食品工程原理课程设计——蒸发器的设计分析.pdf

《食品工程原理课程设计——蒸发器的设计分析.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《食品工程原理课程设计——蒸发器的设计分析.pdf（22页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、食品工程原理课程设计 - 0 - 食品工程原理 课程设计说明书 任务名称：蒸发器的设计 设计人： 指导教师： 班级组别： 设计时间： 成绩 : 食品工程原理课程设计 - 1 - 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 食品工程原理课程设计 - 2 - 设计说明书 一、题目: 蒸发器的设计 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%，

2、第一效真空度为 600mmHg,第二效真 空度为 700mmHg。加热蒸汽的压力为0.15 MPa 二、原始数据： 1、原料：浓度为 4.25%的番茄酱 2、产品：浓度为 28%的番茄酱 3、生产能力：蒸发量四吨每小时，一天工作10 个小时 4、热源：加热蒸汽为饱和水蒸汽，压力0.15MPa 5、压力条件： 第一效为 600 mmHg 的真空度，第二效为 700 mmHg的真空度 三、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

3、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 四设计要求 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 食品工程原理课程设计 - 3 - 设计方案的确定 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

4、，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： （1）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。 （2）效数越多，温度差损失越大，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。 （3）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 mm

5、Hg 真空度。 5.加料方式：并流式。其优点在于： （1）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;（2）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；（3）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；惯性捕集器 食品工程原理课程设计 - 4 - 方案说明 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： 1）物料：预热杀菌后的番茄酱由循环泵由下部进入，流经管内，由上部进入 蒸发分离室， 先经加热器的管

6、内上升， 通过弯头进入另一台加热器，经加热料液 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。由二效分离器出来的物料浓度达到 所要求 28。 2）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

7、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 利用率高。 食品工程原理课程设计 - 5 - （一）物料衡算 1、原料处理量 : 每小时处理量： n x x FW 0 1（常用化工单元设备设计153 页） hKg xx xW F/4716 25.428 284000 02 2 0 式中 0 F 原料处理量， kg/h

8、； 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： 471510=47.15 吨/日 2、初步估算一、二效的蒸发水量 由常用化工单元设备设计P153 取 W1:W2=1:1.1 故 W1= 1.11 4000 =1904.8(kg/h) W2=4000-1904.8=2095.2(kg/h) 其中， W1第效的蒸发量， kg/h W2第效的蒸发量， kg/h 效二次蒸汽浓度 1 0 0 0 WF xF x= 8 .19044716 %25.44716 =6.31% 3、成品产量： F2= 0 F -W=47

9、16-4000=716 kg/h （二）热量衡算 1.有关参数 （1） 总蒸发量： 4000 kg/h （2） 进料： 1 x =4.25% 1 T =61.1 ( 查食品工程原理 843页此温度 下水的比热 Cww=4179J/Kg.k) 出料： 2 x =28% 2 T =41.4 食品工程原理课程设计 - 6 - 料液比热 : kKgJ x CC O W /4001) 100 25.4 1(4179) 100 1( 0 （3） 真空度分配： 第效： 600mmHg 1 P =0.21 10 5 P a（查得此压力下饱和蒸汽温度 1 T =61.1） 第效： 700mmHg 2 P =0.

10、08 10 5 Pa （查得此压力下饱和蒸汽温度 2 T =41.4） 来自食品工程原理 741 页饱和水蒸汽表 二次蒸汽的热参数值如下表 压力 (Pa) T() 比焓(KJ/kg) 汽化潜热 (kg) 效加热蒸汽 0 P =1.510 5 0 T =111.3 0 i =2695.1 0=2229.3 效二次蒸汽 1 P =0.2110 5 1 T =61.1 1 i =2606.6 1=2352.5 效加热蒸汽 2 P =0.0810 5 2 T =41.4 2 i =2570.2 2=2396.4 2、温差损失 、温度损失的计算 0 tt f m a 式中：温度差损失， 操作压强下由于溶

11、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， a 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： 2 )273(0162.0 r T f 式中：T操作压强下二次蒸汽的温度， 操作压强下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg 食品工程原理课程设计 - 7 - 2 0 gh pp m 式中： m p 溶液内部平均压强，Pa 0 p 液面上方的压强， Pa h溶液液层高度， m （该题设其液层高度为6m） 溶液密度， kg/ m 3 该题密度为 33 /10028.1mkg 常温下番茄酱沸点升高 C a 15.0 1 115.015

12、.0 5.2352 2731.610162.0 2 ( ) a m kPp223.51 2 10028.1681.9 21000 3 由压强 51.223 kPa 查表得： 82 m T 3217.6082 0 TTm 取1 4.2213 .21115.0 3、W1,W2,D1 物料衡算公式： 1120011 WCFDW 20022 CFDW 式中 1 W 2 W 效蒸发水量 kg/h D1 D2效蒸汽量kg/h 12-效自蒸发系数 0 F -原料处理量kg/h C 0- 原料比热kj/kgk 食品工程原理课程设计 - 8 - 12热利用系数 （来自食品工厂机械与设备192页） 根据逆流时的自

13、然蒸发系数，按下式计算: nn n Tci T 1n n T = 00838.0 186.41.616 .2606 1 .614.41 1 00822.0 186.44 .412.2570 4 .411 .61 2 将式代入式中 D 2 =W1 12111 w oooo CFWCFD 0 0 8 3 8. 00 0 8 2 2.00 0 1.44 1 7 60 1 8 6.44 7 1 6 11 WD 11 0 0 8 3 8.078.141WD 98.1420085. 1w 11 D 将式代入式中 00822. 00186.4471698.1420085.1w 12 D 8.120085.1

14、 1 D A=1.0085+1.0085=2.017 18.1308.1298.142B hKg A BW D/68.2047 017.2 18.1304000 1 第效蒸发量hkgD/11.192298.14268.20470085.198.1420085.1w 11 第效蒸发量hkgD/29.20528.1268.20470085.18.120085. 1w 12 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。 3第效放出浆量 F及浓度x 食品工程原理课程设计 - 9 - %52. 7 71.2663 43.200 29.20524716 %25. 44716 /71.

15、266329.20524716F 2 2 WF xF x hkgWF o oo o 4.、 效加热面积的确定 效传热量：hkJD/46003176.224668.2047Q 011 效传热量：hkJD/44815916.233111.1922Q 122 各效有效温度差：2 .501.613111T 101 TT 7 .184.4111.61T 21212 TT 其中 12 两效间温度损失 12 =1 各类蒸发器传热系数（食品工程原理P722） 蒸发器型式传热系数 K（w/ m 2k） 蒸发器型式传热系数 K（w/ m 2k） 水平沉浸加热式6002,300 升膜式1,2006,000 标准式（

16、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 通过上表按经验数据取： 强制循环KmhkJK 2 1 /6698 自然循环KmhkJK 2 2 /3349 第效加热面积： 2 11 1 1 68.13 2 .506698 4600317 Sm TK Q 第效加热面积： 2 22 2 2 56.70 7 .183349 4481591 Sm TK Q （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

17、162页，采用321.5mm 不锈钢管，管长 L=3 m 50 3029.014. 3 68.13 n 0 1 1 Ld S （根） 食品工程原理课程设计 - 10 - 式中S传热面积， 2 m ； 0 d 加热管直径， m； L管子长度， m 。 取管间距为 1.25 H d 的同心圆排列： 同心圆数根数同心圆直径 1 6 mmtn8014.3/406/D1 2 12 mmtD160402802D 12 3 18 mmtD2404021602D 23 4 25 mmtD3204022402D 34 根据排列四层共 61 根管子 第效加热面积： 2 I 66.163029.014.361Sm

18、加热室壳体直径的计算：ebtD21 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 mmde H 403225.125. 1 管子在管板上的排列间距：mmdH403225.125.1t 中心排列管子数：824b（根） 内径mmebtD B 360402184021 1 根据常用化工单元设备设计163页 取外壳壁厚 =10mm 外径mmD B 3801023602D 11H 将外径圆整到 400mm 2、效加热器的尺寸 采用321.5 不锈钢管，管长 L=3 m 259 3029.014.3 56.70 n 0 2 2 Ld S （根

19、） 食品工程原理课程设计 - 11 - 取管间距为 1.25 H d 的同心圆排列： 同心圆数根数同心圆直径 1 6 mmtn8014.3/406/D1 2 12 mmtD160402802D 12 3 18 mmtD2404021602D 23 4 25 mmtD3204022402D 34 5 31 mmtD4004023202D 45 6 37 mmtD4804024002D 56 7 43 mmtD5604024802D 67 8 50 mmtD6404025602D 78 9 56 mmtD7204026402D 89 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

20、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： 2 2 713029. 014.3260mS 加热室壳体直径的计算： 中心排列管子数：1829b（根） 内径mmebtD B 7604021184021 2 根据常用化工单元设备设计163页 取外壳壁厚 =12mm 外径mmD B 7841227602D 22H 将外径圆整到 800mm 3、蒸发室直径的确定 第效： 3600 4 0 11 1 VW dm 式中 1 W 效蒸发水量kg/h 食品工程原理课程设计 - 12 - 1 V 二次蒸汽比体积kgm / 3 0二次蒸汽上

21、升速度 sm/ 查食品工程原理 841页并用内差法计算得61.1饱和水蒸汽的密度 3 1 /1369.0mkg kgmV/16.7 1396.0 113 1 1 sm/15. 3 1369. 0 26.426. 4 3 3 1 0 m55.1 360015.3 4 14.3 16.711.1922 d1 取md6 .1 1 第效： 3600 4 d 0 22 2 VW m 式中 1 W 效蒸发水量kg/h 0 二次蒸汽上升速度m/s 2 V 二次蒸汽的比体积kgm / 3 查食品工程原理 841页并用内差法计算得41.4饱和水蒸汽密度 3 2 /05514.0mkg kgmV/14.18 05

22、514.0 113 2 2 sm/26. 4 05514. 0 26. 426.4 3 3 2 0 m VW 76.1 360026.4785.0 14.1829.2052 3600 4 d 0 22 2 取md8 .1 2 食品工程原理课程设计 - 13 - 4、蒸发室的截面积 F= 4 2 d 第效： F1= 4 6.114.3 2 =2 第效 F2= 4 8.114.3 2 =2.54 5、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 第效：mdH2.36.122 11 第效：mdH6.38 .122 22 6、循环管尺寸 上循环管直径取mdd32.06.12

23、.02 .0 11 下循环管直径取 mndd B 52.0321029.0 22 2 式中 B d 加热管内径； n加热管根数。 7、连接管直径的确定 1、加热蒸汽进口管径dm dm= mF4 式中： Fm进口管截面积， 3600 m m m DV S Vm加热蒸汽的比容， m 3/kg 根据加热蒸汽压力为0.15Mpa，由食品工程原理饱和水蒸汽表 查得 3 /7334.0mkg Vm= 1/0.7334=1.3635m 3/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， 食品工程原

24、理课程设计 - 14 - 故本题加热蒸汽进口压力为1.5 大气压，取饱和蒸汽的速度为26.25 米/ 秒。 m饱和蒸汽速度， 26.25m/s 故 2 02955.0 360025.26 3635.168.2047 mFm mdm194.0 14.3 02955.04 由食品工程原理 P852：取整后选用mmdm219，壁厚mm6, 内截 面积为 2 03364.0m 所以实际饱和加热蒸汽的速度： sm F VD m m m /05.23 360003364.0 3635.168.2047 3600 1 2、效二次蒸汽出口进入效的管径： 效二次蒸汽出口的温度为 1 .61 ，由食品工程原理 8

25、41 页饱和水 蒸汽表查得 3 /1369.0mkg kgmVm/3046.7 1369.0 113 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 100160米/ 秒， 取 v1=100m/s 所以 d1= 1 11 3600 4 v VW = 360010014. 3 43046.711.1922 =0.223m 取整后选用mmd245 1 ，壁厚mm5.6, 内截面积为 2 04225.0m 的普通无 缝钢管 3、效二次蒸汽的出口管径： 效二次蒸汽的出口温度为41.4 ，由食品工程原理查得密度 3 2 /05514.0mkgkgmV/1357.18 05514.0 11

26、 3 食品工程原理课程设计 - 15 - 由食品工厂机械与设备查得，取v2=150m/s d2= v VW 3600 4 22 = 14.31503600 1357.1829.20524 =0.296m 取整后选用mmd325 2 ，厚为 8mm ，内截面积为 2 07495.0m 的普通无缝刚管 附属设备尺寸计算 选用水喷式式冷凝器 冷凝器选用喷射式冷凝器，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。 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

27、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： 1 t =25出口温度： 2 t = 40 冷凝水消耗量： 2 21 () () p p W HC t G Ctt )2540(179.4 )40179.42.2570(29.2052 hkg/1087. 7 4 W 水蒸汽量 kg/h H- 水蒸汽焓 kJ/kg CP- 冷却水比热 kJ/kg t1 ，t2 冷却水进、出口温度 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=0.93 通过一个喷嘴的水流量 食品工程原理课程设计 - 16 - 0 2 p

28、qfg 故 q= 4 015.014.3 2 0.93 997 10) 15.2(81. 92 5 3600 =32.24 (m 3/h) 喷嘴数 N= q G = 24.32997 1087.7 4 =2.45（个） 取整数为 N=3 个 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。 食品工程原理课程设计 - 17 - 主要技术参数 计算结果汇总表 料液处理量， kg/h 4716 蒸发水量 ,kg/h 4000 产品产量 , kg/h

29、716 蒸汽用量 , kg/h 2047.68 冷凝水用量， kg/h 78700 效蒸发器直径 ,m1.6 效蒸发器直径 ,m1.8 效蒸发器传热面积 , m 2 13.68 效蒸发器传热面积 , m270.56 效蒸发器高度 ,m 3.2 效蒸发器高度， m 3.6 加热管尺寸 ,mm 5.1323000L 上循环管直径， m 0.32 下循环管直径， m 0.52 加热蒸汽进口管径， mm 219 效二次蒸汽出口进入效的管径， mm 245 效二次蒸汽的出口管径，mm 325 分布器旋液式 捕集器惯性捕集器 冷凝器水喷式冷凝器 机组号 项目效蒸发器效蒸发器 进料浓度4.5%6.31% 进

30、料温度61.1- 进料量 kg/h47162047.68 二次蒸汽压力 MPa0.0210.008 蒸汽温度61.141.4 出料浓度6.31%28% 出料量 kg/h2047.68716 食品工程原理课程设计 - 18 - 设备流程及装备图 （一）设备流程图 16 18 2 110 10 12 17 13 11 14 3 5 4 6 15 9 8 7 顺流式双效真空降膜浓缩设备流程图 1-平衡槽 2- 冷凝水泵 3- 二效蒸发器 4- 一效蒸发器 5- 杀菌器 6- 保温管 7-物料泵 8 冷凝水泵 9- 出料泵 10- 酸、碱洗涤液贮存槽 11- 热压泵 12- 冷却水泵 13-水力喷射器

31、 14- 物料预热器 15- 水箱 16- 分气缸 17- 回流阀 18- 出料阀 食品工程原理课程设计 - 19 - （二）一效蒸发器简图 加热蒸汽，冷凝水出口 真空压力表接头 物料入口 加热蒸汽入口 物料出口 二次蒸汽物料出口接分离器 加热蒸汽冷凝水出口 下不凝气体出口 真空压力表接头 物料出口 加热蒸汽入口 物料入口 上不凝气体出口 物料入口 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 一效蒸发器简图 1：120陈海光 2006.1 指导者日期比例备注设计者 梁福宜 ( 4 7 0 ) (1810) (600)300 8 1 8 0 （ 6 4 7 0 ） 1210

32、 2 1 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 17 15 16 食品工程原理课程设计 - 20 - （三）惯性捕集器 5 6 1 2 4 3 7 8 2 1 3 3 2 (2) (1) 1 3 2 食品工程原理课程设计 - 21 - 参考文献 （1） 食品工程原理李云飞，葛克山主编 北京：中国农业大学出版社，2004年 8 月第 2 版 （2） 化工单元过程及设备课程设计匡国柱、史启才编 化学工业出版社， 2001。 （3） 食品工厂机械与设备无锡轻工业学院，天津轻工业学院编， 北京：中国轻工业出版社，1981年 2 月第 1 版 （5） 化工原理王志魁主编 北京：化学工业出版社， 1998年 10月第 2 版 （6） 蒸发过程设计天津轻工业学院编 北京：中国轻工业出版社 , 1995 年 10 月