課程設(shè)計--并流三效蒸發(fā)器

1、<p>　　1 概述與設(shè)計方案的選擇</p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　1.1.1 蒸發(fā)設(shè)備的分類 </p><p>　　常用蒸發(fā)器主要由加熱室和分離室兩部分構(gòu)成。蒸發(fā)器的多種結(jié)構(gòu)型式即在于加熱室和分離室結(jié)構(gòu)的多樣性及其組合方式的變化。按照蒸發(fā)器在溶液中的流動情況，可將蒸發(fā)器分為循環(huán)型和單程型兩大類

2、。</p><p>　?。?）循環(huán)型蒸發(fā)器：</p><p>　　其特點是溶液在蒸發(fā)器中作循環(huán)流動。根據(jù)引起溶液循環(huán)流動原理的不同，又可分為自然循環(huán)式和強制循環(huán)式兩種類別。顯然，強制循環(huán)蒸發(fā)器式依靠外加動力造成溶液在蒸發(fā)器中的循環(huán)流動，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。</p><p>　　表1-1 常用循環(huán)型蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點及主要

3、性能匯總</p><p><b>　?。?）單程型蒸發(fā)器</b></p><p>　　單程型蒸發(fā)器的特點是溶液沿加熱管壁呈膜狀流動而進行傳熱和蒸發(fā)，一次通過加熱室即可達到所要求的組成。其突出特點是傳熱效率高，蒸發(fā)速率快，溶液在蒸發(fā)器內(nèi)停留時間短，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)部門得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　

4、根據(jù)物料在蒸發(fā)器內(nèi)的流動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、刮板薄膜等多種類型。</p><p>　　表1-2 單程型蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點和性能比較</p><p>　　1.1.2 選型時應(yīng)考慮的主要因素</p><p>　　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，尤其對粘度在蒸發(fā)過程中的增加程度及結(jié)垢情況應(yīng)給予特別注意）；

5、</p><p>　　工程技術(shù)要求，如處理量、蒸發(fā)量，安裝現(xiàn)場的面積和高度、連續(xù)或間歇生產(chǎn)等；</p><p>　　利用的熱源和冷卻的情況；</p><p>　　（4）結(jié)構(gòu)簡單，操作可靠，造價和操作費用低廉，經(jīng)濟合理，維修方便。</p><p>　　1.2 設(shè)計方案的選擇</p><p>　　本設(shè)計選擇中央循環(huán)管式蒸發(fā)

6、器。</p><p><b>　　2 工藝設(shè)計計算</b></p><p>　　計算公式出自《食品工程原理》</p><p>　　2.1 估計各效蒸發(fā)量和完成液濃度</p><p>　　木瓜漿：入口 10% 出口 42% 日處理量= 75.75t/d</p><p>　　原料液加料量 kg/h

7、</p><p><b>　　總蒸發(fā)量：</b></p><p>　　因并流加料，蒸發(fā)中無額外蒸汽引出，假設(shè)各效蒸發(fā)量相等，即：</p><p><b>　　各效完成液濃度：</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　溶液沸

8、點和有效溫度差的確定：</p><p>　　選定加熱蒸汽溫度為121,則相應(yīng)的蒸汽壓強為205.35kpa;冷凝器的操作壓強 ；其它各效二次蒸汽的壓強按各效間蒸汽壓強相等的假設(shè)來確定，即：</p><p>　　由各效的二次蒸汽的壓強，查的響應(yīng)的二次蒸汽的溫度及汽化熱列于表中：</p><p>　　表 二次蒸汽的溫度及汽化熱</p><p>　

9、　2.2 估計各效溶液的沸點和有效總溫度差</p><p>　　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，溶液的沸點高于純?nèi)軇┑姆悬c。當加熱蒸汽的溫度一定時，蒸發(fā)溶液時傳熱溫差小于蒸發(fā)純?nèi)軇r的傳熱溫差。從傳熱角度來看，傳熱推動力降低了，因而沸點的相對升高，又叫溫差損失。對于電解質(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)的流動阻力也會引起溶液的沸點升

10、高。</p><p>　　計算公式出自《食品工程原理》</p><p>　　2.2.1各效由于沸點升高而引起的溫度差損失</p><p>　　根據(jù)各效的二次蒸汽溫度和各效完成液的組成，查得：</p><p>　　各效溶液的沸點升高如下表：</p><p>　?。ㄗⅲ菏称妨弦旱目山朴锰且旱臄?shù)據(jù)代替。）</p>

11、;<p>　　表2-2 各效溶液的沸點升高</p><p>　　則各效由于溶液的沸點升高引起的溫度差損失為：</p><p>　　2.2.2 由于液柱靜壓力而引起的溫度差損失</p><p>　　某些蒸發(fā)器在操作時，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)部的壓強大于液面壓強，致使溶液內(nèi)部的沸點較高于液面處的沸點，二者之差即為因溶液靜壓強引起的溫

12、差損失 液層內(nèi)平均壓強可按下式計算：</p><p>　　已知三效中木瓜漿液平均密度分別為;</p><p>　　表2-3 根據(jù)各效液壓強查得對應(yīng)的飽和液溫度</p><p>　　2.2.3 由流動阻力而引起的溫度差損失</p><p>　　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程中由于管道阻力使其壓強降低蒸汽的飽和溫

13、度也相應(yīng)降低由此引發(fā)的溫度差損失即為，根據(jù)經(jīng)驗值均取.</p><p><b>　　即</b></p><p>　　2.2.4 各效料液的沸點和有效總溫差</p><p><b>　　各效溫度差損失：</b></p><p>　　可得，各效溶液的沸點：</p><p>　　已

14、知加熱蒸汽的溫度為 汽化熱為</p><p><b>　　各效有效溫差為：</b></p><p>　　2.3 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計算</p><p>　　計算公式出自《化工原理課程設(shè)計》</p><p>　　已知原料液的比熱容為 水的比熱；</p><p>　　實際上在并流加

15、料中有自蒸發(fā)現(xiàn)象，蒸發(fā)過程有熱損失，對某些溶液的蒸發(fā)還會有濃縮熱，故必須考慮這些因素對蒸發(fā)水量的影響，為此，需對各效進行熱量衡算。</p><p>　　第一效的熱衡算式為： 因沸點進料， （a)</p><p>　　第二效的熱衡算式為： （b

16、)</p><p><b>　　第三效的熱衡算式：</b></p><p>　　(c) </p><p><b>　?。╠)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　2.4 蒸發(fā)器傳熱面積的估算</p

17、><p>　　計算公式出自《食品工程原理》</p><p>　　2.5 有效溫差的再分配</p><p>　　2.6 核算（重復(fù)上述計算步驟）</p><p>　　計算公式出自《食品工程原理》</p><p>　　2.6.1 計算各效料液濃度</p><p>　　由所求得的各效蒸發(fā)量，求各效料液的濃

18、度，它們分別為</p><p>　　2.6.2 計算各效料液的沸點</p><p>　　表2-4 各效料液沸點升高</p><p>　　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可視為恒定，即</p><p>　　表2-5 二次蒸汽溫度及汽化熱</p><p>　　2.6.3 各效的熱量衡算<

19、/p><p><b>　　各效的焓衡算：</b></p><p>　　2.6.4 傳熱面積的計算</p><p><b>　　取平均面積</b></p><p>　　3 蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)工藝尺寸的設(shè)計</p><p>　　中央循環(huán)管式蒸發(fā)器主體分為加熱室和分離室，加熱室由直立的加

20、熱管束組成，管束中間為一根直徑較大的中央循環(huán)管；分離室是汽液分離的空間。其主要結(jié)構(gòu)尺寸包括：加熱室和分離室的直徑和高度；加熱管和循環(huán)管的規(guī)格，長度及在花板上的排列方式等。這些尺寸取決于工藝計算結(jié)果，主要是傳熱面積。</p><p>　　本次課設(shè)選取的中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的計算方法如下;</p><p>　　計算公式出自《食品工程原理》</p><p>　　3.1 加熱

21、管的選擇和管束的初步估計</p><p>　　加熱管通常選用等幾種規(guī)格的無縫鋼管，管子長度的選擇應(yīng)根據(jù)溶液結(jié)垢的難易程度，溶液的起泡性和廠房的高度等因素綜合考慮。</p><p>　　根據(jù)加熱管的型號選用：φ25×2.5mm</p><p>　　選擇加熱管長度選用：1m</p><p>　　初步估算所需管子數(shù)為</p>

22、<p><b>　　3.2循環(huán)管的選擇</b></p><p>　　循環(huán)管的截面積是根據(jù)使循環(huán)阻力盡量減小的原則來考慮的。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%。本次計算取50% 。</p><p>　　若表示循環(huán)管內(nèi)徑，則循環(huán)管的總截面積為：</p><p>　　根據(jù)上式結(jié)果，選取管徑相近的標準管型號

23、為φ325×8㎜</p><p>　　循環(huán)管的管長與加熱管相等，為1 m。</p><p>　　3.3加熱管的直徑以及加熱管數(shù)目的確定</p><p>　　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。</p><p>　　不同加熱管尺寸的管心距查表得 </p>

24、<p>　　表3-1 不同加熱管尺寸的管心距</p><p>　　由上表查得型號為φ25×2.5mm的管心距為</p><p>　　表3-2 殼體的尺寸標準</p><p>　　根據(jù)估算，及容器的公稱直徑表，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，當內(nèi)徑為900

25、mm是，獲得管數(shù)為488根，大于估算的管數(shù)，滿足要求。所以加熱管的直徑為D=900㎜,總加熱管數(shù)n=488。</p><p>　　3.4分離室直徑和高度的確定</p><p>　　分離室體積的計算式為</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　其中，U為蒸發(fā)體積強度，一般允許值為，在此取。</

26、p><p>　　將工藝計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</p><p>　　表3-3 二次蒸氣相應(yīng)密度 </p><p>　　依據(jù)上表數(shù)據(jù)，分別算出各效分離室數(shù)據(jù)</p><p>　　為方便起見，各效分離室的尺寸均取一致，所以體積V取最大值。</p><p><b>　　確

27、定需考慮的原則：</b></p><p><b>　?、?lt;/b></p><p><b>　?、?lt;/b></p><p>　?、墼谠试S的條件下分離室的直徑應(yīng)盡量與加熱室相同</p><p><b>　　根據(jù) </b></p><p>

28、　　取 </p><p>　　可得到 H=1.455m D=0.97m</p><p>　　3.5接管尺寸的確定</p><p><b>　　流體進出口計算</b></p><p>　　3.5.1溶液的進出口</p><p>　　為統(tǒng)一管徑，按第Ⅰ效的流量計算，溶液的

29、適宜流速按強制流動算，即,則</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　依據(jù)無縫鋼管的常用規(guī)格選為φ25×1.5mm的標準管。</p><p>　　3.5.2加熱管蒸汽進出口與二次蒸氣出口的確定</p><p>　　表3-4 流體的適宜流速</p><p>　　飽和

30、蒸汽適宜的流速此處取</p><p>　　為統(tǒng)一管徑，取體積流量最大的末效流量為計算管徑的體積流量，則</p><p>　　依據(jù)無縫鋼管的常用規(guī)格選用為φ89×4㎜的標準管。</p><p>　　3.5.3冷凝水進出口的確定</p><p>　　冷凝水的排出屬于自然流動，</p><p>　　對于各效冷凝水密

31、度可查的表：</p><p>　　表3-5 各效冷凝水密度</p><p>　　分別計算各效冷凝水的管徑：</p><p>　　為統(tǒng)一管徑，取計算得到各效最大的管徑為設(shè)計的管徑，則</p><p>　　依據(jù)無縫鋼管的常用規(guī)格選用直徑為φ76×4㎜的標準管。</p><p><b>　　4 附屬設(shè)備的

32、選擇</b></p><p>　　計算公式出自《食品工程原理》</p><p><b>　　4.1氣液分離器</b></p><p>　　根據(jù)蒸氣流速和各氣液體分離器的性能，選擇慣性式除沫器作為氣液分離器。</p><p><b>　　其主要尺寸確定為</b></p>&l

33、t;p>　　除沫器內(nèi)管的直徑 </p><p><b>　　且 </b></p><p>　　除沫器外罩管的直徑 </p><p>　　除沫器外殼的直徑 </p><p>　　除沫器的總高度 </p><p>　　除沫器內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x </p>

34、<p><b>　　為設(shè)計方便取</b></p><p><b>　　4.2蒸汽冷凝器</b></p><p>　　選用多層多孔式冷凝器。</p><p><b>　　5 設(shè)計結(jié)果匯總表</b></p><p>　　5.1 蒸發(fā)操作參數(shù) </p>&

35、lt;p>　　表5-1 蒸發(fā)操作參數(shù)匯總</p><p>　　5.2蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定</p><p>　　表5-2 蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸匯總</p><p>　　5.3 氣液分離器結(jié)構(gòu)尺寸的確定</p><p>　　表5-3 氣液分離器結(jié)構(gòu)尺寸</p><p><b>　　6 結(jié)果與討論<

36、/b></p><p>　　本次課設(shè)的命題是并流三效蒸發(fā)器，年處理量為2.5萬噸，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。在進行設(shè)備的選擇與設(shè)計時，應(yīng)充分考慮到食品物料的特殊性，比如，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127。本次設(shè)計選擇加熱蒸汽溫度為121，則相應(yīng)的蒸汽壓強為205.35kpa;冷凝器

37、的操作壓強 。</p><p>　　溶劑汽化需要吸收大量汽化潛熱，所以蒸發(fā)操作是一個能耗大的過程。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，即通過蒸發(fā)過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)量相同時所需新鮮蒸汽量

38、減少，操作費用降低；但效數(shù)越多，設(shè)備費用越高，而且隨著效數(shù)的增加，所節(jié)約的新鮮蒸汽量越來越少。單效改為雙效時新鮮蒸汽節(jié)約93%，但是由Ⅳ效改為Ⅴ效時節(jié)約新鮮蒸汽為10%，所以不能無限制地增加效數(shù)，最適宜效數(shù)應(yīng)該使設(shè)備費和操作費總和為最小。所以，本次設(shè)計效數(shù)選為Ⅲ效。</p><p>　　Ⅲ效蒸發(fā)需串接三個蒸發(fā)器，當然，要求各效的操作壓力、對應(yīng)的加熱蒸汽溫度和溶液沸點依次降低。本次設(shè)計選擇的蒸發(fā)流程為并流加料，即物

39、料與二次蒸汽以相同的方向流過各效。此種加料方式的優(yōu)點是：前效壓強較后效高，料液可借此壓差自動地流向后一效而無需泵輸送；同時，由于前效中溶液的沸點比后效高，當料液進入后效時會產(chǎn)生自蒸發(fā)。缺點是：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。</p><p>　　中央循環(huán)管式蒸發(fā)器（又稱標準蒸發(fā)器），構(gòu)造簡單、操作可靠、傳熱效果較好、投資費用較少，且計算簡便。其加熱管的長度在1~2m之間，考

40、慮到設(shè)備所占空間大小，本次選擇1m的加熱管。在允許的條件下分離室的直徑應(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。但缺點是清洗和檢修較麻煩、溶液循環(huán)速度較低（攪拌式可提速2~3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，溶液沸點升高明顯，傳熱溫差減小，粘度較大，影響傳熱效果。</p><p>　　關(guān)于無縫鋼管：無縫鋼管是一種具有中空截面、周

41、邊沒有接縫的圓形，方形，矩形鋼材。無縫鋼管是用鋼錠或?qū)嵭墓芘鹘?jīng)穿孔制成毛管，然后經(jīng)熱軋、冷軋或冷撥制成。無縫鋼管具有中空截面，大量用作輸送流體的管道，鋼管與圓鋼等實心鋼材相比，在抗彎抗扭強度相同時，重量較輕，是一種經(jīng)濟截面鋼材，廣泛用于制造結(jié)構(gòu)件和機械零件，如石油鉆桿、汽車傳動軸、自行車架以及建筑施工中用的鋼腳手架等。</p><p><b>　　參考文獻</b></p>&l

42、t;p>　　柴誠敬，張國亮，夏清，張鳳寶等.化工原理：上冊.2版.北京：高等教育出版社，2010.5</p><p>　　賈紹義，柴誠敬主編.化工原理課程設(shè)計.天津：天津大學出版社，2002.8(2003.12重?。?lt;/p><p>　　涂偉萍，陳佩珍，程達芬編.化工過程及設(shè)備設(shè)計.北京：北京工業(yè)出版社，2000.6</p><p>　　李云飛，葛克山主編.食

43、品工程原理：2版.北京：中國農(nóng)業(yè)大學出版社，2009.8</p><p>　　方立國，董新法.化工制圖Auto CAD實踐教程與開發(fā)[M]．化學工業(yè)出版社，2008</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　經(jīng)過了這些天的課程設(shè)計，讓我的各方面能力都有了進一步的提高。尤其是在計算方面，讓我體會到了態(tài)度嚴謹?shù)闹匾裕谟嬎銜r

44、不能有半點馬虎，否則就會有重新計算的危險。除此之外，在設(shè)計中涉及了大量的文獻資料查詢，通過這些天的查詢，不僅提高了我查資料的能力，而且懂得了很多通過網(wǎng)絡(luò)獲取資料的方法。通過這次課程設(shè)計，鞏固了我的食品工程原理的知識，提高了我獨立思考的能力。這是第一次做這樣的課程設(shè)計，剛開始真的無從下手，公式擺在面前密密麻麻的真的很煩，但是我不敢有絲毫的懈怠，一點一點的進行理解和計算，一字一字的敲上去，現(xiàn)在終于大功告成，真的有一種如釋重負的感覺。<