食品工程原理课程设计——蒸发器的设计 - 副本

课程设计
授课时间：2012——2013年度第2学期
题目：双效并流降膜式蒸发器设计课程名称：化工原理课程设计
专业年级：食品科学与工程2010级学号：1005100220
姓名：王鹏
指导教师：谢毅黄丽
2013年7月11 日
目录
第1章设计方案简介................................................................................................................ - 2 - 第2章工艺流程图及说明........................................................................................................ - 3 - 第3章工艺计算及主体设备选型；........................................................................................ - 3 -
3.1 估计各效蒸发量和完成液浓度 ............................................................................... - 3 -
3.4 蒸发器的传热面积估算............................................................................................... - 7 -
4·2接管尺寸的确定 ........................................................................................................... - 9 - 4·2·1溶液进出口........................................................................................................ - 9 -
4·2·2加热蒸气进口与二次蒸汽出口 ...................................................................... - 10 -
4·2·3冷凝水出口...................................................................................................... - 10 - 第5章蒸发装置的辅助设备.................................................................................................. - 10 -
5·1气液分离器 ................................................................................................................. - 10 - 5·2蒸汽冷凝器 ................................................................................................................. - 11 - 5·2·1由计算可知,进入冷凝器的二次蒸汽的体积流量可计算得到冷凝器的直径D . -
11 -
第6章参考文献...................................................................................................................... - 16 - 第7章设计评述...................................................................................................................... - 16 -
课程名称：化工原理课程设计填写时间：_2011_年_12_月_2_日
第1章设计方案简介
化工原理课程设计要求我们综合运用化工原理、化工设备机械基础、化工仪表自动化等课程及有关先修课程所学知识，完成以化工单元操作为主的一次工程
设计，主要内容包括化工工艺设计和化工设备结构设计。

从而对我们进行一次设计技能的基本训练，培养学生综合运用所学的书本知识解决实际问题的能力。

通过课程设计，要求能够综合运用本课程和前修课程的基本知识进行融会贯通，并在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。

蒸发操作条件的确定主要指蒸发器加热蒸汽的压强（或温度），冷凝器的操作压强（或温度）的确定，正确选择蒸发的操作条件，对保证产品质量和降低能耗极为重要。

本课程设计是双效并流设计。

第2章 工艺流程图及说明
第3章 工艺计算及主体设备选型；
3.1 估计各效蒸发量和完成液浓度
每小时水分蒸发量： ∵⎪⎭
⎫
⎝⎛-
=x210x F W （常用化工单元设备设计153页） 652.1369546.011.0118000=⎪⎭
⎫
⎝⎛-=W kg/h
式中0F —原料处理量，kg/h ；
x 0——进Ⅰ效蒸发器料液的浓度，质量百分比； x 2——出Ⅱ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》 P 153
取W1:W2=1:1.1
故 W 1=1
.1118000
+=6521.739 (kg/h)
W 2=18000-6521.739=7173.913(kg/h) 其中，W 1——第Ⅰ效的蒸发量，kg/h
W 2——第Ⅱ效的蒸发量，kg/h Ⅰ效二次蒸汽浓度1000W F x F x -=
I =739
.652118000%
1118000-⨯=17.25%
有关参数
（1） 原料液总量：18000 kg/h （2） 进料： 1x =11% 1T =89℃
出料： 2x =46% 2T =41.4℃
来自《食品工程原理》741页饱和水蒸汽表
二次蒸汽的热参数值如下表
.3.2 估计各效溶液的沸点和有效总温度差
t t f m a +=∆'''
∆=∆'∆'
''+∆''+∆'=∆
式中：∆——温度差损失，℃
∆'——操作压强下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，℃ ∆''——液层静压引起的温度差损失，℃
∆'''——管路流动阻力引起的温度差，℃ '
∆a ——常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，℃ f ——校正系数，无因次，其经验计算式为：
'
2
')273(0162.0r T f += 式中：T '——操作压强下二次蒸汽的温度，℃ γ'——操作压强下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg 2
0gh
p p m ρ+
=
式中：m p ——溶液内部平均压强，Pa 0p ——液面上方的压强，Pa
h ——溶液液层高度，m （该题设其液层高度为6m ）
ρ——溶液密度，kg/ m 3
常压下，11％的蔗糖溶液水果原汁沸点变化情况与一般果汁相同 故使用内插法
常温下果汁沸点升高C a ︒='
∆145.01 C ︒='∆48.12a
()118.0145.0054
.2333273690162.02
1
=⨯+=∆' (℃) ()992.048.1908
.2397273420162.02
2
=⨯+=∆'(℃)
由于静压强，降膜式蒸发器："
∆1="
∆2=0(℃)
=∆'''1
=∆'''2 1 (℃) 两效果汁的沸点分别为：
t 1118.706910118.069111
=+++=+∆'''+∆''+∆'=℃ t 2=992.434210992.04222
2=+++=+∆'''+∆''+∆'℃
.3.3 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：
01211(.....)()pw i i i p pw c i pw i i i
Q Dr Fc Wc W W c t t Wr --==----⨯-+
有上式可求得第i 效的蒸发量W i ，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η一般溶液的蒸发，η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i W 的 计算式为
10121[(.....)]pw i i i i i i
p pw c i pw i i r t t
W D Fc W c W W c r r η---=+----''
式中 i D ----第i 效的加热蒸汽量，kg/h ，当无额外蒸汽抽出时i D = 1i W -； i r ----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 ；
p c ----原料液的比热 ，).(C kg kJ ︒ ；
pw
c ----水的比热，).(C kg kJ ︒；
i t ，1i t ---分别为第i 效及第i-1效溶液的沸点，℃；
i η------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12n W W W W =++⋅⋅⋅+联解而求得。

i η =0.98
第一效的焓衡量式为: ）（/1
10011
11
1r t t FC r r D W P -+=η
1η =0.98
进料，0P C =3.91kJ/(kg.℃)，PW C =4.187 kJ/(kg.℃)，查课本附录九得
1r =2125.4 kJ/kg,对于沸点进料，10t t =
∴1W =1
η'
11
1r r D =0.98⨯2329.879/2333.0541D =0.981D (a) 同理第二效的热衡算式为:
2η=0.98
所以()⎥⎦⎤
⎢⎣⎡'--+'
=2211022122r t t C W FC r r W W pW p η
=0.98⨯[1W ⨯2392.887/2397.908+(18000⨯3.91-1W ⨯4.187)⨯(70.118-43.992)/2397.908]
=0.9331W +751.477 (b)
又Θ1W +2W =13695.652 (d) 联立(a),(b),(c)式,解得:
1W =6696.42kg/h ；2W =6999.23 kg/h
1D = 6833.08 kg/h
3.4 蒸发器的传热面积估算
任意一效的传热速率方程为:i S =
i
i i
t K Q ∆ 式中 i Q ---第i 效的传热速率，W
i K ---第i 效的传热系数，W/（m 2.℃）
i t ∆---第i 效的传热温度差，℃
i S -----第i 效的传热面积，m 2
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
i
i i
i t K Q S ∆=
Q 1=D 1r 1=6833.08⨯2329.879⨯1000/3600=4.42⨯106W 882.18118.7089t -11=-==∆T t ℃
26
111180.212882
.1811001042.4m t K Q S =⨯⨯=∆=
Q 2=W 1r 2=6696.42⨯2392.887⨯1000/3600=4.45⨯106W 008.24992.4368t 22=-=-=∆T t ℃
26
222206.218008.248501045.4m t K Q S =⨯⨯=∆=
误差为05.0024.006
.21880
.21211max min 〈=-=-
S S 误差很小，在误差允许范围之内,故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=1.1S 1=1.1 212.80=234.08 m 2 S ’2=1.1S 2=1.1 218.06=239.87 m 2
.第4章.工艺尺寸计算
4.1加热管及加热室的选择 4.1.1 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φ38×2.5mm 不锈无缝钢管，根据设计任务管长L=9 m 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 ∴)
1.0(n 0-=
'L d S
π
2219
.8103814.308
.234)1.0(n 3
01=⨯⨯⨯=-=
-L d S π根 2269
.8103814.387
.239)1.0(n 302=⨯⨯⨯=-=
-L d S π根
式中 S ——传热面积，2m ；
0d ——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n i 的管长应用（L-0.1）m
4.1.2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1.25 ⨯38=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：n c1=1.1918221= 根 n c2 1.1918226=根
()'21b n t Di c +-= 0)5.11('d b -= 取mm b b 57385.15.1'0=⨯==
式中 D ——壳体直径，m ； t ——管间距，m ；
n c ——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，
内径()()mm e b t D B 8801000/57211748211=⨯+-⨯=+-=
()()mm e b t D B 8801000/57211748212=⨯+-⨯=+-= 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1000mm
4·2接管尺寸的确定
流体进出口的内径按下式计算u
V d s
π4=
式中 s V
-----流体的体积流量m 3/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。

4·2·1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 ；
m V
D 085..08
.014.311.1079360018000
4u
40=⨯⨯⨯⨯=
=
π
所以取ф90X2.5mm 规格管。

4·2·2加热蒸气进口与二次蒸汽出口
各效结构尺寸一致二次蒸汽体积流量应取各效中较大者。

取流体的流速为
40m/s ，
m V
D 582.040
14.31828.0360023
.69994u
41=⨯⨯⨯⨯=
=
π
所以取ф610X6.0mm 规格管。

4·2·3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
m V
D 1555.01
.014.31000360008
.68334u
42=⨯⨯⨯⨯=
=
π
所以取ф168X4.0mm 规格管。

第5章 蒸发装置的辅助设备
5·1气液分离器
蒸发操作时，二次蒸汽中夹带大量的液体，虽在分离室得到初步的分离，但是为了防止损失有用的产品或防止污染冷凝液，还需设置气液分离器，以使雾沫中的液体聚集并与二次蒸汽分离，故气液分离器或除沫器。

其类型很多，我们选择惯性式除沫器，起工作原理是利用带有液滴的二次蒸汽在突然改变运动方向时，液滴因惯性作用而与蒸汽分离。

取流体的流速为25m/s 在惯性式分离器的主要尺寸可按下列关系确定：D 0=D 1；
D 1：D 2：D 3=1：1.5：2 H= D 3 h=0.4~0.5 D 1 D 0--------二次蒸汽的管径，m D 1--------除沫器内管的直径，m
D 2--------除沫器外管的直径，m D 3--------除沫器外壳的直径，m
H---------除沫器的总高度，m h---------除沫器内管顶部与器顶的距离，m
m V
D 221.025
14.33314.0360042
.66964u
40=⨯⨯⨯⨯=
=
π则取相近标准管子
mm 5.6245⨯Φ，则 D 0=245
D 1=245mm D 2=367.5mm D 3=490mm H=490mm h=98mm
选取二次蒸汽流出管：mm 5.6245⨯Φ 除雾器内管：mm 0.9377⨯Φ 除雾器外罩管：mm 0.9530⨯Φ
5·2蒸汽冷凝器
蒸汽冷凝器的作用是用冷却水将二次蒸汽冷凝。

当二次蒸汽为有价值的产品需要回收或会严重地污染冷却水时，应采用间壁式冷却器。

当二次蒸汽为水蒸气不需要回收时，可采用直接接触式冷凝器。

二次蒸汽与冷凝水直接接触进行热交换，其冷凝效果好，被广乏采用。

现采用多孔板式蒸汽冷凝器：
5·2·1由计算可知,进入冷凝器的二次蒸汽的体积流量可计算得到冷凝器的直径D
m V
D 374.020
14.304425.036006999.23
4u
40=⨯⨯⨯⨯=
=π 取D=377mm
计算结果汇总表
设备流程及装备图（一）设备流程图
（二）一效蒸发器简图
（三）惯性捕集器
第6章参考文献
[1] 贾绍义，柴诚敬主编. 化工原理课程设计[M]. 天津：天津大学出版社，2002.
[2] 蕲明聪，程尚模，赵永湘. 换热器[M]. 重庆：重庆大学出版社，1990.
[3] 魏兆灿. 塔设备设计[M]. 上海：上海科学技术出版社，1988.
[4] 聂清德编. 化工设备设计[M]. 北京：化学工业出版社，1991.
[5] 袁林根. 机械工程手册（第二版）[M]. 北京：机械工业出版社，1997.
[6] 时钧主编. 化学工程手册[M]. 北京：化学工业出版社，1996.
[7] 匡国柱. 化工单元过程及设备课程设计[M]. 北京：化学工业出版社，2006.
[8] 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，2005.
[9] 任晓光.化工原理课程设计知道.化学工业出版社
第7章设计评述
化工原理是在研究化学工业共性的基础上发展起来的。

本课程属于技术基础课程，主要研究化工生产中的物理加工过程，按其操作原理的共性归纳成若干个“单元操作”，研究对象由过程和设备两部分组成，通过学习本课程不仅使学生掌握如流体输送、液体搅拌、过滤、沉降、传热、蒸发、精馏、吸收、干燥等典型化工单元操作的知识，而且让我们掌握一般工程处理方法。

本次做的是蒸发操作。

蒸发操作大量用于化工、制药、食品、生物等生产。

由此可见蒸发在现实生产生活中的作用极其重要。

鉴于蒸发的重要性，我们专门做了有关蒸发课程设计的的说明书。

在老师的辛勤指导下，我们顺利地完成了蒸发课程设计。

双效蒸发器是一种基于低温操作和能耗节省的浓缩设备，已广泛应用于中药行业中，尤其适用于热敏性物料的低温真空浓缩，是目前中药提取液浓缩过程的常用设备。

在做课程设计的过程中，我们明白了理论与实际结合的重要性，课程设计让我们有机会把所学的知识运用在实践中去，真正有用的解决实际问题。

从这次课
程设计的过程中，我学到了如何选择一种合适的双效蒸发的设备等。

在这次课程设计作业的过程中由于在设计方面我们没有经验，理论基础知识掌握得不牢固，在设计中难免会出现这样那样的问题，如：在计算的时候可能会出现误差，如果是联系紧密或者循序渐进的计算误差会更大，在查表和计算上精度不够准确；这些都暴露出了前期我在这些方面知识的欠缺和经验的不足。

对于我来说，收获最大的是方法和能力；那些分析和解决问题的能力。

最重要的是，我学到了如何去独立完成一项与实际结合的设计，培养了我综合应用化工原理课程及其他课程的理论知识和理论联系实际，应用生产实际知识解决工程实际问题的能力，在今后的学习过程中我会更加努力。

真的很感谢有这样的一次机会！。