日处理量为15吨牛奶双效真空蒸发器装置的设计.docx
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日处理量为15吨牛奶双效真空蒸发器装置的设计
日处理量为15吨牛奶双效真空蒸发器装置的设计
吉林化工学院食品工程原理课程设计
吉林化工学院
食品工程原理课程设计
教学院化工与生物技术学院专业班级食品科学与工程1202班学生姓名学生学号
指导教师
2014年5月13日
吉林化工学院食品工程原理课程设计
中文摘要..................................................................................................................1
食品工程原理课程设计任务书................................................................................2
1概述与设计方案的选择........................................................................................3
1.1概述...........................................................................................................................................3
1.2设计方案的选择......................................................................................................................5
2工艺设计计算.......................................................................................................6
2.1估计各效蒸发量和完成液浓度..............................................................................................6
2.2、估计各效溶液的沸点和有效总温度差................................................................................6
2.2.1各效由于溶液沸点而引起的温度差损失?
'...............................................................7
2.2.2由于液柱静压力二引起的温度差损失?
''...................................................................8
2.2.3由于流动阻力而引起的温度差损失?
'''......................................................................9
2.2.4各效料液的温度和有效温差.......................................................................................9
2.3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算....................................................................10
2.4蒸发器传热面积的估算........................................................................................................10
2.5有效温差的再分配................................................................................................................11
2.6核算........................................................................................................................................11
2.6.1计算各效料液浓度.....................................................................................................11
2.6.2计算各效料液温度.....................................................................................................12
2.6.3各效的热量衡算..........................................................................................................12
2.6.4传热面积的计算.........................................................................................................13
3蒸发器工艺尺寸计算.........................................................................................14
3.1加热管的选择和管数的初步设计........................................................................................14
3.2循环管的选择........................................................................................................................14
3.3加热室直径及加热管数目的确定........................................................................................14
3.4分离室直径和高度的确定....................................................................................................15
3.5接管尺寸的确定.....................................................................................................................15
3.5.1溶液的进出口.............................................................................................................16
3.5.2加热蒸汽进口与二次蒸汽出口..................................................................................16
3.5.3冷凝水出口..................................................................................................................16
4蒸发装置的辅助设备.........................................................................................17
4.1气液分离器............................................................................................................................17
4.2蒸汽冷凝器............................................................................................................................18
I
吉林化工学院食品工程原理课程设计
5设计结果汇总表.................................................................................................19
6结果与讨论........................................................................................................20
致谢.......................................................................................................................21
参考文献................................................................................................................22
附录（主要符号说明）.........................................................................................23
II
吉林化工学院食品工程原理课程设计
中文摘要
蒸发操作广泛应用于化工、轻工、冶金、制药、食品等工作部门中，蒸发装置设计的任务是确定蒸发操作的条件、蒸发器的型式及蒸发操作流程进行工艺计算，确定蒸发器的传热面积及结构尺寸。
一项好的蒸发装置设计，除了要满足工艺要求以外，还要合理利用热能、降低蒸发过程的耗能，以便提高蒸汽利用的经济性。
为了减少设备投资费及操作费用，提高设备生产能力，为此选择一个合理的流程、设备形式操作条件甚为重要。
本文为日处理量为15吨牛奶双效真空中央循环管式蒸发器装置的设计过程，工艺设计计算包括物料衡算和热量衡算、传热面积的确定、蒸发器主要尺寸的确定等。
根据生产经验数据，初步估计各效蒸发量和完成液组成分别为0.15和0.38，根据经验假设蒸汽量通过各效的压力降相等，估计估计溶液沸点和有效总温差估算结果为第一效的沸点为68.08℃，第二效的沸点为55.65℃，有效总温差为37.27℃，根据蒸发器的热量衡算估算各效的蒸发量第一效的蒸发量为215.39kg/h，第二效的蒸发量为245.17kg/h，根据传热速率方程计算各效的传热面积不相等，根据各效传热面积相等的原则重新分配有效温差分别为26.56℃和10.74℃。
然后进行核算各效料液的组成重新核算为0.16和0.38，各效的料液温度经重新核算后第一效为73.44℃，由于完成液浓度和二次蒸汽压力均不变的条件下，各种温度差损失可视为恒定则末效仍为55.65℃，各效的热量衡算后各效的蒸汽消耗量分别为227.76kg/h、232.80kg/h，传热面积按各效传热面积相等的原则核算为7.85m2。
本文中央循环管式蒸发器结构设计计算主要涉及到加热时的直径、加热管的选择和管数的初步估计、加热管数目、分离室的直径和高度，经与实际结合起来计算得管子数定为74、循环管管径选用?
299?
7.5mm，加热室直径?
530?
10mm，分离室直径0.8m，分离室高度1.8m，溶液进出口为?
32?
7mm，加热蒸汽与二次蒸汽出口为?
180?
7mm，冷凝水出口为?
38?
2.5mm加热管循环管长度都为1m，加热管管径为?
38?
2.5mm，结构设计计算结果用于绘制CAD图。
关键词：
双效并流流程、中央循环管式蒸发器、CAD绘制
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吉林化工学院食品工程原理课程设计
食品工程原理课程设计任务书
1设计题目日处理量为15吨牛奶双效真空蒸发器装置的设计
2操作条件
（1）牛奶浓度：
入口10%，出口38%，进料温度10℃。
（2）加热介质：
绝对压力为100kPa的加热蒸汽，各效的冷凝液均在饱和温度下排出，假设各效传热面积相等，并忽略热损失。
（3）生产能力：
蒸发量X吨每小时，一天工作10个小时。
（4）热源：
加热蒸汽为饱和水蒸汽，压力0.15MPa
（5）估计蒸发器中溶液的液面高度为1.2m。
（6）压力条件：
第一效为600mmHg的真空度，第二效为700mmHg的真空度。
（7）牛奶密度1030kg/m3。
假定采用中央循环管式蒸发器，双效并流进料，效间流动温差损失设为1K，第一效采用自然循环，传热系数为900w/（m2·k），第二效采用强制循环，传热系数为1800w/（m2·k），各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出，并假设各效传热面积相等，忽略热损失。
3设计任务
（1）选择适宜的双效真空蒸发器并进行核算。
（2）工艺设计计算
包括选择适宜的蒸发器并进行核算，主要包括物料衡算和热量衡算、传热面积的确定、蒸
发器主要尺寸的确定等。
（注明公式及数据来源）
（3）结构设计计算
选择适宜的结构方案，进行必要的结构设计计算。
主要包括包括加热室直径、加热管的选
择和管束的初步估计、加热管数目、分离室的直径和高度。
（注明公式及数据来源）
（4）绘制工艺流程图绘制设备工艺条件图一张（2号图纸）；CAD绘制。
（5）编写设计说明书
2
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1概述与设计方案的选择
1.1概述
蒸发器的分类：
蒸发器主要由加热室和分离室组成。
加热室有多种多样的形式，以适应各种生产工艺的不同要求。
按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。
循环型蒸发器包括中央循环管式、悬筐式、外热式、列文式及强制循环型等，单程蒸发器包括升膜式、降膜式、升降模式及刮板式等。
这些蒸发器结构不同，性能各异，均能自己的特点和适应场合。
（1）循环型蒸发器
a、中央循环管式蒸发器属于自然循环型的蒸发器。
它是工业生产中广泛使用且历史悠久的大型蒸发器，至今在化工、轻工、环保等行业中仍被广泛采用。
它的加热室由管径为25mm--75mm，长度为1m--2m（长径之比约为20-40）的直立管束组成，在管束中央安装一根较粗的管子。
操作时，管束内单位体积溶液的受热面积大于粗管内的，即前者受热好，溶液汽化的多，因此细管内的溶液含汽量多，致使密度比粗管内溶液的要小，这种密度差促使溶液作沿粗管下降而沿细管上升的循环运动，故粗管除称为中央循环管外还称为降液管，细管称为加热管或沸腾管。
为了促使溶液有良好的循环，设计时取中央循环管截面积为加热管束总截面积的40%-100%.中央循环管式蒸发器是从水平加热室及蛇管加热室蒸发器发展而来。
相对于这些老式蒸发器而言，它具有溶液循环好、传热速率快等优点，同时由于结构紧凑、制造方便，应用十分广泛，有“标准蒸发器”之称。
但实际上由于结构的限制，循环速度一般在0.4m/s-0.5m/s以下；由于溶液不断循环，使加热管内溶液始终接近完成液的浓度，故有溶液粘度大、沸点高等缺点，此外，蒸发器的加热室不易清洗。
中央循环管式蒸发器适用于蒸发结垢不严重、有少量结晶析出和腐蚀性较小的溶液。
b、悬筐式蒸发室悬筐式蒸发器是中央循环管式蒸发器的改良，清洗时加热管束可以取出，用备用的加热管束替换，节省了等待的时间。
加热蒸汽由中央管进入管束的管间。
包围管束的外壳外壁面与蒸发器外壳内壁的环隙通道代替了中央循环管，操作时溶液沿环隙通道下降而沿加热管束上升。
一般环隙截面积约为加热管束总截面积的100%-150%，较中央循环管蒸发器的比例大，故改善与加速了料液的循环速度，循环速度可达1m/s--1.5m/s,不但提高了传热效果，也阻止了加热管内的结垢，这种蒸发器传热面积限于100m以下，
c、外热式蒸发器它之所以被广泛应用，是由于它具有很多优异的性能。
外热式循环蒸发器在蒸发过程中，料液进入加热室加热升温，由于未达到该状态下的饱和温度，溶液并不沸腾。
随着加热和管内压强的降低，当溶液的温度达到该状态下的饱和压强后，开始沸腾，从而产生大量气泡，溶液的密度也随之减小，这样在沸腾管中的气液混合物和循环管侧的未沸腾的料液间存在密度差形成了外热式自然循环蒸发器的循环推动力。
溶液得到的热量越多，阻力越小，沸腾情况越好，循环速度也越大。
外加热式蒸发器的加热管长径比为60~100，常压蒸发时，溶液在循环管内的循环速度小于一米每秒。
外热式循环蒸发器采用的是外置加热室，便于清洗和更换，并且不受分离室结构以及加热室尺寸的影响，一个蒸发器可配一到四个加热室，因此能够达到很大的蒸发能力。
d、列文蒸发器其结构特点是在加热室上增设沸腾室。
加热室中的溶液因受到沸腾室液柱
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附加的静压力的作用而并不在加热管内沸腾，直到上升至沸腾室内当其所受压力降低后才能开始沸腾，因而溶液的沸腾汽化由加热室移到了没有传热面的沸腾室，从而避免了结晶或污垢在加热管内的形成。
另外，这种蒸发器的循环管的截面积约为加热管的总截面积的2～3倍，溶液循环速度可达2.5至3m/s以上，故总传热系数亦较大。
这种蒸发器的主要缺点是液柱静压头效应引起的温度差损失较大，为了保持一定的有效温度差要求加热蒸汽有较高的压力。
此外，设备庞大，消耗的材料多，需要高大的厂房等。
除了上述自然循环蒸发器外，在蒸发粘度大、易结晶和结垢的物料时，还采用强制循环蒸发器。
在这种蒸发器中，溶液的循环主要依靠外加的动力，用泵迫使它沿一定方向流动而产生循环。
循环速度的大小可通过泵的流量调节来控制，一般在2.5m/s以上。
强制循环蒸发器的传热系数也比一般自然循环的大，但它的明显缺点是能量消耗大。
e、强制循环蒸发器强制循环蒸发器是依靠外加力——循环泵使液体进行循环。
它的加热室有卧式和立式两种结构，液体循环速度大小由泵调节。
根据分离室循环料液进出口的位置不同，它又可以分为正循环强制蒸发器及逆循环强制蒸发器，循环料液进口位置在出口位置上部的称为正循环，反之为逆循环。
逆循环强制蒸发器具有更多优点。
（2）单程型蒸发器
循环型蒸发器的共同特点蒸发器内料液的滞留量大，物料在高温下停留时间长，对热敏性物料不利。
在单程型蒸发器中，物料一次通过加热面即可完成浓缩要求；离开加热管的溶液及时加以冷却，受热时间大为缩短，因此对热敏性物料特别适宜。
a、升膜式蒸发器其加热室由许多竖直长管组成。
常用的加热管直径为25～50mm，管长和管径之比约为100～150。
料液经预热后由蒸发器底部引入，在加热管内受热沸腾并迅速汽化，生成的蒸汽在加热管内高速上升，一般常压下操作时适宜的出口汽速为20～50m/s，减压下操作时汽速可达100至160m/s或更大些。
溶液则被上升的蒸汽所带动，沿管壁成膜状上升并继续蒸发，汽、液混合物在分离器内分离，完成液由分离器底部排出，二次蒸汽则在顶部导出。
须注意的是，如果从料液中蒸发的水量不多，就难以达到上述要求的汽速，即升膜式蒸发器不适用于较浓溶液的蒸发；它对粘度很大，易结晶或易结垢的物料也不适用
b、降膜式蒸发器和升膜式蒸发器的区别在于，料液是从蒸发器的顶部加入，在重力作用下沿管壁成膜状下降，并在此过程中蒸发增浓，在其底部得到浓缩液。
由于成膜机理不同于升膜式蒸发器，故降膜式蒸发器可以蒸发浓度较高、粘度较大（例如在0.05～0.45Ns/m2范围内）、热敏性的物料。
但因液膜在管内分布不易均匀，传热系数比升膜式蒸发器的较小，仍不适用易结晶或易结垢的物料。
由于溶液在单程型蒸发器中呈膜状流动，因而对流传热系数大为提高，使得溶液能在加热室中一次通过不再循环就达到要求的浓度，因此比循环型蒸发器具有更大的优点。
溶液不循环带来好处有：
（1）溶液在蒸发器中的停留时间很短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发；
（2）整个溶液的浓度，不象循环型那样总是接近于完成液的浓度，因而这种蒸发器的有效温差较大。
其主要缺点是：
对进料负荷的波动相当敏感，当设计或操作不适当时不易成膜，此时，对流传热系数将明显下降。
c、刮片式蒸发器蒸发器外壳内带有加热蒸汽夹套，其内装有可旋转的叶片即刮板。
刮板有固定式和转子式两种，前者与壳体内壁的间隙为0.5～1.5mm，后者与器壁的间隙随转子的转数而变。
料液由蒸发器上部沿切线方向加入（亦有加至与刮板同轴的甩料盘上的）。
由于重力、离心力和旋转刮板刮带作用，溶液在器内壁形成下旋的薄膜，并在此过程中被蒸发浓缩，完成液在底部排出。
这种蒸发器是一种利用外加动力成膜的单程型蒸发器，其突出优点是对物料的适应性很强，且停留时间短，一般为数秒或几十秒，故可适应于高粘度（如栲胶、蜂蜜等）和易结晶、结垢、热敏性的物料。
但其结构复杂，动力消耗大，每平方米传热面约需1.5～3kW。
此外，其处理量很小且制造安装要求高
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1.2设计方案的选择
根据任务书要求选择中央循环管式蒸发器，双效并流加料，并进行核算对于双效并流加料，中间有闪蒸现象对蒸发有利，设计中我们还应从设计要求分析、系统功能分析、原理方案设计等几方面进行分析，对于牛奶蒸发采用真空状态，因为实际生产过程中在真空状态下达不到100℃就可沸腾，这样不会破坏牛奶的营养成分。
对于蒸发器的结构设计还应考虑到厂房的空间大小、地理环境，蒸发器的形状不但要符合实际要求还要利于工厂化生产与物料的加工，同时应符合低成本高效益的要求，所以尽量在符合数据处理结果的同时把蒸发器占地面积大众化。
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2工艺设计计算
2.1估计各效蒸发量和完成液浓度
原料液流量F?
15000?
625kg/h24
总蒸发量W?
F（1?
xF0.1）?
625（1?
）?
460.56kg/hx20.38
在蒸发过程中总蒸发量为各效蒸发量之和，即：
W?
?
Wi，
对于并流操作的双效蒸发，由于后一效溶液的沸点较前一效的低溶液进入后效发生闪蒸现象，可按如下比例进行计算：
W1:
W2?
1:
1.1，所以，
1W1?
W（）?
219.31kg/h,1?
1.1
1.1W2?
W（）?
241.25kg/h,1?
1.1
任一效中完成液的组成xi?
FxF，可以得出各效完成液的组成为:
F?
Wi
x1?
FxF6
升级会员 