工程原理设计

1食品工程原理课程设计说明书设计题目：蔗糖水溶液三效并流蒸发装置设计者：班级2010级食品科学与工程3班姓名李世燕学号20104061315指导教师：吴大伟设计成绩：日期黑龙江八一农垦大学食品学院2目录1前言.................................................................................................................................31.1蒸发流程特点.......................................................................................................31.2.操作任务...............................................................................................................31.3设计条件及设计方案说明.................................................................................32.蒸发器的工艺计算........................................................................................................42.1（1）各效蒸发量和完成液浓度的估算...............................................................42.2各效蒸发溶液的沸点和有效总温度差的估算...................................................52.2.1各效由于沸点而引起的温差损失△´´.....................................................52.2.2由于液柱静压力而引起的沸点升高(温度差损失）..............................62.2.3由于流动阻力而引起的温差损失.......................................................72.2.4各效料液的温度和有效总温差................................................................72.3加热蒸汽消耗量和各效蒸汽发水量的初步计算..............................................82.4蒸发器传热面积的估算......................................................................................92.5有效温度的再分配..............................................................................................102.5.2重复上述计算步骤...............................................................................102.6计算结果列表................................................................................................133蒸发器的主要结构尺寸设计.......................................................................................143.1.1加热管的选择和管数的初步估计.......................................................143.1.2循环管的选择...........................................................................................143.1.3加热室直径及加热管数目的确定...........................................................143.1.4分离室直径与高度的确定...................................................................153．2接管尺寸的确定............................................................................................163.2.1蔗糖的进出口.......................................................................................163.2.2加热蒸汽进口与二次蒸汽出口...........................................................163.2.3冷凝水出口...........................................................................................174蒸发装置的辅助设备...................................................................................................174.1气液分离器.....................................................................................................174.2蒸汽冷凝器.....................................................................................................174.3泵的选型.......................................................................................................185三效并流蒸发装置流程图........................................................................................................186参考文献.......................................................................................................................183任务设计说明书1前言1.1蒸发流程特点蒸发器可广泛用于医药、食品、化工、轻工等行业的水溶液或有机溶媒溶液的蒸发,特别适用于热敏性物料(例如中药生产的水、醇提取液等)。同时，蒸发操作也可对溶剂进行回收。蒸发是使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作。蒸发有它独特的特点：从传热方面看，原料液和加热蒸气均为相变过程，属于恒温传热；从溶液特点分析，有的溶液有晶体析出、易结垢、易生泡沫、高温下易分解或聚合、粘度高，腐蚀性强；从传热温差上看，因溶液蒸气压降低，沸点增高，故传热温度小于蒸发纯水的温度差。随着工业蒸发技术的发展，蒸发器的结果和型式也不断的改进。目前，蒸发器大概分为两类：一类是循环型，包括中央循环管式、悬筐式、外热式、列文式及强制循环式等；另一类是单程型，包括升膜式、降膜式、升—降膜式等。这些蒸发器型式的选择，要多个方面综合得出。现在化工生产实践中，为了节约能源、提高经济效益，很多厂家采用的蒸发设备是多效蒸发。因为这样可以降低蒸气的消耗量，从而提高蒸发装置的各项热损失。多效蒸发流程可分为：并流流程、逆流流程、平流流程以及错流流程。在选择型式时应考虑料液的性质、工程技术要求、公用系统的情况等。1.2.操作任务（1）蒸发器处理能力为年产40000吨蔗糖水溶液；（2）每年按照300天计，每天24小时；（3）蔗糖水溶液的原料浓度为11％，完成液体浓度为57％；原料液温度为第一效沸点温度；（4）加热汽压力为200kPa（绝压），冷凝器的绝压为15kPa（绝压）；（5）各效蒸发器的总传热系数分别为K1=1500W/（m2·℃）、K2=1000W/（m2·℃），K3=800W/（m2·℃）（6）蒸发器中溶液的液面高度为1.5m；（7）各效加热蒸发汽的冷凝液在饱和温度下排出，假设各效传热面积相等，忽略热损失。（8）中央循环管式蒸发器1.3设计条件及设计方案说明本次设计要求采用中央循环管式蒸发器，在工业上被称为标准蒸发器。其特点是结构紧凑、制造方便、操作可靠等。它的加热室由一垂直的加热管束构成，在管4束中央有一根直径较大的管子，为中央循环管。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。在蒸发操作中，为保证传热的正常进行，根据经验，每一效的温差不能小于5～7。通常，对于沸点升高较大的电解质溶液，应采取2～3效。由于本次设计任务是处理蔗糖水溶液。这种溶液是一种沸点升高较大的电解质，故选用三效蒸发器。另外，由于蔗糖水溶液是一种粘度不大的料液，故多效蒸发流程采用并流操作。多效蒸发器工艺设计的主要依据是物料衡算、热量衡算及传热速率方程。计算的主要项目为蒸发器的传热面积。2.蒸发器的工艺计算2.1（1）各效蒸发量和完成液浓度的估算总蒸发量=5556因并流加料，蒸发中无额外蒸气引出，可设==1359kg/h=1.11494kg/h1631kg/h5以上各式中：W——总蒸发量，kg/h;Wi——各效蒸发量，kg/hF——原料液流量，kg/h；Xo，xi——原料液及各效完成液浓度（质量%）。2.2各效蒸发溶液的沸点和有效总温度差的估算设各效间压力降相等，则总压力差为=200-15=185kPa各效间的平均压力差为==61.7kPa由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即式中P---各效加热蒸汽压强与二次蒸气压强之差KPa，1P----第一次加热蒸气的压强KPa/KP-----末效冷凝器中的二次蒸气的压强KPa由各效的二次蒸汽压力，从手册中可查的相应的二次蒸汽的温度和气化潜热列于下表中效数123二次蒸汽压力.kPa138.376.615二次蒸汽温度(即二次蒸汽的气化的温度)109.293.253.5二次蒸气的气化潜热.kJ/kg（即下一效加热蒸气的气化潜热）2234.