降膜蒸发器的设计
齐齐哈尔大学
?的蒸发水量为2000kg?
真空降膜蒸发器
?的真空降膜蒸发器
题目蒸发水量为2000kg?
学院机电工程学院
专业班级过控133
学生戴蒙龙
指导教师宏斌
成绩
2016年 12月 20日
目录
摘要............................................................ I II Absract............................................................ I V 第1章蒸发器的概述. (1)
1.1蒸发器的简介 (1)
1.2蒸发器的分类 (1)
1.3蒸发器的类型及特点、 (2)
1.4蒸发器的维护 (5)
第2章蒸发器的确定 (6)
2.1 设计题目 (6)
2.2 设计条件： (6)
2.3 设计要求： (6)
2.4 设计方案的确定 (6)
第3章换热面积计算 (8)
3.1.进料量 (8)
3.2.加热面积初算 (8)
3.2.1估算各效浓度: (8)
3.2.2沸点的初算 (8)
3.2.3计算两效蒸发水量??，??及加热蒸汽的消耗量?? (9)
3.3.重算两效传热面积 (11)
3.3.1.第一次重算 (11)
第4章蒸发器主要工艺尺寸的计算 (13)
4.1加热室 (13)
4.2分离室 (13)
4.3其他工件尺寸 (14)
第5章强度校核 (15)
5.1 筒体 (15)
5.2前端管箱 (16)
参考文献 (19)
致 (21)
摘要
蒸发就是采用加热的方法，使溶液中的发挥性溶剂在沸腾状态下部分气化并将其移除，从而提高溶液浓度的一种单元操作，蒸发操作是一个使溶液中的挥发性溶剂与不挥发性溶质分离的过程。蒸发设备称为蒸发器，蒸发操作的热源，一般为饱和蒸汽。蒸发在操作广泛应于化学、轻工、食品、制药等工业中。工业上
?降被蒸发处理的溶液大多数为水溶液。本次设计的装置为蒸发水量为2000kg?膜蒸发器，浓缩物质为牛奶。降膜蒸发器除适用于热敏性溶液外，还可用于蒸发浓度较高的液体。
关键词：蒸发；换热；高效；使用广泛
Absract
Evaporation is by heating method, the solution of solvent play in boiling state of partially gasified and removed, thereby improving a unit operation concentration, evaporation is a volatile solvent solution and volatile solute separation. Evaporation equipment called evaporator, evaporative operation of the heat source, generally saturated steam. Evaporation is widely used in chemical, light industry, food and pharmaceutical industries. Most of the industrial evaporation solutions are aqueous solutions. The design of the device for evaporation of water is 2000kg / h evaporator, condensed matter for milk. Falling film evaporator is suitable for heat sensitive solution, but also can be used for high concentration liquid evaporation.
Key words: Evaporation;Heat transfer;Highly active;Widely used
第1章蒸发器的概述
1.1蒸发器的简介
蒸发器是制冷四大件中很重要的一个部件，低温的冷凝“液”体通过蒸发器，与外界的空气进行热交换，“气”化吸热，达到制冷的效果。蒸发器主要由加热室和蒸发室两部分组成。加热室向液体提供蒸发所需要的热量，促使液体沸腾汽化；蒸发室使气液两相完全分离。加热室中产生的蒸气带有大量液沫，到了较大空间的蒸发室后，这些液体借自身凝聚或除沫器等的作用得以与蒸气分离。蒸发器按操作压力分常压、加压和减压3种。按溶液在蒸发器中的运动状况分有：①循环型。沸腾溶液在加热室中多次通过加热表面，如中央循环管式、悬筐式、外热式、列文式和强制循环式等。②单程型。沸腾溶液在加热室中一次通过加热表面，不作循环流动，即行排出浓缩液，如升膜式、降膜式、搅拌薄膜式和离心薄膜式等。③直接接触型。加热介质与溶液直接接触传热，如浸没燃烧式蒸发器。蒸发装置在操作过程中，要消耗大量加热蒸汽，为节省加热蒸汽，可采用多效蒸发装置和蒸汽再压缩蒸发器。蒸发就是用加热的方法，将含有不挥发性溶质的溶液加热至沸腾状况，使部分溶剂汽化并被移除，从而提高溶剂中溶质浓度的单元操作。工业生产中应用蒸发操作有以下几种场合：1．浓缩稀溶液直接制取产品或将浓溶液再处理（如冷却结晶）制取固体产品，例如电解烧碱液的浓缩，食糖水溶液的浓缩及各种果汁的浓缩等2．同时浓缩溶液和回收溶剂，例如有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯，中药生产中酒精浸出液的蒸发等3．为了获得纯净的溶剂，例如海水淡化等。
总之，在化学工业、食品工业、制药等工业中，蒸发操作被广泛应用。
1.2蒸发器的分类
1．按蒸发方式分：
自然蒸发：即溶液在低于沸点温度下蒸发，如海水晒盐，这种情况下，因溶剂仅在溶液表面汽化，溶剂汽化速率低。
沸腾蒸发：将溶液加热至沸点，使之在沸腾状态下蒸发。工业上的蒸发操作基本上皆是此类。
2．按加热方式分：
直接热源加热它是将燃料与空气混合，使其燃烧产生的高温火焰和烟气经喷嘴直接喷入被蒸发的溶液中来加热溶液、使溶剂汽化的蒸发过程。
间接热源加热容器间壁传给被蒸发的溶液。即在间壁式换热器中进行的传
热过程。
3．按操作压力分：
可分为常压、加压和减压（真空）蒸发操作。很显然，对于热敏性物料，如抗生素溶液、果汁等应在减压下进行。而高粘度物料就应采用加压高温热源加热（如导热油、熔盐等）进行蒸发
4．按效数分：
可分为单效与多效蒸发。若蒸发产生的二次蒸汽直接冷凝不再利用，称为单效蒸发。若将二次蒸汽作为下一效加热蒸汽，并将多个蒸发器串联，此蒸发过程即为多效蒸发。
1.3蒸发器的类型及特点、
常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中停留的情况，大致可分为循环型和单程型两大类。
一、循环性蒸发器
这一类型的蒸发器，溶液都在蒸发器中作循环流动。由于引起循环的原因不同，又可分为自然循环和强制循环两类。
1.中央循环管式蒸发器。它的加热室由垂直管束组成，中间有一根直径很大的中央循环管，其余管径较小的加热管称为沸腾管。由于中央循环管较大，其单位体积溶液占有的传热面，比沸腾管单位溶液所占有的要小，即中央循环管和其它加热管溶液受热程度不同，从而沸腾管的汽液混合物的密度要比中央循环管中溶液的密度小，加之上升蒸汽的向上的抽吸作用，会使蒸发器中的溶液形成由中央循环管下降、由沸腾管上升的循环流动。这种循环，主要是由溶液的密度差引起，故称为自然循环。这种作用有利于蒸发器的传热效果的提高。
这种蒸发器由于结构紧凑、制造方便、传热较好及操作可靠等优点，应用十分广泛。但是由于结构上的限制，循环速度不大。加上溶液在加热室中不断循环，使其浓度始终接近完成液的浓度，因而溶液的沸点高，有效温度差就减小。这是循环式蒸发器的共同缺点。此外，设备的清洗和维修也不够方便，所以这种蒸发器难以完全满足生产的要求。
2．悬筐式蒸发器为了克服循环式蒸发器中蒸发液易结晶、易结垢且不易清洗等缺点，对标准式蒸发器结构进行了更合理的改进，这就是悬筐式蒸发器。加热室4象个篮筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，并且以加热室外壁与蒸发器壁之间的环形孔道代替中央循环管。溶液沿加热管中央上升，而后循着悬筐式加热室外壁与蒸发器壁间的环隙向下流动而构成循环。由于环隙面积约为加热管总截面积的100至150%，故溶液循环速度比标准式蒸发器为大，可达1.5m/s。此外，这种蒸发器的加热室可由顶部取出进行检修或更换，而且热损失也较小。它的主要
缺点是结构复杂，单位传热面积的金属消耗较多。
3．列文式蒸发器上述的自然循环蒸发器，其循环速度不够大，一般均在1.5m/s以下。为使蒸发器更适用于蒸发粘度较大、易结晶或结垢严重的溶液，并提高溶液循环速度以延长操作周期和减少清洗次数。
其结构特点是在加热室上增设沸腾室。加热室中的溶液因受到沸腾室液柱附加的静压力的作用而并不在加热管沸腾，直到上升至沸腾室当其所受压力降低后才能开始沸腾，因而溶液的沸腾汽化由加热室移到了没有传热面的沸腾室，从而避免了结晶或污垢在加热管的形成。另外，这种蒸发器的循环管的截面积约为加热管的总截面积的2～3倍，溶液循环速度可达2.5至3 m/s以上，故总传热系数亦较大。这种蒸发器的主要缺点是液柱静压头效应引起的温度差损失（意义详见6.3.1）较大，为了保持一定的有效温度差要求加热蒸汽有较高的压力。此外，设备庞大，消耗的材料多，需要高大的厂房等。除了上述自然循环蒸发器外，在蒸发粘度大、易结晶和结垢的物料时，还采用强制循环蒸发器。在这种蒸发器中，溶液的循环主要依靠外加的动力，用泵迫使它沿一定方向流动而产生循环。循环速度的大小可通过泵的流量调节来控制，一般在2.5m/s以上。强制循环蒸发器的传热系数也比一般自然循环的大。但它的明显缺点是能量消耗大，每平方米加热面积约需0.4～0.8kW。
二、单程型蒸发器
这一大类蒸发器的主要特点是：溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不作循环流动即成为浓缩液排出。溶液通过加热室时，在管壁上呈膜状流动，故习惯上又称为液膜式蒸发器。根据物料在蒸发器中流向的不同，单程型蒸发器又分以下几种。
1．升膜式蒸发器其加热室由许多竖直长管组成。常用的加热管直径为25～50mm，管长和管径之比约为100～150。料液经预热后由蒸发器底部引入，在加热管受热沸腾并迅速汽化，生成的蒸汽在加热管高速上升，一般常压下操作时适宜的出口汽速为20～50m/s，减压下操作时汽速可达100至160m/s或更大些。溶液则被上升的蒸汽所带动，沿管壁成膜状上升并继续蒸发，汽、液混合物在分离器2分离，完成液由分离器底部排出，二次蒸汽则在顶部导出。须注意的是，如果从料液中蒸发的水量不多，就难以达到上述要求的汽速，即升膜式蒸发器不适用于较浓溶液的蒸发；它对粘度很大，易结晶或易结垢的物料也不适用。
2．降膜式蒸发器降膜式蒸发器和升膜式蒸发器的区别在于，料液是从蒸发器的顶部加入，在重力作用下沿管壁成膜状下降，并在此过程中蒸发增浓，在其底部得到浓缩液。由于成膜机理不同于升膜式蒸发器，故降膜式蒸发器可以蒸发浓度较高、粘度较大（例如在0.05～0.45Ns/m2围）、热敏性的物料。但因液膜在管分布不易均匀，传热系数比升膜式蒸发器的较小，仍不适用易结晶或易结垢
的物料。
由于溶液在单程型蒸发器中呈膜状流动，因而对流传热系数大为提高，使得溶液能在加热室中一次通过不再循环就达到要求的浓度，因此比循环型蒸发器具有更大的优点。溶液不循环带来好处有：（1）溶液在蒸发器中的停留时间很短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发；（2）整个溶液的浓度，不象循环型那样总是接近于完成液的浓度，因而这种蒸发器的有效温差较大。其主要缺点是：对进料负荷的波动相当敏感，当设计或操作不适当时不易成膜，此时，对流传热系数将明显下降。
3．刮板式蒸发器蒸发器外壳带有加热蒸汽夹套，其装有可旋转的叶片即刮板。刮板有固定式和转子式两种，前者与壳体壁的间隙为0.5～1.5mm，后者与器壁的间隙随转子的转数而变。料液由蒸发器上部沿切线方向加入（亦有加至与刮板同轴的甩料盘上的）。由于重力、离心力和旋转刮板刮带作用，溶液在器壁形成下旋的薄膜，并在此过程中被蒸发浓缩，完成液在底部排出。这种蒸发器是一种利用外加动力成膜的单程型蒸发器，其突出优点是对物料的适应性很强，且停留时间短，一般为数秒或几十秒，故可适应于高粘度（如栲胶、蜂蜜等）和易结晶、结垢、热敏性的物料。但其结构复杂，动力消耗大，每平方米传热面约需
1.5～3kW。此外，其处理量很小且制造安装要求高。
三、直接接触传热的蒸发器
实际生产中，有时还应用直接接触传热的蒸发器。它是将燃料（通常为煤气和油）与空气混合后，在浸于溶液中的燃烧室燃烧，产生的高温火焰和烟气经燃烧室下部的喷嘴直接喷入被蒸发的溶液中。高温气体和溶液直接接触，同时进行传热使水分蒸发汽化，产生的水汽和废烟气一起由蒸发器顶部排出。其燃烧室在溶液中的浸没深度一般为0.2～0.6m，出燃烧室的气体温度可达1000℃以上。因是直接触接传热，故它的传热效果很好，热利用率高。由于不需要固定的传热壁面，故结构简单，特别适用于易结晶、结垢和具有腐蚀性物料的蒸发。在废酸处理和硫酸铵溶液的蒸发中，它已得到广泛应用。但若蒸发的料液不允许被烟气所污染，则该类蒸发器一般不适用。而且由于有大量烟气的存在，限制了二次蒸气的利用。此外喷嘴由于浸没在高温液体中，较易损坏。从上介绍可以看出，蒸发器的结构型式很多，各有其优缺点和适用的场合。在选型时，首先要看它能否适应所蒸发物料的工艺特性，包括物料的粘性、热敏性、腐蚀性以及是否容易结晶或结垢等，然后再要求其结构简单、易于制造、金属消耗量少，维修方便、传热效果好等等。
1.4蒸发器的维护
1.经常进行蒸发器的检漏工作。泄漏是蒸发器常见的故障现象，在使用过程中应注意经常检漏。
氨蒸发器泄漏时，有刺激性气味，漏点处不结霜。对泄漏处可用酚酞试纸检查，因为氨是碱性，遇酚酞试纸变红色。用眼看时，一般在蒸发器的某处不结霜的地方通常就是泄漏点，也可在泄漏处用肥皂水找漏。
氟利昂蒸发器泄漏的检查可使用卤素灯和卤素检漏仪，也可用肥皂水找漏。检查时可先用眼查看蒸发排管上是否有油迹，因为氟利昂与油能互溶，氟利昂泄漏时，油也会从漏点渗出，因此，哪里有油迹，哪里就泄漏。用卤素灯检漏时，若某处有氟利昂泄漏时，卤素灯燃烧的火焰由蓝色变成微绿、浅绿、草绿、紫绿、紫色等颜色可判断氟利昂泄漏量的多少。若火焰呈深绿或紫色时，火焰中的光气有毒，不能长时间用此方法检查。这种情况下，可用肥皂水检查泄漏点。对于微量泄漏时，应使用卤素检漏仪进行检漏。
2.经常对蒸发器的结霜状况进行检查。当霜层过厚时，应及时除霜。当结霜异常时，可能是由于堵塞造成的，应及时查找原因并予以排除。
3.蒸发器长期停用时，将制冷剂拙到储液器或冷凝器中，使蒸发器的压力保持在0.05MPa(表压)左右为宜。若为盐水池中的蒸发器，还需用自来水冲洗，冲洗后在池注满自来水。
第2章蒸发器的确定
2.1 设计题目
蒸发水量为2000kg/h的真空降膜蒸发器
2.2 设计条件：
题目1：蒸发水量为2000 kg/h降膜真空蒸发器
设计任务及操作条件
原料固形物含量：12%
浓缩要求：使固形物质量分数浓缩至45%
液加入温度料： 5℃
加热介质：160℃的饱和蒸汽。
2.3 设计要求：
1.根据蒸发水量大小确定蒸发器效树（一般选择二效或三效），类型选择降膜
蒸发器
2.设计说明书：摘要需翻译成英文，容要覆盖教学大纲要求，格式规。
3.图纸：表达蒸发罐的主要结构，线条清晰，尺寸标注规，技术要求，明细栏等完整。所绘制的图纸应无大的原则性错误。
2.4 设计方案的确定
一．对牛奶进行浓缩的好处
牛奶的营养价值很高，含有丰富的蛋白质、脂肪、糖类、维生素和矿物质。牛奶中的蛋白质不仅含量高，而且质量好，含有人体必虚的八种氨基酸。氨基酸比利适合，符合FAO（联合国粮农组织）模式，易于人体吸收利用。牛奶中Ca和P 比例合适，容易消化吸收，所以牛奶是老人和儿童补充Ca比较好的食品。
牛奶经过浓缩后，可以改善牛奶的口感，使其饮用更具口感，而且，可以增加牛奶的保质期，防止腐败，也可以相应的减少包装量、运输和贮藏的费用，减少
生产成本。
二．确定设计方案
考虑到高温会破坏牛奶的品质，故采用真空低温蒸发来对番茄汁进行浓缩操作；由处理物料（原料）的性质及设计要求知，牛奶汁黏度大、不易生泡沫，考虑到经济和效率问题，选用双效降膜蒸发系统。选用3m长φ38×3mm的无缝不锈钢管作加热管。
第3章换热面积计算
3.1.进料量
F =
W 1?X 0
X 2
=
2000
1?0.120.45
=2727.3kg h ? 3.2.加热面积初算 3.2.1估算各效浓度:
第一效蒸发后
?1=?????1
由经验公式：1W ：2W =1:1.1
而 ?1+?2=?=2000???
解得 ?1=952.4????
?2=1047.6kg ?? 1X =18.4%（暂取18%）
3.2.2沸点的初算
假定牛奶经第二效蒸发罐的出料温度为80℃
查表：T=160℃时，P=618.28kpa ；T=80℃时，2P =47.379kpa 设两效蒸汽压强相等
△P =P ??2=618.28?47.379=570.901???
?1=??
△?
2
=618.28?
570.901
2
=332.8295??? 查的1P 时，沸点??1=136.87℃；??2=?+1=81℃，第二效加热蒸汽2T =1w t —1=135.87℃
第一效时：
?1′=f ×△?
′
=
0.0162×(??+273)2
?
’
×0.5
=0.0162×(136.87+273)22178.5
×0.5
=1.25℃
第二效时：
△2‘=f ×△?‘
=0.0162×(?+273)2
2267.8
×0.6
=0.0162×(81+273)22267.8
=0.54℃
对于降膜式蒸发器，不存在由液柱静压力引起的温度差损失，即0=?'' 取管路引起的损失?1"=?2"=1℃
第一效沸点 ?1=?1′
+?1′+?1"=136.87+1.25+0=138.12℃
有效温差 ??1=?1??1=160-138.12=21.9℃ 第二效沸点 ?2=?2′+?2′+?2"81+0.54+0=81.54℃ 有效温差 ??2=?2??2 21.9+54.33=56.23℃ 有效总温差 ∑△t =△?1+△?2=21.9+54.33=56.23℃
3.2.3计算两效蒸发水量??，??及加热蒸汽的消耗量
??
由题意知溶液比热为?0=3.5???????，查表得水的比热为??=
4.2200??????? 作第一效热量衡算，得
?1=(?1
?1r 1
′+??0
?0??1
r 1
′)?1
其中
?1=0.98
所以
?1=(?1
?1r 1
′+??0
?0??1
r 1
′)?1
=(?1×
2066.22178.5+2727.2×3.5×80?136.872178.5
) =0.929?1?244.2 同理作第二效热量衡算，得
?2=???1=[?1
?2r 2
′+(??0????1)
?1??2
r 2
′]?2
其中
?2=0.98..
所以
?2=2000??1
=[?1
2180.22267.8+(3.5×2727.3?4.220?1)138.12?81.542267.8
]0.98 整理的
?1=955.4???? ?1=1291.3????
?2=???1=1044.6????（4）分配有效温度差，计算传热面积 查化工原理可知：常用?1=1500?(?2
?℃)?、?2=800?(?2
?℃)?
??1=?1??1=160?138.12=21.9℃ ??2=?2??2=135.87?81.54=54.33℃
?1=
?1
?1??1
=
?1?1
?1??1
=
1291.3×2066.2×1000
1500×21.9×3600
=22.6?2
?2=
?2
?2?1
=
?2?2
?2?2
=
1044.6×2180.2×1000
800×54.33×3600
=14.6?2
3.3.重算两效传热面积
3.3.1.第一次重算
由于两效传热面积相差太大，故应调整各效的有效温度差，并重复上述计算步骤再算重新分配有效温度差
S=?1??1+?2 ??2
∑?t
=
22.6×21.9+14.6×54.33
21.9+54.33
=16.89
??1′=22.6×21.9
16.89
=29.28℃
??2′=14.6×54.33
.
=49.89℃
校正各效沸点、蒸发水量和传热量
因第二效完成液沸点不变，所以?2=81℃
第二效加热蒸汽温度为?2+??2′=81+49.89≈130.9℃第一效二次蒸汽温度?1′=130.9+1=131.9℃
?1=
??0
???1
=
2000×0.12
2000?95.24
=12.6%
由1
X和1
T得第一效沸点1T=132.8℃
?1=0.98
?1=(?1?1
r1′
+??0
?0??1
r1′
)?1
=(?1×
2066.2
.
+2727.2×3.5×
80?131.9
.
)
=0.938?1?229.4
?2=0.98..
?2=2000??1
=[?12140.22177.6+(3.5×2727.3?4.220?1)130.9?802217.9
]0.9
解得：
?1=954.2???? ?1=1291.3????
?2=???1=1045.8????
?1=?1?1??1=?1?1?1??1=1291.3×2066.2×10001500×27.2×3600=18.1?2
?2=?2?2??1=?2?2?2??2=1045.8×2140.2×1000800×50.1×3600
=17.4?2
两效的传热面积比较接近，故不在重算 又加热面积留适当的余量，取S=18.12m
第4章蒸发器主要工艺尺寸的计算4.1加热室
传热管数目
n=
?
??L
=
18.1
3.14×0.032×3
=60根
管子采用正三角形排列
??=1.1√?=1.1√60=9
采用胀管法，取t=1.5d
t=1.5d
=1.5×38=57mm
取b’=1.5d
b’=1.5d
=1.5×38=57mm
加热室的直径
D=t(9?1)+2?‘
=57×(9?1)+2×567
=627mm
圆整后，取加热室直径D为650mm.
4.2分离室
第一效蒸发：
取分离室高度为1.0m
由附录查得温度130.9℃蒸汽的密度为1.495kg/m3，所以二次蒸汽的体积流量为
??1=?1
?
=
952.4
1.495×3600
=0.18?3?
?
取允许的分离室蒸发体积强度Vs’为1.2m3/（m3·s）分离室直径
?4?12?=
??1
??
?1=√
0.18
?
4
×1.0×1.2
=0.51
??1=
1.0
0.51
=1.96
高径之比在1~2围。第二效蒸发
取分离室高度为1.5m
??2=?2
=
1045.8
.×
=0.98?3?
?
由附录查得81℃蒸汽的密度为0.29276kg/m3，所以二次蒸汽的体积流量为取允许的分离室蒸发体积强度Vs’为1.2m3/（m3·s），分离室直径
?2=√
0.98
?
4
×1.5×1.2
=0.76
??2=
1.5
0.76
=1.97
高径之比在1~2围
4.3其他工件尺寸
降膜蒸发器高度为4320mm，宽度为650mm 换热管选用的φ32×3mm
第5章强度校核5.1 筒体