节能型中药厂中药浸出液蒸发系统设计毕业设计论文.doc

摘要本设计是中草药行业处理3750Kg/h的四效降膜蒸发系统，对系统的蒸发罐、分离器、热能压缩泵、预热器、冷凝器、离心泵、真空泵及其他附属设备进行了设计，设计主要包括降膜蒸发器的特点及选择工艺流程、选题设计与论证、设计计算、技术经济分析、安装准备要求与安装调试注意事项等几大部分。其中设计计算包括物料衡算，热量衡算，热能压缩泵、预热器、管路、冷凝器、真空泵的设计与选择。本设计的设计任务是：通过于查阅工具书及相关参考资料，了解预热器，蒸发罐，热压泵，分离器和其他附件等各部件的结构和功能，并分析它们在各种载荷下的受力及各种应变，通过分步完成各部件的选材，设计计算和各种应力校核，最终完成一个行业处理3750Kg/h的四效降膜蒸发系统的设计，指明在工业应用中的注意事项并制定各种安全防护措旅来保证安全使用。本设备采用顺流进料，具有热效率高、节能、物料预热温差小，有利于保证产品的质量、并且冷却水消耗量低。设备在低温条件下进行连续操作，具有蒸发能力高、节能降耗、设备占地面积小、传热效果佳、运行费用低、经济性高、便于操作，且能保证物料在蒸发过程中不变性等特点。其中有许多部分的设计借鉴了国内外的一些先进的理论和方法，以合理经、济为设计原则，力争达到技术先进、质量达标、操作方便、能耗低及无污染的设计目标，此设计的优点是传热效果好、热能利用率高、生产效益高、易于制造。文字资料完成文献综述一份，设计计算书一份，设计说明书一份，设计中所查参考的参考文献记载一份。关键词： 中草药： 四效； 降膜； 蒸发系统AbstractThis design is the herbal industry under 3750Kg / h four-effect falling film evaporator system, the systems evaporator, separator, thermal compression pump, preheater, condenser, centrifugal pumps, vacuum pumps and other ancillary equipment design, design includes the characteristics of falling film evaporator and selection process, selection design and feasibility studies, design calculations, technical and economic analysis, installation preparation requirements and installation precautions in several parts. The design of the design tasks are: through them under various loads to consult books and related reference information, learn preheater, structure and functions of the components of the evaporation tank, hot pumps, separators and other accessories, and analysis the stress and strain of various by step through the selection, design calculations and various stress check of the components, the final completion of a business process design 3750Kg / h four-effect falling film evaporation system, specified in industrial applications Caution and develop a variety of security measures to ensure the safe use of trip.Design and calculation of which includes material balance, heat balance, heat compression pump, preheater, piping, condensers, vacuum pump design and selection. This equipment is used downstream feed with high thermal efficiency, energy saving, material preheating temperature low to ensure the quality of products and low consumption of cooling water. Equipment in continuous operation under low temperature conditions, with high evaporation capacity, energy saving, small footprint devices, good heat transfer, low cost, economy, ease of operation, and can ensure the material in the evaporation process of invariance and so on. Many of which are part of the design draws on a number of domestic and foreign advanced theory and methods, with reasonable on the economic principles for the design, and strive to achieve the advanced technology, quality standards, easy operation, low energy consumption and pollution of the design goals, this design the advantage of effective heat transfer, thermal efficiency, high production-effective, easy to manufacture.Key words: Chinese herbal medicine; four of them; falling film; evaporation system 目 录第一章 绪 论 11.1 中草药及其生产现状 11.2 蒸发技术 11.3 设备的工艺设计要求 21.3.1 设计程序 21.3.2 对蒸发设备的要求 3第二章 选题设计与论证 42.1 设计论述 42.2 蒸发系统设计与论证 42.2.1 浓缩设备的特点 42.2.2 降膜蒸发器的特点 52.2.3 三效降膜蒸发器的特点 52.2.4多效降膜式蒸发器的特点 6第三章 设计计算 73.1 物料衡算 73.2 热量衡算 73.2.1 热压泵的喷射系数 73.2.2 一效蒸发罐的热量衡算 83.2.3 二效蒸发罐的热量衡算 93.2.4 三效蒸发罐的热量衡算 103.2.5 四效蒸发罐的热量衡算 123.2.6 总热量衡算 133.3 蒸发罐设计计算 133.3.1 传热量的计算 133.3.2 各效蒸发罐设计 143.3.3 周边流量较核： 153.3.4 蒸发罐筒体内径 183.3.5 蒸发罐壁厚较核 183.4 各效预热盘管的设计计算 193.5 分离器直径和高度的设计 233.6 热能压缩泵的设计 263.6.1 拉伐尔喷嘴的计算 263.6.2 泵体的基本尺寸 273.6.3 扩压室的设计计算 293.7 预热器的设计 293.8 冷凝器的设计 303.9 管路设计计算 323.9.1蒸汽矩形管道设计 323.9.2 汁汽管设计 333.9.3 物料管设计 353.9.4 上、下不凝气管 363.9.5 冷凝水出口管 363.10 泵的设计与选择 373.10.1 离心泵的设计与选择 373.10.2 真空泵的选择与设计 37第四章 技术经济分析39第五章 设备安装调试与注意事项40参考文献42致谢43沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 选题设计与论证 第一章 绪论1.1 中草药及其生产现状国外的研究现状：国外大型中药厂的蒸发设备采用的是离心式滑动沟槽转子来工作，是国外最新结构及创新性蒸发器，在流量不是很大的情况下也能形成薄膜，在筒体蒸发段内壁表面附着处理液中的淤积物可被活动刮板迅速刮下，和固定间隙的刮板蒸发器相比，蒸发量可提高45-65%。国内的研究现状：现代中药化的大幅度提高，传统的分离方法两端蒸发工艺面临很大危机，以中药药效物质精制为目标的分离体系而言，其原料液浓度不高，组分复杂，回收率要求比较高，但现有的化工分离技术是以浓度差为传质推动力实现待分离组分，其是由高浓度向低浓度扩散的，但中药往往难以满足上述分离体系的要求。从现代分离技术的研究发展趋势来看，目前现有的设备大多属于传统的提取、浓缩设备，提取液浓度低，组分复杂，效率低。针对上述问题，利用已有的和新开发的分离技术进行有效组合，或者把两种以上的分离技术合成为一种更有效的分离技术，有可能实现过程优化的目的，达到更高产品选择性和收率。1.2 蒸发技术使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质组成提高的单元操作称为蒸发，所采用的设备称为蒸发器。蒸发操作广泛应用于化工、石油化工、制药、制糖、造纸、深冷、海水及原子能等工业中。工业上采用蒸发操作主要达到以下目的： （1）直接得到经浓缩后的液体产品。 （2）制取纯净溶剂。 （3）同时制备浓溶液和回收溶剂。 蒸发过程的实质是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液沸腾间的传热过程，溶剂的汽化速率由传热速率控制，故蒸发属于热量传递过程，但又有别于一般传热过程，因为蒸发过程具有下述特点：45（1）传热性质 传热壁面一侧的加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液进行沸腾，故蒸发过程属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。 （2）溶液沸点的改变 含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下溶剂（即纯水）的低，换言之，在相容压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点，故当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差。溶液组成越高这种现象越显著。 （3）溶液性质有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢和生泡沫，高温下易分解或聚合；溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。（4）泡沫夹带二次蒸汽中常夹带大量液沫，冷凝前必须设法除去，否则不但损失物料，而且会污染冷凝设备。 （5）能源利用蒸发时产生大量二次蒸汽，如何利用他的潜热，是蒸发操作重要考虑的关键之一。1.3 设备的工艺设计要求1.3.1 设计程序课题研究的内容：节能型中药厂浸出液蒸发系统设计3750kg/h。课题研究拟采用的方法：一般程序为。根据溶液的性质及工艺要求确定蒸发的操作条件、蒸发器形式和蒸发操作的流程及最佳数等；（1）根据物料衡算及热量衡算计算加热蒸汽消耗及各效蒸发量；（2）求出各效传热量和传热有效温度差，确定传热系数，从而计算各效的传热面积；（3）根据传热面积和选定的加热管直径和长度，计算加热管数；确定管心和排列方式，计算加热室的外壳直径；（4）确定蒸发器的工艺尺寸，包括接管、连接方式、法兰、人孔和视镜的标注；（5）确定二次蒸汽冷凝器结构并计算冷凝器的工艺尺寸及其他附属设备的计算或选型；（6）真空系统计算及真空泵的选型；（7）绘制工艺流程图及蒸发器装备图和编写说明书。1.3.2 对蒸发设备的要求（1）尽可能确保大的传热系数；（2）要适合溶液的粘度、起泡性、热敏性、溶解度随温度变化的特性及腐蚀性的特性；（3）能最优地分离液沫；（4）尽量减少温差带来的损失；（5）能排出溶液在蒸发过程中所析出的结晶体； （6）尽量减慢传热面上污垢的生成速度； （7）能方便地清洗传热面。第二章 选题设计与论证2.1 设计论述本设计为带热压泵的四效降膜乳品蒸发系统。总蒸发水量3750Kg/h，将15C中药浸出液初始固形物含量经蒸发由0.05浓缩到35。本设计采用的是较为先进的理论与技术，完成液浓度基本为恒定。物料由进料管进来时首先落到料板上实现物料的第一次分布，然后进入布膜堰进行第二次分布，再进入布膜盘进行第三次分布，最后物料落到加热器上管板的管桥上进行第四次分布，最终在降膜管内壁形成均匀的膜状后加热蒸发完成布膜的。全过程牛乳由均匀分配于各效蒸发罐内。第一效产生的二次蒸汽引入二效蒸发器作为二效蒸发水分的热源，第二效产生的二次蒸汽部分引入三效蒸发器作为三效蒸发水分的热源外，其余部分经热压泵增压后与来自锅炉的蒸汽混合作为一效的热源.整套设计包括第一、二、三效蒸发器、第、二、三效分离器、预热器，混合式冷凝器、热压泵、分气缸、物料罐、物料泵以及水环式真空泵、管路布置等部分。2.2 蒸发系统设计与论证2.2.1 浓缩设备的特点浓缩设备是生产中药浸出液蒸发设备的主要设备之一，与其他类型的蒸发设备相比，它有许多的特点：（1）真空浓缩设备大大降低了中药浸出液蒸发时的沸腾温度，使其中的热敏性物质不受高温影响，使产品质量下降。（2）沸腾温度的降低，提高了加热蒸汽与沸腾流体之间的温度差，增大了传热量（3）为了利用二次蒸汽、节约能源创造了条件，如双效、多效浓缩及热压泵等。（4）真空浓缩操作是在较低的温度下进行的，设备与室内的温度差小，减少了设备使用时的热量损失。2.2.2 降膜蒸发器的特点优点：（1）物料一次通过受热时间短，可防止热分解，提高中草药复原性，易于热敏性物料；（2）连续操作，设备有效时间利用率高；（3）蒸发与预热都在小温差下进行，因而不易结焦，易于清洗也易于二次蒸气再压缩和多效流程操作；（4）由于可多效操作及二次蒸发再压缩等原因，热能消耗少；（5）冷却水消耗量少；（6）传热系数高，传热性能好；（7）无液柱静压强引起的温差损失，固性物引起的沸点升高效；（8）可进行就地清洗；（9）可用于固形物含量与粘度较高的物料；（10）易于调节、控制、操作稳定可靠、方便，易于实现自动化。缺点：（1）设备较高，要求高层厂房；（2）要求工作蒸汽压力较高且稳定；（3）设备投资较高。2.2.3 三效降膜蒸发器的特点在液体和蒸汽向下并流流动的降膜蒸发器中。经预热器预热至沸腾温度的料液，经顶部的液体分布装置形成均匀的液膜进入加热管，并在管内部分蒸发。二次蒸汽与浓缩液在管内并流而下，料液在蒸发器中的停留时间短，能适应热敏性 溶液的蒸发，另外，降膜蒸发还适用于高粘度溶液，粘度范围在 0.050.4Pas。降膜蒸 发器极易使管内的泡沫破裂，故亦适用于易发泡物料的蒸发。由于降膜蒸发器是液膜传热，所以其传热系数高于其他形式的蒸发器；此外，降膜 蒸发没有液柱静压力，传热温差显著高于其他形式的蒸发器。故可取的良好的传热效果， 一次性投入最小，是业主优先选择的蒸发器形 设备特点： （1）由一、二、三效分离器，一、二、三效蒸发器、预热器、冷凝器和热压泵组成。（2）蒸发耗量低，1kg 蒸汽可蒸发 3.2kg 水。 （3）蒸发温度低，部分二次蒸汽经喷射式热压泵重新吸入一效加热器，热量得到充分利用，蒸发温度相对较低。 （4）浓缩比大，降膜式蒸发，使粘度较大的料液容易流动蒸发，不容易结垢，浓缩时间短，浓缩比可达到 15。 （5）本设备可以实现全自动化生产，智能化系统管理，符合 GMP 标准要求。2.2.4多效降膜式蒸发器的特点(1)结构紧凑、布局合理、占地面积小、安装操作方便； (2)生产效率高、蒸发量大； (3)节能效果十分显著，能耗仅为一般降膜式蒸发器浓缩生产时的 1/3 左右。 QA/Q 0.45，QB/Q8(Q 为清水蒸发量，QA 为蒸汽耗量，QB 为冷却水耗量)； (4)系统可以控制，采用 PLC 编程的系统，设备工艺参数可设定、控制，原料液和冷却水也可以自动控制。系统控制精度：温度1 ，压力0.01 MPa，液位高度10 m。第三章 设计计算第三章 设计计算3.1 物料衡算总蒸发水量： 为保证设备可靠，将物料量扩大到10。则： （3-1）原料液流量 （3-2）式中： 中草药浸出液入料浓度，0.05 中草药浸出液出料浓度，48% 原料液流量(Kg/h)W 总蒸发量(Kg/h)总蒸发量W应等于各效蒸发量总和： 式中： 一效蒸发量(Kg/h) 二效蒸发量(Kg/h) 三效蒸发量(Kg/h) 四效蒸发量(Kg/h)3.2 热量衡算3.2.1 热压泵的喷射系数,绝压为0.0461MPa,绝压为0.021298MPa=0.9Mpa计算热压泵喷射系数: （3-3）式中: 高压引射蒸汽与其绝压绝热膨胀到吸入低压汁汽压力时的焓值差 低压吸入汁汽由其绝压绝热浓缩到混合蒸汽的绝压时的焓值差查焓熵图得：138 24，则3.2.2 一效蒸发罐的热量衡算图3-1 一效蒸发罐示意图 （3-4）式中： 70时浸出液的焓值,293.1 60时浸出液的焓值，251.21 78时不凝汽的焓值，2639.8 78时浸出液的焓值，326.9 71时蒸汽的焓值，2627.91 71时浸出液的焓值，297.455代入数值得：整理得：3.2.3 二效蒸发罐的热量衡算图3-2 二效蒸发罐示意图 （3-5）式中： 78时浸出液的焓值，326.9 71时不凝汽的焓值，2627.91 71时浸出液的焓值，297.455 60时浸出液的焓值，251.21 64时蒸汽的焓值，2602.46 64时浸出液的焓值，242.83 50时浸出液的焓值，209.34代入数值得：因为： 整理得 3.2.4 三效蒸发罐的热量衡算图3-3 三效蒸发罐示意图 （3-6）式中： 71时浸出液的焓值，297.455 71时蒸汽的焓值，2627.91 71时浸出液的焓值，297.455 50时浸出液的焓值，209.34 57时蒸汽的焓值，2600.54 40时浸出液的焓值，167.47代入数值得：因为： 整理得 3.2.5 四效蒸发罐的热量衡算图3-4 四效蒸发罐示意图 （3-7）式中： 64时浸出液的焓值，268.12 57时蒸汽的焓值，2600.54 58时浸出液的焓值，238.646 40时浸出液的焓值，167.47 44时蒸汽的焓值，2575.96 50时浸出液的焓值，209.34 30时浸出液的焓值，125.60代入数值得：因为： （3-8）整理得 （3-9） 3.2.6 总热量衡算 （3-10）由（1）、（2）、（3）、（4）、(5)四个方程联立得=1633.81Kg/h=1241.42Kg/h=1228.56Kg/h=649.66Kg/h=630.36Kg/h则 ：1.93：1.91：1.01：0.98 符合要求。3.3 蒸发罐设计计算3.3.1 传热量的计算各效传热量为： （3-11）各效传热系数： 各效温差均为：则各效换热面积为： （3-12） 3.3.2 各效蒸发罐设计（1）一效蒸发罐传热面积，降膜蒸发器加热管长径比为125250，选用的不锈钢管，管长8m。则管数：根 （3-13）（2）二效蒸发罐传热面积，降膜蒸发器加热管长径比为125250，选用的不锈钢管，管长8m。则管数：根 （3）三效蒸发罐传热面积，降膜蒸发器加热管长径比为125250，选用的不锈钢管，管长8m。则管数：根 （4）四效蒸发罐传热面积，降膜蒸发器加热管长径比为125250，选用的不锈钢管，管长8m。则管数：根 3.3.3 周边流量较核：一效：，不需要分层 （3-14）一效管子排列如图所示：图3-5 一效排管示意图二效：，需要分层 分为两层：第一程49根，第二程49根 第一层：第二层： 二效管子排列如图所示：图3-6 二效排管示意图三效：， 需要分层分为两层：第一程29根，第二程29根第一层： 第二层： 三效管子排列如图所示图3-7 三效排管示意图四效： 需要分层 分为四层：第一层15根，第二层15根，第二层15根，第二层17根第一层： 第二层： 第三层： 第四层： 四效管子排列如图所示：图3-8 四效排管示意图3.3.4 蒸发罐筒体内径（1）小端内径：518+70=588； 圆整到600 大端内径：588+64+64=716； 圆整到700（2）小端内径：536+70=606； 圆整到600 大端内径：606+64+64=734； 圆整到750（3）小端内径：438+70=508； 圆整到500 大端内径：508+64+64=636； 圆整到650（4）小端内径：455+70=525； 圆整到550 大端内径：505+64+64=633； 圆整到6503.3.5 蒸发罐壁厚较核（1）大端：假设厚度取。m临界长度： （3-15）故该圆筒属于短圆筒。壁厚较核：筒体外径：筒体计算长度： （3-16） （3-17）根据图算法，由过程设备设计页图46上查得则 （3-18）所以所取壁厚满足要求。（2）小端：假设厚度取。m临界长度： 故该圆筒属于短圆筒。壁厚较核：筒体外径：筒体计算长度： 根据图算法，由过程设备设计页图46上查得A=0.000092则 所以所取壁厚满足要求。同理：二效、三效、四效、五效壁厚都取为5。3.4 各效预热盘管的设计计算已知各效预热器传热系数：（1）一效预热盘管： 传热量： （3-19）对数平均温差： （3-20）传热面积： （3-21）选用不锈钢管，则预热盘管长为： （3-22）一效预热盘管内径为：，则盘管圈数为：圈 取圈 （3-23）（2）二效预热盘管： 传热量： 对数平均温差： 传热面积： 选用不锈钢管，则预热盘管长为： 二效预热盘管内径为：，则盘管圈数为：圈 取圈 （3）三效预热盘管 传热量： 对数平均温差： 传热面积： 选用不锈钢管，则管预热盘长为： 三效预热盘管内径为：，则盘管圈数为：圈 取10圈 （4）四效预热盘管 传热量： 对数平均温差： 传热面积： 选用不锈钢管，则管预热盘长为： 三效预热盘管内径为：，则盘管圈数为：圈 取9圈 （5）各效预热盘管的高度 一效蒸发罐示意图3-9图3-9 一效蒸发罐3.5 分离器直径和高度的设计（1）分离器直径： （3-24）式中：=0.44 （3-25）一效蒸发温度为71，查表得：（2）分离室高度当高径比为1.5时， 取（3）分离器壁厚设计假设厚度取。m临界长度： （3-26）故该圆筒属于短圆筒。壁厚较核：筒体外径：筒体计算长度： 根据图算法，由过程设备设计页图46上查得则 （3-27）所以所取壁厚满足要求。一效分离器示意图310图3-10 一效分离器3.6 热能压缩泵的设计热压泵如图3-11所示 图3-11 热压泵3.6.1 拉伐尔喷嘴的计算（1）喉部直径 （3-28）式中： 工作蒸汽量（高压引射蒸汽）（） 工作蒸汽的绝压（） 计算到小数点后二位()（2）喉部长度喉部长度一般取，本次设计为了降低磨损，取。（3）出口直径 （3-29）式中 ： 工作蒸汽量（高压引射蒸汽）（） 高压引射蒸汽绝热膨胀到汁汽压力时的比容（） 高压引射蒸汽绝热膨胀到汁汽压力时的焓差（）一效汁汽温度为，所以汁汽密度为： （4）入口直径： （3-30）（5）入口段长度：入口角度为 （3-31）（6）出口段长度：喷嘴出口角一般取，角度过大时易产生涡汽，角度过小时，过长产生摩擦损失，故本次设计取出口角为。 （3-32）3.6.2 泵体的基本尺寸（1）混合室长度 泵体混合室长度是指从喷嘴出口到泵体喉部的距离，此长度直接影响值和混合汽的背压。当过长时射流面积增加，混合室汽量增多，容易引起汁汽倒灌入热压泵中，不能正常工作，背压不能满足要求，当过短时，蒸汽射流短，造成混合汽量不足，影响到蒸汽量的消耗。时 喉部直径： （3-33）式中 ： 吸入低压汁汽量 混合汽的背压因为泵体喉部直径， （3-34）式中： 混合室锥形母线与水平线的夹角，（2）混合室入口直径：混合室锥角为，其入口直径按其与拉伐尔喷嘴所构成的环形空间截面积应等于汁汽吸入管的截面积，从而使汽速变化不大，依此确定混 合室入口直径。 （3-35）（3）喉部直径，因为喉部为圆柱形，长度为，取 3.6.3 扩压室的设计计算扩压角为，出口直径 扩压室长度： （3-36）按汽速为来决定正汽管直径： （3-37）式中：一效汁汽的比容，一效汁汽的速度，时，正汽管直径： （3-38）3.7 预热器的设计拟定将的中草药经预热器预热至，使用的四效汁汽提供热源，以充分利用热能。 传热量： （3-39）对数平均温差： （3-40）传热面积： （3-41）选用不锈钢管，则管长为： （3-42）采用单层盘管，内径取。圈 （3-43）取预热器直径为，壁厚取为。选取，的标准椭圆形封头作为上下封头，其曲面高度为，直边高度为，封头以焊接方式与预热器的筒体连接。预热器的高度：则有：所以 取预热器高为1270mm。3.8 冷凝器的设计混合冷凝器处理的蒸汽量（1）热量其中：预热器加热消耗的蒸汽量50蒸汽量的汽化潜热，=2378.1预热器出来的能量，=259421.148 （3-44）进入冷凝器后的蒸汽量为 （3-45）（2）冷凝器所需冷却的热量 （3-46）进入冷凝器的蒸汽的温度50，出去的水的温度温度为35，进入冷凝器的冷却水的温度15，出去的水的温度温度为35