单效中央循环管蒸发器Word下载.docx

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工业上蒸发主要以浓缩和分离为主要目的。

本设计以浓缩为主要目的，设计出将■眷茄汁的可溶性同形物含量由8%浓缰为40%的单效连续加料恭发装虽。

W,T'

本设计首先确定浓缩蜒的处理能力为6i/h眷茄汁原浆。

根据逸用蒸发器的特点进行物料衡算、热量衡算，进一步确定换热器的传热而积。

根据经验氏相关X献，选取加热管的长倉为1.3m,管径为50mmo进而确定加热管數目，并确定排布方式。

根据加热管截而枳与中夬循环管的截面积的关系以71中央循环管直径与加热室直

图1单效菱发的物料流程

径的关系确定中夬循环管的宜径和加热室的直径。

从而完成加热室的设计；

根据分离室与加热室的比例关系确定分离室的尺寸；

根据物料流量尺倚性确定各输送管道的亶径、选材以氏其他部位的选材并确定定气液分离器以氏冷凝器的型号；

晟后在需要的部位安装相关仪表、视镜以尺人孔。

1・2蒸发器选塑

蒸发操作的蒸发器有悬筐式蒸发器、强制循环蒸发器、升腹式蒸发器、降離式蒸发器、中央循环管式蒸发霁等，本诛计采用的是中夫術环管式蒸发器，其简介如下：

11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夬循环管。

当加热室内液体被加热沸絳时，中兴循环管内气液混合物的平均密度较大；

而其余加热管內气液混合物的平均密度较小。

在密度差的作用下，溶液由中夫循环管下降，而由加热管上升，做自然術环流动。

溶液的循环流动提高了沸騰売而传热系數，强化了蒸发过程。

二次蒸汽于蒸发室中经气液分离器与溶液分离后上升，由冷凝器冷凝。

（如图1所示）

1•2•2特点

这种恭发器结构紧凑，制逍方便，传热较好，操作可靠等优点，应用十分广泛，有"

标准恭发器”之称。

为便溶液有良好的循环，中央循环管的截而积，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间。

但实际上，由于结构上的限制，其循环速度较低（一般在0.5m/s以下）;

而且由于溶液在加热管內不断循环,便其浓度始终接近完成液浓度，闵而溶液沸点交高、有效温差减小。

此处，设备的清洗和检修也不够方便。

2•单效蒸发工艺计算

2-1物料衡算

物料衡算可以求出蒸发水量。

图1为单效蒸发的物料流程图。

对溶质作物料衡算可得：

（2-M）

（2-1-2）

Fw0=（F_

IV

W=F（1—」）

式中F——进料口•原料液质量流量，kg/s；

W—恭发水量，kg/s；

vv0——原料液浓厦,

叫——完成液浓度，

设计处理能力为6t/h,即

进料口原料液质量流量：

f=6（）（）（）M=16667如36005

原料液浓度：

叫=0.08

完成液浓度：

VV）=0.40

将上述數据带入式（2・2）,可得:

VV=1.6667^/5（1-

0.08

040

）=l・3334Z:

g/s

2・2热量衡算

热量衡算可求出加热蒸汽消耗量，设加热恭汽的质量流量为D,其汽化潜热为r,加热

室内溶液比热容为5°

二次蒸汽的汽化潘热为』,热量损失为Q.根据能量守恒可知：

（2-2-1）

口__4）+盼+0

式（2・2・1）即加热蒸汽消耗量的计算公式。

从公式可以香出，加热蒸汽放出的热量用于三个方而：

将料液从s加热到沸点，将其汽化，以弥补热损失。

诛计中热损失忽路不计，并采取沸点进料（t产"

，则得：

r'

D=W-（2-2-2）

r

水的汽化潜热随温度或压强的变化不大，可取r«

r'

从而D^Wt

即加热蒸汽量为：

D=l・3334Zrg/s

2-3传热面积计算

Dr

由传热速率方程得到蒸发室的加热面枳为:

（2-3-1）

式中:

S-

传热而积，nr;

Q-

—传热量，J;

K-

—传热系数，K=1500W/（"

『・K）;

乂”

——加热蒸汽与操作液沸点之差，°

C;

T

一加热蒸汽遍度，°

C；

tl

•操作液沸点，C;

式（2$1）中D、K已知，可查得200kPa的压强下T=\20.2°

C,50kPa的压强下f=810C;

由于溶液的蒸汽压降低而导致的沸点升高△•和液体静水压引起的沸点升高△八

的存在，操作液实际沸点为：

厶=：

+△'

+△”（2-3-2）

A的计算：

古辛科公式：

△'

=Qo'

（2-3-3）

式中：

A＜）——操作液浓度对应蔗辖溶液在o.lMpa下的沸点升高（可由附表1脊出）

f—校正系數，其值为:

（2-3-5）

（・0.0162x（273+rr）2

J=

式中r——操作压强下水的汽化潜热，kj/kgo

可查得50kPa下『=81.2°

C,r=2304.5kj/kg,则:

=0.8819

0.0162x（273+81.2）2

2304.5

代入式（„3）可得:

A=0.8819xl.2°

C=1.O583°

C

△■的计算：

（2-3-6）

式中p——液体的密度，kg/n?

H——总液层的高度，mo

诛计中：

液面的高度：

H=1.8m；

各茄汁的密度可由糖溶液物性的经验拟和式求出，

p=1005.6-0.2473/+3.726%-2.0315x1O'

3r2,—

-1.8453x10-3rx+0.01809x2（kg/'

式中i——温度，*C;

x—糖的欣量分数,％。

操作压强为50kPa,对应水的沸点为81.2°

C,可近似认为i=81.2eC，且巳妙x为40,则有:

p=1144.115lkg/mJ

则：

ssxc1144.1151kg/mAxIO////s2xi.Sin

=50000Pa+

2

=60297.0350Pa

分别由压强P和Pm査取水的相应沸点为I和则錚压效应的沸点升高近似为

（2-3-8）

即△'

'

=85.6"

C-81.VC=4.4"

=81.2°

C+1.0583°

C+4.4°

=86.6583"

代入公式（2-3-1）可得：

g_Dr

K\tmK（T~O

1.3334^g/5x2304.5x1000//^

一1500W/（〃r.k）（120.2°

C—86.6583"

C）

◎59m2

2-4计算结杲列表

a2-4-1衡算传热计算结杲

项目

数值

恭发水量（kg/s）

1.3334

加热恭汽量（kg/s）

传热而枳（n?

）

59

3.蒸发槿主体工艺设计

我们选取的中央循环管式恭发器的计算方法如下。

3-1加热管的选择和管数的初步估计

3-1-1加热管的选择和管数的初步估计

沸縛加热管多采用°

25~75〃"

的管子，长度一般在°

.6~2加，管长与管径之比为20~40,材料为不锈钢或其他耐腐蚀材料。

管径与长度的选择应根据溶液结垢难易程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑,易结垢和易起泡诔溶液的蒸发易选用粗短管，反之，则采用细长管。

根据我们的诛计任务和番茄汁的性质，我们选用以下的管于：

管长L=1.3m,管径050*2.5〃〃"

可以根据加热管的规格与长度初步估计所需的管子数4

S_59加2

龙・〃•厶3.14x0.05/nx13m

s——恭发器的传热而枳，m2,由前面的工艺计算决定（优化后的而枳）

d加热管外径，m

L——加热管长度，m

3-1-2循环管的选择

中夬術环管的截而积一般为总加热管束截而积的40%~100%。

循环管的截面积是根据便循环阻力尽量减小的匣则考虑的，假设中夬循环管的截面枳一般为总加热管束截面枳的70%,则：

9f—*

总加热管束截面积：

S'

=灯・兀・一=289x3・14x'

•a0.5672nr（3-1-2）

44

中央循环管的截而积：

S循环=0・7S'

=0・7x0.5675,«

0.397Oh2（3-1-3）

中央循环管的直径：

〃循环XU0.7111加（3-1-4）

3-1-3加热室高度及直径的确定

加热室高度略低于液而高度，设为1.7m。

中央循环管的賣径一般为加热室直径的1/4〜1/5,设计中取1/4。

加热室直径：

〃加热室=4•〃循环=4xO.7111m=2.8444m（,1⑸

3-1-4分离室直径与窩度的确定

分离室尺寸确定原则：

（0对于中央循环管式蒸发器，其分离室一般不能小于1.8tn,以保证足够的雾潔分离高度。

分离室的吏径也不能太少，否则二次蒸汽流速过大，导致雾谏夹带现象严重。

一半分离室高度为加热室高度的1」~1.5借。

（2）在条件允许的悄况下，分离室的直径尽量与加热室相同，这样可使结构简单制造方便。

（3）高度和直径都适于施工现场的安放。

根据以上原则，设分离室高度为加热室高度的1.5借，分离室直径与加热室相同，则：

分离室直径：

〃分离=〃加热=2.8444m

（3-1-6）

（3-1-7）

（321）

分离室高度：

H分譌=1.5・H血热=1.5x1.7m=2.55m

3・2接管尺寸的确定

流体进出口的内径按下式计算：

^=J—

\7dJp

匕”一流体的质量流量，kg/s；

U——流体的适宜流速，m/s,

不同流体的适宜流速可由附表2查出。

估算出内径后，应从管规格表格中选用相近的标准管。

3-2-1料液进出口

诛计中料液进出口便用相同管径，根据操作番茄汁的性质计算出原料进口的内径。

由附裘2可设原料番茄汁流速为0.5m/s,则

U[=0・5m/s

由式（2-3-7）可求得番茄汁的密度

p、总1144・1151kg/〃F

§

2・1物料衡算中巳计算出原料的质量流量，即

V；

=1.6667^/5

番茄汁匣料进口内径4=

4x1.6667^/j

3.14x0.5/?

z/5x1144.1\5\kg/nt

心0.0609/7?

根据热轧无缝钢管的規格（GB8163-87），选用068x3・5〃〃n的热轧无缝不锈钢管。

3-2-2加热蒸汽进口与二次蒸汽出口

由§

2-1物料衡算中计算裘明，单位时间內加热蒸汽泵送量与二次蒸汽产生量相等。

加热蒸汽进口与二次恭汽入口采用相同内径，由附表2可诛加热恭汽流速为30m/s,则

U2=30/7//5

査得200kPa下饱和水蒸气的密度°

=1.119Rg//M‘,

2・2热量衡算中巳计算出加热恭汽的质量流量，即

^-=1.3334^/5

代入式（321）可求得:

加热蒸汽进口內径厶=

4xl・3334/rg/s

3・14x30〃〃sxl・119£

g/“F

a0.2249m

根据热轧无缝钢管的規格（GB8163-87），选用0245x10〃〃〃的热轧无缝不锈钢管。

3-2-3冷凝水出口

冷凝水的排出一般属于液体自然流动，可根据加热恭汽的流量计算。

由附表2可诛冷凝

水的流速为lm/s,则

U、=\.5m/s

查得120.2°

C水的密度°

3=943.Mg/〃凡

忽略不凝蒸汽的排放，冷凝水的质量流量约等于加热恭汽的质量流量，即

lV“=1.3334kg/s

代入式（3-2-1）可求得:

冷凝水的出口內径=

a0.0347/7/

4x1.3334kg/s

3.14x1.5〃2/sx943.1kg/〃,

根据热轧无缝钢管的规格（GB8163-87），选取042x3.5〃〃"

的热轧无缝不锈钢管。

3-3进料方式及加热管排布方式的确走

3-3-1进料方式的确定

替茄汁在浓缩过程中黏度较大，在加热过程中容易结垢或产生结晶。

采用下进料，原料进入加热室后在加热室底部很难流动，不能与加热室內原有物料混匀。

采用上进料，原料自二次蒸汽室进入浓缩確，由于重力的作用沿循环管向下流动，逐渐与物料混合，进而达到较好的浓缩效杲。

因此，诛计采用上进料。

3•3-2加热管排布方式的确定

加热管排市避免局部过热的现象。

设计中采用随机排布方式，使加热管均匀分市于加热室內。

3•4仪表、视镜与人孔的确主

仪丧：

蒸发罐压力表安装在蒸汽进出管道，確体不再诰趣压力表。

西安地区大气压一般为97kPa,结合操作压力选择合适压力表，通过仪喪对操作压力进行监测。

采用热电偶温度进行温度监控。

視镜：

在分离室不同高度和角度安装若干视镜，以监测分离室内汁气状态。

宜径统一采用20cmo

人孔：

于蒸发罐顶以71分离室开诛圆形人孔，便于清洗確体。

亶径统一采用50cmo

3-5蒸发耦主要部件规格列表

a3-5-i恭发器主要部件规格

部件名称

钢号

规格

数目

加热管

10

（/>

50x2.5mm

289

加热蒸汽进口

0245x10〃〃”

1

冷凝水出口

042x3.5mm

二次蒸汽出口

0245x10mm

原料番茄汁进口

68x3.5mm

视镜

0200〃〃〃

3

人孔

0500〃〃”

4•蒸发装置的辅助设备

4-1气液分离器

设计选用金属网式捕液器，液滴彩附在其丧面而二次恭汽通过。

它的倚点是气流速较小,阻力损失小。

缺点是清洗不便。

4-2蒸汽冷凝器

诛计选用水力喷射器做为冷凝器，它具有冷凝和抽真空两种作用。

其倚点如下：

1兼有冷凝和抽真空作用，无需另配抽真空装星；

2结构简单，造价低糜，喷射器本身没有机械运转部分，不要经常检修；

3适用于抽腐蚀性气体；

4虽然水泵运转时的实际消耗功率较大，但荃个冷凝装星的功率消耗仍较表面式和大气冷凝器小；

5不能获得高的真空度，且真空度随水温之高低而变化。

本设计是围绕蒸发这一单元操作进行的。

设计过程中主要涉71物料衡算、热量衡算和传热过程计算。

通过对以上方面的计算，熟悉了蒸发单元操作的各种过程，并根据蒸发罐的设计要求氏原则，确定了罐体克径为2.84m,分离室高度为2.55m,气液分离器距確羔0.48m,確底距加热室0.4m,其余各部件、位置参數见裘2-41、＜3-5-1o本设计杀本达到了诛计目的，并能根据设计要求完成设计任务。

通过诛计，加深了对食品工业中单元操作的理解，初步拿握了工程诛计的方法，并在处理设计过程中邊到的用难和问题的同时，提高自身的学习能力，进一步巩同了对會品工程原理这一课程的掌握。

本设计是在老师的精心指导和小组成员的通力合作下完成的，在此致以最宴诚的谢意！

附：

1•0.1MPa下不同浓度蔗糖溶液的沸点升高

浓度/%

20

40

50

（川

70

沸点升高/°

c

0.1

0.3

0.7

1.2

2.0

3.3

5.4

某些流体在管道中常用的速度范围

流体种类

常用流速/（m/s）

水71—般液体

1〜3

黏度较大的液体

0.5~1

低压气体

8-15

易燃、易爆的低压气体（如乙块等）

<

8

压强较高的气体

15〜25

饱和水蒸气

O.SMPa以下

40〜60

0.3MPa以下

20-40

过热水蒸气

30~50

参考文献：

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中国轻工业出版社,2005.1

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西北工业大学出版社,2005.4

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中国石化出版社,2003

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化学工业出版社,2005.4

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