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1、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 目 录1.任务书32.概述32.1 蒸发及蒸发流程32.2 蒸发操作的分类32.3 蒸发操作的特点42.4 蒸发操作的设备43.双效蒸发的工艺计算43.1 蒸发器的设计步骤43.2 蒸发器的计算方法43.2.1各效蒸发量和完成液浓度的估算：43.2.2各效溶液沸点及有效总温差的估算43.2.3蒸发器传热面积和有效温差在各效中的分配：44.加热室结构尺寸的计算：44.1加热管的选择和管数的初步估计44.2循环管的选择44.3加热室直径及加热管数目的确定44.4分离室直径与高度的
2、确定44.5接管尺寸：44.5.1溶液进口尺寸：44.5.2加热蒸汽与二次蒸汽出口：44.5.3冷凝水出口：45. 蒸发装置的辅助设备45.1 气液分离器45.2蒸汽冷凝器45.3 泵的选型4参考文献41.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（60），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，第一效采用自然循环，传热系数为1200w/(m2k)，第
3、二效采用强制循环，传热系数为800w/(m2k)，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
4、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
5、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
6、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: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。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
7、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问题。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
8、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
9、蒸发器，c.刮板式蒸发器。 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12m；加热管径多为2575mm之间。
10、但实际上，由于结构上的限制，其循环速度一般在0.40.5m/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
11、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50。总蒸发量 （1-1） 代入数据有对于顺流操作的多效蒸发，因为有自蒸发
12、现象，可按如下比例进行估计 W : W =1 ：1.1 （1-2）在蒸发过程中，总蒸发量为各效蒸量之和即 W=W + W （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) W=1254 (Kg/h)任何一效i中料液的浓度为 代入数据有以上各式中：W-总蒸发量， Kg/h W-各效蒸发量，Kg/h F-原料液流量，Kg/h -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 （1-4） 式
13、中:-各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差，Kpa - 第一效加热蒸汽的压强，Kpa - 末效冷凝器中的二次蒸汽压强，Kpa由已知条件可知：P=500 (Kpa) P=15 (Kpa) n=2代入数据有： 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：P=15（Kpa） 查附录表可知蒸汽温度 ： T=53.9 （） 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（）汽化热（kJ/kg）一效加热蒸汽500151.72100.8一效二次蒸汽257.5128.32182.4二效加热蒸汽127.32184.5二效二次蒸汽54.92377.9进冷凝器蒸汽1553.92377.1(2) 多效蒸发中的有效传热总温度差可用下式计算 （1-5） 式中：- 有效总温度差，为各效有效温度差之和（） - 第一效加热蒸汽的温度，（）- 冷凝器操作压强下二次蒸汽的饱和温度，（）- 总的温度差损失，为各效温度差损失之和，（）其中： （1-6）式中：-由于溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失，（）-由于蒸发器中溶液的静压强而引起的温度差损失，（）-由于管路流体阻力产生压强降而引起温度差损失，（）由于溶液蒸汽压下降所引起的温度差
