真空浓缩设备的设计

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：成绩:

2013.4.1-2013.6.5 目

录

1、设计说明书…………………………………………………………………2

2、设计方案的确定……………………………………………………………3

3、方案说明……………………………………………………………………4

4、物料衡算……………………………………………………………………5

5、热量衡算……………………………………………………………………5

6、工艺尺寸计算………………………………………………………………9

7、附属设备尺寸计算…………………………………………………………15

8、主要技术参数………………………………………………………………17

9、计算结果汇总………………………………………………………………17

10、设备流程及装备图…………………………………………………………18

11、参考文献……………………………………………………………………21

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0.085 MPa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

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

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。

4.1蒸发水量的计算:

每小时处理量：

∵W=F 1-x⎪⎪ （常用化工单元设备设计153页 4-2）

n⎭⎝

⎛x⎫

W=F(1-

x030

)=2000⨯(1-)=1000Kg/h x160

式中F0—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=F0-W=2000-1000=1000 kg/h

日处理量：每天10小时：2000×10=20 吨/日

5.1有关参数

（1） 总蒸发量：1000 kg/h （2） 进料： x1=30% T1=110℃

出料： x2=60% T2=95℃ （3） 真空度分配：

5

蒸发器： P1 =0.85×10 Pa（查得此压力下饱和蒸汽温度 T1=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

5.2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）

DH+Fh0=WH'+(F-W)h1+Dhw+Ql 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：

D=

Wr'Dr'=

r 或 Wr 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

称蒸汽的经济性。

D=

Wr'+QL

r

QL=0.05Dr

D=

Wr'0.95r

故

由本书查附录 得：

当P=0.1473 MPa(表)时，T=110℃，r=2232kJ/kg

当Pc=85KPa(真空度)时，Tc＇＝95℃ r＇＝2270.9 kJ/kg

D =

故

1000 ⨯ 2270.9

= 1070.9

0 .95 ⨯ 2232 kg/h

D 1070.9

= = 1 . 0709 W 1000

5.3传热面积的确定（查食品工程原理721页）

蒸发器传热量：Q=D⨯γ0=1070.9⨯2232=2390249kJ/h 有效温度差：∆T1=T0-T1=110-95=15℃

降膜式 K1=3500kJ/h⋅m2⋅K ∴蒸发器加热面积：S=

Q2390249

==53.12m2

K1⋅∆T13000⨯15

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φ38×2.5mm不锈钢管，管长L=4 m ∴n1=

S153.12

==128（根） πd0L3.14⨯0.033⨯4

式中 S——传热面积，m2； d0——加热管直径，m； L——管子长度，m 。 取管间距为1.25dH的同心圆排列：

在φ185.8～280.8之间的管板内，加一根φ200mm中央抽气管，所以排列总管数为130根。∴蒸发室加热面积：SI=130⨯3.14⨯0.033⨯4=53.88m2 加热室壳体直径的计算：D=t(b-1)+2e 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e=1.25dH=1.25⨯38=47.5mm 管子在管板上的排列间距：t=1.25dH=1.25⨯38=47.5mm 中心排列管子数：b=6⨯2=12（根）

内径D1B=t(b-1)+2e=47.5⨯(12-1)+2⨯47.5=617.5mm 根据《常用化工单元设备设计》163页 取外壳壁厚δ=10mm

外径D1H=D1B+2δ=617.+2⨯10=637.5mm 将外径圆整到700mm

6.2蒸发室直径的确定

蒸发室：d1=

W1⋅V1

m （参考《化工设计》第19卷第5期 1991年10月25日）

'

⋅ω0⋅36004

式中 W1——蒸发水量 [kg/h] V1——二次蒸汽比体积 m3/kg

'

ω0——二次蒸汽上升速度 [m/s]

[]

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ρ1=0.5039kg/m3

V1=

1

ρ1

=

1

=1.98m3/kg

0.5039

ω0'=4.26

ρ1

=4.26

=2.04m/s

0.5039

∴d1=

1000⨯1.98

=0.586m

3.14

⨯2.04⨯36004

取d1=0.6m

6.3蒸发室的截面积

F=

πd2

4

3.14⨯0.62

蒸发室：F1==0.28㎡

4

6.4蒸发室的高度

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：H1=2⨯d1=2⨯0.6=1.2m

6.5循环管尺寸

'

上循环管直径取 d1=0.2d1=0.2⨯0.6=0.12m

"2

⋅n=0.0332⨯130=0.38m 下循环管直径取 d2=dB

式中 dB——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dm

dm=

4⨯Fm

π

式中：Fm——进口管截面积，㎡

Fm=

DVm

ωm⨯3600

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

ρ=0.8254kg/m3

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。

ωm——饱和蒸汽速度，26.075m/s 故 Fm=

1070.9⨯1.2115

=0.01382m2

26.075⨯3600

dm=

4⨯0.01382

=0.1327m

3.14

由《食品工程原理》P852：取整后选用dm=140mm，壁厚4.5mm,内截面积为

0.0134m72

所以实际饱和加热蒸汽的速度：

D1Vm1070.9⨯1.2115

==26.75m/s

Fm⨯36000.01347⨯3600

ωm=

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

ρ=0.5039kg/m3

Vm=

1=

1

=1.9845m3/kg

0.5039

ρ

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=

4W1V1

3600πv1

=

4⨯1000⨯1.9845

3.14⨯100⨯3600

=0.084m

m2的普通无缝钢管 取整后选用d1=89mm，壁厚3.5mm,内截面积为0.00528

6.7分离室直径与高度的确定

分离室的直径与高度取决于分离室的体积，而分离室的体积又与二次蒸汽的体积流量及蒸发体

积强度有关。(参考《多效蒸发的设计 4.1.4分离室直径与高度的确定》

W

V=

3600*ρ*U 分离室体积V的计算式为：

式中V-----分离室的体积，m3; W-----某效蒸发器的二次蒸汽量，kg/h;

P-----某效蒸发器二次蒸汽量，Kg/m3 ， U-----蒸发体积强度，m3/(m3*s);

即每立方米分离室体积每秒产生的二次蒸汽量。一般用允许值为U=1.1~1.5 m3/(m3*s)

根据由蒸发器工艺计算中得到的二次蒸汽量，再从蒸发体积强度U的数值范围内选取一个值，即可由上式算出分离室的体积。

π

V=*D2*H

4确定了分离室的体积，其高度与直径符合关系，确定高度与直径应考虑一下原则：

（1）分离室的高度与直径之比H/D=1~2。

（2） 在条件允许的情况下，分离室的直径尽量与加热室相同，这样可使结构简单制造方便。 （3）高度和直径都适于施工现场的安放。现取分离室中U=1.2m3/（m3*s）；

W1070.9

V===1.8m3。H=2m，，D=1m

3600ρU3600⨯0.1369⨯1.2

第7章 附属设备尺寸计算

7.1选用水喷射式真空冷凝器

冷凝器选用水喷射式真空冷凝器，它由喷射器和离心水泵组成，又称水力喷射器，兼有冷凝及抽真空两种作用。水喷射式真空冷凝器的主要优点：(1)兼有冷凝器及抽真空作用，故不必再配置真空装置。(2)结构简单，造价低廉，冷凝器本身没有机械运转部分，不要经常检修。(3)适用于抽吸腐蚀性气体。(4)安装高度较低，与浓缩锅的二次蒸汽排出管水平方向直接连接即可。其工作原理是利用高压水流，通过喷嘴喷出，聚合在一个焦点上，由于喷射的水流速度较高，在周围形成负压区，水流经扩散管增压排出，而在负压区可以不断地吸入二次蒸汽，经导向盘与冷却水接触，冷凝后一起排出。

取冷凝水进口温度：t1 =25℃ 出口温度：t2 = 40℃ 冷凝水消耗量：

W=

Dr

C(tK-tH) （食品工程原理课程设计指导 1-42）

＝

1070.9⨯2270.9

4.174⨯(40-25)

＝3.884⨯104kg/h

D——二次蒸汽量(kg/h) r——二次蒸汽潜热 (J/kg) tH——冷却水进口温度(K) tx——冷却水出口温度(K)

C——冷却水的比热(J／kg·K) （由《食品工程原理》P843可查得）

7.2喷嘴数计算

由《蒸发过程设计》P36得到，设气室为1个大气压，水室2.5个大气压，喷嘴直径d=15mm，流量系数ϕ=0.93 通过一个喷嘴的水流量

q=f0

3.14⨯0.01522⨯9.81⨯(2.5-1)⨯105

故 q=×0.93×3600

4997

=32.24 (m3/h) 喷嘴数 N=

G

ρq

3.884⨯104= 997⨯32.24

=1.2（个）

取整数为 N=2个

③捕集器

选用惯性捕集器，其作用是防止蒸发过程形成的细微液滴被二次蒸汽带出，对汽液进行分离，以减少物料的损失，同时避免污染管道及其他蒸发器的加热。捕集器的型式很多，可分为惯性型和离心型等类型。

第8章 主要技术参数

计算结果汇总表

第9章 设备流程及装备图

（一）设备流程图

（二）一效蒸发器简图

（三）惯性捕集器

参考文献

（1）武建新.乳品技术装备. 北京:中国轻工业出版社，2000,1. （2）郭本恒,乳粉. 北京：化工工业出版社.2003,9.

（3）葛克山主,李云飞.食品工程原理.北京：中国农业大学出版社.2004,8. （4）匡国柱,史启才. 化工单元过程及设备课程设计.化学工业出版社.2001.

（5）无锡轻工业学院，天津轻工业学院.食品工厂机械与设备. 北京：中国轻工业出版社，1981,2. （6）食品工程原理课程设计指导