牛奶管式降膜蒸发装置设计.docx

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牛奶管式降膜蒸发器设计

DESIGNOFMILKTUBEFALLINGFILMEVAPORATOR

专业：

过程装备与控制工程

姓名：

指导教师：

申请学位级别：

学士

论文提交日期：

2014年6月9日

学位授予单位：

摘要

牛奶作为最古老的天然饮料，富含多种矿物质、蛋白质；作为日常饮品，深受人们的喜爱。

牛乳被认为是迄今为止的一种比较理想的营养食品；但是传统的单一乳品加工工艺处理量小，品质得不到保证，无法适应现在的工业乳品的发展要求；因而设计出更高效浓缩装置是乳制品加工的当务之急。

本次设计本次以牛奶为工质，设计处理量为18000kg/h，进料浓度为12%，出料浓度为48%，在综合考虑各种蒸发器的优缺点基础上，确定采用三效管式降膜并流蒸发方案，设计牛奶走管程，加热蒸汽走壳程。

正文部分首先根据生产设计的要求，进行工艺计算，得到各效蒸发器、预热器的换热面积；其次，进行了结构设计，得到了各效蒸发器的主体尺寸，各接管尺寸及法兰尺寸等；第三，对所设计的主体设备进行强度校核，无损检验，水压试验，保证其均满足要求；最后对蒸发装置的附属设备进行了粗略的选型。

关键词：

牛奶；管式降膜；蒸发器；

ABSTRACT

Astheoldestnaturaldrink,milkisrichinmineralsandproteins.Asadailydrink,itisalsolovedbythepeople.Milkisconsideredtobeafarmoreidealnutritiousfood.However,ifusingsmalltraditionalsingledairyprocessing,capacityandqualityofmilkproductcannotbeguaranteed,unabletoadapttothecurrentrequirementsofthedevelopmentofthedairyindustry.Thusdesigningmoreefficientconcentrateddairyprocessingequipmentisimperative.Theevaporatordesignrequirementsinthisprojectareasfollows:

adesigncapacityof18000kg/h,feedconcentrationof12%,productconcentrationof48%.Afterconsideringtheadvantagesanddisadvantagesofvariousevaporators,thethree-effecttubefallingfilmevaporatorwaschoseninthisprojectinwhichmilkflowsinsidethetube（tubeside）andheatingsteamflowsinsidetheshell（shellside）.First,accordingtotheproductiondesignrequirements,thenumberofeffectsforevaporatorswasdeterminedandtheheattransferareainbothevaporatorsandpreheaterswascalculatedbasedonheatbalancemethod.Secondly,thestructuresofevaporatorsweredesignedinordertoobtainthesizeofevaporatorsandotherpartsofevaporationsystem,includingflangesandnozzles.Third,themechanicalstressoftheseevaporatorswaschecked.Inaddition,nondestructivetestingandhydrostatictestingwerealsoimplementedtoensurethattheirrequirementsaremet.Finally,ancillaryequipmentofevaporationsystemwasselected.

Keywords:

milk；tubefallingfilm；evaporator；

目录

前言 1

第一章工艺流程的确定 2

第一节效数的确定 2

第二节确定流程 2

第二章工艺计算 3

第一节工艺流程计算图 3

第二节传热面积计算 3

第三章结构设计 5

第一节各效蒸发器主体结构设计 5

第二节预热器设计 17

第三节各效分离器设计 21

第四节蒸发器布液装置设计 24

第四章强度校核 25

第一节各效蒸发器筒体强度校核 25

第二节各效分离器校核 33

第三节蒸发器及分离器的压力试验 40

第五章附属设备的选型 42

第一节泵的选型 42

第二节支座的选取 43

第三节阀门的选择 43

第四节流量计的选择 43

第五节保温层的设计 43

结论 44

XX大学20XX届本科生毕业设计

前言

牛奶作为最古老的天然饮料，富含多种矿物质、蛋白质；作为日常饮品，深受人们的喜爱。

现今社会的乳制品行业已达到空前的繁荣，有消毒牛乳、酸牛乳、淡炼乳、甜炼乳、奶粉、麦乳精、奶油、干酪等，还有各种饮料和冷食。

牛乳也被认为是迄今为止的一种比较理想的营养食品。

但是传统的单一乳品加工工艺处理量小，品质得不到保证，无法适应现在的工业乳品的发展要求[1]；因而设计出更高效浓缩装置是乳制品加工的当务之急。

对于各种乳制品的加工，浓缩是其中的一个重要工序；目前牛奶加工的工艺方法有闪蒸、反渗透膜过滤、蒸发这三种[2]。

闪蒸和反渗透膜过滤浓缩固定投资的成本高、能耗大、效率低，因为在实际的工业生产过程中，需要兼顾产品品质、生产成本和设备固定投资，相比前两种浓缩方式，蒸发成本更低，浓缩效率更高，而且使用门槛低，所以蒸发浓缩运用最为广泛。

蒸发就是用加热的方法，将含有不挥发性溶质的溶液加热至沸腾状况，使部分溶剂汽化并被移除，从而提高溶剂中溶质浓度的单元操作[3]。

牛奶中富含各种蛋白质，但是在高温条件下蛋白质容易分解，所以牛奶浓缩过程中温度要控制在一定的范围内，在蒸发器中降膜蒸发时间不宜过长。

本次设计本次以牛奶为工质，设计处理量为18000kg/h，进料浓度为12%，出料浓度为48%，在综合考虑各种蒸发器的优缺点基础上，确定采用真空管式降膜蒸发方案，设计牛奶走管程，加热蒸汽走壳程。

在此基础上，本次设计正文部分对于所选蒸发系统的设计进行了详细的论述、计算和校核，内容如下：

首先，对于效数和进料流程的确定，在本设计第一章进行了详细的论述和对比，最后确定了效数为三效操作，并流的进料方式，选择三效管式并流降膜蒸发器的设计。

第二，在设计第二章进行了牛奶浓缩蒸发的工艺计算，根据设计要求确定了各效蒸发器的换热面积、每效的蒸发量，预热器的传热面积，同时考虑到实际换热过程中的能量损失，换热面积取1.1倍的换热裕度；

第三，在设计的第三章进行蒸发器系统结构设计；第一节为各效蒸发器主体结构设计，得到了各效蒸发器、分离器和预热器的主体尺寸，并计算确定各接管大小和法兰尺寸等；

第四，在第四章对各主体设备进行强度校核，无损探伤检验，水压试验，对于强度不符合强度要求的筒体，设置加强圈进行加强，使其满足设计要求；

最后，在第五章对蒸发系统的泵、阀门、支座等附属设备进行简单的选型。

第一章工艺流程的确定

第一节效数的确定

蒸发过程是一个能耗较大的单元操作[3]；采用多效蒸发的方法，充分利用上一效料液蒸发而产生的二次蒸汽，这样就可以降低加热蒸汽的消耗量，从而减小蒸发器的操作成本，带来更高的经济效益。

但随着效数的增加，蒸发器和分离器的个数增加，增加了设备成本费、基础建设费，导致工艺成本增加，操作过程效益减少，不利于实际的工业生产[4]。

此外，效数过多，蒸发时间加长，牛奶在设备中停留的时间过长，不利于其中营养的保鲜。

综上各种因素考虑，本次设计选取三效蒸发。

第二节确定流程

在多效蒸发中，有四种不同的流程布置方法，比较如下：

（1）并流加料：

在每效蒸发器之间，加热蒸汽和物料沿相同方向流动，进行热交换。

因为并流各效间存在着较大的压力差，所以料液可以自动从前效流向后效，不需要安装泵来提供动力；同时在蒸发过程中，料液会发生闪蒸。

并流流程使各效蒸发器之间排列紧凑，蒸发操作过程比较简单，所以在工业生产过程中应用较广。

缺点是：

随着料液经每一效蒸发浓缩，浓度会逐渐增加：

同时因为操作温度降低，导致料液粘度增加，蒸发效果会变差。

（2）逆流加料：

在各效蒸发器间，加热蒸汽和物料沿相反方向流动。

每一效蒸发器间需过料泵输送物料，导致蒸发过程能量消耗过大，而且逆流操作过程比较复杂；同时蒸发过程从第一效到最后一效，料液温度逐渐升高，导致料液间的温差分布不均，不适合处理如牛奶等热敏性料液。

（3）平流加料：

按各效蒸发器分别进料，并分别出料的方式进行的，这种方法适用于有大量结晶析出的蒸发过程[4]。

（4）错流加料：

在每一效蒸发器间，选择并流加料和逆流加料并用法；它集成了并流、逆流加料各自的优点；但是同时控制不同效间的并流和逆流操作，比较复杂，在实际操作中成本较高。

综上各种优缺点，考虑牛奶的热敏性、物料特性、工艺成本，所以本次设计选取并流流程。

第二章工艺计算

第一节工艺流程计算图

本次毕业设计采用三效并流加料；降膜蒸发过程中，牛奶的物料衡算和热量衡算图如图2-1所示：

图2-1工艺计算图

第二节传热面积计算

一、设计数据

总处理量：

进料浓度：

出料浓度：

各效加热蒸汽温度：

Ⅰ效：

90℃Ⅱ效：

78℃Ⅲ效：

64℃

各效设计蒸发温度：

Ⅰ效：

78℃Ⅱ效：

64℃Ⅲ效：

48℃

传热系数：

Ⅰ效：

Ⅱ效：

Ⅲ效：

牛奶初始温度：

5℃

牛奶密度：

牛奶比热容：

蒸发系数：

αi≈1自蒸发系数：

βi=0.05热损失系数：

ηi=0.95

二、物料衡算

蒸发过程产生总的蒸发量：

三、热量衡算

（2-1）

（2-2）

（2-3）

（2-4）

a3=a2α3-a1+a2β3η3=0.728（2-5）

b3=b2α3+SC0-b1-b2β3η3=1489.68（2-6）

令