单效中央循环管蒸发器.docx
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单效中央循环管蒸发器
食品工程原理
课程设计说明书
番茄汁单效连续加料蒸发装置的设计
姓名：
学号：
班级：
设计任务书
1•前言
1.1概述
1.2蒸发器选型
2.单效蒸发工艺计算
2.1物料衡算
2.2热量衡算
2.3传热面积计算
2.4计算结果列表
3.蒸发器主体工艺设计
3.1加热管的选择和管数的初步估计
3.1.1加热管的选择和管数的初步估计
3.1.2循环管的选择
3.1.3加热室直径的确定
3.1.4分离室直径与高度的确定
3.2接管尺寸的确定
3.3进料方式及加热管排布方式的确定
3.3.1进料方式的确定
3.3.2加热管排布方式的确定
3.4仪表、视镜与人孔的确定
3.5蒸发器主要部件规格列表
4.蒸发装置的辅助设备
4.1气液分离器
4.2蒸汽冷凝器
5.结语
致谢
附表
参考文献
1•前言
1-1概述
金品工程原理是食晶工程与科学专业主要课程之一，食品工业包含诸多的单元操作，如蒸发、结晶、杀甫等，本课程均有介绍。
本次设计题目为番茄汁单效连续加料蒸发装置的设计。
通过诛计，一方而提高学生对食品工业单元操作的认识，另一方面加深学生对金品工程原理课程的理解与掌握。
本设计涉氏的单元操作为蒸发。
恭发是典型的传热过程，即是将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，便其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程。
恭发是一种分离操作，广泛应用于化工、轻工、制药和食品等许多工业中溶剂为挥发性而溶质为非挥发性的场合。
在许多场合，恭发系统的热量经济性成为整个生产流程的关键丙素。
工业上蒸发主要以浓缩和分离为主要目的。
本设计以浓缩为主要目的，设计出将■眷茄汁的可溶性同形物含量由8%浓缰为40%的单效连续加料恭发装虽。
W,T'
本设计首先确定浓缩蜒的处理能力为6i/h眷茄汁原浆。
根据逸用蒸发器的特点进行物料衡算、热量衡算，进一步确定换热器的传热而积。
根据经验氏相关X献，选取加热管的长倉为1.3m,管径为50mmo进而确定加热管數目，并确定排布方式。
根据加热管截而枳与中夬循环管的截面积的关系以71中央循环管直径与加热室直
图1单效菱发的物料流程
径的关系确定中夬循环管的宜径和加热室的直径。
从而完成加热室的设计；根据分离室与加热室的比例关系确定分离室的尺寸；根据物料流量尺倚性确定各输送管道的亶径、选材以氏其他部位的选材并确定定气液分离器以氏冷凝器的型号；晟后在需要的部位安装相关仪表、视镜以尺人孔。
1・2蒸发器选塑
蒸发操作的蒸发器有悬筐式蒸发器、强制循环蒸发器、升腹式蒸发器、降離式蒸发器、中央循环管式蒸发霁等，本诛计采用的是中夫術环管式蒸发器，其简介如下：
11结构和原理
其下部的加热室由垂直管束组成，中间由一根直径较大的中夬循环管。
当加热室内液体被加热沸絳时，中兴循环管内气液混合物的平均密度较大；而其余加热管內气液混合物的平均密度较小。
在密度差的作用下，溶液由中夫循环管下降，而由加热管上升，做自然術环流动。
溶液的循环流动提高了沸騰売而传热系數，强化了蒸发过程。
二次蒸汽于蒸发室中经气液分离器与溶液分离后上升，由冷凝器冷凝。
（如图1所示）
1•2•2特点
这种恭发器结构紧凑，制逍方便，传热较好，操作可靠等优点，应用十分广泛，有"标准恭发器”之称。
为便溶液有良好的循环，中央循环管的截而积，一般为其余加热管总截面积的40%~100%;加热管的高度一般为1~2m；加热管径多为25-75mm间。
但实际上，由于结构上的限制，其循环速度较低（一般在0.5m/s以下）;而且由于溶液在加热管內不断循环,便其浓度始终接近完成液浓度，闵而溶液沸点交高、有效温差减小。
此处，设备的清洗和检修也不够方便。
2•单效蒸发工艺计算
2-1物料衡算
物料衡算可以求出蒸发水量。
图1为单效蒸发的物料流程图。
对溶质作物料衡算可得：
（2-M）
（2-1-2）
Fw0=（F_
IV
W=F（1—」）
式中F——进料口•原料液质量流量，kg/s；
W—恭发水量，kg/s；
vv0——原料液浓厦,
叫——完成液浓度，
设计处理能力为6t/h,即
进料口原料液质量流量：
f=6（）（）（）M=16667如36005
原料液浓度：
叫=0.08
完成液浓度：
VV）=0.40
将上述數据带入式（2・2）,可得:
VV=1.6667^/5（1-
0.08
040
）=l・3334Z:
g/s
2・2热量衡算
热量衡算可求出加热蒸汽消耗量，设加热恭汽的质量流量为D,其汽化潜热为r,加热
室内溶液比热容为5°,二次蒸汽的汽化潘热为』,热量损失为Q.根据能量守恒可知：
（2-2-1）
口__4）+盼+0
式（2・2・1）即加热蒸汽消耗量的计算公式。
从公式可以香出，加热蒸汽放出的热量用于三个方而：
将料液从s加热到沸点，将其汽化，以弥补热损失。
诛计中热损失忽路不计，并采取沸点进料（t产"，则得：
r'
D=W-（2-2-2）
r
水的汽化潜热随温度或压强的变化不大，可取r«r',从而D^Wt
即加热蒸汽量为：
D=l・3334Zrg/s
2-3传热面积计算
Dr
由传热速率方程得到蒸发室的加热面枳为:
（2-3-1）
式中:
S-
传热而积，nr;
Q-
—传热量，J;
K-
—传热系数，K=1500W/（"『・K）;
乂”
——加热蒸汽与操作液沸点之差，°C;
T
一加热蒸汽遍度，°C；
tl
•操作液沸点，C;
式（2$1）中D、K已知，可查得200kPa的压强下T=\20.2°C,50kPa的压强下f=810C;由于溶液的蒸汽压降低而导致的沸点升高△•和液体静水压引起的沸点升高△八
的存在，操作液实际沸点为：
厶=：
+△'+△”（2-3-2）
A的计算：
古辛科公式：
△'=Qo'（2-3-3）
式中：
A＜）——操作液浓度对应蔗辖溶液在o.lMpa下的沸点升高（可由附表1脊出）
f—校正系數，其值为:
（2-3-5）
（・0.0162x（273+rr）2
J=
式中r——操作压强下水的汽化潜热，kj/kgo
可查得50kPa下『=81.2°C,r=2304.5kj/kg,则:
=0.8819
0.0162x（273+81.2）2
2304.5
代入式（„3）可得:
A=0.8819xl.2°C=1.O583°C
△■的计算：
（2-3-6）
式中p——液体的密度，kg/n?
H——总液层的高度，mo
诛计中：
液面的高度：
H=1.8m；
各茄汁的密度可由糖溶液物性的经验拟和式求出，
p=1005.6-0.2473/+3.726%-2.0315x1O'3r2,—
-1.8453x10-3rx+0.01809x2（kg/'
式中i——温度，*C;
x—糖的欣量分数,％。
操作压强为50kPa,对应水的沸点为81.2°C,可近似认为i=81.2eC，且巳妙x为40,则有:
p=1144.115lkg/mJ
则：
ssxc1144.1151kg/mAxIO////s2xi.Sin
=50000Pa+
2
=60297.0350Pa
分别由压强P和Pm査取水的相应沸点为I和则錚压效应的沸点升高近似为
（2-3-8）
即△''=85.6"C-81.VC=4.4"C
则：
=81.2°C+1.0583°C+4.4°C
=86.6583"C
代入公式（2-3-1）可得：
g_Dr
K\tmK（T~O
1.3334^g/5x2304.5x1000//^
一1500W/（〃r.k）（120.2°C—86.6583"C）
◎59m2
2-4计算结杲列表
a2-4-1衡算传热计算结杲
项目
数值
恭发水量（kg/s）
1.3334
加热恭汽量（kg/s）
1.3334
传热而枳（n?
）
59
3.蒸发槿主体工艺设计
我们选取的中央循环管式恭发器的计算方法如下。
3-1加热管的选择和管数的初步估计
3-1-1加热管的选择和管数的初步估计
沸縛加热管多采用°25~75〃"的管子，长度一般在°.6~2加，管长与管径之比为20~40,材料为不锈钢或其他耐腐蚀材料。
管径与长度的选择应根据溶液结垢难易程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑,易结垢和易起泡诔溶液的蒸发易选用粗短管，反之，则采用细长管。
根据我们的诛计任务和番茄汁的性质，我们选用以下的管于：
管长L=1.3m,管径050*2.5〃〃"
可以根据加热管的规格与长度初步估计所需的管子数4
S_59加2
龙・〃•厶3.14x0.05/nx13m
式中：
s——恭发器的传热而枳，m2,由前面的工艺计算决定（优化后的而枳）
d加热管外径，m
L——加热管长度，m
3-1-2循环管的选择
中夬術环管的截而积一般为总加热管束截而积的40%~100%。
循环管的截面积是根据便循环阻力尽量减小的匣则考虑的，假设中夬循环管的截面枳一般为总加热管束截面枳的70%,则：
9f—*
总加热管束截面积：
S'=灯・兀・一=289x3・14x'•a0.5672nr（3-1-2）
44
中央循环管的截而积：
S循环=0・7S'=0・7x0.5675,«0.397Oh2（3-1-3）
中央循环管的直径：
〃循环XU0.7111加（3-1-4）
3-1-3加热室高度及直径的确定
加热室高度略低于液而高度，设为1.7m。
中央循环管的賣径一般为加热室直径的1/4〜1/5,设计中取1/4。
则：
加热室直径：
〃加热室=4•〃循环=4xO.7111m=2.8444m（,1⑸
3-1-4分离室直径与窩度的确定
分离室尺寸确定原则：
（0对于中央循环管式蒸发器，其分离室一般不能小于1.8tn,以保证足够的雾潔分离高度。
分离室的吏径也不能太少，否则二次蒸汽流速过大，导致雾谏夹带现象严重。
一半分离室高度为加热室高度的1」~1.5借。
（2）在条件允许的悄况下，分离室的直径尽量与加热室相同，这样可使结构简单制造方便。
（3）高度和直径都适于施工现场的安放。
根据以上原则，设分离室高度为加热室高度的1.5借，分离室直径与加热室相同，则：
分离室直径：
〃分离=〃加热=2.8444m
（3-1-6）
（3-1-7）
（321）
分离室高度：
H分譌=1.5・H血热=1.5x1.7m=2.55m
3・2接管尺寸的确定
流体进出口的内径按下式计算：
^=J—
\7dJp
式中：
匕”一流体的质量流量，kg/s；
U——流体的适宜流速，m/s,
不同流体的适宜流速可由附表2查出。
估算出内径后，应从管规格表格中选用相近的标准管。
3-2-1料液进出口
诛计中料液进出口便用相同管径，根据操作番茄汁的性质计算出原料进口的内径。
由附裘2可设原料番茄汁流速为0.5m/s,则
U[=0・5m/s
由式（2-3-7）可求得番茄汁的密度
p、总1144・1151kg/〃F
§2・1物料衡算中巳计算出原料的质量流量，即
V；=1.6667^/5
番茄汁匣料进口内径4=
4x1.6667^/j
3.14x0.5/?
z/5x1144.1\5\kg/nt
心0.0609/7?
根据热轧无缝钢管的規格（GB8163-87），选用068x3・5〃〃n的热轧无缝不锈钢管。
3-2-2加热蒸汽进口与二次蒸汽出口
由§2-1物料衡算中计算裘明，单位时间內加热蒸汽泵送量与二次蒸汽产生量相等。
加热蒸汽进口与二次恭汽入口采用相同内径，由附表2可诛加热恭汽流速为30m/s,则
U2=30/7//5
査得200kPa下饱和水蒸气的密度°=1.119Rg//M‘,
§2・2热量衡算中巳计算出加热恭汽的质量流量，即
^-=1.3334^/5
代入式（321）可求得:
加热蒸汽进口內径厶=
4xl・3334/rg/s
3・14x30〃〃sxl・119£g/“F
a0.2249m
根据热轧无缝钢管的規格（GB8163-87），选用0245x10〃〃〃的热轧无缝不锈钢管。
3-2-3冷凝水出口
冷凝水的排出一般属于液体自然流动，可根据加热恭汽的流量计算。
由附表2可诛冷凝
水的流速为lm/s,则
U、=\.5m/s
查得120.2°C水的密度°3=943.Mg/〃凡
忽略不凝蒸汽的排放，冷凝水的质量流量约等于加热恭汽的质量流量，即
lV“=1.3334kg/s
代入式（3-2-1）可求得:
冷凝水的出口內径=
a0.0347/7/
4x1.3334kg/s
3.14x1.5〃2/sx943.1kg/〃,
根据热轧无缝钢管的规格（GB8163-87），选取042x3.5〃〃"的热轧无缝不锈钢管。
3-3进料方式及加热管排布方式的确走
3-3-1进料方式的确定
替茄汁在浓缩过程中黏度较大，在加热过程中容易结垢或产生结晶。
采用下进料，原料进入加热室后在加热室底部很难流动，不能与加热室內原有物料混匀。
采用上进料，原料自二次蒸汽室进入浓缩確，由于重力的作用沿循环管向下流动，逐渐与物料混合，进而达到较好的浓缩效杲。
因此，诛计采用上进料。
3•3-2加热管排布方式的确定
加热管排市避免局部过热的现象。
设计中采用随机排布方式，使加热管均匀分市于加热室內。
3•4仪表、视镜与人孔的确主
仪丧：
蒸发罐压力表安装在蒸汽进出管道，確体不再诰趣压力表。
西安地区大气压一般为97kPa,结合操作压力选择合适压力表，通过仪喪对操作压力进行监测。
采用热电偶温度进行温度监控。
視镜：
在分离室不同高度和角度安装若干视镜，以监测分离室内汁气状态。
宜径统一采用20cmo
人孔：
于蒸发罐顶以71分离室开诛圆形人孔，便于清洗確体。
亶径统一采用50cmo
3-5蒸发耦主要部件规格列表
a3-5-i恭发器主要部件规格
部件名称
钢号
规格
数目
加热管
10
（/>50x2.5mm
289
加热蒸汽进口
10
0245x10〃〃”
1
冷凝水出口
10
042x3.5mm
1
二次蒸汽出口
10
0245x10mm
1
原料番茄汁进口
10
（/>68x3.5mm
1
视镜
0200〃〃〃
3
人孔
0500〃〃”
2
4•蒸发装置的辅助设备
4-1气液分离器
设计选用金属网式捕液器，液滴彩附在其丧面而二次恭汽通过。
它的倚点是气流速较小,阻力损失小。
缺点是清洗不便。
4-2蒸汽冷凝器
诛计选用水力喷射器做为冷凝器，它具有冷凝和抽真空两种作用。
其倚点如下：
1兼有冷凝和抽真空作用，无需另配抽真空装星；
2结构简单，造价低糜，喷射器本身没有机械运转部分，不要经常检修；
3适用于抽腐蚀性气体；
4虽然水泵运转时的实际消耗功率较大，但荃个冷凝装星的功率消耗仍较表面式和大气冷凝器小；
5不能获得高的真空度，且真空度随水温之高低而变化。
5.结语
本设计是围绕蒸发这一单元操作进行的。
设计过程中主要涉71物料衡算、热量衡算和传热过程计算。
通过对以上方面的计算，熟悉了蒸发单元操作的各种过程，并根据蒸发罐的设计要求氏原则，确定了罐体克径为2.84m,分离室高度为2.55m,气液分离器距確羔0.48m,確底距加热室0.4m,其余各部件、位置参數见裘2-41、＜3-5-1o本设计杀本达到了诛计目的，并能根据设计要求完成设计任务。
通过诛计，加深了对食品工业中单元操作的理解，初步拿握了工程诛计的方法，并在处理设计过程中邊到的用难和问题的同时，提高自身的学习能力，进一步巩同了对會品工程原理这一课程的掌握。
致谢
本设计是在老师的精心指导和小组成员的通力合作下完成的，在此致以最宴诚的谢意！
附：
1•0.1MPa下不同浓度蔗糖溶液的沸点升高
浓度/%
0
10
20
40
50
（川
70
沸点升高/°c
0
0.1
0.3
0.7
1.2
2.0
3.3
5.4
某些流体在管道中常用的速度范围
流体种类
常用流速/（m/s）
水71—般液体
1〜3
黏度较大的液体
0.5~1
低压气体
8-15
易燃、易爆的低压气体（如乙块等）
<8
压强较高的气体
15〜25
饱和水蒸气
O.SMPa以下
40〜60
0.3MPa以下
20-40
过热水蒸气
30~50
参考文献：
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中国轻工业出版社,2005.1
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西北工业大学出版社,2005.4
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中国石化出版社,2003
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化学工业出版社,2005.4
5•蔡夕忠•化工仪裘.北京:
化学工业出戕社,2004.5
6•蒋辿清,唐伟强.食■品通用机械与设备•广州:
华南理工大学出戕社,1996.2
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高等教育出膑社,2002.8
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