(gòu)尺寸確實(shí)定 表5-3 氣液別離器結(jié)構(gòu)尺寸氣壓別離器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸除沫器內(nèi)管的直徑426 mm除沫器外罩管的直徑 639 mm除沫器外殼的直徑852 mm除沫器內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x 200 mm6 結(jié)果與討論本次課設(shè)的命題是并流三效蒸發(fā)器，年處理量為萬(wàn)噸，處理物料為木瓜漿。木瓜的成分：番木瓜堿、木瓜蛋白酶、木瓜凝乳酶、番茄烴、維生素B、C、E、糖分、蛋白質(zhì)、脂肪、胡蘿卜素等。在進(jìn)行設(shè)備的選擇與設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到食品物料的特殊性

18、，比方，蛋白質(zhì)高溫變性，糖分高溫焦化或分解，所以蒸發(fā)溫度一般不超過(guò)127。本次設(shè)計(jì)選擇加熱蒸汽溫度為121，那么相應(yīng)的蒸汽壓強(qiáng)為205.35kpa;冷凝器的操作壓強(qiáng) 。溶劑汽化需要吸收大量汽化潛熱，所以蒸發(fā)操作是一個(gè)能耗大的過(guò)程。采用多效蒸發(fā)是降低能耗的最有效方法，在工業(yè)上應(yīng)用很廣。其目的是為了充分利用熱能，即通過(guò)蒸發(fā)過(guò)程中二次蒸汽的再利用，以減少新鮮蒸汽的消耗量，從而提高蒸發(fā)裝置的經(jīng)濟(jì)性。隨效數(shù)增加，蒸汽節(jié)約越多，但并不是效數(shù)越多越好，多效蒸發(fā)器的效數(shù)受經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上等因素的限制。在多效蒸發(fā)器中，隨著效數(shù)的增加，總蒸發(fā)量相同時(shí)所需新鮮蒸汽量減少，操作費(fèi)用降低；但效數(shù)越多，設(shè)備費(fèi)用越高，而且隨

19、著效數(shù)的增加，所節(jié)約的新鮮蒸汽量越來(lái)越少。單效改為雙效時(shí)新鮮蒸汽節(jié)約93%，但是由效改為效時(shí)節(jié)約新鮮蒸汽為10%，所以不能無(wú)限制地增加效數(shù)，最適宜效數(shù)應(yīng)該使設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)總和為最小。所以，本次設(shè)計(jì)效數(shù)選為效。 效蒸發(fā)需串接三個(gè)蒸發(fā)器，當(dāng)然，要求各效的操作壓力、對(duì)應(yīng)的加熱蒸汽溫度和溶液沸點(diǎn)依次降低。本次設(shè)計(jì)選擇的蒸發(fā)流程為并流加料，即物料與二次蒸汽以相同的方向流過(guò)各效。此種加料方式的優(yōu)點(diǎn)是：前效壓強(qiáng)較后效高，料液可借此壓差自動(dòng)地流向后一效而無(wú)需泵輸送；同時(shí)，由于前效中溶液的沸點(diǎn)比后效高，當(dāng)料液進(jìn)入后效時(shí)會(huì)產(chǎn)生自蒸發(fā)。缺點(diǎn)是：末效于前幾效相比溶液濃度高、溫度低、粘度大，傳熱系數(shù)低，所需傳熱面積大。 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器又稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器，構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作可靠、傳熱效果較好、投資費(fèi)用較少，且計(jì)算簡(jiǎn)便。其加熱管的長(zhǎng)度在12m之間，考慮到設(shè)備所占空間大小，本次選擇1m的加熱管。在允許的條件下別離室的直徑應(yīng)盡量與加熱室相同。該蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，如濃縮果汁的生產(chǎn)，制糖。制鹽工業(yè)中的蒸發(fā)結(jié)晶工段等。但缺點(diǎn)是清洗和檢修較麻煩、溶液循環(huán)速度較低攪拌式可提速23倍、因溶液的循環(huán)使蒸發(fā)器中溶液的組成總是接近于完成液組成，溶液沸點(diǎn)升高明顯，傳熱溫差減小，粘度較大，影響傳熱效果。 關(guān)于無(wú)縫鋼管：無(wú)縫鋼管是一種具有中空截面、周邊沒(méi)有接縫的圓形，方形，矩形鋼材。