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：
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年月日
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
食品工程原理是食品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、杀菌等，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。
通过设计，一方面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食品工程原理课程的理解与掌握。
本设计涉及的单元操作为蒸发。
蒸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，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程。
蒸发是一种分离操作，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，蒸发系统的热量经济性成为整个生产流程的关键因素。
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，设计出将番茄汁的可溶性固形物含量由8％浓缩为40％的单效连续加料蒸发装置。
本设计首先确定浓缩罐的处理能力为6t/h番茄汁原浆。
根据选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面积。
根据经验及相关文献，选取加热管的长度为1.3m，管径为50mm。
进而确定加热管数目，并确定排布方式。
根据加热管截面积与中央循环管的截面积的关系以及中央循环管直径与加热室直径的关系确定中央循环管的直径和加热室的直径。
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；根据物料流量及特性确定各输送管道的直径、选材以及其他部位的选材并确定定气液分离器以及冷凝器的型号；最后在需要的部位安装相关仪表、视镜以及人孔。
1·2蒸发器选型
蒸发操作的蒸发器有悬筐式蒸发器、强制循环蒸发器、升膜式蒸发器、降膜式蒸发器、中央循环管式蒸发器等，本设计采用的是中央循环管式蒸发器，其简介如下：
1·2·1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央循环管。
当加热室内液体被加热沸腾时，中央循环管内气液混合物的平均密度较大；而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。
在密度差的作用下，溶液由中央循环管下降，而由加热管上升，做自然循环流动。
溶液的循环流动提高了沸腾表面传热系数，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
这种蒸发器结构紧凑，制造方便，传热较好，操作可靠等优点，应用十分广泛，有"标准蒸发器"之称。
为使溶液有良好的循环，中央循环管的截面积，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之间。
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内不断循环，使其浓度始终接近完成液浓度，因而溶液沸点交高、有效温差减小。
此外，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：
（2-1-1）
（2-1-2）
式中F——进料口原料液质量流量，kg/s；
W——蒸发水量，kg/s；
——原料液浓度，
——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：
原料液浓度：
完成液浓度：
将上述数据带入式（2-2），可得：
2·2热量衡算
热量衡算可求出加热蒸汽消耗量，设加热蒸汽的质量流量为D，其汽化潜热为r，加热室内溶液比热容为
，二次蒸汽的汽化潜热为r’，热量损失为QL，根据能量守恒可知：
（2-2-1）
式（2-2-1）即加热蒸汽消耗量的计算公式。
从公式可以看出，加热蒸汽放出的热量用于三个方面：
将料液从t0加热到沸点，将其汽化，以及弥补热损失。
设计中热损失忽略不计，并采取沸点进料（t0=t1），则得：
（2-2-2）
水的汽化潜热随温度或压强的变化不大，可取
，从而
，
即加热蒸汽量为：
2·3传热面积计算
由传热速率方程得到蒸发室的加热面积为：
（2-3-1）
式中：
——传热面积，m2；
——传热量，J ；
——传热系数，
；
——加热蒸汽与操作液沸点之差，℃；
——加热蒸汽温度，℃；
t1——操作液沸点，℃；
式（2-3-1）中D、K已知，可查得200kPa的压强下
，50kPa的压强下
；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
的存在，操作液实际沸点为：
（2-3-2）
的计算：
吉辛科公式：
（2-3-3）
式中：
——操作液浓度对应蔗糖溶液在0.1Mpa下的沸点升高（可由附表1查出）
——校正系数，其值为：
（2-3-5）
式中r——操作压强下水的汽化潜热，kJ/kg。
可查得50kPa下t’=81.2℃，r=2304.5kJ/kg，则：
代入式（2-3-3）可得：
的计算：
（2-3-6）
式中
——液体的密度，kg/m3;
H——总液层的高度，m。
设计中：
液面的高度：
H＝1.8m；
番茄汁的密度可由糖溶液物性的经验拟和式求出，
（2-3-7）
式中t——温度，℃；
x——糖的质量分数,%。
操作压强为50kPa，对应水的沸点为81.2℃，可近似认为t=81.2℃，且已知x为40，则有：
则：
分别由压强p和pm查取水的相应沸点为t和tm，则静压效应的沸点升高
近似为
（2-3-8）
即
则：
代入公式（2-3-1）可得：
2·4计算结果列表
表2-4-1衡算及传热计算结果
项目
数值
蒸发水量（kg/s）
1.3334
加热蒸汽量（kg/s）
1.3334
传热面积（m2）
59
3.蒸发器主体工艺设计
我们选取的中央循环管式蒸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
沸腾加热管多采用
的管子，长度一般在
，管长与管径之比为
，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，易结垢和易起泡沫溶液的蒸发易选用粗短管，反之，则采用细长管。
根据我们的设计任务和番茄汁的性质，我们选用以下的管子：
管长L＝1.3m，管径
可以根据加热管的规格与长度初步估计所需的管子数n，
（3-1-1）
式中：
S——蒸发器的传热面积，m2，由前面的工艺计算决定（优化后的面积）
d——加热管外径，m
L——加热管长度，m
3·1·2循环管的选择
中央循环管的截面积一般为总加热管束截面积的40％～100％。
循环管的截面积是根据使循环阻力尽量减小的原则考虑的，假设中央循环管的截面积一般为总加热管束截面积的70％，则：
总加热管束截面积：
（3-1-2）
中央循环管的截面积：
（3-1-3）
中央循环管的直径：
（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面高度，设为1.7m。
中央循环管的直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：
（3-1-5）
3·1·4分离室直径与高度的确定
分离室尺寸确定原则：
（1）对于中央循环管式蒸发器，其分离室一般不能小于1.8m，以保证足够的雾沫分离高度。
分离室的直径也不能太少，否则二次蒸汽流速过大，导致雾沫夹带现象严重。
一半分离室高度为加热室高度的1.1～1.5倍。
（2）在条件允许的情况下，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倍，分离室直径与加热室相同，则：
分离室高度：
（3-1-6）
分离室直径：
（3-1-7）
3·2接管尺寸的确定
流体进出口的内径按下式计算：
（3-2-1）
式中：
——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
设计中料液进出口使用相同管径，根据操作番茄汁的性质计算出原料进口的内径。
由附表2可设原料番茄汁流速为0.5m/s，则
由式（2-3-7）可求得番茄汁的密度
§2·1物料衡算中已计算出原料的质量流量，即
代入式（3-2-1）可求得：
番茄汁原料进口内径
根据热轧无缝钢管的规格（GB8163-87）,选用
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物料衡算中计算表明，单位时间内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蒸汽入口采用相同内径，由附表2可设加热蒸汽流速为30m/s，则
查得200kPa下饱和水蒸气的密度
，
§2·2热量衡算中已计算出加热蒸汽的质量流量，即
代入式（3-2-1）可求得：
加热蒸汽进口内径
根据热轧无缝钢管的规格（GB8163-87）,选用
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，可根据加热蒸汽的流量计算。
由附表2可设冷凝水的流速为1m/s，则
查得
水的密度
忽略不凝蒸汽的排放，冷凝水的质量流量约等于加热蒸汽的质量流量，即
代入式（3-2-1）可求得：
冷凝水的出口内径
根据热轧无缝钢管的规格（GB8163-87）,选取
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定
3·3·1进料方式的确定
番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，不能与加热室内原有物料混匀。
采用上进料，原料自二次蒸汽室进入浓缩罐，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果。
因此，设计采用上进料。
3·3·2加热管排布方式的确定
加热管排布避免局部过热的现象。
设计中采用随机排布方式，使加热管均匀分布于加热室内。
3·4仪表、视镜与人孔的确定
仪表：
蒸发罐压力表安装在蒸汽进出管道，罐体不再设置压力表。
西安地区大气压一般为97kPa，结合操作压力选择合适压力表，通过仪表对操作压力进行监测。
采用热电偶温度进行温度监控。
视镜：
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。
直径统一采用20cm。
人孔：
于蒸发罐顶以及分离室开设圆形人孔，便于清洗罐体。
直径统一采用50cm。
3·5蒸发器主要部件规格列表
表3-5-1蒸发器主要部件规格
部件名称
钢号
规格
数目
加热管
10
289
加热蒸汽进口
10
1
冷凝水出口
10
1
二次蒸汽出口
10
1
原料番茄汁进口
10
1
视镜
3
人孔
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，液滴粘附在其表面而二次蒸汽通过。
它的特点是气流速较小，阻力损失小。
缺点是清洗不便。
4·2蒸汽冷凝器
设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。
其特点如下：
1兼有冷凝和抽真空作用，无需另配抽真空装置；
2结构简单，造价低廉，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，但整个冷凝装置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。
设计过程中主要涉及物料衡算、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及原则，确定了罐体直径为2.84m，分离室高度为2.55m，气液分离器距罐盖0.48m，罐底距加热室0.4m，其余各部件、位置参数见表2-4-1、表3-5-1。
本设计基本达到了设计目的，并能根据设计要求完成设计任务。
通过设计，加深了对食品工业中单元操作的理解，初步掌握了工程设计的方法，并在处理设计过程中遇到的困难和问题的同时，提高自身的学习能力，进一步巩固了对食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，在此致以最真诚的谢意！
附：
1．0.1MPa下不同浓度蔗糖溶液的沸点升高
浓度/%
0
10
20
30
40
50
60
70
沸点升高/℃
0
0.1
0.3
0.7
1.2
2.0
3.3
5.4
2．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）
水及一般液体
黏度较大的液体
低压气体
易燃、易爆的低压气体（如乙炔等）
压强较高的气体
饱和水蒸气
0.8MPa以下
0.3MPa以下
过热水蒸气
1～3
0.5～1
8～15
<8
15~25
40~60
20~40
30~50
参考文献：
1.冯骉,夏素兰,卢晓黎等.食品工程原理.北京:
中国轻工业出版社,2005.1
2.黄英.化工过程设计.西安:
西北工业大学出版社,2005.4
3.韩冬冰.化工工艺学.北京:
中国石化出版社,2003
4.王非.化工压力容器设计.北京:
化学工业出版社,2005.4
5.蔡夕忠.化工仪表.北京:
化学工业出版社,2004.5
6.蒋迪清,唐伟强.食品通用机械与设备.广州:
华南理工大学出版社,1996.2
7.唐克中,朱同钧.画法几何及工程制图.北京:
高等教育出版社,2002.8
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