双效蒸发器设计课程设计docWord下载.docx

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2.3.3.3冷凝水出口-11-

第3章参考文献-12-

第1章引言

1.1物料介绍

物料为茶汁，其粘度低，具有一定的热敏性，一些成分遇热分解，不含有颗粒和悬浮物，不易结晶。

1.2物料的浓缩方法

食品浓缩可以采用真空蒸发浓缩设备，

使用最广泛的浓缩设备是真空浓缩设备，

冷冻浓缩设备和膜浓缩设备等，目前，食品工业

冷冻浓缩设备对于热敏性和挥发性成分料液的浓缩有很大的吸引力。

1.3真空浓缩优点

在真空的状态下，料液的沸点下降，加速了水分蒸发，避免了料液高温处理，适合用于处理热敏性料液。

热源可以采用低压蒸汽或废热蒸汽。

由于料液的沸点较低，是浓缩设备的热敏损伤减少。

对料液起加热杀菌作用，有利于食品的保藏。

1.4多效流程的优点

效数越多，节省的加热蒸汽量就越少，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。

效数越多，温度若损失越大，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小于5-7C,这样也限制了效数的增加。

1.5浓缩设备介绍

一般由蒸发器，冷凝器，真空系统组成。

蒸发器：

产生浓缩液和二次蒸汽，常见的形式：

中央循环管式，浓缩锅，外加热式蒸发器，升膜式蒸发器，降膜式蒸发器。

冷凝器：

将二次蒸汽冷凝成水和不凝气，减轻真空系统的负荷，使系统保持一定的作用，常见的形式：

填料式冷凝器，孔板式冷凝器，喷射式冷凝器。

真空系统：

保持真空度。

1.6多效流程基本类型

并流法特点：

1料液与蒸汽流动方向相同2.靠压差进料，3.进料温度较沸点高，有闪蒸作用，4.料液粘度依次增高，5.末效需要较大的传热面积。

逆流法：

1,料液与蒸汽流动方向相反，2各效间的料液流动需要泵送。

3、进料温度较沸点低（末效除外），4、料液粘度较稳定。

5、易造成结焦和营养破坏。

第2章设计计算

2.1工艺设计

2.1.1确定流程与蒸发器类型

物料为茶汁，初始固形物含量为8.5%，完成液浓度26%，料液浓度依次增加，加热蒸汽压强180kPa,末效冷凝器压强20kPa，可通过压差进料，因此选择并流法。

由于粘度不高，且不含颗粒物，不适宜选择刮板式蒸发器，由于最后完成液浓度为26%，浓度不高，不适宜用中央循环式浓缩锅，由于茶汁具有一定的热敏性，故不适用外加热式蒸发器。

综上所述，采用降膜式蒸发器，其特点是：

蒸发时间短，适用于处理热敏性料液。

大多以双效或多效形式组成蒸发设备，一提高浓缩物，不适用于处理易结晶或结垢的溶液。

2.1.2辅助设备选择

泡沫捕集器：

防止细小的液滴被二次蒸汽带出，造成浪费，防止冷凝污染。

泵：

因为粘度低，选择离心泵，其作用是排除浓缩液，真空泵为蒸发器提供所需真空度，以及排除系统中产生的不良气体。

冷凝器选择喷射式，对真空度要求不高，还能将系统内不凝气体抽走。

2.1.3工作流程

工作时，料液经泵从平衡槽抽出，通过由二效蒸发器二次蒸汽加热的预热器，然后依次经二效一效蒸发器盘管预热，预热后的料液在列管式杀菌器杀菌，并在温管内保温24S，

随后相继通过一效蒸发器二效蒸发器，最后由出料泵抽出。

生蒸汽结合气分别向杀菌器，一效蒸发器和热压泵供气，一效蒸发器产生的二次蒸汽，

一部分通过热压泵作为一效蒸发器的加热蒸汽，其余的被导入二效蒸汽作为加热蒸汽，二效

蒸发器产生的二次蒸汽，先通过预热器，在料液进行预热的同时冷凝，余下二次蒸汽与不凝

性气体一起由水力喷射器冷凝抽出，各处加热蒸汽产生的冷凝水由泵抽出，储槽内的洗液用

于设备的就地清洗。

2.2工艺计算

221估计各效蒸发量和完成液浓度

每小时水分蒸发量：

x0

•/WF10

x2

（常用化工单元设备设计153页）

W6000100854038.46kg/h

0.26

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U效蒸发器料夜的浓度，质量百分比；

W――水分蒸发量kg/h;

由《常用化工单元设备设计》P153

取W1:

W2=1:

1.1

故W1=4038.46=1923.08（kg/h）

11.1

W=4038.46-1923.08=2115.38（kg/h）

其中，W――第I效的蒸发量，kg/h

W――第U效的蒸发量，kg/h

I效二次蒸汽浓度X1陋=60008.5%=12.51%

F0W160001923.08

X2

F。

F°

X0二60008.5%

W1W2=60001923.082115.38

有关参数

（1）原料液总量：

6000kg/h

（2）进料：

x1=8.5%T1=25EP1=180kPa

出料：

x2=26%P2=20kPa

据已知条件，假设各效温度，查饱和水蒸气表

来自《化工原理》饱和水蒸汽表

压力（kPa）

T（C）

汽化潜热（kg）

I效加热蒸汽

P=180

T1=116

1=2214.3

I效二次蒸汽

P=49.2

T1'

81

1'

=2299.7

U效加热蒸汽

P=47.4

T2=80

2=2307.8

U效二次蒸汽

P=20

T2‘=60

2'

2354.9

冷凝处蒸汽

P=19.3

T3=59

32362

222估计各效溶液的沸点和有效总温度差

tmt0

式中：

温度差损失，C

――操作压强下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，C液层静压引起的温度差损失，C

――管路流动阻力引起的温度差，C

a

常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，°

C

f――校正系数，无因次，其经验计算式为:

f0.0162（T'

273）2

'

r

T――操作压强下二次蒸汽的温度，C

――操作压强下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg

般果汁相同

a21.48C

常压下，8.5%的茶汁沸点变化情况与故使用内插法

常温下果汁沸点升咼a10.145C

0.016281

2732

2299.7

0.145

0.128（C）

0.016260273

2354.9

1.481.129（C）

由于静压强，降膜式蒸发器：

1=2=0（C）

121（C）

双效茶汁的沸点分别为

t1111810.118018182.118C

t2=222600.992016061.992C

汽化潜热

（kJ/kg）

2214.3

I效料液

P=49.54

t1=82.118

1=2294.2

「81

2307.8

U效料液

P=21.23

t2=61.992

2=2351.1

.2.2.3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算

第i效的焓衡算式为：

Qi（FCp。

W/CpwW2Cpw.•…W1Cpw）（ti1ti）Wr

有上式可求得第i效的蒸发量Wi，若在焓衡算式计入溶液的能缩热及蒸发

器的热损失时，尚需考虑热利用系数一般溶液的蒸发，可取得0.94-0.7△x

（式中△x为溶液的浓度变化，以质量分率表示）。

第i效的蒸发量W的计算式为

rtit*

Wii[Di丄（FCp。

WiCpwW2Cpw••…WiiCpw）-^^]

r*r*

式中

Di----第i效的加热蒸汽量，kg/h，当无额外蒸汽抽出时Di=W1；

ri----第i效加热蒸气的汽化潜热，kJ/kg;

r----第i效二次蒸气的汽化潜热，kJ/kg;

Cp0----原料液的比热，kJ（kg.C）；

Cpw----水的比热，kJ（kg.C）;

-i，-i1--分别为第i效及第i-1效溶液的沸点，C；

i------第i效的热利用系数无因次，对于加热蒸汽消耗量，可列出各效焓衡算式并与式WWiW2Wn联解而求得。

i=0.98

第一效的焓衡量式为：

W1X凶FCp。

—1）

AA

1=0.98

进料，Cp0=3.99kJ/（kg.C），Cpw=4.187kJ/（kg.C），查表得”=2214.3

kJ/kg,对于沸点进料，t0t1

2=0.98

.9]

（b）

=0.963^+204.59

又W1+W?

=4038.46（d）

联立（a）,（b）,（c）式,解得：

W1=1952.81kg/h;

W2=2085.65kg/h

D1=1992.66kg/h

224蒸发器的传热面积估算

式中Qi---第i效的传热速率，W

Ki---第i效的传热系数，W/（ml°

C）

ti---第i效的传热温度差，C

Si-----第i效的传热面积，mi

在双效蒸发中，为了便于制造和安装，通常采用各效传热面积相等的蒸发器，即

Si

Qi

Qi=Diri=1992.662294.21000/3600=1.27106W

t1T-t111682.11833.882C

Ki取850W/（m2?

<

）K2取1500W/（m2?

K）

S1KQ\1

12710644.10m2

85033.882

Q2=W1r2=1952.812351.11000/3600=1.28106W

t2Tt2

8161.99219.008C

q2

S2—

K2t2

1.281062

44.89m2150019.008

误差为1纽144卫0.0180.05误差很小，在误差允许范围之内，故

Smax44.89

计算得各效蒸发面积合理。

其各效溶液浓度无明显变化不必再算考虑到各种损失，安全系数取1.1

故S‘1=1.1S1=48.51m2

2

S'

=1.1S2=49.38m

效数

1

冷凝器

加热蒸汽温度（C）

116

80

59

操作压强Pi/（KPa）

180

47.4

19.3

溶液沸点tiC

82.118

61.992

完成液浓度（％）

12.51

26

蒸发水量WKg/h

1952.81

2085.65

生蒸汽量DKg/h

1992.66

传热面积Sm2

44.10

44.89

2.3蒸发器结构的设计

2.3.1加热管及加热室的选择2.3.1.1加热管的选择和管数确定

根据《常用化工单元设备设计》162页，蒸发器通常采用38x2.5mm不锈

无缝钢管，取管长L=6m当加热管的规格和长度确定后，可由下式初步估算所需管子数

S

••n

d°

（L0.1）

式中S——传热面积，m2;

d。

——加热管直径，m；

L――管子长度，m。

因加热管固定在管板上，考虑管板厚度所占据的传热面积则计算口的管长

应用（L-0.1）m

2.3.1.2加热室壳体直径的计算:

管心距一般为外径的1.25-1.5倍，则选用正方形排列，管心距取1.2538=48mm

加热室内和加热管数采用作图法，具体做法是先计算管束中心线上的管数nc,管

子按正方形排列时：

nc1=1.1—638根nc2=1.19一648根

Ditnc12b'

b'

（11.5）d0取b'

1.5b01.53857mm

式中D——壳体直径，m；

t管间距，m；

nc――沿直径方向排列的管子数

b'

——最外层管中心到壳体内壁的距离,

根据《常用化工单元设备设计》163页为了工程上安装方便，取实际内径为480mm

2.3.2分离室结构计算

H=2D=2.72m

2.3.3接管尺寸的确定

式中Vs-----流体的体积流量m/h;

U流体的适宜流速

m/s,估算出内径后，应从管规格表格中选用相近的标准管。

2.3.3.1溶液进出口

于并流加料的三效蒸发，第一效溶液流量最大，若各效设备尺寸一致的话,根据第一效溶液流量确定接管。

取流体的流速为0.8m/s;

进料口密度取

1000kg/m3

0..052m

D阿46000

0uV360010003.140.8

所以取巾57X2.5mn规格管。

233.2加热蒸气进口与二次蒸汽出口

2.3.3.3冷凝水出口

冷凝水的排出一般属于液体自然流动，接管直径应由各效加热蒸气消耗量较大者确定。

取流体的流速为0.1m/s

所以取巾89X4.0mn规格管。

结果总览

蒸发水量Kg/h

W1=1952.81

W2=2085.65

生蒸汽量Kg/h

传热面积m

S仁44.1

S2=44.89

加热管尺寸mm

38X2.5

加热管数量

63

64

壳体直径mm

D=480

L=6000

分离室尺寸m

D=1.36

L=2.72

进料口尺寸mm

巾57X2.5

加热烝汽进口尺寸mm

1巾377X9.0

冷凝水出口尺寸mm

巾89X4.0

第3章参考文献

[1]陈英南，刘玉兰主编

.常用化工单元设备的设计

[M].广东：

华东理工大学,

[2]李凤华，于士君主编

[3]许学勤，王海鸥主编

•化工原理[M].大连：

大连理工大学出版社，2010.7

•食品工厂机械与设备[M]北京：

中国轻工业出版社，

2005.

2011.7