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1、食品工程原理食品工程原理课程设计说明书课程设计说明书任务名称:蒸发器的设计任务名称:蒸发器的设计设计人:设计人:指导教师:指导教师:班级组别:班级组别:设计时间:设计时间:成绩成绩:目目录录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设计说明书设计说明书一、一、题目题目:蒸发器的设计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
2、真空度为700mmHg。加热蒸汽的压力为 0.15 MPa二、二、原始数据: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: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
3、凝器、真空系统的选用5、流程图及装配图绘制四设计要求设计要求1、设计说明书一份;2、设计结果一览表;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
4、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
5、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
6、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
7、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(一)物料衡算1 1、原料处理量、原料处理量:每小时处理量:0W F1x(常用化工单元设备设计153 页)nx F0W x2400028 4716Kg/hx2 x028 4.25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:471510=吨/日2 2、初步估算一、二效的蒸发水量、初步估算一、二效的蒸发水量由常用化工单元设备设计 P153取 W1:W2=1
8、:故 W1=4000=(kg/h)11.1W2=(kg/h)其中,W1第效的蒸发量,kg/hW2第效的蒸发量,kg/h效二次蒸汽浓度xF0 x047164.25%=%F0W147161904.83 3、成品产量:、成品产量:F2=F0-W=4716-4000=716 kg/h(二)热量衡算(二)热量衡算1.1.有关参数有关参数(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 Cww=4179J/出料:x2=28%T2=41.4xO4.25)4179(1)4001J/Kg k100100料液比热:C0 CW(1(3)真空度分配:第效:
9、600mmHgP1=105Pa(查得此压力下饱和蒸汽温度T1=61.1)第效:700mmHgP2=10 Pa(查得此压力下饱和蒸汽温度T2=41.4)5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=105效二次蒸汽P1=105效加热蒸汽P2=1052 2、温差损失、温差损失T0=i0=0=T1=i1=1=T2=i2=2=、温度损失的计算 fa tmt0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
10、高,f校正系数,无因次,其经验计算式为: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 p0gh2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1.028103kg/m3常温下番茄酱沸点升高a1 0.15C0.016261.1 2730.15 0.115()2352.529.8161.02810351.223kPap 21000 2m由压强 kPa 查表得:Tm 82 TmT0 82 60.7 21.3取 1 0.115 21.31 22.43
11、 3、W W1 1,W,W2 2,D,D1 1物料衡算公式:W1 D1F0C0W211W2 D2 F0C02式中W1W2效蒸发水量 kg/h D D效蒸汽量 kg/h效自蒸发系数F0原料处理量 kg/h C 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=41.461.1 0.008382606.661.14.18661.1 41.4 0.008222570.2 41.44.186Tn1Tninc Tn12将式代入式中D=Ww1 D1FoCoW1 FoCo21 D147164.0186W141764.0010.008220.00
12、838 D1141.78 0.00838W1w11.0085D1142.98将式代入式中w21.0085D1142.98 47164.01860.008221.0085D112.8A=+=B 142.9812.8 130.18D1W BA4000130.18 2047.68Kg/h2.017第效蒸发量w11.0085D1142.98 1.00852047.68142.98 1922.11kg/h第效蒸发量w21.0085D112.8 1.00852047.6812.8 2052.29kg/h与初估各效蒸发水量比较误差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xFFoW2 4
13、7162052.29 2663.71kg/hFo xo47164.25%200.43x 7.52%FoW247162052.292663.714.4.、效加热面积的确定效加热面积的确定效传热量:Q1D10 2047.682246.6 4600317kJ/h效传热量:Q2D211922.112331.6 4481591kJ/h各效有效温度差:T1T0T1111.361.1 50.2T2T121T2 61.11 41.4 18.7其中21两效间温度损失21=1各类蒸发器传热系数(食品工程原理 P722)蒸发器型式传热系数 K(w/m2k)水平沉浸加热式标准式(自然循环)标准式(强制循环)6002,
14、3006003,0001,2006,000升膜式降膜式悬筐式蛇管式1,2006,0001,2003,5006003,0003502,300蒸发器型式传热系数 K(w/m2 k)外加热室式(自然循环)1,2006,000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K1 6698kJ/hm2K自然循环K2 3349kJ/hm2K第效加热面积:S1Q1460031713.68m2K1T1669850.2第效加热面积:S2Q24481591 70.56m2K2T2334918.7(三)工艺尺寸计算(三)工艺尺寸计算1 1、效加热器的尺寸、效加热器的尺寸根据 常用化工单元设备
15、设计 162 页,采用321.5mm 不锈钢管,管长 L=3mn1S113.68 50(根)d0L3.140.0293式中 S传热面积,m2;d0加热管直径,m;L管子长度,m。取管间距为dH的同心圆排列:同心圆数1234根数6121825同心圆直径D1 nt/640/3.14 80mmD2 D1 2t 80 240 160mmD3 D2 2t 160 240 240mmD4 D3 2t 240 240 320mm根据排列四层共 61 根管子第效加热面积:SI 613.140.0293 16.66m2加热室壳体直径的计算:D tb 1 2e式中 D壳体直径,m;t 管间距,m;b 沿直径方向排
16、列的管子数 e 最外层管中心到壳体内壁的距离,取e 1.25dH1.2532 40mm管子在管板上的排列间距:t 1.25dH1.2532 40mm中心排列管子数:b 42 8(根)内径D1B tb 1 2e 4081 240 360mm根据常用化工单元设备设计163 页取外壳壁厚=10mm外径D1H D1B 2 360 210 380mm将外径圆整到 400mm2 2、效加热器的尺寸、效加热器的尺寸采用32不锈钢管,管长 L=3 mn2S270.56 259(根)d0L3.140.0293取管间距为dH的同心圆排列:同心圆数123456789根数61218253137435056同心圆直径D
17、1 nt/640/3.14 80mmD2 D1 2t 80 240 160mmD3 D2 2t 160 240 240mmD4 D3 2t 240 240 320mmD5 D4 2t 320 240 400mmD6 D5 2t 400 240 480mmD7 D6 2t 480 240 560mmD8 D7 2t 560 240 640mmD9 D8 2t 640 240 720mm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 2603.140.0293
18、71m2加热室壳体直径的计算:中心排列管子数:b 92 18(根)内径D2B tb 1 2e 40181 240 760mm根据常用化工单元设备设计163 页取外壳壁厚=12mm外径D2H D2B 2 760 212 784mm将外径圆整到 800mm3 3、蒸发室直径的确定、蒸发室直径的确定第效:d1W1V1 m036004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 页并用内差法计算得 61.1饱和水蒸汽的密度1 0.1369kg/m3V1111 7.16m3/kg0.1396034.26134.26 3.15m/s0.1369d11
19、922.117.161.55m3.143.1536004取d11.6m第效:d2W2V2 m036004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2 0.05514kg/m3V212118.14m3/kg0.05514034.26234.26 4.26m/s0.055142052.2918.141.76m0.7854.263600d2W2V2036004取d21.8m4 4、蒸发室的截面积、蒸发室的截面积F=d243.141.62第效:F1=2 43.141.82第效 F2=45 5、蒸发
20、室的高度、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:H1 2d1 21.6 3.2m第效:H2 2d2 21.8 3.6m6 6、循环管尺寸、循环管尺寸上循环管直径取d1 0.2d1 0.21.6 0.32m2下循环管直径取d2dBn 0.0292321 0.52m式中dB加热管内径;n加热管根数。7 7、连接管直径的确定、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,SmDVmm3600 Vm加热蒸汽的比容,m3/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/m3 Vm=1/=1.3635m3/
21、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Fmdm2047.681.3635 0.02955m226.25360040.02955 0.194m3.14由食品工程原理P852:取整后选用dm 219mm,壁厚6mm,内截面积为0.03364m2所以实际饱和加热蒸汽的速度:mD1Vm2047.681.3635 23.05m/sFm36000.0336436002、效二次蒸汽出口进
22、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 0.1369kg/m3Vm11 7.3046m3/kg0.1369由食品工厂机械与设备在减压真空状态下,管的出口处二次蒸汽速度为100160 米/秒,取 v1=100m/s所以 d1=4W1V13600v1=1922.117.304643.141003600=0.223m取整后选用d1 245mm,壁厚6.5mm,内截面积为0.04225m2的普通无缝钢管3、效二次蒸汽的出口管径:效二次蒸汽的出口温度为41.4,由食品工程原理查得密度2 0.05514kg/m3V 1118.1357m3/kg0.05514由
23、食品工厂机械与设备查得,取 v2=150m/sd2=4W2V23600v42052.2918.135736001503.14=0.296m取整后选用d2 325mm,厚为 8mm,内截面积为0.07495m2的普通无缝刚管附属设备尺寸计算附属设备尺寸计算选用水喷式式冷凝器冷凝器选用喷射式冷凝器,它由喷射器和离心水泵组成,又称水力喷射器,兼有冷凝及抽真空两种作用。其工作原理是利用高压水流,通过喷嘴喷出,聚合在一个焦点上,由于喷射的水流速度较高,在周围形成负压区,水流经扩散管增压排出,而在负压区可以不断地吸入二次蒸汽,经导向盘与冷却水接触,冷凝后一起排出。取冷凝水进口温度:t1=25出口温度:t2
24、=40冷凝水消耗量:G W(H Cpt2)Cp(t2t1)2052.29(2570.2 4.17940)4.179(40 25)7.87104kg/hW水蒸汽量 kg/hH-水蒸汽焓 kJ/kgCP-冷却水比热 kJ/kgt1,t2冷却水进、出口温度 喷嘴数计算由蒸发过程设计P36得到,设气室为 1 个大气压,水室个大气压,喷嘴直径d=15mm,流量系数=通过一个喷嘴的水流量q f02gp3.140.015229.81(2.51)105故 q=36004997 =(m3/h)喷嘴数 N=Gq7.87104=99732.24=(个)取整数为 N=3 个捕集器选用惯性捕集器,其作用是防止蒸发过程形
25、成的细微液滴被二次蒸汽带出,对汽液进行分离,以减少物料的损失,同时避免污染管道及其他蒸发器的加热。捕集器的型式很多,可分为惯性型和离心型等类型。主要技术参数主要技术参数机组号项目效蒸发器效蒸发器进料浓度%进料温度-进料量 kg/h4716二次蒸汽压力 MPa计算计算蒸汽温度汇总汇总出料浓度%28%出料量 kg/h716料液处理量,kg/h4716蒸发水量,kg/h4000产品产量,kg/h716蒸汽用量,kg/h冷凝水用量,kg/h78700效蒸发器直径,m结果结果表表效蒸发器直径,m效蒸发器传热面积,m2效蒸发器传热面积,m2效蒸发器高度,m效蒸发器高度,m加热管尺寸,mm上循环管直径,m下
26、循环管直径,m加热蒸汽进口管径,mm321.5L 3000219效二次蒸汽出口进入效的管径,mm245效二次蒸汽的出口管径,mm分布器捕集器冷凝器325旋液式惯性捕集器水喷式冷凝器设备流程及装备图设备流程及装备图(一)设备流程图(一)设备流程图6514111316431578912181710 1012顺流式双效真空降膜浓缩设备流程图1-平衡槽 2-冷凝水泵 3-二效蒸发器 4-一效蒸发器 5-杀菌器 6-保温管7-物料泵 8冷凝水泵 9-出料泵 10-酸、碱洗涤液贮存槽 11-热压泵 12-冷却水泵13-水力喷射器 14-物料预热器 15-水箱 16-分气缸 17-回流阀 18-出料阀(二)
27、一效蒸发器简图(二)一效蒸发器简图300(600)12103118180(6470)41213145678 91516172180(470)1210(1810)物料入口上不凝气体出口物料入口加热蒸汽入口物料出口真空压力表接头下不凝气体出口加热蒸汽冷凝水出口二次蒸汽物料出口接分离器物料出口加热蒸汽入口物料入口真空压力表接头加热蒸汽,冷凝水出口一效蒸发器简图设计者指导者日期比例备注梁福宜 陈海光 2006.1 1:1201234567891011121314(三)惯性捕集器(三)惯性捕集器32123(1)(2)24317653128参考文献参考文献(1)食品工程原理李云飞,葛克山主编北京:中国农业大学出版社,2004 年 8 月第 2 版(2)化工单元过程及设备课程设计匡国柱、史启才编化学工业出版社,2001。(3)食品工厂机械与设备无锡轻工业学院,天津轻工业学院编,北京:中国轻工业出版社,1981 年 2 月第 1 版(5)化工原理王志魁主编北京:化学工业出版社,1998 年 10 月第 2 版(6)蒸发过程设计天津轻工业学院编北京:中国轻工业出版社,1995 年 10 月
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