食品工程原理課程設(shè)計——蒸發(fā)器的設(shè)計

1、.食品工程原理課程設(shè)計說明書任務(wù)名稱：蒸發(fā)器的設(shè)計設(shè)計人：指導(dǎo)教師：班級組別：設(shè)計時間：成績 :頁腳.目錄122334455569715頁腳.81791710181121頁腳.設(shè)計說明書一、題目 : 蒸發(fā)器的設(shè)計設(shè)計蒸發(fā)量為 4 噸/ 小時的雙效真空濃縮裝置， 用于濃縮番茄醬的生產(chǎn)。 已知進(jìn)料濃度為 4.25% ，成品濃度為 28% ，第一效真空度為 600mmHg, 第二效真空度為 700mmHg 。加熱蒸汽的壓力為0.15 MPa二、原始數(shù)據(jù)：1、原料：濃度為 4.25% 的番茄醬2、 產(chǎn)品：濃度為 28% 的番茄醬3、 生產(chǎn)能力：蒸發(fā)量四噸每小時，一天工作10 個小時4、 熱源：加熱蒸汽

2、為飽和水蒸汽，壓力0.15MPa5、 壓力條件：第一效為600 mmHg的真空度，第二效為700 mmHg的真空度頁腳.三、設(shè)計要求容：1、濃縮方案的確定：蒸發(fā)器的型式、蒸發(fā)操作流程、蒸發(fā)器的效數(shù)等。2、蒸發(fā)工藝的計算：進(jìn)料量、蒸發(fā)水量、蒸發(fā)消耗量、溫差損失、傳熱量、傳熱面積等。3、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的計算：加熱室尺寸、加熱管尺寸及排列、蒸發(fā)室尺寸、接管尺寸等。4、附屬設(shè)備的計算：冷凝器、真空系統(tǒng)的選用5、流程圖及裝配圖繪制四設(shè)計要求1、設(shè)計說明書一份；2、設(shè)計結(jié)果一覽表；蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果及設(shè)備選型情況等；3、蒸發(fā)器流程圖和裝配圖設(shè)計方案的確定1. 蒸發(fā)器的確定：選用外加熱式蒸發(fā)器，它的特

3、點是加熱室與分離室分開，便于清洗和更換。這種結(jié)構(gòu)有利于降低蒸發(fā)器的總高度，所以可以采用較長的頁腳.加熱管。并且，因循環(huán)管不受熱而增大了溶液的循環(huán)速度，可達(dá)1.5m/s。2. 蒸發(fā)器的效數(shù)：雙效真空蒸發(fā)。真空操作的壓力小，故在蒸發(fā)器物料的沸點就低，對于番茄這種熱敏性較高的物料， 采用真空蒸發(fā)降低沸點是有必要的。采用多效蒸發(fā)是減少加熱蒸汽耗用量，提高熱能經(jīng)濟性的有效措施。然而也不能無限地增加效數(shù)。 理由如下：（ 1）效數(shù)越多， 節(jié)省地加熱蒸汽量就越少。由單效改為雙效時，加熱蒸汽用量可減少50% ，但由四效改為五效只能節(jié)省 10% ，熱能經(jīng)濟性提高不大。（ 2）效數(shù)越多，溫度差損失越大，分配到各效的

4、有效溫度差就越小。為了維持料液在溶液沸騰階段，每效的有效溫度差不能小于 5-7 攝氏度。這樣也限制了效數(shù)的增加。 （3）熱敏性溶液的蒸發(fā)，一般不超過三效。3.加熱方式：直接飽和蒸汽加熱，壓力0.15Mpa 。4. 操作壓力：效為 600 mmHg 真空度，效為 700 mmHg 真空度。5. 加料方式：并流式。其優(yōu)點在于： （1）后一效蒸發(fā)室的壓強比前一效的低，故溶液在效簡述送不用泵而利用各效間的壓力差 ; （2）后一效溶液的沸點較前一效的低，溶液進(jìn)入后效時發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，產(chǎn)生較多二次蒸汽； （3 ）高濃度溶液的溫度依效序降低對濃縮熱敏性食品有利。6. 輔助設(shè)備：冷凝器用水噴式冷凝器；慣性捕集器

5、頁腳.方案說明1.本流程采用直接蒸汽加熱，雙效外加熱式蒸發(fā)器，并流法蒸發(fā)。使用25 水作為冷卻劑，冷凝水出口溫度為40。2. 設(shè)備流程：1）物料：預(yù)熱殺菌后的番茄醬由循環(huán)泵由下部進(jìn)入，流經(jīng)管，由上部進(jìn)入蒸發(fā)分離室，先經(jīng)加熱器的管上升， 通過彎頭進(jìn)入另一臺加熱器，經(jīng)加熱料液由管下降，以切線方向進(jìn)入效蒸發(fā)分離器進(jìn)行汽液分離。然后由物料泵送至效再蒸發(fā)。料液料液聚集到傾斜的底部，由排出口與循環(huán)管連接， 經(jīng)液位平衡器至效蒸發(fā)室，當(dāng)效蒸發(fā)室達(dá)到平衡液位時，料液直接進(jìn)入效加熱器。蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽與物料一起進(jìn)入分離器。由二效分離器出來的物料濃度達(dá)到所要求 28 。2）加熱蒸汽：效蒸發(fā)與其預(yù)熱管物料的熱能由蒸

6、汽供給，效蒸發(fā)和預(yù)熱管物料的熱能全部為一效二次蒸汽供給。效二次蒸汽全部進(jìn)入水噴式冷凝器冷卻。3）本流程采用直接蒸汽加熱，雙效外加熱式蒸發(fā)器，順流法蒸發(fā)。優(yōu)點是料液沸點依效序遞降，因而當(dāng)前效料液進(jìn)入后效時， 便在降溫的同時放出其顯熱，供一小部分水分汽化，增加蒸發(fā)器的蒸發(fā)量。使用25 水作為冷卻劑，冷凝水出口溫度為40 。真空蒸發(fā)的條件：不斷供給熱量；要維持番茄醬的沸騰，需要不斷供給熱量。 必須順?biāo)倥懦握羝?如不及時排除二次蒸汽， 又會凝結(jié)成水回到番茄醬中去。 本操作中將二次蒸汽引入另一效蒸發(fā)器作為熱源使用，熱能利用率高。頁腳.（一）物料衡算1、原料處理量 :每小時處理量：W F1x0（常用

7、化工單元設(shè)備設(shè)計153 頁）xnWx2400028F0x0284716 Kg / hx24.25式中 F0 原料處理量， kg/h ；x0 進(jìn)效蒸發(fā)器料液的濃度，質(zhì)量百分比；x2 出效蒸發(fā)器料夜的濃度，質(zhì)量百分比；W 水分蒸發(fā)量kg/h ；日處理量：每天10 小時： 4715 10=47.15噸 / 日2、初步估算一、二效的蒸發(fā)水量頁腳.由常用化工單元設(shè)備設(shè)計P153取 W1:W2=1:1.1故 W 1= 4000 =1904.8(kg/h) 1 1.1W 2 =4000-1904.8=2095.2(kg/h)其中， W 1第效的蒸發(fā)量， kg/hW 2第效的蒸發(fā)量， kg/hF0 x0471

8、64.25%效二次蒸汽濃度 x=4716=6.31%F0W 11904.83、成品產(chǎn)量： F2= F0 -W=4716-4000=716 kg/h（二）熱量衡算1. 有關(guān)參數(shù)（ 1） 總蒸發(fā)量： 4000 kg/h（ 2） 進(jìn)料：x1 =4.25%T1 =61.1 ( 查食品工程原理 843 頁此溫度下水的比熱 Cw w =4179J/Kg.k)出料： x2 =28%T2 =41.4 料液比熱 : C0 CW (1xO )4179(14.25) 4001J / Kg k100100（ 3） 真空度分配：第效： 600mmHg5a（查得此壓力下飽和蒸汽溫度P1 =0.21 10PT1 =61.1

9、）頁腳.第效： 700 mmHgP2 =0.08 105 Pa （查得此壓力下飽和蒸汽溫度 T2 =41.4 ）來自食品工程原理 741 頁飽和水蒸汽表二次蒸汽的熱參數(shù)值如下表壓力 (Pa)T()比焓 (KJ/kg)汽化潛熱 (kg)效加熱蒸汽P0 =1.5 105T0=111.3i 0 =2695.10 =2229.3效二次蒸汽P1 =0.21 105T1 =61.1i1 =2606.61 =2352.5效加熱蒸汽P2 =0.08 T2=41.4i 2 =2570.22 =2396.41052、溫差損失、溫度損失的計算fat mt 0式中：溫度差損失，操作壓強下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點

10、升高，液層靜壓引起的溫度差損失，管路流動阻力引起的溫度差，a 常壓下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點升高，f 校正系數(shù)，無因次，其經(jīng)驗計算式為：頁腳.0.0162(T 273)2fr 式中： T 操作壓強下二次蒸汽的溫度，操作壓強下二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kgp mp 0gh2式中： pm 溶液部平均壓強，Pap0 液面上方的壓強，Pah 溶液液層高度， m（該題設(shè)其液層高度為6m ）溶液密度， kg/ m 3該題密度為 1.028103 kg / m3常溫下番茄醬沸點升高a10.15 C0.0162 61.127320.115 ()2352.50.15pm210009.8161.028103

11、51.223kPa2由壓強 51.223 kPa 查表得：Tm82 TmT08260.721.3 取10.11521.3122.43、W 1,W 2,D1頁腳.物料衡算公式： W1D1F0 C0W211W2D2 F0C0 2式中 W1 W2 效蒸發(fā)水量kg/hD1 D2 效蒸汽量kg/h1 2- 效自蒸發(fā)系數(shù)F0 - 原料處理量kg/hC0- 原料比熱kj/kgk1 2 熱利用系數(shù)（來自食品工廠機械與設(shè)備 192 頁）根據(jù)逆流時的自然蒸發(fā)系數(shù)，按下式計算 : n = Tn 1Tni nc Tn41.461.10.00838 12606.661.14.186261.141.42570.241.4

12、0.008224.186將式代入式中D2 =W 1 w 1 D1Fo C oW1Fo C o 2 1D147164.0186 W1 4176 4.001 0.00822 0.00838D1141.780.00838W1頁腳. w 11.0085D1142.98將式代入式中w 2 1.0085 D1142.98 4716 4.0186 0.008221.0085 D112.8 A=1.0085+1.0085=2.017B142.9812.8 130.18WB4000130.182047.68 Kg / hD1A2.017第效蒸發(fā)量 w 11.0085 D1142.981.00852047.68

13、142.98 1922.11kg / h第效蒸發(fā)量 w 21.0085D112.81.00852047.68 12.8 2052.29kg / h與初估各效蒸發(fā)水量比較誤差3，可不必對各效蒸發(fā)水量及濃度加以修正。3第效放出漿量 F 及濃度 xF F oW247162052.292663.71kg / hFoxo4716 4.25%200.437.52%xW247162052.29Fo2663.714.、 效加熱面積的確定效傳熱量： Q1D 102047.682246.64600317 kJ / h效傳熱量： Q 2D 211922.112331.64481591kJ / h各效有效溫度差： T

14、1T0 T1111.361.150.2 T2T 12 1T261.11 41.4 18.7 其中 2 1 兩效間溫度損失21=1各類蒸發(fā)器傳熱系數(shù)（食品工程原理P722 ）蒸發(fā)器型式傳熱系數(shù) K（w/蒸發(fā)器型式傳熱系數(shù) K（w/頁腳.m2 k）m2k）水平沉浸加熱式6002,300升膜式1,2006,000標(biāo)準(zhǔn)式（自然循環(huán)）6003,000降膜式1,2003,500標(biāo)準(zhǔn)式（強制循環(huán)）1,2006,000懸筐式6003,000外加熱室式（自然循環(huán)）1,2006,000蛇管式3502,300外加熱室式（強制循環(huán)）1,2007,000通過上表按經(jīng)驗數(shù)據(jù)?。簭娭蒲h(huán)K16698kJ / h m 2K自

15、然循環(huán)K 23349kJ / h m 2K第效加熱面積： S1Q1T1460031713.68m 2K 1669850.2第效加熱面積： S2Q 2T2448159170.56m 2K 2334918.7（三）工藝尺寸計算1、效加熱器的尺寸根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計162 頁，采用32 1.5mm 不銹鋼管，管長L=3 mS113.68（根） n150d 0 L3.14 0.029 3式中S傳熱面積， m2 ；d 0 加熱管直徑， m；L管子長度， m 。取管間距為 1.25 dH 的同心圓排列：頁腳.同心圓數(shù)根數(shù)同心圓直徑16D 1n t /6 40 / 3.1480mm212D 2D12t8

16、0240160mm318D 3D 22t160240240mm425D 4D 32t240240320mm根據(jù)排列四層共61 根管子第效加熱面積：SI613.140.029316.66m2加熱室殼體直徑的計算：Dt b12e式中D殼體直徑， m；t 管間距， m；b 沿直徑方向排列的管子數(shù)e 最外層管中心到殼體壁的距離，取 e1.25d H1.253240mm管子在管板上的排列間距：t1.25dH1.253240 mm中心排列管子數(shù)： b428 （根）徑 D1Bt b12e4081240360mm根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計163 頁取外殼壁厚 =10mm外徑 D 1HD1B2360210380m

17、m將外徑圓整到 400mm2、效加熱器的尺寸采用32 1.5 不銹鋼管，管長L=3 m頁腳.S270.56（根） n 2259d 0 L3.14 0.029 3取管間距為 1.25 dH 的同心圓排列：同心圓數(shù)根數(shù)同心圓直徑16D 1n t /6 40 / 3.1480mm212D 2D12t80240160mm318D 3D 22t160240240mm425D 4D 32t240240 320mm531D 5D 42t320240400mm637D 6D 52t400240480mm743D 7D 62t480240560mm850D 8D 72t560240640mm956D 9D 82

18、t640240720mm在各級中心安裝一根50mm 的抽氣管，所以取消了一、二層排列，同時在160 240 之間的管板， 加一根200mm 中央抽氣管， 所以排列總管數(shù)為260根。第效加熱器實際加熱面積：S22603.140.029371m2加熱室殼體直徑的計算：中心排列管子數(shù)： b9218（根）徑 D2 Bt b12e40181240760mm根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計163 頁取外殼壁厚 =12mm頁腳.外徑 D 2HD 2 B2760212784mm將外徑圓整到 800mm3、蒸發(fā)室直徑的確定W1V1m第效： d1036004式中 W1 效蒸發(fā)水量kg/hV1 二次蒸汽比體積m3 / kg

19、0 二次蒸汽上升速度m / s查食品工程原理 841 頁并用差法計算得61.1飽和水蒸汽的密度1 0.1369 kg / m 3V1117.16m3 / kg10.13964.264.263.15m/ s0330.13691 d11922.117.161.55m3.143.1536004取 d11.6m第效： d 2W2V2m403600式中W1 效蒸發(fā)水量kg/h0二次蒸汽上升速度m/sV2 二次蒸汽的比體積m3 / kg頁腳.查食品工程原理 841 頁并用差法計算得41.4飽和水蒸汽密度2 0.05514 kg / m3V21118.14m3 / kg20.0551404.264.2633

20、4.26m/ s0.055142d 2W2V22052.29 18.140.7854.261.76m3600036004取 d 21.8m4、蒸發(fā)室的截面積d 2F=43.141.62第效： F1=2 4第效3.141.82F2 =2.54 45、蒸發(fā)室的高度根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計163 頁取蒸發(fā)室高徑比H/D=2第效： H 12d121.63.2m第效： H 22d 221.83.6m6、循環(huán)管尺寸上循環(huán)管直徑取d10.2d10.21.6 0.32m下循環(huán)管直徑取d2d B2n0.0292321 0.52m式中dB 加熱管徑；n加熱管根數(shù)。頁腳.7、連接管直徑的確定1、加熱蒸汽進(jìn)口管徑d

21、m4Fmdm =式中： Fm 進(jìn)口管截面積， DV mSmm3600Vm 加熱蒸汽的比容， m 3/kg根據(jù)加熱蒸汽壓力為0.15Mpa ，由食品工程原理飽和水蒸汽表查得0.7334kg / m 3Vm = 1/0.7334=1.3635m3/kg由食品工廠機械與設(shè)備得：加熱蒸汽進(jìn)口壓力為3 大氣壓，取飽和蒸汽的速度為 30 米/ 秒，蒸汽進(jìn)口壓力為1 大氣壓，取飽和蒸汽的速度為25 米 / 秒，故本題加熱蒸汽進(jìn)口壓力為1.5 大氣壓，取飽和蒸汽的速度為26.25 米/ 秒。m 飽和蒸汽速度，26.25m/s故Fm 2047.68 1.3635 0.02955m2 26.25 360040.0

22、2955d m0.194m3.14由食品工程原理 P852 ：取整后選用 d m219mm ，壁厚 6mm,截面積為 0.03364m2所以實際飽和加熱蒸汽的速度：D1Vm2047.681.3635mFm36000.0336423.05m / s3600頁腳.2、效二次蒸汽出口進(jìn)入效的管徑：效二次蒸汽出口的溫度為61.1 ，由食品工程原理 841 頁飽和水蒸汽表查得0.1369 kg / m3Vm117.3046m3 / kg0.1369由食品工廠機械與設(shè)備在減壓真空狀態(tài)下，管的出口處二次蒸汽速度為100 160 米/ 秒，取 v1=100m/s4W V1所以 d1=13600v1=1922.

23、117.304643.141003600=0.223m取整后選用 d1245mm，壁厚6.5mm,截面積為 0.04225m2 的普通無縫鋼管3、效二次蒸汽的出口管徑：效二次蒸汽的出口溫度為41.4 ，由食品工程原理查得密度2 0.05514 kg / m3V1118.1357m3 / kg0.05514由食品工廠機械與設(shè)備查得，取v2 =150m/s4W2V2d2=3600 v頁腳=.42052.2918.135736001503.14=0.296m取整后選用 d 2325mm ，厚為 8mm ，截面積為 0.07495m2 的普通無縫剛管附屬設(shè)備尺寸計算選用水噴式式冷凝器冷凝器選用噴射式冷

24、凝器，它由噴射器和離心水泵組成，又稱水力噴射器，兼有冷凝及抽真空兩種作用。 其工作原理是利用高壓水流，通過噴嘴噴出， 聚合在一個焦點上， 由于噴射的水流速度較高， 在周圍形成負(fù)壓區(qū)， 水流經(jīng)擴散管增壓排出，而在負(fù)壓區(qū)可以不斷地吸入二次蒸汽，經(jīng)導(dǎo)向盤與冷卻水接觸， 冷凝后一起排出。取冷凝水進(jìn)口溫度：t1 =25 出口溫度： t2 = 40 冷凝水消耗量：GW ( HC pt 2 )Cp (t 2t1 ) 2052.29 ( 2570.2 4.179 40)4.179 (40 25) 7.87 104 kg / hW 水蒸汽量kg/hH- 水蒸汽焓kJ/kg頁腳.CP-冷卻水比熱kJ/kg t1，

25、 t2 冷卻水進(jìn)、出口溫度噴嘴數(shù)計算由蒸發(fā)過程設(shè)計 P36 得到，設(shè)氣室為1 個大氣壓，水室2.5 個大氣壓，噴嘴直徑 d=15mm ，流量系數(shù)=0.93通過一個噴嘴的水流量qf02gp故 q=3.14 0.0152 0.932 9.81 ( 2.5 1) 10536004997=32.24 (m 3/h)G噴嘴數(shù)N=q= 7.87 10499732 .24=2.45 （個）取整數(shù)為N=3 個捕集器頁腳.選用慣性捕集器， 其作用是防止蒸發(fā)過程形成的細(xì)微液滴被二次蒸汽帶出，對汽液進(jìn)行分離， 以減少物料的損失， 同時避免污染管道及其他蒸發(fā)器的加熱。捕集器的型式很多，可分為慣性型和離心型等類型。頁腳.主要技術(shù)參數(shù)機組號項目效蒸發(fā)器效蒸發(fā)器進(jìn)料濃度4.5%6.31%進(jìn)料溫度61.1-進(jìn)料量 kg/h47162047.68二次蒸汽壓力 MPa0.0210.008蒸汽溫度61.141.4出料濃度6.31%28%出料量 kg/h2047.68716計算結(jié)果匯總表料液處理量， kg/h4716蒸發(fā)水量 ,kg/h4000產(chǎn)品產(chǎn)量 , kg/h716蒸汽用量 , kg/h2047.68冷凝水用量， kg/h78700效蒸發(fā)器直徑 ,m1.6頁腳.效蒸發(fā)器直徑 ,m1.8效蒸發(fā)器傳熱面積 , m