單效中央循環(huán)管蒸發(fā)器

1、 食品工程原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)番茄汁單效連續(xù)加料蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)姓名： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 年 月 日設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)目 錄1.前言1.1 概述1.2蒸發(fā)器選型2.單效蒸發(fā)工藝計(jì)算2.1 物料衡算2.2 熱量衡算 2.3 傳熱面積計(jì)算2.4 計(jì)算結(jié)果列表3.蒸發(fā)器主體工藝設(shè)計(jì)3.1 加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計(jì) 3.1.1 加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計(jì)3.1.2 循環(huán)管的選擇3.1.3 加熱室直徑的確定3.1.4 分離室直徑與高度的確定3.2 接管尺寸的確定3.3 進(jìn)料方式及加熱管排布方式的確定3.3.1進(jìn)料方式的確定3.3.2加熱管排布方式的確定3.4 儀表、視鏡與人孔的確定3.5 蒸發(fā)器主要部件規(guī)格列表

2、4.蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備4.1 氣液分離器4.2 蒸汽冷凝器 5.結(jié)語(yǔ)致謝附表參考文獻(xiàn)1.前言11 概述食品工程原理是食品工程與科學(xué)專(zhuān)業(yè)主要課程之一，食品工業(yè)包含諸多的單元操作，如蒸發(fā)、結(jié)晶 、殺菌等，本課程均有介紹。本次設(shè)計(jì)題目為番茄汁單效連續(xù)加料蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)，一方面提高學(xué)生對(duì)食品工業(yè)單元操作的認(rèn)識(shí)，另一方面加深學(xué)生對(duì)食品工程原理課程的理解與掌握。本設(shè)計(jì)涉及的單元操作為蒸發(fā)。蒸發(fā)是典型的傳熱過(guò)程，即是將含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液加熱沸騰，使其中的揮發(fā)性溶劑部分汽化從而將溶液濃縮的過(guò)程。蒸發(fā)是一種分離操作，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、制藥和食品等許多工業(yè)中溶劑為揮發(fā)性而溶質(zhì)為非揮發(fā)性的場(chǎng)合。在許

3、多場(chǎng)合，蒸發(fā)系統(tǒng)的熱量經(jīng)濟(jì)性成為整個(gè)生產(chǎn)流程的關(guān)鍵因素。工業(yè)上蒸發(fā)主要以濃縮和分離為主要目的。本設(shè)計(jì)以濃縮為主要目的，設(shè)計(jì)出將番茄汁的可溶性固形物含量由8濃縮為40的單效連續(xù)加料蒸發(fā)裝置。本設(shè)計(jì)首先確定濃縮罐的處理能力為6t/h番茄汁原漿。根據(jù)選用蒸發(fā)器的特點(diǎn)進(jìn)行物料衡算、熱量衡算，進(jìn)一步確定換熱器的傳熱面積。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)，選取加熱管的長(zhǎng)度為1.3m，管徑為50mm。進(jìn)而確定加熱管數(shù)目，并確定排布方式。根據(jù)加熱管截面積與中央循環(huán)管的截面積的關(guān)系以及中央循環(huán)管直徑與加熱室直徑的關(guān)系確定中央循環(huán)管的直徑和加熱室的直徑。從而完成加熱室的設(shè)計(jì)；根據(jù)分離室與加熱室的比例關(guān)系確定分離室的尺寸；根據(jù)物

4、料流量及特性確定各輸送管道的直徑、選材以及其他部位的選材并確定定氣液分離器以及冷凝器的型號(hào)；最后在需要的部位安裝相關(guān)儀表、視鏡以及人孔。12蒸發(fā)器選型蒸發(fā)操作的蒸發(fā)器有懸筐式蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器、升膜式蒸發(fā)器、降膜式蒸發(fā)器、中央循環(huán)管式蒸發(fā)器等，本設(shè)計(jì)采用的是中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，其簡(jiǎn)介如下：121結(jié)構(gòu)和原理其下部的加熱室由垂直管束組成，中間由一根直徑較大的中央循環(huán)管。當(dāng)加熱室內(nèi)液體被加熱沸騰時(shí)，中央循環(huán)管內(nèi)氣液混合物的平均密度較大；而其余加熱管內(nèi)氣液混合物的平均密度較小。在密度差的作用下，溶液由中央循環(huán)管下降，而由加熱管上升，做自然循環(huán)流動(dòng)。溶液的循環(huán)流動(dòng)提高了沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，強(qiáng)化了蒸發(fā)過(guò)

5、程。二次蒸汽于蒸發(fā)室中經(jīng)氣液分離器與溶液分離后上升，由冷凝器冷凝。（如圖1所示）122特點(diǎn)這種蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)緊湊，制造方便，傳熱較好，操作可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛，有標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器之稱(chēng)。為使溶液有良好的循環(huán)，中央循環(huán)管的截面積，一般為其余加熱管總截面積的40%100%；加熱管的高度一般為12m；加熱管徑多為2575mm之間。但實(shí)際上，由于結(jié)構(gòu)上的限制，其循環(huán)速度較低（一般在0.5m/s以下）；而且由于溶液在加熱管內(nèi)不斷循環(huán)，使其濃度始終接近完成液濃度，因而溶液沸點(diǎn)交高、有效溫差減小。此外，設(shè)備的清洗和檢修也不夠方便。2.單效蒸發(fā)工藝計(jì)算21 物料衡算物料衡算可以求出蒸發(fā)水量。圖1為單效蒸發(fā)的物料流程圖

6、。對(duì)溶質(zhì)作物料衡算可得： (2-1-1) (2-1-2)式中F進(jìn)料口原料液質(zhì)量流量，kg/s；W蒸發(fā)水量，kg/s；原料液濃度，完成液濃度，設(shè)計(jì)處理能力為6t/h,即進(jìn)料口原料液質(zhì)量流量：原料液濃度：完成液濃度：將上述數(shù)據(jù)帶入式（2-2），可得：22 熱量衡算熱量衡算可求出加熱蒸汽消耗量，設(shè)加熱蒸汽的質(zhì)量流量為D，其汽化潛熱為r，加熱室內(nèi)溶液比熱容為，二次蒸汽的汽化潛熱為r，熱量損失為QL，根據(jù)能量守恒可知： （2-2-1）式（2-2-1）即加熱蒸汽消耗量的計(jì)算公式。從公式可以看出，加熱蒸汽放出的熱量用于三個(gè)方面：將料液從t0加熱到沸點(diǎn)，將其汽化，以及彌補(bǔ)熱損失。設(shè)計(jì)中熱損失忽略不計(jì)，并采取沸

7、點(diǎn)進(jìn)料（t0=t1），則得： （2-2-2）水的汽化潛熱隨溫度或壓強(qiáng)的變化不大，可取，從而，即加熱蒸汽量為：23 傳熱面積計(jì)算由傳熱速率方程得到蒸發(fā)室的加熱面積為： （2-3-1）式中：傳熱面積，m2；傳熱量，J；傳熱系數(shù)，；加熱蒸汽與操作液沸點(diǎn)之差，；加熱蒸汽溫度，；t1操作液沸點(diǎn)，；式（2-3-1）中D、K已知，可查得200kPa的壓強(qiáng)下，50kPa的壓強(qiáng)下；由于溶液的蒸汽壓降低而導(dǎo)致的沸點(diǎn)升高和液體靜水壓引起的沸點(diǎn)升高的存在，操作液實(shí)際沸點(diǎn)為： （2-3-2）的計(jì)算：吉辛科公式： （2-3-3）式中：操作液濃度對(duì)應(yīng)蔗糖溶液在0.1Mpa下的沸點(diǎn)升高(可由附表1查出)校正系數(shù)，其值為： （

8、2-3-5）式中 r 操作壓強(qiáng)下水的汽化潛熱，kJ/kg?？刹榈?0kPa下t=81.2，r=2304.5kJ/kg，則：代入式（2-3-3）可得：的計(jì)算： （2-3-6）式中 液體的密度，kg/m3; H總液層的高度，m。設(shè)計(jì)中：液面的高度：H1.8m；番茄汁的密度可由糖溶液物性的經(jīng)驗(yàn)擬和式求出， （2-3-7）式中 t溫度，； x糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。操作壓強(qiáng)為50kPa，對(duì)應(yīng)水的沸點(diǎn)為81.2，可近似認(rèn)為t=81.2，且已知x為40，則有：則：分別由壓強(qiáng)p和pm查取水的相應(yīng)沸點(diǎn)為t和tm，則靜壓效應(yīng)的沸點(diǎn)升高近似為 (2-3-8)即則：代入公式（2-3-1）可得：24 計(jì)算結(jié)果列表表2-4-

9、1衡算及傳熱計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目數(shù)值蒸發(fā)水量 （kg/s）1.3334加熱蒸汽量 （kg/s）1.3334傳熱面積 （m2）593.蒸發(fā)器主體工藝設(shè)計(jì)我們選取的中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的計(jì)算方法如下。31 加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計(jì) 311 加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計(jì)沸騰加熱管多采用的管子，長(zhǎng)度一般在，管長(zhǎng)與管徑之比為，材料為不銹鋼或其他耐腐蝕材料。管徑與長(zhǎng)度的選擇應(yīng)根據(jù)溶液結(jié)垢難易程度、溶液的起泡性和廠房的高度等因素來(lái)考慮，易結(jié)垢和易起泡沫溶液的蒸發(fā)易選用粗短管，反之，則采用細(xì)長(zhǎng)管。根據(jù)我們的設(shè)計(jì)任務(wù)和番茄汁的性質(zhì)，我們選用以下的管子：管長(zhǎng) L1.3m，管徑可以根據(jù)加熱管的規(guī)格與長(zhǎng)度初步估計(jì)所需的管子

10、數(shù)n， （3-1-1）式中：S蒸發(fā)器的傳熱面積，m2，由前面的工藝計(jì)算決定（優(yōu)化后的面積）d加熱管外徑，mL加熱管長(zhǎng)度，m312 循環(huán)管的選擇中央循環(huán)管的截面積一般為總加熱管束截面積的40100。循環(huán)管的截面積是根據(jù)使循環(huán)阻力盡量減小的原則考慮的，假設(shè)中央循環(huán)管的截面積一般為總加熱管束截面積的70，則：總加熱管束截面積： （3-1-2）中央循環(huán)管的截面積： （3-1-3）中央循環(huán)管的直徑： （3-1-4）313 加熱室高度及直徑的確定加熱室高度略低于液面高度，設(shè)為1.7m。 中央循環(huán)管的直徑一般為加熱室直徑的1/41/5，設(shè)計(jì)中取1/4。則：加熱室直徑： （3-1-5）314 分離室直徑與高度

11、的確定分離室尺寸確定原則：（1）對(duì)于中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，其分離室一般不能小于1.8m，以保證足夠的霧沫分離高度。分離室的直徑也不能太少，否則二次蒸汽流速過(guò)大，導(dǎo)致霧沫夾帶現(xiàn)象嚴(yán)重。一半分離室高度為加熱室高度的1.11.5倍。（2）在條件允許的情況下，分離室的直徑盡量與加熱室相同，這樣可使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造方便。（3）高度和直徑都適于施工現(xiàn)場(chǎng)的安放。根據(jù)以上原則，設(shè)分離室高度為加熱室高度的1.5倍，分離室直徑與加熱室相同，則：分離室高度： （3-1-6）分離室直徑： （3-1-7）32 接管尺寸的確定流體進(jìn)出口的內(nèi)徑按下式計(jì)算： （3-2-1）式中：流體的質(zhì)量流量，kg/s；U流體的適宜流速，m/s

12、，不同流體的適宜流速可由附表2查出。估算出內(nèi)徑后，應(yīng)從管規(guī)格表格中選用相近的標(biāo)準(zhǔn)管。321 料液進(jìn)出口設(shè)計(jì)中料液進(jìn)出口使用相同管徑，根據(jù)操作番茄汁的性質(zhì)計(jì)算出原料進(jìn)口的內(nèi)徑。由附表2可設(shè)原料番茄汁流速為0.5m/s，則由式（2-3-7）可求得番茄汁的密度21 物料衡算中已計(jì)算出原料的質(zhì)量流量，即代入式（3-2-1）可求得：番茄汁原料進(jìn)口內(nèi)徑根據(jù)熱軋無(wú)縫鋼管的規(guī)格（GB8163-87）,選用的熱軋無(wú)縫不銹鋼管。322 加熱蒸汽進(jìn)口與二次蒸汽出口由21 物料衡算中計(jì)算表明，單位時(shí)間內(nèi)加熱蒸汽泵送量與二次蒸汽產(chǎn)生量相等。加熱蒸汽進(jìn)口與二次蒸汽入口采用相同內(nèi)徑，由附表2可設(shè)加熱蒸汽流速為30m/s，則

13、查得200kPa下飽和水蒸氣的密度，22 熱量衡算中已計(jì)算出加熱蒸汽的質(zhì)量流量，即代入式（3-2-1）可求得：加熱蒸汽進(jìn)口內(nèi)徑根據(jù)熱軋無(wú)縫鋼管的規(guī)格（GB8163-87）,選用的熱軋無(wú)縫不銹鋼管。323 冷凝水出口冷凝水的排出一般屬于液體自然流動(dòng)，可根據(jù)加熱蒸汽的流量計(jì)算。由附表2可設(shè)冷凝水的流速為1m/s，則查得水的密度,忽略不凝蒸汽的排放，冷凝水的質(zhì)量流量約等于加熱蒸汽的質(zhì)量流量，即代入式（3-2-1）可求得：冷凝水的出口內(nèi)徑根據(jù)熱軋無(wú)縫鋼管的規(guī)格（GB8163-87）,選取的熱軋無(wú)縫不銹鋼管。33 進(jìn)料方式及加熱管排布方式的確定33 1進(jìn)料方式的確定番茄汁在濃縮過(guò)程中黏度較大，在加熱過(guò)程

14、中容易結(jié)垢或產(chǎn)生結(jié)晶。采用下進(jìn)料，原料進(jìn)入加熱室后在加熱室底部很難流動(dòng)，不能與加熱室內(nèi)原有物料混勻。采用上進(jìn)料，原料自二次蒸汽室進(jìn)入濃縮罐，由于重力的作用沿循環(huán)管向下流動(dòng)，逐漸與物料混合，進(jìn)而達(dá)到較好的濃縮效果。因此，設(shè)計(jì)采用上進(jìn)料。33 2加熱管排布方式的確定加熱管排布避免局部過(guò)熱的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)中采用隨機(jī)排布方式，使加熱管均勻分布于加熱室內(nèi)。34 儀表、視鏡與人孔的確定儀表：蒸發(fā)罐壓力表安裝在蒸汽進(jìn)出管道，罐體不再設(shè)置壓力表。西安地區(qū)大氣壓一般為97kPa，結(jié)合操作壓力選擇合適壓力表，通過(guò)儀表對(duì)操作壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用熱電偶溫度進(jìn)行溫度監(jiān)控。視鏡：在分離室不同高度和角度安裝若干視鏡，以監(jiān)測(cè)分離室

15、內(nèi)汁氣狀態(tài)。直徑統(tǒng)一采用20cm。人孔：于蒸發(fā)罐頂以及分離室開(kāi)設(shè)圓形人孔，便于清洗罐體。直徑統(tǒng)一采用50cm。35 蒸發(fā)器主要部件規(guī)格列表表3-5-1蒸發(fā)器主要部件規(guī)格部件名稱(chēng)鋼號(hào)規(guī)格數(shù)目加熱管10289加熱蒸汽進(jìn)口101冷凝水出口101二次蒸汽出口101原料番茄汁進(jìn)口101視鏡3人孔24.蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備41 氣液分離器設(shè)計(jì)選用金屬網(wǎng)式捕液器，液滴粘附在其表面而二次蒸汽通過(guò)。它的特點(diǎn)是氣流速較小，阻力損失小。缺點(diǎn)是清洗不便。42 蒸汽冷凝器 設(shè)計(jì)選用水力噴射器做為冷凝器，它具有冷凝和抽真空兩種作用。其特點(diǎn)如下： 兼有冷凝和抽真空作用，無(wú)需另配抽真空裝置； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，噴射器本身沒(méi)有

16、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)部分，不要經(jīng)常檢修； 適用于抽腐蝕性氣體； 雖然水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的實(shí)際消耗功率較大，但整個(gè)冷凝裝置的功率消耗仍較表面式和大氣冷凝器??； 不能獲得高的真空度，且真空度隨水溫之高低而變化。5.結(jié)語(yǔ)本設(shè)計(jì)是圍繞蒸發(fā)這一單元操作進(jìn)行的。設(shè)計(jì)過(guò)程中主要涉及物料衡算、熱量衡算和傳熱過(guò)程計(jì)算。通過(guò)對(duì)以上方面的計(jì)算，熟悉了蒸發(fā)單元操作的各種過(guò)程，并根據(jù)蒸發(fā)罐的設(shè)計(jì)要求及原則，確定了罐體直徑為2.84m，分離室高度為2.55m，氣液分離器距罐蓋0.48m，罐底距加熱室0.4m，其余各部件、位置參數(shù)見(jiàn)表2-4-1、表3-5-1。本設(shè)計(jì)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，并能根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成設(shè)計(jì)任務(wù)。通過(guò)設(shè)計(jì)，加深了對(duì)食品工業(yè)中單元操作的理解，初步掌握了工程設(shè)計(jì)的方法，并在處理設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的困難和問(wèn)題的同時(shí)，提高自身的學(xué)習(xí)能力，進(jìn)一步鞏固了對(duì)食品工程原理這一課程的掌握。致謝本設(shè)計(jì)是在老師的精心指導(dǎo)和小組成員的通力合作下完成的，在此致以最真誠(chéng)的謝意！附：1 0.1MPa下不同濃度蔗糖溶液的沸點(diǎn)升高濃度/%010203040506070沸點(diǎn)升高/00.10.30.71.22.03.35.42 某些流體在管道中常用的速度范圍流體種類(lèi)常用流速/(m/s)水及一般液體黏度較大的液體低壓氣體易燃、易爆的低壓氣體（如乙炔等）壓強(qiáng)較高的氣體飽和水蒸氣0.8MPa 以下0.3MPa 以下過(guò)