食品工程原理课程设计蒸发器的设计.docx

1、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 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 0.15 MPa

2、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 600 mmHg的真空度，第二效为 700 mmHg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

3、；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

4、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：效为 600 mmHg真空度，效为 700 mmHg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

5、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，以切线方向进入效蒸发分离器进行汽液分离。 然后由物料泵送至效再蒸发。 料液料液聚集到倾斜的底部， 由排出口与循环管连接， 经液位平衡器至效蒸发室，当效蒸发室达到平衡液位时，料液直接进入效加热器。蒸发产生的二次蒸汽与物

6、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：效蒸发与其预热管内物料的热能由蒸汽供给，效蒸发和预热管内物料的热能全部为一效二次蒸汽供给。 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

7、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：W F1x0（常用化工单元设备设计153 页）xnWx2400028F0x0284716 Kg / hx24.25式中 F0 原料处理量， kg/h ；x0 进效蒸发器料液的浓度，质量百分比；x2 出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 P 153取 W1:W2=1:故 W 1= 4000 =(kg/h)1 1.1W2=(kg/h)其中， W1第效的蒸发量， kg/hW2第

8、效的蒸发量， kg/h效二次蒸汽浓度F0 x047164.25%=%x=47161904.8F0W 13、成品产量： F2= F0 -W=4716-4000=716 kg/h（二）热量衡算1.有关参数（1） 总蒸发量： 4000 kg/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 : C0 CW (1xO)4179(14.25) 4001J / Kg k100100（ 3） 真空度分配：第 效 ： 600mmHgP15Pa （ 查得此压 力下 饱和 蒸汽 温度=10T1 =6

9、1.1 ）第效：mmHg5a（查得此压力下饱和蒸汽温度700P2 = 10PT2 =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)效加热蒸汽P0=105T0 =i 0 =0 =效二次蒸汽P1 = 105T1 =i1 =1 =效加热蒸汽P25T2 =i 2 =2 =102、温差损失、温度损失的计算f at m t 0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：

10、0.0162(T 273)2f r 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/kgpm p 0 gh2式中： pm 溶液内部平均压强， Pap0 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1.028103 kg / m3常温下番茄酱沸点升高a10.15C0.0162 61.127320.115 ( )2352.50.15pm210009.8161.02810351.223kPa2由压强 kPa 查表得：Tm 82 Tm T0 82 60.7 21.3 取10.115 21.3 1 22.43、W

11、1,W2,D1物料衡算公式： W1 D1 F0 C0 W2 1 1 W2 D2 F0C0 2 式中 W1 W2 效蒸发水量 kg/hD D 效蒸汽量 kg/h效自蒸发系数F0 原料处理量 kg/hC 原料比热 kj/kgk12 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 : n= Tn 1Tninc Tn41.461.10.00838 161.14.1862606.661.141.40.00822241.44.1862570.2将式代入式中D =W w 1 D1 Fo C o W1 Fo C o 2 1D147164.0186 W1 4176 4.00

12、1 0.00822 0.00838D1141.780.00838W1 w 1 1.0085D1 142.98 将式代入式中w 2 1.0085 D1 142.98 4716 4.0186 0.008221.0085D1 12.8A=+=B 142.98 12.8 130.18W B4000130.18D12047.68 Kg / hA2.017第效蒸发量 w 11.0085 D1 142.98 1.0085 2047.68 142.98 1922.11kg / h第效蒸发量 w 2 1.0085D1 12.8 1.0085 2047.68 12.8 2052.29kg / h与初估各效蒸发水量

13、比较误差 3，可不必对各效蒸发水量及浓度加以修正。3第效放出浆量F及浓度 xFF oW247162052.292663.71kg / hxFoxo47164.25%200.43FoW247162052.297.52%2663.714.、 效加热面积的确定效传热量： Q1 D1 0效传热量： Q2 D2 12047.682246.64600317 kJ / h1922.112331.64481591kJ / h各效有效温度差：T1T0 T1111.3 61.150.2 T2T 12 1T261.1 141.4 18.7 其中 2 1 两效间温度损失21 =1各类蒸发器传热系数（食品工程原理 P7

14、22）蒸发器型式传热系数 K（ w/蒸发器型式2传热系数 K（w/ mk）2m k）水平沉浸加热式6002,300升膜式1,2006,000标准式（自然循环）6003,000降膜式1,2003,500标准式（强制循环）1,2006,000悬筐式6003,000外加热室式（自然循环）1,2006,000蛇管式3502,300外加热室式（强制循环）1,2007,000通过上表按经验数据取：强制循环K16698kJ / h m 2K自然循环K 23349kJ / h m 2K第效加热面积： S1Q1460031713.68m2K1 T16698 50.2Q 2448159170.56m2第效加热面积

15、： S2T2 3349 18.7K 2（三）工艺尺寸计算1、效加热器的尺寸根据常用化工单元设备设计 162 页，采用 321.5mm不锈钢管，管长 L=3mS113.68（根） n150d 0 L3.14 0.029 3式中 S 传热面积， m2 ；d 0 加热管直径， m；L管子长度， m 。取管间距为 d H 的同心圆排列：同心圆数根数同心圆直径16D 1n t /6 40 / 3.1480mm212D 2D12t80240160mm318D 3D 22t160240240mm425D 4D 32t240240320mm根据排列四层共 61 根管子第效加热面积： SI 61 3.14 0.

16、029 3 16.66m2加热室壳体直径的计算： D t b 1 2e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e 1.25d H 1.25 32 40mm管子在管板上的排列间距： t 1.25dH 1.25 32 40 mm中心排列管子数： b 4 2 8 （根）内径 D1 B t b 1 2e 40 8 1 2 40 360mm根据常用化工单元设备设计 163 页取外壳壁厚 =10mm外径 D 1H D1B 2 360 2 10 380mm将外径圆整到 400mm2、效加热器的尺寸采用 32不锈钢管，管长 L=3 mS270.56（

17、根） n 2259d 0 L3.14 0.029 3取管间距为 d H 的同心圆排列：同心圆数根数同心圆直径16D 1n t /6 40 / 3.1480mm212D 2D12t80240160mm318D 3D 22t160240240mm425D 4D 32t240240 320mm531D 5D 42t320240400mm637D 6D 52t400240480mm743D 7D 62t480240560mm850D 8D 72t560240640mm956D 9D 82t640240720mm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 160240 之间的管板

18、内，加一根200mm中央抽气管，所以排列总管数为260 根。第效加热器实际加热面积：S2 260 3.14 0.029 3 71m2加热室壳体直径的计算：中心排列管子数： b 9 2 18（根）内径 D2 B t b 1 2e 40 18 1 2 40 760mm根据常用化工单元设备设计 163 页取外壳壁厚 =12mm外径 D 2H D 2 B 2 760 2 12 784mm将外径圆整到 800mm3、蒸发室直径的确定W1V1m第效： d1036004式中 W1 效蒸发水量 kg/hV1 二次蒸汽比体积 m3 / kg0 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

19、得 61.1 饱和水蒸汽的密度10.1369 kg / m 3V1117.16m3 / kg10.139604.264.263.15m/ s3310.1369d11922.117.161.55m3.143.1536004取 d11.6m第效：W2V2md 2036004式中W1 效蒸发水量kg/h0 二次蒸汽上升速度 m/sV2 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20.05514 kg / m3V2 1 1 18.14m3 / kg20.055144.2634.26034.26m/ s20.05514d 2W2V22052.29

20、 18.140.7854.261.76m3600036004取 d 21.8m4、蒸发室的截面积2F= d4第效： F1= 3.141.62=2 42第效 F2=3.14 1.8 =45、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第效： H 1 2 d1 2 1.6 3.2m第效： H 22 d 22 1.83.6m6、循环管尺寸上循环管直径取d10.2d10.2 1.60.32m下循环管直径取dd2n0.0292321m2B0.52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 dmdm=4 Fm式中： Fm进口管截面积，DVm

21、Smm 36003V m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 / m3V m= 1/=1.3635m 3/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Fm 2047.68 1.3635 0.02955m2 26.25 360040.02955dm3.140.194m由食品工程原理P852：取整后选用 d m219mm ，壁厚 6mm, 内截面积为 0.03364m2所以实际饱和加热蒸汽的速度：D1Vm2047.681.3635mFm36000.0336423.05m / s36002、效二次蒸汽出口进入效的管径：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0.1369 kg / m3Vm117.3046m3 / kg0.1369由