食品工程原理课程设计蒸发器的设计.docx
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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:
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
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：
∵WF1
x0
（常用化工单元设备设计
153页）
xn
W
x2
4000
28
F0
x0
28
4716Kg/h
x2
4.25
式中F0—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=4000=（kg/h）
11.1
W2==（kg/h）
其中，W1——第Ⅰ效的蒸发量，kg/h
W2——第Ⅱ效的蒸发量，kg/h
Ⅰ效二次蒸汽浓度
F0x0
4716
4.25%
=%
x
=
4716
1904.8
F0
W1
3、成品产量：
F2=F0-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：
x1=%T1=61.1℃（查《食品工程原理》843页此温度下水
的比热Cw=4179J/
出料：
x2=28%T2=41.4℃
料液比热:
C0CW（1
xO
）
4179（1
4.25
）4001J/Kgk
100
100
（3）真空度分配：
第Ⅰ效：
600mmHg
P1
×
5
Pa（查得此压力下饱和蒸汽温度
=
10
T1=61.1℃）
第Ⅱ效：
mmHg
5
a
（查得此压力下饱和蒸汽温度
700
P2=×10
P
T2=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
P0
=×105
T0=
i0=
0=
Ⅰ效二次蒸汽
P1=×105
T1=
i1=
1=
Ⅱ效加热蒸汽
P2
5
T2=
i2=
2=
=×10
2、温差损失
、温度损失的计算
fa
tmt0
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：
0.0162（T'273）2
fr'
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
pmp0gh
2
式中：
pm——溶液内部平均压强，Pa
p0——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
1.028
103kg/m3
常温下番茄酱沸点升高
a1
0.15
C
0.016261.1
273
2
0.115（℃）
2352.5
0.15
pm
21000
9.81
6
1.028
103
51.223kPa
2
由压强kPa查表得：
Tm82℃
TmT08260.721..3℃
取1℃
0.11521.3122.4
3、W1,W2,D1
物料衡算公式：
W1D1F0C0W211①
W2D2F0C02②
式中W1W2ⅠⅡ效蒸发水量[kg/h]
DDⅠⅡ效蒸汽量[kg/h]
ββⅠⅡ效自蒸发系数
F0原料处理量[kg/h]
C原料比热[kj/kgk]
12——热利用系数
（来自《食品工厂机械与设备》192页）
根据逆流时的自然蒸发系数，按下式计算:
βn
=Tn1
Tn
in
cTn
41.4
61.1
0.00838
∴β1
61.1
4.186
2606.6
61.1
41.4
0.00822
β
2
41.4
4.186
2570.2
将①式代入②式中
∵D=W
∴w1D1FoCoW1FoCo21
D1
4716
4.0186W141764.0010.008220.00838
D1
141.78
0.00838W1
∴w11.0085D1142.98③
将③式代入②式中
w21.0085D1142.9847164.01860.00822
1.0085D112.8
∴A=+=
B142.9812.8130.18
WB4000
130.18
D1
2047.68Kg/h
A
2.017
∴第Ⅰ效蒸发量w1
1.0085D1142.981.00852047.68142.981922.11kg/h
第Ⅱ效蒸发量w21.0085D112.81.00852047.6812.82052.29kg/h
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
F
Fo
W2
4716
2052.29
2663.71kg/h
x
Fo
xo
4716
4.25%
200.43
Fo
W2
4716
2052.29
7.52%
2663.71
4.、Ⅰ、Ⅱ效加热面积的确定
Ⅰ效传热量：
Q1D10
Ⅱ效传热量：
Q2D21
2047.68
2246.6
4600317kJ/h
1922.11
2331.6
4481591kJ/h
各效有效温度差：
T1
T0T1
111..361.1
50.2℃
T2
T1
21
T2
61.11
41.418.7℃
其中21——两效间温度损失
2
1=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/
蒸发器型式
2
传热系数K（w/m·k）
2
m·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
K1
6698kJ/hm2
K
自然循环
K2
3349kJ/hm2
K
∴第Ⅰ效加热面积：
S1
Q1
4600317
13.68m
2
K1T1
669850.2
Q2
4481591
70.56m
2
第Ⅱ效加热面积：
S2
T2334918.7
K2
（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=3
m
S1
13.68
（根）
∴n1
50
d0L
3.140.0293
式中S——传热面积，m2；
d0——加热管直径，m；
L——管子长度，m。
取管间距为dH的同心圆排列：
同心圆数
根数
同心圆直径
1
6
D1
nt/
640/3.14
80mm
2
12
D2
D1
2t
80
2
40
160mm
3
18
D3
D2
2t
160
2
40
240mm
4
25
D4
D3
2t
240
2
40
320mm
根据排列四层共61根管子
∴第Ⅰ效加热面积：
SI613.140.029316.66m2
加热室壳体直径的计算：
Dtb12e
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
e1.25dH1.253240mm
管子在管板上的排列间距：
t1.25dH1.253240mm
中心排列管子数：
b428（根）
内径D1Btb12e4081240360mm
根据《常用化工单元设备设计》163页
取外壳壁厚δ=10mm
外径D1HD1B2360210380mm
将外径圆整到400mm
2、Ⅱ效加热器的尺寸
采用32×不锈钢管，管长L=3m
S2
70.56
（根）
∴n2
259
d0L
3.140.0293
取管间距为dH的同心圆排列：
同心圆数
根数
同心圆直径
1
6
D1
nt/
640/3.14
80mm
2
12
D2
D1
2t
80
2
40
160mm
3
18
D3
D2
2t
160
2
40
240mm
4
25
D4
D3
2t
240
2
40320mm
5
31
D5
D4
2t
320
2
40
400mm
6
37
D6
D5
2t
400
2
40
480mm
7
43
D7
D6
2t
480
2
40
560mm
8
50
D8
D7
2t
560
2
40
640mm
9
56
D9
D8
2t
640
2
40
720mm
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Ⅱ效加热器实际加热面积：
S22603.140.029371m2
加热室壳体直径的计算：
中心排列管子数：
b9218（根）
内径D2Btb12e40181240760mm
根据《常用化工单元设备设计》163页
取外壳壁厚δ=12mm
外径D2HD2B2760212784mm
将外径圆整到800mm
3、蒸发室直径的确定
W1
V1
m
第Ⅰ效：
d1
0
3600
4
式中W1——Ⅰ效蒸发水量[kg/h]
V1——二次蒸汽比体积m3/kg
0——二次蒸汽上升速度m/s
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
10.1369kg/m3
V1
1
1
7.16m3/kg
1
0.1396
0
4.26
4.26
3.15m/s
3
3
1
0.1369
∴
d1
1922.11
7.16
1.55m
3.14
3.15
3600
4
取d1
1.6m
第Ⅱ效：
W2
V2
m
d2
0
3600
4
式中
W1——Ⅱ效蒸发水量kg/h
0——二次蒸汽上升速度m/s
V2——二次蒸汽的比体积m3/kg
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
20.05514kg/m3
V21118.14m3/kg
20.05514
4.26
3
4.26
0
3
4.26m/s
2
0.05514
d2
W2
V2
2052.2918.14
0.785
4.26
1.76m
3600
0
3600
4
取d2
1.8m
4、蒸发室的截面积
2
F=d
4
第Ⅰ效：
F1=3.14
1.62
=2㎡
4
2
第Ⅱ效F2=3.141.8=㎡
4
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Ⅰ效：
H12d121.63.2m
第Ⅱ效：
H2
2d2
21.8
3.6m
6、循环管尺寸
上循环管直径取
d1
0.2d
1
0.21.6
0.32m
下循环管直径取
d
d
2
n
0.029
2
321
m
2
B
0.52
式中
dB——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=
4Fm
式中：
Fm——进口管截面积，㎡
DVm
Sm
m3600
3
Vm——加热蒸汽的比容，m/kg
根据加热蒸汽压力为，由《食品工程原理》饱和水蒸汽表查得
0.7334kg/m3
Vm=1/=1.3635m3/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，
故本题加热蒸汽进口压力为大气压，取饱和蒸汽的速度为26.25米/秒。
m——饱和蒸汽速度，26.25m/s
故Fm2047.681.36350.02955m226.253600
4
0.02955
dm
3.14
0.194m
由《食品工程原理》
P852：
取整后选用dm
219mm，壁厚6mm,内截
面积为0.03364m2
所以实际饱和加热蒸汽的速度：
D1Vm
2047.68
1.3635
m
Fm
3600
0.03364
23.05m/s
3600
2、Ⅰ效二次蒸汽出口进入Ⅱ效的管径：
Ⅰ效二次蒸汽出口的温度为61.1℃，由《食品工程原理》841页饱和水
蒸汽表查得
0.1369kg/m3
Vm
1
1
7.3046m3/kg
0.1369
由《
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