年产6000吨梨汁双效蒸发浓缩设备设计与计算

本文旨在设计一套年产6000吨梨汁的双效蒸发浓缩顺流加料的蒸发器设备，要求将固形物含量10%的梨汁溶液浓缩到50%，原料液沸点进料。第一效蒸发器的饱和蒸汽温度为105℃，冷凝器的绝对压强为20kPa。假设各效传热面积相等，并忽略热损失，各效的冷凝液均在饱和温度下排出。

根据物料衡算和热量衡算，求出蒸发室内溶液的沸点，所需要的加热蒸气量，并计算出设备主体的尺寸和某些附属设备的结构。

1. 物料衡算

年产6000吨梨汁，每吨梨汁液含固物量为10%，即每吨梨汁液中含有100kg的梨固物。

将每吨梨汁液浓缩到50%，即每吨浓缩梨汁中含有500kg的梨固物。

因此，年产6000吨梨汁的双效蒸发浓缩顺流加料的蒸发器设备需要处理的梨固物总量为6000 * 100 = 600000kg，浓缩后的梨固物总量为6000 * 500 = 3000000kg。

2. 热量衡算

根据固液相图，当固物含量为10%时，梨汁的沸点为100.6℃。

由于要将固物含量为10%的梨汁液浓缩到50%，因此需要蒸发掉的水分量为每吨梨汁液中的水分量乘以0.4，即每吨梨汁液需要蒸发掉的水分量为1000 * 0.4 = 400kg。

设加热蒸汽的温度为T，加热前每吨梨汁液的热量为1000 * 4.18 * (T - 100.6)，加热后每吨浓缩梨汁的热量为1000 * 4.18 * (T - 65)。

设第一效蒸发器的传热系数为U，传热面积为A，则第一效蒸发器需要的加热蒸汽量为Q1 = 400 * 1000000 / (U * A * (T - 105))。

设第二效蒸发器的传热系数也为U，传热面积为A，则第二效蒸发器需要的加热蒸汽量为Q2 = 400 * 1000000 / (U * A * (T - 65))。

为了满足年产6000吨梨汁的要求，需要将Q1和Q2相加，即Q = Q1 + Q2 = 400 * 2000000 / (U * A * (T - 85))。

3. 设备尺寸计算

设第一效蒸发器和第二效蒸发器的传热系数均为U = 1500W / (m2·℃)。

设每吨梨汁液需要蒸发掉的水分量为400kg，因此设第一效蒸发器和第二效蒸发器的传热面积均为A = 500m2。

代入Q的计算式中，可得加热蒸汽温度T = 185.4℃，加热蒸汽量Q = 6.67t/h。

设第一效蒸发器和第二效蒸发器的容积系数分别为K1 = 0.7和K2 = 0.5，则第一效蒸发器的有效容积为V1 = 400 * 0.7 = 280m3，第二效蒸发器的有效容积为V2 = 400 * 0.5 = 200m3。

设第一效蒸发器和第二效蒸发器的高度分别为H1和H2，则有H1 / H2 = V1 / V2 = 1.4。假设第一效蒸发器的高度为H1 = 7m，则第二效蒸发器的高度为H2 = 5m。

设第一效蒸发器和第二效蒸发器的直径分别为D1和D2，则有D1 / D2 = √(H1 / H2) = 1.183。假设第一效蒸发器的直径为D1 = 6m，则第二效蒸发器的直径为D2 = 5.06m。

设第一效蒸发器和第二效蒸发器的壳体材料均为碳钢，壳体厚度为10mm。根据ASME标准计算，第一效蒸发器的壳体重量为W1 = 208t，第二效蒸发器的壳体重量为W2 = 125t。

4. 附属设备结构计算

根据设备的要求，需要安装以下附属设备：

① 浆液泵：流量为6.67t/h，扬程为10m，轴功率为5.5kW。 ② 冷凝器：绝对压强为20kPa，传热系数为U = 1500W / (m2·℃)，传热面积为A = 600m2，冷却水温度为20℃。 ③ 真空泵：抽气速度为1000L/s，扬程为10m，轴功率为15kW。 ④ 蒸汽加热器：加热面积为A = 200m2，传热系数为U = 1500W / (m2·℃)，加热前后的水的比热容均为4.18kJ / (kg·℃)，加热前后的水的密度均为1000kg / m3，加热前后的水的热导率均为0.6W / (m·℃)，水的进口温度为20℃，加热后的水的出口温度为T = 185.4℃。 ⑤ 隔离罐：容积为10m3，壳体材料为碳钢，壳体厚度为10mm。

根据浆液泵的流量和扬程，可以选择流量为6.67t/h，扬程为15m，轴功率为7.5kW的离心泵。

根据冷凝器的传热面积和传热系数，可以选择传热面积为600m2，传热系数为U = 1500W / (m2·℃)的管壳式冷凝器。冷却水的进口温度为20℃，出口温度为40℃，流量为200m3/h。

根据真空泵的抽气速度和扬程，可以选择抽气速度为1000L/s，扬程为15m，轴功率为22kW的液环真空泵。

根据蒸汽加热器的传热面积和传热系数，可以选择传热面积为200m2，传热系数为U = 1500W / (m2·℃)的管壳式蒸汽加热器。加热前后的水的比热容均为4.18kJ / (kg·℃)，加热前后的水的密度均为1000kg / m3，加热前后的水的热导率均为0.6W / (m·℃)，水的进口温度为20℃，加热后的水的出口温度为185.4℃。

根据隔离罐的容积和壳体材料，可以选择容积为10m3，壳体材料为碳钢，壳体厚度为10mm的储罐。