1、蒸发器课程设计西北农林科技大学胡仲秋2016.08.27蒸发器举例图 1 双效蒸发器流程 食品工程原理 知识的实际运用单效蒸发的计算在给定的生产任务和确定了操作条件以后，通常需要计算以下的这些内容： 水分的蒸发量； 加热蒸汽消耗量； 蒸发器的传热面积。要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程，热量衡算方程和传热速率方程来解决。（ 1）物料衡算主要方法及公式PFPxFxWPF)1(PFxxFW （ 2）热量衡算SvprQWrttFcS 损 )( 0如果是沸点进料，并忽略热损失和溶液浓度较低时，等压比热容Cp近似不变，则SrWrS （ 3）蒸发器传热面积的计算mtKA由传热速率方程得 1m tTt
2、ssSrioiioimoooo ddddRddRK 111 图 2 三效并流流程图流程 图 3 三效逆流流程图流程单效工艺计算是多效蒸发的基础蒸发设备结构及形式蒸发器蒸发器主要由 加热室 和 分离室 组成。按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为 循环型 和 单程型 （不循环）两类。（ 1）循环型蒸发器特点： 溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。根据引起循环运动的原因不同可分为 自然循环型 和 强制循环型 两类。自然循环： 由于溶液受热程度不同产生密度差引起。强制循环： 用泵迫使溶液沿一定方向流动。 垂直短管式（ 1）循环型蒸发器 热式加热室与蒸发室分开 循环蒸发器（ 2）单程
3、型蒸发器 升膜式蒸发器适用于： 蒸发量大（较稀的溶液），热敏性及易起泡的溶液。不适用于： 高粘度，易结晶、结垢的溶液。 降膜式蒸发器适用于： 粘度大的物料；不适用于： 易结晶的物料，固形成均匀的液膜较难，不高 。 刮片式蒸发器特点： 借外力强制料液呈膜状流动 ， 可适应高粘度 ， 易结晶 、结垢的浓溶液蒸发缺点： 结构复杂，制造要求高，加热面不大，且需要消耗一定的动力蒸发器的辅助 设备蒸发辅助设备有：除沫器、冷凝器、输水器、真空泵等。蒸发器设计应用案例设计题目设计蒸发量为 4吨 /小时的双效真空浓缩装置，用于浓缩番茄酱的生产。已知进料浓度为 4.25%，成品浓度为 28%，第一效真空度为 60
4、0mmHg,第二效真空度为 700mmHg。加热蒸汽的压力为 0.15 Mpa。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、温差损失、传热量、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。蒸发器设计应用案例1、设计方案的确定设计步骤2、工艺方案的说明3、工艺计算4、设计结果汇总5、设备流程及装备图（ 1）物料衡算（ 2）热量衡算（ 3）计算蒸发器传热面积 -确定设备尺寸蒸发器设计应用案例1、设计方案的确定
5、（ 1）蒸发器的确定：选用外加热式蒸发器，它的特点是加热室与分离室分开，便于清洗和更换。这种结构有利于降低蒸发器的总高度，所以可以采用较长的加热管。并且，因循环管不受热而增大了溶液的循环速度，可达 1.5m/s。（ 2）蒸发器的效数：双效真空蒸发。真空操作的压力小，故在蒸发器内物料的沸点就低，对于番茄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。采用多效蒸发是减少加热蒸汽耗用量，提高热能经济性的有效措施。然而也不能无限地增加效数。理由如下：效数越多，节省地加热蒸汽量就越少。由单效改为双效时，加热蒸汽用量可减少 50%，但由四效改为五效只能节省 10%，热能经济性提高不大。效数越多，温度
6、差损失越大，分配到各效的有效温度差就越小。为了维持料液在溶液沸腾阶段，每效的有效温度差不能小于 5-7摄氏度。这样也限制了效数的增加。热敏性溶液的蒸发，一般不超过三效 。（ 3）加热方式：直接饱和蒸汽加热，压力 0.15Mpa。（ 4）操作压力： 效为 600 mmHg真空度， 效为 700 mmHg真空度。（ 5）加料方式：并流式。其优点在于：后一效蒸发室的压强比前一效的低，故溶液在效简述送不用泵而利用各效间的压力差 ; 后一效溶液的沸点较前一效的低，溶液进入后效时发生闪蒸现象，产生较多二次蒸汽；高浓度溶液的温度依效序降低对浓缩热敏性食品有利。（ 6）辅助设备：冷凝器用水喷式冷凝器；惯性捕集
7、器1、设计方案的确定蒸发器设计应用案例蒸发器设计应用案例2、工艺方案的说明（ 1）本流程采用直接蒸汽加热，双效外加热式蒸发器，并流法蒸发。使用 25 水作为冷却剂，冷凝水出口温度为 40 。（ 2）设备流程：物料：预热杀菌后的番茄酱由循环泵由下部进入，流出后由上部进入蒸发分离室，先经加热器的管内上升，通过弯头进入另一台加热器，经加的热料液由管内下降，以切线方向进入 效蒸发分离器进行汽液分离。然后由物料泵送至 效再蒸发。料液料液聚集到倾斜的底部，由排出口与循环管连接，经液位平衡器至 效蒸发室，当 效蒸发室达到平衡液位时，料液直接进入 效加热器。蒸发产生的二次蒸汽与物料一起进入分离器。由二效分离器
8、出来的物料浓度达到所要求 28。加热蒸汽： 效蒸发与其预热管内物料的热能由蒸汽供给， 效蒸发和预热管内物料的热能全部为一效二次蒸汽供给。 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，双效外加热式蒸发器，顺流法蒸发。优点是料液沸点依效序递降，因而当前效料液进入后效时，便在降温的同时放出其显热，供一小部分水分汽化，增加蒸发器的蒸发量。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；要维持番茄酱的沸腾，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，又会凝结成水回到番茄酱中去。本操作中将二次蒸汽引入另一效蒸发器作为热源使用，热能利用
9、率高。3、工艺计算蒸发器设计应用案例（一）物料衡算（ 1）原料处理量 :每小时处理量：式中 F0 原料处理量， kg/h； x0 进 效蒸发器料液的浓度，质量百分比； x2 出 效蒸发器料夜的浓度，质量百分比； W 水分蒸发量 kg/h；日处理量：每天 10小时： 4715 10=47.15 吨 /日（ 2）初步估算一、二效的蒸发水量取 W1:W2=1:1.1故 W1= =1904.8(kg/h)W2=4000-1904.8=2095.2(kg/h) ； 效出来的物料浓度 = =6.31%其中， W1 第 效的蒸发量， kg/h； W2 第 效的蒸发量， kg/h；（ 3）成品产量： F2=F
10、0 -W=4716-4000=716 kg/h nxxFW 01 hKgxxxWF /471625.4282840000220 1.11400010001 WFxFx8.19044716 %25.44716 蒸发器设计应用案例3、工艺计算（二）热量衡算（ 1）有关参数总蒸发量： 4000 kg/h进料： X0=4.25% t0 =61.1 (查 食品工程原理 843页此温度下水的比热 Cpw=4179J/Kg.k)出料： X2=28%； t2=41.4料液比热计算 : 真空度分配：第 效： 600mmHg P1 =0.21 105 Pa（查得此压力下饱和蒸汽温度 t1=61.1 ）第 效： 7
11、00mmHg P2=0.08 105 Pa （查得此压力下饱和蒸汽温度 t2 =41.4 ）来自 食品工程原理 饱和水蒸汽表)/(400 1)100 25.41(417 9)1001(0 kKgJxCC OW 3、工艺计算蒸发器设计应用案例 压力 ( Pa ) T( ) 比焓 ( K J / k g ) 汽化潜热 ( K J / k g ) 效加热蒸汽 0P= 1 .5 1050t= 1 1 1 .3 0i= 2695.1 0r= 2229.3 效二次蒸汽 1P= 0 .2 1 1051t= 6 1 .1 1i= 26 0 6 .6 1r= 23 5 2 .5 效加热蒸汽 2P= 0 .0 8
12、 1052t=4 1 .4 2i= 2 5 7 0 .2 2r= 23 9 6 .4 二次蒸汽的热参数值如下表蒸发器设计应用案例3、工艺计算(2）温度损失的计算式中： 温度差损失， 操作压强下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高， 液层静压引起的温度差损失， 管路流动阻力引起的温度差， 常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高， f 校正系数，无因次，其经验计算式为：式中： 操作压强下二次蒸汽的温度， r 操作压强下二次蒸汽的汽化潜热， kJ/kg0ttfma 2 )273(0162.0rTf aT蒸发器设计应用案例3、工艺计算 20ghppm式中： Pm 溶液内部平均压强， PaP0 液面上方
13、的压强， Pah 溶液液层高度， m （该题设其液层高度为 6m） 溶液密度， kg/m3该题密度为常温下番茄酱沸点升高由压强 51.223 kPa查表得： Tm=82 取33 /10028.1 mkgCa 15.01 )(115.015.05.235 2 2731.61016 2.0 2 am kPp 223.51210028.1681.921000 3 )(3.217.60820 TT m)(1 )(4.2213.21115.0 蒸发器设计应用案例3、工艺计算（ 3） W1、 W2、 D1的计算物料衡算公式： 式中 W1、 W2 、 效蒸发水量 kg/hD1、 D2 、 效蒸汽量 kg/h
14、1、 2 、 效自蒸发系数F0 原料处理量 kg/hC0 原料比热 kJ/(kgk)1、 2 热利用系数（来自 食品工厂机械与设备 192页） 1120011 WCFDW20022 CFDW根据逆流时的自然蒸发系数，按下式计算 : 将式代入式中，又因 D2 =W1，将式代入式中得 A=1.0085+1.0085=2.017nnnTciT1nnT =008 38.0186.41.616.260 6 1.614.41 1 00822.0186.44.412.2570 4.411.61 2 12111w oooo CFWCFD 00838.000822.0001.441760186.44716 11
15、 WD11 00838.078.141 WD 98.142008 5.1w 11 D蒸发器设计应用案例3、工艺计算00822.00186.4471698.1420085.1w 12 D8.120085.1 1 D18.1308.1298.142 B hKgABWD /68.2047017.218.13040001 第 效实际蒸发量第 效实际蒸发量与初估各效蒸发水量比较误差 3 ，可不必对各效蒸发水量及浓度加以修正 。（ 4）第 效放出浆量 F1及浓度 X1hkgD /11.192298.14268.20470085.198.1420085.1w 11 hkgD /29.20528.1268.2
16、0470085.18.120085.1w 12 蒸发器设计应用案例3、工艺计算%17.789.279 3 43.20011.192 2471 6 %25.4471 6/89.279 311.192 2471 6F1211 WFxFxhkgWFoooo蒸发器设计应用案例3、工艺计算（ 5） 、 效加热面积的确定 效传热量： 效传热量：各效有效温度差：其中 两效间温度损失hkJrD /460 03 176.224 668.204 7Q 011 hkJ /448 159 16.233 111.192 2122 2.501.613.111T 101 TT 7.184.4111.61T 21212 TT
17、1212 各类蒸发器传热系数（ 食品工程原理 ）蒸发器型式 传热系数 K（ w/ m2k） 蒸发器型式 传热系数 K（ w/ m2k）水平沉浸加热式 6002,300 升膜式 1,2006,000标准式 （ 自然循环 ） 6003,000 降膜式 1,2003,500标准式 （ 强制循环 ） 1,2006,000 悬筐式 6003,000外加热室式 （ 自然循环 ） 1,2006,000 蛇管式 3502,300外加热室式 （ 强制循环 ） 1,2007,000蒸发器设计应用案例3、工艺计算通过上表按经验数据取：强制循环自然循环 第 效加热面积：第 效加热面积：KmhkJK 21 /6698K
18、mhkJK 22 /334921111 68.132.5066984600317S mTK Q 22222 56.707.1833494481591S mTK Q 蒸发器设计应用案例3、工艺计算（三）工艺尺寸计算（ 1） 效加热器的尺寸根据 常用化工单元设备设计 162页，采用 32 1.5mm不锈钢管，管长 L=3 m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 1.25 的同心圆排列：同心圆数 根数 同心圆直径 1 6 mmtn 8014.3/406/D 1 2 12 mmtD 160402802D 12 3 18 mmtD 2404021602
19、D 23 4 25 mmtD 3204022402D 34 根503029.014.3 68.13n011 LdS3、工艺计算蒸发器设计应用案例排列四层共 61根管子 第 效加热面积：加热室壳体直径的计算：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，取管子在管板上的排列间距：中心排列管子数：内径根据 常用化工单元设备设计 163页取外壳壁厚 =10mm外径将外径圆整到 400mm21 66.163029.014.361S m ebtD 21 mmde H 403225.125.1 mmd H 403225.125.1t 根）(
20、824 mmebtD B 3604021840211 mmD B 3801023602D 11H 蒸发器设计应用案例3、工艺计算（ 2） 效加热器的尺寸采用 32 1.5不锈钢管，管长 L=3 m取管间距为 1.25 的同心圆排列：)根(2593029.014.3 56.70n022 LdS同心圆数 根数 同心圆直径 1 6 mmtn 8014.3/406/D 1 2 12 mmtD 160402802D 12 3 18 mmtD 2404021602D 23 4 25 mmtD 3204022402D 34 5 31 mmtD 4004023202D 45 6 37 mmtD 4804024
21、002D 56 7 43 mmtD 5604024802D 67 8 50 mmtD 6404025602D 78 9 56 mmtD 7204026402D 89 蒸发器设计应用案例3、工艺计算在各级中心安装一根 50mm的抽气管，所以取消了一、二层排列，同时在 160 240之间的管板内，加一根 200mm中央抽气管，所以排列总管数为 260根。第 效加热器实际加热面积：加热室壳体直径的计算：中心排列管子数：内径根据 常用化工单元设备设计 163页取外壳壁厚 =12mm外径将外径圆整到 800mm22 713029.014.3260 mS )根(1829b mmebtD B 76040211840212 mmD B 7841227602D 22H
