蔗糖水溶液双效蒸发装置的设计论文讲解.docx
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蔗糖水溶液双效蒸发装置的设计论文讲解
食品工程原理课程设计说明书
设计题目：
蔗糖水溶液二效蒸发装置的设计
设计者：
班级—
姓名学号_
指导教师：
设计成绩：
日期
1.任务书3...
2.概述3
2.1蒸发及蒸发流程3...
2.2蒸发操作的分类3...
2.3蒸发操作的特点4...
2.4蒸发操作的设备4...
3.双效蒸发的工艺计算5...
3.1蒸发器的设计步骤6..
3.2蒸发器的计算方法6..
3.2.1各效蒸发量和完成液浓度的估算：
6.
3.2.2各效溶液沸点及有效总温差的估算7.
3.2.3蒸发器传热面积和有效温差在各效中的分配：
13
4.加热室结构尺寸的计算：
1..7
4.1加热管的选择和管数的初步估计1..7
4.2循环管的选择1..7.
4.3加热室直径及加热管数目的确定1..7
4.4分离室直径与高度的确定1..8
4.5接管尺寸：
1..8.
4.5.1溶液进口尺寸：
1..9
4.5.2加热蒸汽与二次蒸汽出口：
1..9
4.5.3冷凝水出口：
1..9
5.蒸发装置的辅助设备1..9
5.1气液分离器1..9.
5.2蒸汽冷凝器2..0.
5.3泵的选型2..0.
参考文献2..1..
1.任务书
含固形物3.4%（质量分率，下同）的蔗糖水溶液，拟经二效真空蒸发装置进行浓缩，要求成品浓度为49%原料液温度为第一效沸点（60C）,加热蒸汽压力为500kPa（绝压），冷凝器为15kPa（绝压），日处理量为20000吨/年，日工作时间为24小时，试设计该蒸发过程。
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
一效米用自然循环，传热系数为1200w/（m2-k），第二效米用强制循环，传热系数为800w/（m2•k），各效蒸发器中料液液面均为1.5m,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。
2.概述
2.1蒸发及蒸发流程
蒸发是采用加热的方法，使含有不挥发性杂质（如盐类）的溶液沸腾，除去
其中被汽化单位部分杂质，使溶液得以浓缩的单元操作过程。
蒸发操作广泛用于浓缩各种不挥发性物质的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较为常见的单元操作。
化工生产中蒸发主要用于以下几种目的：
1获得浓缩的溶液产品；
2、将溶液蒸发增浓后，冷却结晶，用以获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等产品；
3、脱除杂质，获得纯净的溶剂或半成品，如海水淡化。
进行蒸发操作的设备叫做蒸发器。
蒸发器内要有足够的加热面积，使溶液受热沸腾。
溶液在蒸发器内因各处密度的差异而形成某种循环流动，被浓缩到规定浓度后排出蒸发器外。
蒸发器内备有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，应将其在冷凝器中加以冷凝。
蒸发过程中经常采用饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把作热源用的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液蒸发出来的蒸汽叫做而次蒸汽。
2.2蒸发操作的分类
按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。
按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。
若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。
多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。
按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。
真空蒸发有许多优点：
（1）、在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸
发器的传热面积；
（2）、可以利用低压蒸气作为加热剂；
（3）、有利于对热敏性物料的蒸发；
（4）、操作温度低，热损失较小。
在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用。
因此，单效蒸发多为真空蒸发；多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在真空下操作。
2.3蒸发操作的特点
从上述对蒸发过程的简单介绍可知，常见的蒸发时间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传热过程，蒸发器也就是一种换热器。
但和一般的传热过程相比，蒸发操作又有如下特点：
⑴沸点升高蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在港台压力下溶液的蒸气压较同温度下纯溶剂的蒸气压低，使溶液的沸点高于纯溶液的沸点，这种现象称为溶液沸点的升高。
在加热蒸气温度一定的情况下，蒸发溶液时的传热温差必定小于加热唇溶剂的纯热温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。
⑵物料的工艺特性蒸发的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能析出晶体，或易于结垢；有些则具有较大的黏度或较强的腐蚀性等。
如何根
据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备是蒸发操作彼此必须要考虑的冋题。
⑶节约能源蒸发时汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸气。
如何充分利用热量，提高加热蒸气的利用率是蒸发操作要考虑的另一个问题。
2.4蒸发操作的设备
图1双效并流蒸发设备
蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。
蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热室和蒸发室组成。
蒸发的辅助设备包括：
使液沫进一步分离的除沫器，和使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。
减压操作时还需真空装置。
兹分述如下：
由于生产要求的不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。
对常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：
（1）循环型蒸发器特点：
溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同,接近于完成
液的温度。
操作稳定。
此类蒸发器主要有
a.中央循环式蒸发器，
b.悬框式蒸发器，
c.外热式蒸发器，
d.列文式蒸发器
e.强制蒸发器。
其中，前四种为自然循环蒸发器
（2）单程型蒸发器特点：
溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。
优点：
溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的蒸发；温度差损失较小，表面传热系数较大。
缺点：
设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。
此类蒸发器主要有
a升膜式蒸发器，
b.升膜式蒸发器，
c.舌【J板式蒸发器。
本次设计采用的是中央循环管式蒸发器：
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央循环管。
当管内液体被加热沸腾时，中央循环管内气液混合物的平均密度较大；而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。
在密度差的作用下，溶液由中央循环管下降，而由加热管上升，做自然循环流动。
溶液的循环流动提高了沸腾表面传热系数，强化了蒸发过程。
这种蒸发器结构紧凑，制造方便，传热较好，操作可靠等优点，应用十分广泛，有“标准蒸发器”之称。
为使溶液有良好的循环，中央循环管的截面积，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之间。
但实际上，由于结构上的限制，其循环速度一般在0.4〜0.5m/s以下；蒸发器内溶液浓度始终接近完成液浓度；清洗和维修也不够方便。
3.双效蒸发的工艺计算
多效蒸发的工艺计算的主要依据是物料衡算和、热量衡算及传热速率方程计算的主要项目有：
加热蒸气（生蒸气）的消耗量、各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积。
计算的已知参数有：
料液的流量、温度和浓度，最
终完成液的浓度，加热蒸气的压强和冷凝器中的压强等
3.1蒸发器的设计步骤
蒸发器的设计计算步骤多效蒸发的计算一般采用试算法。
根据工艺要求及溶液的性质，确定蒸发的操作条件（如加热蒸气压强及冷凝器的压强），蒸发器的形式、流程和效数。
根据生产经验数据，初步估计各效蒸发量和各效完成液的浓度。
（1）根据经验假设蒸气通过各效的压强降相等，估算个效溶液沸点和有效总温差。
（2）根据蒸发器的焓衡算，求各效的蒸发量和传热量。
（3）根据传热速率方程计算各效的传热面积。
若求得的各效传热面积不相等，
则应按下面介绍的方法重新分配有效温度差，重复步骤（3）至（5），直到所求得各效传热面积相等（或满足预先给出的精度要求）为止。
3.2蒸发器的计算方法
3.2.1各效蒸发量和完成液浓度的估算:
选取的是二效顺流加热的蒸发装置。
已知条件为：
处理能力为F=30000
（T/年）,原料液的浓度为°=3.5%，完成液浓度为i=50%。
总蒸发量W=F（1-「）……（1-1）
n
F=200001000=2778（Kg/h）
300汇24
35
代入数据有W=2778（1-一5）2584（Kg/h）
50
对于顺流操作的多效蒸发，因为有自蒸发现象，可按如下比例进行估计W1:
W2
=1:
1.1……（1-2）
在蒸发过程中，总蒸发量为各效蒸量之和
即W=W1+W2……（1-3）
所以由（1-1）、（1-2）及（1-3）分别代入数据后可以得出:
W（=1230（Kg/h）W2=1254（Kg/h）
任何一效i中料液的浓度为
代入数据有
7.=J0
iF-W-W2--Wn
41670.033
20
—x100%—50%
F-W-W24167-1848-2033
以上各式中：
W---
--总蒸发量，Kg/h
Wi--
---各效蒸发量，Kg/h
F
原料液流量，Kg/h
0
i---原料液及各效完成液浓度（质量%
3.2.2各效溶液沸点及有效总温差的估算
（1）欲求各效沸点温度，需假定压强，一般加热蒸汽压强和冷凝器中的压强
是给定的，其他各效压强可按各效间蒸汽压强降相等的假设来确定。
即
f
.：
P=R-Pk……（1-4）
n
式中：
.沪------各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差，Kpa
P1------第一效加热蒸汽的压强，Kpa
Pk------末效冷凝器中的二次蒸汽压强，Kpa
由已知条件可知：
P1=500（Kpa）Pk=15（Kpa）n=2
代入数据有：
•：
P二500T5二242.5（Kpa）
2
所以在一效蒸发装置中其二次蒸汽压强为：
P=500-242.5=257.5（Kpa）
在末端冷凝装置中其压强为：
Pk=15（Kpa）查附录表可知蒸汽温度：
T=53.9
「C）
据已知条件，假定效间流动温差损失为1K,查饱和蒸汽表，可列出各热参数
值如下表：
蒸汽
压力（Kpa）
温度（C）
汽化热（kJ/kg）
一效加热蒸汽
：
500
151.7
2100.8
一效二次蒸汽
257.5
128.3
2182.4
二效加热蒸汽
127.3
2184.5
二效二次蒸汽
54.9
2377.9
进冷凝器蒸汽
15
53.9
2377.1
（2）多效蒸发中的有效传热总温度差可用
下式计算
x'.-：
t=（「—Tk）"……（1-5）
式中：
'：
〈——有效总温度差，为各效有效温度差之和（°C）
Ti——第一效加热蒸汽的温度，（C）
Tk冷凝器操作压强下二次蒸汽的饱和温度，（C）
、'丄总的温度差损失，为各效温度差损失之和，（C）
其中:
、：
—」-、丄……（1-6）
式中：
——由于溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失，（C）
—-----由于蒸发器中溶液的静压强而引起的温度差损失，（C）
丫由于管路流体阻力产生压强降而引起温度差损失，（C）
由于溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失
r可由校正系数法和杜林规则求得，在此使用校正系数法来算
T2*
•416.2……（1-7）
r
式中：
T------操作压力下水的沸点，（K）r操作压力下水的汽化热，（J/kg）
a乙------常压下溶液沸点升高，Ko
糖液不同质量分数Ws对应的常压沸点升高如下表:
ws/%
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
"k
0.1
0.2
0.3
0.4
0.6
0.8
1.0
1.4
1.8
2.3
3.0
第一效由于压强降引起的温差损失厶1
首先由上面的表可知在ws=6.3%时，亠=0.04
由后面的附表可算出：
在T=128.3（C）时r=2182.4（kJ/kg）代入公式（1-7）中有：
=0.05（°C）
16.2（128.3273.2）
2182.4103
第二效由于压强降引起的温差损失2
首先由上面的表可知在ws=50%寸，爲=1.8
后面的附表可算出：
在T=54.9（C）时r=2377.9（kJ/kg）代入公式（1-7）中有：
"16.2严，严2（54・9273・2）1—1.3（C）r2377.9汉10
由于溶液静压强而引起的温度差损失二
由于蒸发器中溶液静压强引起的温度差损失也"某些蒸发器在操作时，器内溶液需维持一定的液位，因而蒸发器中溶液内部的压强大于液面的压强，致使溶液内部的沸点较液面处的为高，二者之差即为因溶液静压强引起的温度差损失
:
为简便起见，日夜内部的沸点可按液面和底层的平均压强来查取，平均压强近似按静力学方程估算：
Pm=P卄型……（1-8）
2
式中：
Pm——蒸发器中液面与底部间平均压强，Kpa
P——二次蒸汽的压强，即液面处的压强，Kpa
?
溶液的平均密度，kg/m3
h溶液的高度，m
g重力加速度，m/s2
二tpm-tp（1-9）
式中：
tpm——根据平均压强Pm求的水的沸点，（C）
tp根据二次蒸汽压强P求得的水蒸气的沸点，（C）
第一效由于溶液的静压强引起的温度差损失U1
由已知条件可知h=1.5（m）P=257.5（Kpa）
332
「=1.013103kg/mg=9.8m/s
根据公式（1-8）代入数据有：
有前面已知在P=257.5（Kpa）下，tp=128.3（C）
所以有公式（1-9）可知：
冷二tpm-tp=130.25-128.3=1.95（C）
第二效由于溶液静压强引起的温度差损失.■:
2
由已知条件可知：
在第二效中二次蒸汽的温度为T=54.9（C）
由此可根据附录表（4-1）可求出其压强：
P=15.273（Kpa）
又有：
h=1.5（m）g=9.8（m/s2）「=1.21103（kg/m）
所以有公式（1-9）并代入数据有：
在Pm=24.567（Kpa）时，可由附录表（4-1）求得：
tpm=64.6（C）
所以亠=tpm-tp=64.6—54.9=9.7（C）
由于管道流体阻力产生的压强降所引起的温度损失•厂
在多效蒸发中，末效以前各效的二次蒸汽流到次一效的加热室的过程中，由于管道的阻力，使其压强降低，蒸汽的饱和温度也相应的降低，由此引起的温度差损失即为.厂。
根据经验，取各效间管道阻力引起的温度损失为1C。
各效中溶液的沸点的计算：
由公式：
Tj=tp―和……（1-10）
式中：
t——第i溶液的沸点，（C）
tp根据二次蒸汽压强P求得的水蒸气的沸点，（C）
「第i所有的温度损失，（C）
第一效溶液的沸点T1:
由公式（1-10）可知：
「=tp冷=128.30.051.95=130.3（C）
第二效溶液的沸点T2:
由公式（1-10）可知：
T2二tp勺=54.91.39.7=65.7
对以上各项数据汇表如下:
第一次各效参数估值表
效数
浓度
沸点「C）
二次蒸汽温
度（C）
汽化热（kJ/kg）
蒸汽焓
（kJ/kg）
0
0.033
151.7
2100.8
1
0.059
130.3
128.3
2182.4
2721.4
2
0.48
65.7
54.9
2377.9
2596.5
加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算：
由热量衡算列出多效蒸发溶液中第一效的热量衡算式:
Sirs-V1riFCpF（T1-TF）
移项可得：
w=Si空FCpFe_Tl）……（1-11）
riri
令：
r二乞卄……（i-i2）
riri
：
i称为第一效的蒸发因数，其意义是：
1Kg加热蒸汽冷凝时放出的热量所能蒸发溶液中水分的千克数，其近似值等于1,计算式按
：
1〜1处理。
将式（1-12）代入（1-11）中有：
W1=Sr'1'Fcpf：
1
取：
1〜1,贝UW1=S1FCpF1……（1-13）
考虑到因存在热损失会对V1产生影响，将上式乘以小于1的因数1，则实际为：
W1=（S1FCp」）1……（1-14）
式中，1可称为第一效的热利用因数。
对于一般溶液的蒸发，可取1=0.98。
同理，按式（1-14）的推出方法，可得到第二效蒸发量的表达式
W2=0（FCpF-CpWV1「2]2
由于V^S2,所以W2=[W1（FCpF-CpwV1厂2]2……（1-15）其中1=2=0.98匕二匸12……（1-16）
以上各式中：
Wi、W2——第一、二效中的蒸发量，kg/h
各效的蒸发因数，
CpF——原料液的比热，KJ/kgC
CpW——水的比热，KJ/kgC
TfTiT2——加热蒸汽、第一、二效溶液的沸点，c
ri、j第一、二效蒸汽的汽化热，kJ/kg
所以，由已知条件可知，原料液是由沸点进料的，即TF
由式（1-12）可知：
S=0
则由式（1-14）WiFCpFi=31=0.98S……（1-17）
由式（1-16）=130^-65^=0.026（k-kg/kJ）
r22377.9
cpF=cpW（1-wF）=4.18（1-0.035）=4.034（KJ/kg-K）
取2=0.98由式（1-15）:
W2=[W1（FCpF-CpW^厂2]2
二[0.98S1（27784.034-4.18WJ0.026]0.98
-0.85S1285.2
由式（1-3）W=W+W2
即0.98S1+0.85S1+285.2=2584=S1=1256.2（kg/h）
由式（1-17）:
W1=（3FCpF-1）1二S11=0.980=0.98X1256.2=1231.1（kg/h）
W2=0.850285.2=1353（kg/h）
与假设相比，符合1:
1.1，其误差均小于3%所以可不必对各效蒸发水量及浓度加以修正。
3・2・3蒸发器传热面积和有效温差在各效中的分配:
任一效的传热速率方程为：
Qi二KjA.itj
式中：
Q第i效传热速率，W;
Ki——第i效的传热系数，W/（mC）
Ai第i效的传热面积，m2
.■:
ti第i效的传热温差，°C
有效温差的分配的目的是为了求取蒸发器的传热面积A，即
A1A2Q2……（1-18）
K2：
t2
式中：
Q"i=5订0Q2
在多效蒸发中，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A-A-A。
若求得的传热面积不相等，应依据各效面积相等的原则重新分配各效有效温度。
方法如下：
设以■:
t■表示各效面积相等时的有效温差，则
K1A
K2A
与式（1-18）相比可得:
（1-20）
所以根据式（1-19），可得出:
也=T0-T^-S=151.7-128.3-2.0=21.4C
t2二T1—T2-辽=128.3—54.9-1.3-9.7-1=61.4C
1256・2KO。
8WOO畀8.5（m2）
120021.43600
（m2）
A2二旦」231‘2721・41000=18.9K2t61.58003600
为使设备加工及制造方便，选取A^A^A，先结果A1工A2,所以原设的温度分布有误，应重新调整。
根据式（1-21）、（1-20）对其进行重新分配。
如下：
第一次校正：
由式（1-5）有'冷=（「-Tk）-'•」151.7一53.9一14.0=83.8C
几缶人2讥2（21.428.561.418.9）
/\1
（1-21）得一t~83.8（m2）
-21.1
（1-20）得£二AV：
t计空21.4=28.9C
A21.1
：
t2二A.：
t2二18961.4=55C
A21.1
对温差进行重新分配有：
FFF
利=151.7-2二T1=120.8二一效沸点为：
122.8C
选=120.3-丁2-12.0二T2=53.3二二效沸点为：
65.3C
校正后各效的温度分布及物性数据如下表:
效数
溶液浓度
沸点C
二次蒸汽温
度（C）
汽化热（kJ/kg）
蒸汽焓
（kJ/kg）
0
0.035
151.7
151.7
2100.8
1
0.062
122.8
120.8
2203.1
2710.1
2
0.5/
65.3
53.3
2375.5
2594.7
同理由式（1-12）可知：
「二0
则由式（1-14）W1=（S1FCpF齢）1=S10.980……（1-17）
由式（1-16）”乎=卑誇=0.024（K・kg/kJ）
CpF二cpw（1-wF）=4.18（1-0.035）=4.034（KJ/kg•K）
取，=0.98由式（1-15）:
W2二[0.98Sj（27784.034-4.18W1）0.024]0.98
-0.86S1263.6
由式（1-3）W=W+W2
即0.98S1+0.86S1+263.6=2584二S1=1261.1（kg/h）
由式（1-17）:
W1=（S1FcpF■-1）1=5—0.980=0.98x1261.1=1235.9（kg/h）
W2=0.86S,263.6=1499.5（kg/h）
根据式（1-18）、且K1=1200W/（m2C）K2=800W/（m2C），可得出:
A1
d」261'21°°.81000=21.2（m2）
Kr：
t1120028.93600
（m2）
Q21235.92203.11000
K2屯一558003600
由计算结果可知：
A1工A2工A.所以还得继续对其校
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