苹果汁浓缩过程中三效并流蒸发器的设计方案

苹果汁浓缩过程中三效并流蒸发器的设计方案1设计说明书在制作果汁中，待处理好原理后，需要将果汁进行浓缩。现以每天72吨（按8h/天计）的流量将苹果汁固形物为12%的溶液浓缩到40%，原料液在第一效的沸点下加入，料液比热容为3.20/kJkg℃；各效蒸发器中溶液的平均密度分别为：311100/kgm，321250/kgm，331300/kgm。加热蒸汽绝压为500kPa，冷凝器的绝压为20kPa。根据经验，取各效蒸发器的总传热系数分别为：211500/KWm℃，221000/KWm℃，23600/KWm℃。各效加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出，各效传热面积相等，并忽略热损失，不考虑液柱静压对沸点的影响。试设计一合适的三效并流蒸发系统满足生产要求。2主要参数说明处理能力：每天72吨（按8h/天计）苹果汁。设备型式：中央循环管式蒸发器操作条件：①将苹果汁固形物为12%的溶液浓缩到40%，原料液温度为第一效沸点温度，料液比热容为3.20/kJkg℃②加热蒸汽绝压为500kPa，冷凝器的绝压为20kPa。③各效蒸发器中溶液的平均密度分别为：311100/kgm，321250/kgm，331300/kgm，各效蒸发器的总传热系数分别为：211500/KWm℃，221000/KWm℃，23600/KWm℃。④各效加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出，各效传热面积相等，并忽略热损失,不考虑液柱静压对沸点的影响。3设计计算多效蒸发工艺计算的主要依据是物料衡算、热量衡算及传热速率方程。计算的主要项目有：加热蒸汽的消耗量，各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积。计算的已知参数包括：料液的流量、温度和组成，加热蒸汽的压力和冷凝器中的压力等。3.1设计方案的确定随着工业技术的发展，蒸发设备的结构与形式亦不断改进和创新，其种类繁多，结构各异。在工业中常用的间接加热蒸发器分别为循环型和单程型两大类。循环型的蒸发器中有中央循环管式、悬框式、外加热式、列文式及强制循环管等，单程型的蒸发器有升膜式、降膜式、升-降膜式等。本设计选择中央循环管式蒸发器。因为循环型蒸发器中的中央循环管式又称标准式蒸发器，在化学工业中应用广泛。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，操作可靠，传热效果好。但溶液的循环速度低，传热温差小，影响了传热。在中央循环管内安装一旋浆式搅拌器即构成强制循环蒸发器，可是液体的循环速度提高2～3倍。下图为并流加料三效蒸发物料衡算和热量衡算的示意图：3.2估算各效蒸发量与完成液浓度苹果汁原料液加料量372109000/8Fkgh总蒸发量030.12(1)9000(1)6300/0.40xWFkghx因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设123::1:1.1:1.212313.3163001909.09/3.3Wkgh21.11909.092100/Wkgh31.21909.092290.91/Wkgh01190000.120.152390001909.09FxxFW021290000.120.216490001909.092100FxxFWW30.40x3.3估算二次蒸汽压强及溶液沸点和有效温度差11DT、00Fxt、、1T'1P'11WT、11xt、12WT'2P22xt、23xt、2T3T23WT'22WT、'33WT、'3P加热蒸汽绝压为500kPa,冷凝器的绝压为20kPa。设各效间压力降相等，则总压力差为'150020480KPPPkPa各效间的平均压力差为48016033iPPkPa由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即'11500160340iPPPkPa'2125002160180iPPPkPa''320KPPkPa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汽化潜热列于下表中。效数一二三二次蒸汽压力'/iPkPa34018020二次蒸汽温度'/iT℃（即下一效加热蒸汽的温度）137.78116.8460.08二次蒸汽的汽化潜热'//irkJkg（即下一效加热蒸汽的汽化潜热2155.182213.912354.92（1）各效由于溶液沸点而引起的温度差损失'根据各效二次蒸汽温度'iT（也即相同压力下水的沸点）和各效完成液浓度ix查的相应质量分数的沸点升高：糖液不同质量分数对应的常压沸点升高浓度/%15.2321.6440.00常压下的沸点升高'/a℃0.200.331.00再计算各效由于溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失：22''111'31(137.78273.15)16.216.20.200.252155.1810Tar℃22''222'32116.84273.1516.216.20.330.372213.9110Tar℃22''333'33(60.08273.15)16.216.21.000.762354.9210Tar℃''''1231.38℃（2）由于不考虑液柱静压对沸点的影响，故温度差损失不计，即''0（3）由流动阻力而引起的温度差损失'''，取经验值1℃，即'''''''''1231℃，则'''3℃。故蒸发室装置的总的温度差损失为：''''''1.38034.38℃（4）各效料液的温度和有效温度差，由各效二次蒸汽压力'iP及温度差损失i，即可由下式估算各效料液的温度it，'ttiii''''''1111''''''2222''''''33330.25011.250.37011.370.76011.76℃℃℃各效料液的温度为：'111137.781.25139.03tT℃'222116.841.37118.21tT℃'33360.081.7661.84tT℃有效总温差：'()sktTT查手册可得500kPa饱和蒸汽的温度为151.67℃，汽化潜热为2113.25KJ/kg，所以151.6760.084.3887.21t℃。3.4加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量第一效的热量衡算式为：011111''11()pottDrWFcrr对于沸点进料，01tt，考虑到苹果汁浓缩热的影响，热利用计算式为0.980.7iix，式中ix为第i效蒸发器中料液浓度的变化。10.980.7(0.15230.12)0.9574所以，111111'12113.250.95740.93882155.18DrWDDr第二效的热量衡算式为：1212221''22popwWrttWFcWcrr220.980.70.980.70.21640.15230.9351x1212221''22popwWrttWFcWcrr112155.18139.03118.210.935190003.204.1872213.912213.91WW10.8735253.27W第三效的热量衡算式为：23233312''33popwpwWrttWFcWcWcrr330.980.70.980.70.40.21640.8515x23233312''33popwpwWrttWFcWcWcrr2122213.91118.2161.840.851590003.204.1874.1872354.922254.92210.71140.0891613.03WW又1236300/解得：12312183.66/2160.69/1955.58/2326.01/WkghWkghWkghDkgh3.5估算蒸发器的传热面积iiiiQSKt361111116211112326.012113.25101.3654103600151.67139.0312.641.36541072.01150012.64QDrWtTtQSmKt℃3'62112226222222183.662155.18101.3073103600137.78118.2119.571.30731066.80100019.57QWrWtTtQSmKt℃3'63223336233332160.692213.91101.3288103600116.8461.8455.001.32881040.2760055.00QWrWtTtQSmKt℃误差为minmax10.441SS，误差较大，故应调整各效的有效温度差，重复上述计算步骤。3.6重新分配各效的有效温度差211223372.0112.6466.8019.5740.2755.0050.8212.6419.5755.00StStStSmt重新分配有效温度差，得：'11172.0112.6417.9150.82SttS℃'22266.8019.5725.7250.82SttS℃'33340.2755.0043.5950.82SttS℃3.7重复上述计算步骤（1）计算各效料液浓度，它们分别为：0110212390000.120.158490002183.6690000.120.232090002183.662160.690.4000FxxFWFxxFWWx（2）计算各效料液的温度。因末效完成液浓度和二次蒸汽压强不变，各种温度差损失可视为恒定，故末效溶液的沸点3t仍为361.84t℃，而'343.59t℃，则第三效加热蒸汽温度（也即第二效二次蒸汽温度）为：''323361.8443.59105.43TTtt℃由于各种温度差损失可视为恒定，21.37℃，故第二效溶液的沸点为：'222105.431.37106.80tT℃同理，由'225.72t℃，可求得''2122106.8025.72132.52TTtt℃由11.25℃，求得'111132.521.25133.77tT℃1151.67T℃温差重新分配后各效温度情况见下表：效数一二三加热蒸汽的温度iT/℃151.67132.52105.43有效温度差'it/℃17.9125.7243.59各效溶液沸点it/℃133.77106.8061.84（3）加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算。'1132.52T℃'12170.39/rkJkg'2105.43T℃'22243.71/rkJkg'360.08T℃'32354.92/rkJkg各效的热量衡算：第一效：110.980.70.980.70.15840.120.9531x111111'12113.250.95310.92802170.39DrWDDr第二效：220.980.70.980.70.23200.15840.9285x1212221''22popwWrttWFcWcrr1121