食品工程原理课程设计——蒸发器的设计

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:目录1、设计说明书…………………………………………………………………22、设计方案的确定……………………………………………………………33、方案说明……………………………………………………………………44、物料衡算……………………………………………………………………55、热量衡算……………………………………………………………………56、工艺尺寸计算………………………………………………………………97、附属设备尺寸计算…………………………………………………………158、主要技术参数………………………………………………………………179、计算结果汇总………………………………………………………………1710、设备流程及装备图…………………………………………………………1811、参考文献……………………………………………………………………21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%，成品浓度为28%，第一效真空度为600mmHg,第二效真空度为700mmHg。加热蒸汽的压力为0.15MPa二、原始数据：1、原料：浓度为%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5、压力条件：第一效为600mmHg的真空度，第二效为700mmHg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，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。4.操作压力：Ⅰ效为600mmHg真空度，Ⅱ效为700mmHg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Ⅰ效蒸发分离器进行汽液分离。然后由物料泵送至Ⅱ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Ⅰ效蒸发室，当Ⅰ效蒸发室达到平衡液位时，料液直接进入Ⅱ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：Ⅰ效蒸发与其预热管内物料的热能由蒸汽供给，Ⅱ效蒸发和预热管内物料的热能全部为一效二次蒸汽供给。Ⅱ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，热能利用率高。（一）物料衡算1、原料处理量:每小时处理量：∵nxxFW01（常用化工单元设备设计153页）hKgxxxWF/471625.4282840000220式中0F—原料处理量，kg/h；x0——进Ⅰ效蒸发器料液的浓度，质量百分比；x2——出Ⅱ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=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:故W1=1.114000=(kg/h)W2==(kg/h)其中，W1——第Ⅰ效的蒸发量，kg/hW2——第Ⅱ效的蒸发量，kg/hⅠ效二次蒸汽浓度1000WFxFx=8.19044716%25.44716=%3、成品产量：F2=0F-W=4716-4000=716kg/h（二）热量衡算1.有关参数（1）总蒸发量：4000kg/h（2）进料：1x=%1T=61.1℃(查《食品工程原理》843页此温度下水的比热Cww=4179J/出料：2x=28%2T=41.4℃料液比热:kKgJxCCOW/4001)10025.41(4179)1001(0（3）真空度分配：第Ⅰ效：600mmHg1P=×105Pa（查得此压力下饱和蒸汽温度1T=61.1℃）第Ⅱ效：700mmHg2P=×105Pa（查得此压力下饱和蒸汽温度2T=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)Ⅰ效加热蒸汽0P=×1050T=0i=0=Ⅰ效二次蒸汽1P=×1051T=1i=1=Ⅱ效加热蒸汽2P=×1052T=2i=2=2、温差损失、温度损失的计算0ttfma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，℃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(0162.0rTf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/kg20ghppm式中：mp——溶液内部平均压强，Pa0p——液面上方的压强，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33/10028.1mkg常温下番茄酱沸点升高Ca15.01115.015.05.23522731.610162.02(℃)amkPp223.51210028.1681.9210003由压强kPa查表得：82mT℃3..217.60820TTm℃取1℃4.2213.21115.03、W1,W2,D1物料衡算公式：1120011WCFDW①20022CFDW②式中1W2W——ⅠⅡ效蒸发水量[kg/h]D1D2——ⅠⅡ效蒸汽量[kg/h]β1β2-----ⅠⅡ效自蒸发系数0F------原料处理量[kg/h]C0------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）根据逆流时的自然蒸发系数，按下式计算:nnnTciT1nnT=β∴00838.0186.41.616.26061.614.41β100822.0186.44.412.25704.411.61β2将①式代入②式中∵D2=W1∴12111wooooCFWCFD00838.000822.0001.441760186.4471611WD1100838.078.141WD∴98.1420085.1w11D③将③式代入②式中00822.00186.4471698.1420085.1w12D8.120085.11D∴A=+=18.1308.1298.142BhKgABWD/68.2047017.218.13040001∴第Ⅰ效蒸发量hkgD/11.192298.14268.20470085.198.1420085.1w11第Ⅱ效蒸发量hkgD/29.20528.1268.20470085.18.120085.1w12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Ⅱ效放出浆量F及浓度x%52.771.266343.20029.20524716%25.44716/71.266329.20524716F22WFxFxhkgWFoooo4.、Ⅰ、Ⅱ效加热面积的确定Ⅰ效传热量：hkJD/46003176.224668.2047Q011Ⅱ效传热量：hkJD/44815916.233111.1922Q122各效有效温度差：2.501.613..111T101TT℃7.184.4111.61T21212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/m2·k）蒸发器型式传热系数K（w/m2·k）水平沉浸加热式600~2,300升膜式1,200~6,000标准式（自然循环）600~3,000降膜式1,200~3,500标准式（强制循环）1,200~6,000悬筐式600~3,000外加热室式（自然循环）1,200~6,000蛇管式350~2,300外加热室式（强制循环）1,200~7,000通过上表按经验数据取：强制循环KmhkJK21/6698自然循环KmhkJK22/3349∴第Ⅰ效加热面积：2111168.132.5066984600317SmTKQ第Ⅱ效加热面积：2222256.707.1833494481591SmTKQ（三）工艺尺寸计算1、Ⅰ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=3m∴503029.014.368.13n011LdS（根）式中S——传热面积，2m；0d——加热管直径，m；L——管子长度，m。取管间距为Hd的同心圆排列：同心圆数根数同心圆直径16mmtn8014.3/406/D1212mmtD160402802D12318mmtD2404021602D23425mmtD3204022402D34根据排列四层共61根管子∴第Ⅰ效加热面积：2I66.163029.014.361Sm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mmdeH403225.125.1管子在管板上的排