真空浓缩设备的设计

真空浓缩设备的设计说明书-0-大学真空浓缩毕业设计说明书任务名称：真空浓缩设备的设计设计人：指导教师：班级组别：设计时间：2013.4.1-2013.6.5成绩:目录真空浓缩设备的设计说明书-1-1、设计说明书…………………………………………………………………22、设计方案的确定……………………………………………………………33、方案说明……………………………………………………………………44、物料衡算……………………………………………………………………55、热量衡算……………………………………………………………………56、工艺尺寸计算………………………………………………………………97、附属设备尺寸计算…………………………………………………………158、主要技术参数………………………………………………………………179、计算结果汇总………………………………………………………………1710、设备流程及装备图…………………………………………………………1811、参考文献……………………………………………………………………21真空浓缩设备的设计说明书-2-第1章真空浓缩装置设计进料为2吨/小时的单效真空浓缩装置，用于浓缩天然乳胶的生产。已知进料浓度为30%，成品浓度为60%，蒸发器真空度为0.085MPa。加热蒸汽的压力为0.143MPa。1.1原始数据：1、原料：浓度为30%的天然乳胶2、产品：浓度为60%的天然乳胶3、生产能力：进料量二吨每小时，一天工作10个小时4、热源：加热蒸汽为饱和水蒸汽，压力为0.143MPa。5、压力条件：蒸发器为0.085MPa的真空度1.2设计要求内容：1、浓缩方案的确定：蒸发器的型式、蒸发操作流程、蒸发器的效数等。2、蒸发工艺的计算：进料量、蒸发水量、蒸发消耗量、传热面积等。3、蒸发器结构的计算：加热室尺寸、加热管尺寸及排列、蒸发室尺寸、接管尺寸等。4、附属设备的计算：冷凝器、真空系统的选用5、流程图及装配图绘制1.3设计要求1、设计说明书一份；2、设计结果一览表；蒸发器主要结构尺寸和计算结果及设备选型情况等；3、蒸发器流程图和装配图真空浓缩设备的设计说明书-3-第2章设计方案的确定2.1蒸发器的确定选用降膜式蒸发器。在降膜式蒸发器内，溶液沿加热管壁呈膜状流动而进行传热和蒸发，液膜传热热阻较小，即使在较低的传热温度差(如5～10℃)下，传热系数也较大。由于溶液不循环，在蒸发器中的停留时间短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发。而且，整个溶液的浓度，也不象循环型那样总是接近于完成液的浓度，故由于溶液蒸汽压降低所引起的温度差损失就相对小些。此外，因是膜状流动，故液柱静压强引起的温度差损失可以略去不计。所以在相同操作条件下，这种蒸发器的有效温度差较大。由于蒸发管很长，料液沸腾时所生成的泡沫极易在管壁上因受热而破裂，因此降膜蒸发器又适用于蒸发易生成泡沫的料液，同时也适用于蒸发粘度较大的料液。因为天然乳胶粘度大，又是热敏性物料，所以选择降膜式蒸发器。另外降膜式蒸发器的造价相对于其他蒸发器相对较低。所以综合考虑后选择降膜式蒸发器。1.蒸发器的效数：单效真空蒸发。虽然知道双效比单效节能，但是天然乳胶必须在低温条件下生产，为了保证质量只得选用单效。对于天然乳胶这种热敏性较高的物料，采用真空蒸发降低沸点是有必要的。2.操作压力：直接饱和蒸汽加热，压力为0.143MPa。。3.辅助设备：冷凝器用水喷式冷凝器；惯性捕集器真空浓缩设备的设计说明书-4-第3章方案说明本流程采用直接蒸汽加热，单效降膜式蒸发器蒸发。使用25℃水作为冷却剂，冷凝水出口温度为40℃。3.1设备流程：1）物料：天然乳胶通过预热管预热，然后由顶部液体分布器均匀进入加热管内，由上而下靠自身重力拉成薄膜状，通过壳层的热源使其内部水分产生蒸发。料液聚集到倾斜的底部，与蒸发产生的二次蒸汽一起进入分离室。蒸汽从顶部经捕集器净化后吸出，浓缩液流由分离室底部流出，由分离室出来的物料浓度达到所要求60％。2）加热蒸汽：Ⅰ效蒸发与其预热管内物料的热能由蒸汽供给。一效二次蒸汽全部进入水喷式冷凝器冷却。3）本流程采用直接蒸汽加热，单效降膜式蒸发器。使用25℃水作为冷却剂，冷凝水出口温度为40℃。真空蒸发的条件：不断供给热量；要维持天然乳胶的沸腾，需要不断供给热量。必须顺速排除二次蒸汽；如不及时排除二次蒸汽，又会凝结成水回到天然乳胶中去。本操作中将二次蒸汽引入冷凝器冷却。真空浓缩设备的设计说明书-5-第4章物料衡算4.1蒸发水量的计算:每小时处理量：∵nxxFW01（常用化工单元设备设计153页4-2）hKgxxFW/1000)60301(2000)1(10式中0F—原料处理量，kg/h；x0——进蒸发器料液的浓度，质量百分比；x1——出蒸发器料夜的浓度，质量百分比；W——水分蒸发量kg/h；4.2成品产量：F1=0F-W=2000-1000=1000kg/h日处理量：每天10小时：2000×10=20吨/日真空浓缩设备的设计说明书-6-第5章热量衡算5.1有关参数（1）总蒸发量：1000kg/h（2）进料：1x=30%1T=110℃出料：2x=60%2T=95℃（3）真空度分配：蒸发器：1P=0.85×105Pa（查得此压力下饱和蒸汽温度1T=95℃）来自《食品工程原理》841页饱和水蒸汽表二次蒸汽的热参数值如下表压力(Pa)T(℃)比焓(KJ/kg)汽化潜热(kg)Ⅰ效加热蒸汽0P=1.43×1050T=1100i=2693.40=2232.0Ⅰ效二次蒸汽1P=0.85×1051T=951i=2668.71=2270.95.2加热蒸汽消耗量的计算加热蒸汽用量可通过热量衡算求得（查食品工程原理719页11-10）QlDhwhWFWHFhDH10)('式中：H——加热蒸汽的焓，kJ/kg;H´——二次蒸汽的焓，kJ/kg;h0——原料液的焓，kJ/kg;h1——完成液的焓，kJ/kg;hw——加热室排出冷凝液的焓，kJ/h;Q——蒸发器的热负荷或传热速率，kJ/h;QL——热损失，可取Q的某一百分数，kJ/kg;若原料由预热器加热至沸点后进料（沸点进料），即t0=t1，并不计热损失，则式可写为：rWrD'或rrWD'式中：D/W称为单位蒸汽消耗量，它表示加热蒸汽的利用程度，也真空浓缩设备的设计说明书-7-称蒸汽的经济性。rQWrDL'DrQ05.0L故rWrD95.0'由本书查附录得：当P=0.1473MPa(表)时，T=110℃，r=2232kJ/kg当Pc=85KPa(真空度)时，Tc＇＝95℃r＇＝2270.9kJ/kg故kg/h5.3传热面积的确定（查食品工程原理721页）蒸发器传热量：hkJD/239024922329.1070Q0有效温度差：1595110T101TT℃各类蒸发器传热系数（食品工程原理P722）蒸发器型式传热系数K（w/m2·k）蒸发器型式传热系数K（w/m2·k）水平沉浸加热式600~2,300升膜式1,200~6,000标准式（自然循环）600~3,000降膜式1,200~3,500标准式（强制循环）1,200~6,000悬筐式600~3,000外加热室式（自然循环）1,200~6,000蛇管式350~2,300外加热室式（强制循环）1,200~7,000通过上表按经验数据取：降膜式KmhkJK21/3500∴蒸发器加热面积：21112.531530002390249SmTKQ1070.9223295.02270.91000D0709.110001070.9WD真空浓缩设备的设计说明书-8-第6章工艺尺寸计算6.1加热器的尺寸根据《常用化工单元设备设计》162、164页，采用38×2.5mm不锈钢管，管长L=4m∴1284033.014.312.53n011LdS（根）式中S——传热面积，2m；0d——加热管直径，m；L——管子长度，m。取管间距为1.25Hd的同心圆排列：同心圆数根数同心圆直径16mmtn8.9014.3/5.476/D1212mmtD8.1855.4728.902D12318mmtD8.2805.4728.1852D23425mmtD8.3755.4728.2802D34531mmtD8.4705.4728.3752D45637mmtD8.5655.4728.4702D56在185.8～280.8之间的管板内，加一根200mm中央抽气管，所以排列总管数为130根。∴蒸发室加热面积：2I88.534033.014.3130Sm加热室壳体直径的计算：ebtD21式中D——壳体直径，m；t——管间距，m；b——沿直径方向排列的管子数e——最外层管中心到壳体内壁的距离，取mmdeH5.473825.125.1管子在管板上的排列间距：mmdH5.473825.125.1t中心排列管子数：1226b（根）真空浓缩设备的设计说明书-9-内径mmebtDB5.6175.4721125.47211根据《常用化工单元设备设计》163页取外壳壁厚δ=10mm外径mmDB5.637102.6172D11H将外径圆整到700mm6.2蒸发室直径的确定蒸发室：360040111VWdm（参考《化工设计》第19卷第5期1991年10月25日）式中1W——蒸发水量[kg/h]1V——二次蒸汽比体积kgm/30——二次蒸汽上升速度sm/查《食品工程原理》841页饱和水蒸气表并用计算得95℃饱和水蒸汽的密度31/5039.0mkgkgmV/98.15039.011311sm/04.25039.026.426.43310∴m586.0360004.2414.398.11000d1取md6.016.3蒸发室的截面积F=42d蒸发室：F1=46.014.32=0.28㎡6.4蒸发室的高度真空浓缩设备的设计说明书-10-根据《常用化工单元设备设计》163页取蒸发室高径比H/D=2∴蒸发室：mdH2.16.022116.5循环管尺寸上循环管直径取mdd12.06.02.02.011下循环管直径取mnddB38.0130033.0222式中Bd——加热管内径；n——加热管根数。6.6连接管直径的确定1、加热蒸汽进口管径dmdm=mF4式中：Fm——进口管截面积，㎡3600mmmDVFVm——加热蒸汽的比容，m3/kg根据加热蒸汽压力为0.143Mpa，由《食品工程原理》饱和水蒸汽表查得3/8254.0mkgVm=1/0.8254=1.2115m3/kg由《食品工厂机械与设备》得：加热蒸汽进口压力为3大气压，取饱和蒸汽的速度为30米/秒，蒸汽进口压力为1大气压，取饱和蒸汽的速度为25米/秒，故本题加热蒸汽进口压力为1.43大气压，取饱和蒸汽的速度为26.075米/秒。m——饱和蒸汽速度，26.075m/s故201382.03600075.262115.19.1070mFmmdm1327.014.301382.04由《食品工程原理》P852：取整后选用mmdm140，壁厚mm5.4,内截面积为201347.0m真空浓缩设备的设计说明书-11-所以实际饱和加热蒸汽的速度：smFVDmmm/75.26360001347.02115.19.1070360012、二次蒸汽出口的管径：二次蒸汽出口的温度为95℃，由《食品工程原理》841页饱和水蒸汽表查得3/5039.0mkgkgmVm/9845.15039.0113由《食品工厂机械与设备》在减压真空状态下，管的出口处二次蒸汽速度为100～160米/秒，取v1=100m/s所以d1=