番茄汁雙效并流蒸發(fā)裝置的設計

1、西北農林科技大學食品科學與工程學院食品工程原理課程設計說明書番茄汁雙效并流蒸發(fā)裝置的設計設計人： 專業(yè)：食品科學與工程班級組別：食工145班第八組完成時間：2016年9月2日目 錄1.前言31.1設計題目31.2蒸發(fā)流程特點31.3設計任務及操作條件32.設計項目42.1設計方案簡介42.2蒸發(fā)器的工藝流程52.3蒸發(fā)器的工藝計算52.3.1 物料衡算52.3.2 熱量衡算62.3.3 工藝尺寸計算102.4計算結果列表153.番茄汁雙效并流加料蒸發(fā)裝置的流程圖和蒸發(fā)器設備工藝簡圖164.設計總結175.參考文獻1821.前言1.1設計題目 番茄汁雙效并流蒸發(fā)裝置的設計。1.2蒸發(fā)流程特點蒸發(fā)

2、是使含有不揮發(fā)溶質的溶液沸騰汽化并移出蒸汽，從而使溶液中溶質濃度提高的單元操作。蒸發(fā)具有它獨特的特點：從傳熱方面看，原料和加熱蒸汽均為相變過程，屬于恒溫傳熱：從溶液特點分析，有的溶液有晶體析出、易結垢、易生泡沫、高溫下易分解或聚合，粘度高、腐蝕性強；從傳熱溫差上看，因溶液蒸汽壓降低，沸點增高，故傳熱溫度小于蒸發(fā)純水溫度差；從泡沫夾帶情況看，二次蒸汽夾帶泡沫，需用輔助儀器除去；從能源利用上分析，可以對二次蒸汽重復利用等。這就需要我們從五個方面考慮蒸發(fā)器的設計。隨著工業(yè)蒸發(fā)技術的發(fā)展，蒸發(fā)器的結果和形式也不斷的改進。目前蒸發(fā)器大概分為兩類：一類是循環(huán)型，包括中央循環(huán)管式、懸筐式、外熱式、列文式及強

3、制循環(huán)式等；另一類是單程型，包括升膜式、降膜式等。這些蒸發(fā)器形式的選擇要多個方面綜合得出?，F(xiàn)代化工生產實踐中，為了節(jié)約能源，提高經(jīng)濟效益，很多廠家采用的蒸發(fā)設備是多效蒸發(fā)。因為這樣可以降低蒸汽的消耗量，從而提高蒸發(fā)裝置的各項熱損失。多效蒸發(fā)流程可分為：并流流程、逆流流程、平流流程及錯流流程。在選擇形式時應考慮料液的性質、工程技術要求、公用系統(tǒng)的情況等。1.3設計任務及操作條件（1）該蒸發(fā)器處理含固形物5.0%的番茄汁的能力為36噸/天，番茄汁成品濃度為10%；原料液溫度為沸點進料。 （2）加熱蒸汽壓力為200kPa(絕壓)，冷凝器壓力為95kPa(絕壓)； （3）總傳熱系數(shù)K1=900W/(m

4、2)【如果設計雙效蒸發(fā)器，K2=1800W/(m2)】；（4）番茄汁的比熱為4.00kJ/(kg)。 （5）加熱蒸汽的冷凝液均在飽和溫度下排出。忽略熱損失。 （6）每年按300天計，日工作量是8小時。 （7）廠址：西安地區(qū)。2.設計項目2.1設計方案簡介（1） 蒸發(fā)器的確定：選用外加熱式蒸發(fā)器，它的特點是加熱室與分離室分開，便于清洗和更換。這種結構有利于降低蒸發(fā)器的總高度，所以可以采用較長的加熱管。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)器內物料的沸點就低，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

5、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：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。效數(shù)越多，溫度差損失越大，分配到各效的有效溫度差就越小。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。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2Mpa。（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：后一效蒸發(fā)室的壓強比前一效

6、的低，故溶液在效簡述送不用泵而利用各效間的壓力差; 后一效溶液的沸點較前一效的低，溶液進入后效時發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，產生較多二次蒸汽；高濃度溶液的溫度依效序降低對濃縮熱敏性食品有利。（6）輔助設備：冷凝器用水噴式冷凝器；慣性捕集器2.2蒸發(fā)器的工藝流程（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） 設備流程：物料：預熱殺菌后的番茄醬由循環(huán)泵由下部進入，流出后由上部進入蒸發(fā)分離室，先經(jīng)加熱器的管內上升，通過彎頭進入另一臺加熱器，經(jīng)加的熱料液由管內下降，以切線方向進入效蒸發(fā)分離器進行汽液分離。然后由物料泵送至效再蒸發(fā)。料液料液聚集到傾斜

7、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，當效蒸發(fā)室達到平衡液位時，料液直接進入效加熱器。蒸發(fā)產生的二次蒸汽與物料一起進入分離器。由二效分離器出來的物料濃度達到所要求10。加熱蒸汽：效蒸發(fā)與其預熱管內物料的熱能由蒸汽供給，效蒸發(fā)和預熱管內物料的熱能全部為一效二次蒸汽供給。效二次蒸汽全部進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，因而當前效料液進入后效時，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

8、斷供給熱量。必須順速排除二次蒸汽；如不及時排除二次蒸汽，又會凝結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。2.3蒸發(fā)器的工藝計算2.3.1 物料衡算（一）原料處理量 水分蒸發(fā)量 （二）初步估算一、二效的蒸發(fā)水量取 故 I效出來的物料濃度：式中: 總蒸發(fā)量，kg/h; 各效蒸發(fā)量，kg/h; 原料液流量，kg/h; 、原料及各效完成液濃度（質量%）（3） 成品產量：2.3.2 熱量衡算（1） 有關參數(shù)總蒸發(fā)量：2250kg/h進料：x0=5% t0=61.1 （查食品工程原理此溫度下水的比熱）出料：x2=10% t2=41.4 料液比熱計算：真空度分配：第

9、I效：600mmHg （查得此壓力下飽和蒸汽溫度t1=61.1）第II效：700mmHg （查得此壓力下飽和蒸汽溫度t2=41.4）二次蒸汽的溫度和氣化潛熱壓力（Pa）T（）比焓（kJ/kg）汽化潛熱（kJ/kg）I效加熱蒸汽P0=2.00×105PaT=120i0=2710.0r0=2202.4I效二次蒸汽P1=0.21×105Pat1=61.1i1=2606.6r1=2352.5II效加熱蒸汽P2=0.08×105Pat2=41.4i2=2570.2r2=2396.4（2） 溫度損失的計算式中: 溫度差損失，； 操作壓強下由于溶液蒸氣壓下降而引起的沸點升高，；

10、 液層靜壓引起的溫度差損失，; 管路流動阻力引起的溫度差，; 常壓下由于溶液蒸氣壓下降而引起的沸點升高，； 校正系數(shù)，無因次，其經(jīng)驗計算式為：式中: 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/kg式中: Pm溶液內部平均壓強，Pa P0液面上方的壓強，Pa h溶液液層高度，m（設其液層高度為6m） 溶液密度，kg/m3（=1.028×103kg/m3）常溫下番茄汁沸點升高 由壓強51223.2Pa查表得：Tm=82 取 （3） W1、W2、D1的計算物料衡算公式： 式中: W1、W2I、II效蒸發(fā)水量，kg/h D1、D2I、II效蒸汽量，kg/h 1、2I、

11、II效自蒸發(fā)系數(shù) F0原料處理量，kg/h C0原料比熱，kJ/(kg·K) 1、2熱利用系數(shù)根據(jù)逆流時的自然蒸發(fā)系數(shù)，按下式計算： 將式代入式中，又因D2=W1所以 可得 將式代入式中得 所以 第I效實際蒸發(fā)量 第II效實際蒸發(fā)量 與初步估計各效蒸發(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（四）第I效放出漿量F1及濃度x1（五）I、II效加熱面積的確定I效傳熱量：II效傳熱量：各效有效溫差： (為兩效間溫度損失)所以 第I效加熱面積：第II效加熱面積：2.3.3 工藝尺寸計算（1） 效加熱器的尺寸根據(jù)常用化工單元設備設計162頁，采用32×1.5mm不銹鋼管，

12、管長L=3m故 式中S傳熱面積，m2；d0加熱管直徑，m；L管子長度，m。取管間距為1.25的同心圓排列：同心圓數(shù)根數(shù)同心圓直徑（mm）16D1=n·t/=6×40/3.14=80212D2=D1+2t=80+2×40=160318D3=D2+2t=160+2×40=240425D4=D3+2t=240+2×40=320531D5=D4+2t=320+2×40=400637D6=D5+2t=400+2×40=480743D7=D6+2t=480+2×40=560850D8=D7+2t=560+2×40=6

13、40排列8層，共222根管子故 第I效加熱面積:加熱室殼體直徑的計算：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內壁的距離，取管子在管板上的排列間距：中心排列管子數(shù)：b=8×2=16（根）內徑：根據(jù)常用化工單元設備設計163頁取外殼壁厚=10mm外徑：將外徑圓整到400mm（二）II效加熱器的尺寸采用32×1.5不銹鋼管，管長L=3 m故取管間距為1.25 的同心圓排列：同心圓數(shù)根數(shù)同心圓直徑（mm）16D1=n·t/=6×40/3.14=80212D2=D1+2t=80+2×40=160318D3

14、=D2+2t=160+2×40=240425D4=D3+2t=240+2×40=320531D5=D4+2t=320+2×40=400637D6=D5+2t=400+2×40=480743D7=D6+2t=480+2×40=560850D8=D7+2t=560+2×40=640956D9=D8+2t=640+2×40=7201062D10=D9+2t=720+2×40=800排列10層，共340根管子故 第II效加熱面積:加熱室殼體直徑的計算：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

15、外層管中心到殼體內壁的距離，取管子在管板上的排列間距：中心排列管子數(shù)：b=10×2=20（根）內徑：根據(jù)常用化工單元設備設計163頁取外殼壁厚=12mm外徑：將外徑圓整到900mm（3） 蒸發(fā)室直徑的確定第I效：式中 W1I效蒸發(fā)水量，kg/h；V1二次蒸汽比體積 ，m3/kg；0二次蒸汽上升速度，m/s查食品工程原理841頁并用內差法計算得61.1飽和水蒸汽的密度得1=0.1369kg/m3取d1=1.0m第II效：式中 W2II效蒸發(fā)水量，kg/h；V2二次蒸汽比體積 ，m3/kg；0二次蒸汽上升速度，m/s查食品工程原理841頁并用內差法計算得41.4飽和水蒸汽的密度得2=0.

16、05514kg/m3取d2=1.9m（4） 蒸發(fā)室的截面積由計算得第I效：；第II效：（5） 蒸發(fā)室的高度根據(jù)常用化工單元設備設計163頁取蒸發(fā)室高徑比H/D=2所以 第I效： 第II效：（六）循環(huán)管尺寸上循環(huán)管直徑取 下循環(huán)管直徑取 式中dB加熱管內徑；n加熱管根數(shù)。（7） 連接管直徑的確定加熱蒸汽進口管徑 式中：Sm 進口管截面積，m2；式中Vm 加熱蒸汽的比容，m3/kg；m 飽和蒸汽速度，27m/s根據(jù)加熱蒸汽壓力為200Kpa，由食品工程原理飽和水蒸汽表查得Vm=1/0.7334=1.3635m3/kg由食品工廠機械與設備得：加熱蒸汽進口壓力為3大氣壓，取飽和蒸汽的速度為30米/秒，

17、蒸汽進口壓力為1大氣壓，取飽和蒸汽的速度為25米/秒，故本題加熱蒸汽進口壓力為2大氣壓，取飽和蒸汽的速度為27米/秒。故效二次蒸汽出口進入效的管徑：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 =0.1369kg/m3由食品工廠機械與設備在減壓真空狀態(tài)下，管的出口處二次蒸汽速度為100160米/秒，取v1 =100m/s所以取整后選用d1=165mm，壁厚2mm,內截面積的0.020348m2的普通無縫鋼管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=0.05514kg/m3由食品工廠機械與設備查得，取v2=150m/s，所以取整后選

18、用d1=254mm，壁厚2mm,內截面積的0.049063m2的普通無縫鋼管（8） 附屬設備尺寸計算冷凝器選用水噴式冷凝器，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，在周圍形成負壓區(qū)，水流經(jīng)擴散管增壓排出，而在負壓區(qū)可以不斷地吸入二次蒸汽，經(jīng)導向盤與冷卻水接觸，冷凝后一起排出。取冷凝水進口溫度：t1=25 出口溫度：t2=40冷凝水消耗量：式中W水蒸汽量，kg/h；H水蒸汽焓，kJ/kg；CP冷卻水比熱，kJ/(kg)；t1，t2冷卻水進、出口溫度，。2.4計算結果列表（1） 主要技術參

19、數(shù)項目機組號I效蒸發(fā)器II效蒸發(fā)器進料濃度5%6.25%進料溫度61.1-進料量kg/h45003448.98二次蒸汽壓力MPa0.0210.008蒸汽溫度61.141.4出料濃度6.52%10%出料量kg/h3448.982250（2） 計算結果匯總料液處理量，kg/h4500蒸發(fā)水量，kg/h2250產品產量，kg/h2250I效蒸發(fā)器直徑，m1.0II效蒸發(fā)器直徑，m1.9I效蒸發(fā)器傳熱面積，m249.51II效蒸發(fā)器傳熱面積,m273.46I效蒸發(fā)器高度,m2.0II效蒸發(fā)器高度,m3.8加熱管尺寸,mm32×1.5，L=3000上循環(huán)管直徑,m0.2下循環(huán)管直徑,m0.54加熱蒸汽進口管徑,mm113I效二次蒸汽出口進入II效的管徑,mm165II效二次蒸汽的出口管徑，mm254分布器旋液式捕集器慣性捕集器冷凝器水噴式冷凝器3.番茄汁雙效并流加料蒸發(fā)裝置的流程圖和蒸發(fā)器設備工藝簡