食品工程原理課程設(shè)計——蒸發(fā)器的設(shè)計副本

1、課程設(shè)計授課時間：20122013年度 第2學(xué)期題 目：雙效并流降膜式蒸發(fā)器設(shè)計課程名稱：化工原理課程設(shè)計專業(yè)年級：食品科學(xué)與工程 2010級學(xué)號： 1005100220姓名：王鵬指導(dǎo)教師：謝毅黃麗2013年7月11日目錄第1章設(shè)計方案簡介-2 -第2章工藝流程圖及說明-3 -第3章 工藝計算及主體設(shè)備選型； -3 -3.1估計各效蒸發(fā)量和完成液濃度 -3 -3.4蒸發(fā)器的傳熱面積估算 -7 -42接管尺寸的確定 -9 -4 2 1溶液進出口 - 9 -4 2 2加熱蒸氣進口與二次蒸汽出口 - 10 -4 2 3冷凝水出口 - 10 -第5章 蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備 -10 -5 1氣液分離器-1

2、0 -5 2蒸汽冷凝器 -11 -5 2 1由計算可知，進入冷凝器的二次蒸汽的體積流量可計算得到冷凝器的直徑D.-11 -第6章參考文獻-16 -第7章設(shè)計評述-16 -課程名稱：化工原理課程設(shè)計填寫時間：2011年12月2日課程設(shè) 計任務(wù)設(shè)計題目：雙效并流蒸發(fā)器設(shè)計設(shè)計條件：采用雙效并流加料將 11 %的果汁濃縮到46 %。蒸發(fā)能力：18000 kg/h ;第I效的加熱蒸汽壓力：kPa(絕壓)；冷凝器的絕壓為：kPa;第I效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)：1100 W/(m2 K);第II效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)：850 W/(m2 K)設(shè)計內(nèi)容：計算蒸發(fā)器的傳熱面積設(shè)計的基本 要求、任務(wù)、 研究的問題通過

3、課程設(shè)計，要求學(xué)生能綜合運用本課程和前修課程的基本知識，進 行融會貫通、獨立思考，在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的化工單元操作的設(shè)計任 務(wù)，從而得到化工工程設(shè)計的初步訓(xùn)練。完成設(shè)計方案的簡介、蒸發(fā)工藝設(shè)計計算、繪制工藝流程圖設(shè)計 進度 安排1月3日，布置任務(wù)，查閱、收集相關(guān)設(shè)計資料、參考文獻等；4月7日，完成設(shè)計計算；8月11日，完成設(shè)計說明書。第1章設(shè)計方案簡介化工原理課程設(shè)計要求我們綜合運用化工原理、化工設(shè)備機械基礎(chǔ)、化工儀 表自動化等課程及有關(guān)先修課程所學(xué)知識， 完成以化工單元操作為主的一次工程 設(shè)計，主要內(nèi)容包括化工工藝設(shè)計和化工設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。 從而對我們進行一次設(shè) 計技能的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生

4、綜合運用所學(xué)的書本知識解決實際問題的能力。通過課程設(shè)計，要求能夠綜合運用本課程和前修課程的基本知識進行融會貫通，并在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的化工設(shè)計任務(wù)， 從而得到化工工程設(shè)計的初步 訓(xùn)練。蒸發(fā)操作條件的確定主要指蒸發(fā)器加熱蒸汽的壓強（或溫度），冷凝器的操作壓強（或溫度）的確定，正確選擇蒸發(fā)的操作條件，對保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低 能耗極為重要。本課程設(shè)計是雙效并流設(shè)計。第2章工藝流程圖及說明第3章工藝計算及主體設(shè)備選型;3.1估計各效蒸發(fā)量和完成液濃度每小時水分蒸發(fā)量：x. W F 1 -0（常用化工單元設(shè)備設(shè)計 153頁）x2W 18000 1 01113695.652 kg/h0.46式中F0原料

5、處理量，kg/h;X0進I效蒸發(fā)器料液的濃度，質(zhì)量百分比；X2出R效蒸發(fā)器料夜的濃度，質(zhì)量百分比；W水分蒸發(fā)量kg/h ;由常用化工單元設(shè)備設(shè)計P153故 Wi=18000 =6521.739 (kg/h) 1 1.1W(kg/h)其中，W第I效白蒸發(fā)量，kg/hW-第II效白蒸發(fā)量，kg/hI效二次蒸汽濃度xF0x0 = 18000 11% %F0 W1 18000 6521.739有關(guān)參數(shù)(1) 原料液總量：18000 kg/h(2)進料：x1=11% T1 =89C出料：X2 =46%T2 =41.4 C來自食品工程原理741頁飽和水蒸汽表二次蒸汽的熱參數(shù)值如下表壓力(kPa)T(C)汽

6、化潛熱(kg)I效加熱蒸汽T1=891=22I效二次蒸汽T169'1 =n效加熱蒸汽P=28.536T2=682n效二次蒸汽P=， _T2 =4222397.908冷凝處蒸汽P=T3=413 2400.估計各效溶液的沸點和有效總溫度差式中:tm t0溫度差損失，c-操作壓強下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點升高，c-液層靜壓引起的溫度差損失，C管路流動阻力引起的溫度差，Ca 常壓下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點升高，Cf 校正系數(shù)，無因次，其經(jīng)驗計算式為：'_20.0162(T273)2IIr式中：T 操作壓強下二次蒸汽的溫度，C操作壓強下二次蒸汽的汽化潛熱,kJ/kggh2式中

7、：pm 溶液內(nèi)部平均壓強，Pap0 液面上方的壓強，Pah 溶液液層高度，m(該題設(shè)其液層高度為6m)溶液密度，kg/ m3常壓下，11%的蔗糖溶液水果原汁沸點變化情況與一般果汁相同 故使用內(nèi)插法常溫下果汁沸點升高al0.145 Ca2 1.48 C0.0162 69 273 212333.0540.145 0.118 ( C)1.480.992 ( C)0.0162 42 273 222397.908由于靜壓強，降膜式蒸發(fā)器:1= 2=0( C)121 ( )兩 效 果 汁 的 沸 點 分 別 為t 1111 69 0.118 0 1 69 70.118 Ct 2 = 222 42 0.99

8、2 0 1 42 43.992 C壓力(kPa)T(C)汽化潛熱 (kJ/kg)I效加熱蒸汽Ti=8922I效料液tii =I效二次蒸汽'Ti 69'i =n效加熱蒸汽P=28.536T2=68II效料液P=t 22 =n效二次蒸汽'T2 =42'22397.908冷凝處蒸汽T3=4i2400.3.3加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計算第i效的始衡算式為：QiDri (Fcp0 Wcpw W2cpw .W iCpw) (tii ti) Wr有上式可求得第i效的蒸發(fā)量Wi ,若在始衡算式計入溶液的能縮熱及蒸發(fā) 器的熱損失時，尚需考慮熱利用系數(shù) 一般溶液的蒸發(fā)，

9、x (式中 x為溶液 的濃度變化，以質(zhì)量分率表示)。第i效的蒸發(fā)量皿的計算式為riti 1 tiWiiDi (FCpo WiCpw W2cpw . Wi iCpw)-iriri式中Di-第i效的加熱蒸汽量，kg/h ,當(dāng)無額外蒸汽抽出時Di=皿i；ri-第i效加熱蒸氣的汽化潛熱，kJ/kg ;r -第i效二次蒸氣的汽化潛熱，kJ/kg ;Cp0一 原料液的比熱，kJ/(kg. C)；cpw -水的比熱，kJ/(kg. C);ti, ti 1-分別為第i效及第i-1效溶液的沸點，C；i-第i效的熱利用系數(shù)無因次，對于加熱蒸汽消耗量，可列出 各效始衡算式并與式W W, W2四聯(lián)解而求得。第一效的始

10、衡量式為：W1¥ FCp0y)進料,Cp0=3.91kJ/(kg.kJ/kg,對于沸點進料，t01C)Cpw kJ/(kg. C),查課本附錄九得n=2125.4t1D1r一 _W1= 1-18 D1 =0.98Di(a)同理第二效的熱衡算式為：2 =8所以W2W1r22FCp。W1Cpwt1t22=0.98 W+(18000 -Wi4.187)=0.933 皿 +(b)又 w+W2 =聯(lián)立(a),(b),(c)(d)式,解得：皿=kg/h ； W2 = kg/hD1= kg/h3.4蒸發(fā)器的傳熱面積估算任意一效的傳熱速率方程為：Si =QiKi ti式中Qi-第i效的傳熱速率，WK

11、i-第i效的傳熱系數(shù)，W/ (m2. C)ti -第i效的傳熱溫度差，C§ -在雙效蒸發(fā)中, 器，即第i效的傳熱面積，m2為了便于制造和安裝，通常采用各效傳熱面積相等的蒸發(fā)QiSiQKi tiQi=Dii t1T -3106W89 70.11818.882 Cg aS1K1 t14.42 1061100 18.8822212.80m2Q2=Wir2t2T t2106W68 43.992 24.008 CS2Q2K2 t24.45 1062218.06 m850 24.008誤差為Smin 1 -Smax1 21280 0.024 0.05誤差很小，在誤差允許范圍之內(nèi) 218.06故計

12、算得各效蒸發(fā)面積合理。其各效溶液濃度無明顯變化不必再算。效數(shù)12冷凝器加熱蒸汽溫度（C）896742操作壓強Pi/ （KPa）溶液沸點tjc完成液濃度（）46蒸發(fā)水量W Kg/h生蒸汽量D Kg/h傳熱面積S m2故 S 11 m2S 22 m2第4章.工藝尺寸計算加熱管及加熱室的選擇加熱管的選擇和管數(shù)確定根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計162頁，蒸發(fā)器通常采用 38X2.5mm不銹無縫鋼管，根據(jù)設(shè)計任務(wù)管長L=9 m 式初步估算所需管子數(shù)當(dāng)加熱管的規(guī)格和長度確定后，可由下d0(L0.1)n1d0(L 0.1)234.083.14 38 10 3 8.9221根n2d0(L0.1)239.8733.1

13、4 38 108.9226根式中S傳熱面積，m2；d。一一加熱管直徑，m；L管子長度，m 。因加熱管固定在管板上，考慮管板厚度所占據(jù)的傳熱面積則計算ni的管長應(yīng)用(L-0.1) m加熱室殼體直徑的計算：管心距一般為外徑的1.25-1.5倍，則選用正方形排列，管心距取1.25 38=48mm加熱室內(nèi)和加熱管數(shù)采用作圖法，具體做法是先計算管束中心線上的管數(shù)nc,管子按正方形排列時：nciJ221 18根nc2j226 18根Di t nc 1 2b' b' (1 1.5)d0 取 b' 1.5b0 1.5 38 57mm式中 D殼體直徑，m；t 管間距，m； nc沿直徑方向

14、排列的管子數(shù) b'最外層管中心到殼體內(nèi)壁的距離，內(nèi)徑 D1B t b 1 2e 48 17 1 2 57/1000 880mmD2B t b 1 2e 48 17 12 57/1000 880mm根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計163頁為了工程上安裝方便，取實際內(nèi)徑為1000mm4 2接管尺寸的確定流體進出口的內(nèi)徑按下式計算d楞式中 V5 -流體的體積流量m3/h; U 流體的適宜流速m/s，估算出內(nèi)徑后，應(yīng)從管規(guī)格表格中選用相近的標準管。4 2 1溶液進由口于并流加料的三效蒸發(fā)，第一效溶液流量最大，若各效設(shè)備尺寸一致的話, 根據(jù)第一效溶液流量確定接管。取流體的流速為0.8m/s ;D00.0

15、85m4V4 18000u 3600 1079.11 3.14 0.8所以取力90X2.5mn®格管。4 2 2加熱蒸氣進口與二次蒸汽由口各效結(jié)構(gòu)尺寸一致二次蒸汽體積流量應(yīng)取各效中較大者。取流體的流速為40m/s,Di0.582m4V4 6999.23.u 1 3600 0.1828 3.14 40所以取力610X6.0mn®格管。4 2 3冷凝水由口D24V4 6833.08V3600 1000 3.14 0.10.1555m所以取力168X4.0mn®格管。第5章蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備5-1氣液分離器蒸發(fā)操作時，二次蒸汽中夾帶大量的液體，雖在分離室得到初步的分離，

16、但 是為了防止損失有用的產(chǎn)品或防止污染冷凝液， 還需設(shè)置氣液分離器，以使霧沫 中的液體聚集并與二次蒸汽分離， 故氣液分離器或除沫器。具類型很多，我們選 擇慣性式除沫器，起工作原理是利用帶有液滴的二次蒸汽在突然改變運動方向 時，液滴因慣性作用而與蒸汽分離。取流體的流速為25m/s在慣性式分離器的主要尺寸可按下列關(guān)系確定：D0=D;D: D2: D3=1: 1.5 : 2 H= DD0- 二次蒸汽的管徑，m 徑，mD-除沫器外管的直徑，m 徑，mH 除沫器的總高度，m h距離，m4V4 6696.42D0.,3600 0.3314 3.14 253h=0.40.5 D1D 1 除沫器內(nèi)管的直D 3

17、 除沫器外殼的直 除沫器內(nèi)管頂部與器頂?shù)?.221m則取相近標準管子245 6.5mm ,則 Do=245D=245mm D2= D 3=490mm H=490mm h=98mm選取二次蒸汽流出管：245 6.5mm 除霧器內(nèi)管： 377 9.0mm除霧器外罩管：530 9.0mm5 2蒸汽冷凝器蒸汽冷凝器的作用是用冷卻水將二次蒸汽冷凝。 當(dāng)二次蒸汽為有價值的產(chǎn)品 需要回收或會嚴重地污染冷卻水時， 應(yīng)采用間壁式冷卻器。當(dāng)二次蒸汽為水蒸氣 不需要回收時，可采用直接接觸式冷凝器。二次蒸汽與冷凝水直接接觸進行熱交 換，其冷凝效果好，被廣乏采用?，F(xiàn)采用多孔板式蒸汽冷凝器：5 2 1由計算可知，進入冷凝

18、器的二次蒸汽的體積流量可計算得到冷凝器的直徑Dc 4V4 6999.23D0 J J 0.374m 取 D=377mm,u . 3600 0.04425 3.14 20機組號項目I效蒸發(fā)器R效蒸發(fā)器進料濃度4.5%6.31%進料溫度C6-進料量kg/h4716二次蒸汽壓力MPa1蒸汽溫度C6出料濃度6.31%28%出料量kg/h716計算結(jié)果匯總表料液處理量，kg/h4716蒸發(fā)水量,kg/h4000n產(chǎn)品產(chǎn)量,kg/h716蒸汽用量,kg/h冷凝水用量，kg/h78700I效蒸發(fā)器直徑，m1.6R效蒸發(fā)器直徑，mI效蒸發(fā)器傳熱面積,m21II效蒸發(fā)器傳熱面積,m2I效蒸發(fā)器高度,mII效蒸發(fā)

19、器高度，m加熱管尺寸,mm32 1.5 L 3000上循環(huán)管直徑，m下循環(huán)管直徑，m加熱蒸汽進口管徑，mm219I效二次蒸汽出口進入II效的管徑，mm245II效二次蒸汽的出口管徑，mm325分布器旋液式捕集器慣性捕集器冷凝器水噴式冷凝器設(shè)備流程及裝備圖（一）設(shè)備流程圖6順流式雙效真空降膜濃縮設(shè)備流程圖1-平衡槽2-冷凝水泵3-二效蒸發(fā)器4- 一效蒸發(fā)器5-殺菌器6-保溫管7-物料泵8冷凝水泵9-出料泵10-酸、堿洗滌液貯存槽11-熱壓泵12-冷卻水泵 13-水力噴射器14-物料預(yù)熱器15-水箱16-分氣缸17-回流閥18-出料閥（二）一效蒸發(fā)器簡圖300(600) 1171物料入口2上不凝氣

20、體出口3物料入口4加熱蒸汽入口5物料出口6真空壓力表接頭7卜/、凝氣體出口8加熱蒸汽冷凝水出口9二次蒸汽物料出口接分離器10物料出口11加熱蒸汽入口12物料入口13真空壓力表接頭14加熱蒸汽，冷凝水出口設(shè)計者指導(dǎo)者日期比例；備注梁福宜陳海光12006.11: 120一效蒸發(fā)器簡圖（三）慣性捕集器第 6 章 參考文獻1 賈紹義，柴誠敬主編. 化工原理課程設(shè)計M. 天津：天津大學(xué)出版社， 2002.2 蘄明聰，程尚模，趙永湘 . 換熱器 M. 重慶：重慶大學(xué)出版社， 1990.3 魏兆燦 . 塔設(shè)備設(shè)計M. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 1988.4 聶清德編. 化工設(shè)備設(shè)計M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991.5 袁林根 . 機械工程手冊（第二版） M. 北京：機械工業(yè)出版社， 1997.6 時鈞主編. 化學(xué)工程手冊M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996.7 匡國柱 . 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2006.8 陳英南，劉玉蘭主編. 常用化工單元設(shè)備的設(shè)計M. 廣東：華東理工大學(xué)， 2005.9第 7 章 設(shè)計評述化工原理是在研究化學(xué)工業(yè)共性的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 本課程屬于技術(shù)基礎(chǔ)課程， 主要研究化工生產(chǎn)中的物理加工過程， 按其操作