第三次修改课程设计_橙汁

1、山东理工大学食品工程原理课程设计年产7万吨橙汁生产线中换热器的设计 学院： 农业工程与食品科学学院 姓名： 田震 学号：班级： 食品1302 指导教师： 李凡月 课程设计（论文）时间：二一五年七月五日七月十九日共两周1目录第一章 前言 1.1 选题的意义4 1.2 立题的意义4 1.3厂址的选择4第二章 设计方案简介 2.1 选题5 2.2 设计拟定工作内容5第三章 工艺设计 3.1工艺流程图6 3.2工艺操作要求7第四章 设计计算4.1 物料衡算84.1.1 各流程物料衡算84.1.2 调配衡算94.1.3 设备选型104.2 换热器的选择114.2.1确定设计方案

2、114.2.2工艺计算114.2.3部件结构设计114.2.4换热器核算114.2.5设计结果概要11第五章 设计评述12第六章 参考文献13第一章 前言1 . 1选题的意义橙子是世界上栽培最广、经济价值最高的橙子类水果，成熟后变成黄色果肉酸甜适度，汁多，富有香气，是生产饮料的重要原料。橙子营养丰富，含有丰富的维生素C、钙、磷、钾、-胡萝卜素、柠檬酸、皮甙以及醛、醇、烯等物质，常常食用可以强化免疫系统，抑制肿瘤细胞生长，明显减少胆结石的发生，增强毛细管韧性，减少人体体内的胆固醇吸收，降低血脂，深受人们喜爱。由于橙子出汁率高，有良好的风味，营养丰富，经过加工可制成酸甜可口的橙子饮料，既可以保留其

3、大部分的营养成分和风味物质，又可以增加其附加价值，为农民的创收提供帮助。1 . 2立题的意义作为食品专业的学生，通过本次果蔬汁加工工艺学设计，我们已初步通过学习掌握果汁加工原料的质构与加工特性、果汁加工工艺、果汁加工设备、果汁在加工生产过程中常见的质量问题、果汁加工中物料衡算及管路设计等相关基本知识。参考果蔬汁现代生产加工相关文献，我们设计日产72吨橙子生产线，在设计过程中选择橙汁加工中合理的工艺流程，选择合适的加工设备，为实际生产加工橙子提供一定的用途。1 . 3厂址的选择橙汁工厂的选择一般倾向于设在原材料产地附近，厂址在城市外围，原材料产地附近的郊区，有利于销售，便于辅助材料和包装材料的获

4、得，同时还可以减少运输费用。第二章 设计方案简介2.1选题本设计选择浓缩橙汁的初步工艺设计，年产7万吨浓缩橙汁，一天安排两班生产，每班12小时，每班产120吨，每小时生产10吨橙汁，日产240吨。2.2设计拟定的工作内容本设计拟定的工作内容包括初步生产工艺流程的设计，具体流程操作要求、物料衡算、设备选型、相关设计计算其包括管路计算及泵的计算以及设备平面布置图等。( 1 ) 浓缩橙汁的工艺流程及操作要求:查找一般浓缩橙汁生产流程，根据现在技术发展现状，设计一条先进生产流程。( 2 )浓缩橙汁物料衡算：以橙子及成品的指标为依据进行物料衡算，衡算的数据作为设备选型及能源配备的基础数据依据。( 3 )

5、主要设备选型：根据每个流程具体要求，选择其工艺要求选择合适处理量的设备，其主要包括选果机、榨汁机、均质机、脱气机、浓缩设备、杀菌设备等的选型。( 4 )相关计算: 在物料处理过程中，根据其生产量，设定适合流量及处理量，计算选择适合管道，设计其管路以及根据能量衡算计算选择合合适的泵。( 5 )设备平面布置图：根据工艺流程及选择的相应的设备等，计算生产线长度，选择合适比例，符合工厂建设要求，在图纸上画出其设备平面布置图。第三章 工艺设计3.1工艺流程图选果清洗 3.2工艺操作要求1、原料检验：原料进厂后按制汁质量要求进行原料验收，弃除病果害、未成熟果、枯果、过熟果和机械损伤果等不合格的果实。2、选

6、果：筛选出直径大于30毫米的橙子，弃去小于30毫米的果。3、清洗：在洗果机上通过毛刷及水流喷进行橙子的清洗,去除残留的农药和部分微生物、灰尘、碎叶等，清洗环节必须符合食品卫生要求。4、除油：在榨汁前橙子先输送到锉皮机提取精油，锉磨机轻轻的用研磨刺扎橙子的外表皮使果皮有流出，同时可用水喷淋，果皮油随之流入锉磨机底座，也可以随着针刺空留下来。本设计选择针刺磨油机。5、榨汁：采用全果榨汁机通过上下两个榨杯挤压橙子，果汁和部分果肉纤维通过中间的欲虑管流出，果皮和籽渣由两个通道分开，皮油也有单独通道。6、过滤、离心：榨出的果汁中含有果皮的碎片和囊衣、粗的过果浆，为除去这些杂物，必须进行粗滤，经粗虑的果汁

7、立即送往用离心分离方法分离果汁中的细小颗粒。7、脱气：采用真空脱气法脱去果汁中的空气，防止果汁氧化。8、调配：根据生产消费的需要，调整果汁的口感风味，可添加蔗糖，维生素，柠檬酸等。9、均质：采用均质使果汁内容物进一步破碎细化，大小更为均匀，同时使产品质量更为稳定，常用高压均质机进行均质。10、浓缩：本设计采用真空浓缩法，一般浓缩到原质量的1/4，可以把原果汁糖度由12.25 Brix经浓缩后控制最终糖度在49土0.5 Brix。11、杀菌：在进行杀菌时，一方面杀灭果蔬汁中有害微生物以达到商业无菌和钝化果蔬汁中的酶，同时尽量保证产品的质量不要受到太大的影响。本设计采用列管式换热器进行杀菌，将橙汁

8、在室温（20）下加热到105进行杀菌。12、冷却：将浓缩果汁通过板式换热器冷却至5以下。13、无菌灌装：利用无菌灌装机自带无菌室，和外界隔离的条件下，利用机械手完成自动开盖、灌装、计量、关盖等过程。14、冻库贮存：为了保持品质和延长保质期，产品因保持在-18以下。第四章 设计计算4.1物料衡算4.1.1各流程物料衡算项目损失率（%）处理后量（日产量t）原料检验21848.09选果6.21733.51清洗0.21730.04除油0.21726.58榨汁(除皮)43.5975.52过滤、离心0.8972.59脱气0.3874.41调配-10.339964.81均质0.3961.92浓缩75240.

9、48杀菌0240.48冷却0240.48无菌灌装0.2240冻库贮存0240注:损失量指相对与上一步总量百分比。4.1.2调配衡算成分名称添加量（%）成分名称添加量/kg蔗糖10海藻酸钠0.08苯甲酸钠0.036维生素C0.023香料水0.08柠檬酸0.12总添加量10.339注：添加百分含量指相对于上一步脱气后总产量添加。无菌灌装后：240t冷却后：240/(1-0.2%)=240.48t杀菌后：240.48t浓缩后：240.48t均质后：240.48/(1-75%)=961.92调配后：961.92/(1-0.3%)=964.81t脱气后：964.81/(1+10.339%)=874.41

10、t过滤、离心后：964.81/(1-0.8%)=972.59t榨汁后：972.59/(1-0.3%)=975.52t除油后：975.52/(1-43.5%)=1726.58t清洗后：1726.58/(1-0.2%)=1730,04t选果后：1730.04/(1-0.2%)=1733.51t原料验收后：1733.51/(1-6.2%)=1848.09t日消耗原料：1848.09/(1-2%)=1885.80t所以计算所得原料量1885.80t因此，取日生产240t澄清浓缩橙汁需要原料果橙约1900t4.1.3、设备选择：1带式输送机8调配罐14不锈钢饮料泵2滚杠选果机9高压均质机15提升机3毛刷

11、洗果机10双效降膜式真空浓缩设备16双层保温不锈钢储罐4橙橘磨油机11列管式杀菌机5全果榨汁机12板式换热器6卧式螺旋卸料过滤离心机13无菌大袋灌装机4.2列管式换热器的设计列管式换热器应用已有很悠久的历史。现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用。列管式换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中得到广泛的使用，并占有十分重要的地位。同时，尤其是在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。而在列管式换热器的设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需要的传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 列管式换热器的设计和分析包括热力设计、

12、流动设计、结构设计以及强度设计。其中以热力设计最为重要。 热力设计指的是根据使用单位提出的基本要求，合理的 选择运行参数，并根据传热学的知识进行计算。流动设计主要是计算压降，其目的就是为换热器的辅助设备（例如泵的计算）的选择作准备。结构设计指的是根据传热面积的大小计算其主要零部件的 尺寸，例如管子的直径、长度、根数、壳体的内经、折流板的长度和数目、隔板的数目及布置以及连接管的尺寸，等等。在某些情况下还需要对换热器的主要部件特别是受压部件做应力计算，并校和其强度。 对于高温高压下工作的换热器，更要做这方面的计算。  列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：  

13、60;根据换热器任务和有关要求设计方案;   初步确定换热器的结构和尺寸;   核算换热器的传热系数和流体阻力;   确定换热器的工艺结构。4.2.1确定设计方案设计内容与要求1.设计条件：  设计一列管式换热器,日(按24小时工作制)处理鲜奶240吨,主要用于加热杀菌操作。  设计依据:冷橙汁温度60,采用高温短时杀菌,加热至105。   加热蒸汽采用锅炉房送出的饱和水蒸气温度为120;   允许压降:80kp； 2.设备类型：列管式换热器；3.图纸：设

14、备装配图一张，采用A2图纸。换热器的类型选择及流程安排1.选择换热器类型：   饱和水蒸气的温度为120。牛奶的进口温度60，出口温度105。 其定性温度为：（60+105）/2=82.5。而120-82.5=37.5，温差较大，所以采用浮头式换热器。 2.流程安排：  饱和水蒸气通入壳程，便于排出冷凝水；橙汁通入管程，便于提高流速，增大传热膜系数。4.2.2工艺计算确定物性参数1.定性温度   取流体进出口温度的平均值。饱和水蒸气：T=(120+120)/2=120   冷橙汁:t=(60+1

15、05)/2=82.5 2.根据定性温度查出有关物性参数（根据饱和水蒸气物性参数表）   120下饱和水蒸气的物性数据：     汽化潜热：r=2205kJ/kg      粘度：=1×10-3pa.s        比容：0.892 密度=1.120kg/m3   热流体定性温度下的物性参数：     

16、60;密度：=980kg/m3          粘度：=1.1×10-3pa.s      导热系数：=0.65w/m.k      热容：Cp=4.266kJ/kg.k估算传热面积1.热负荷：     Q1=mCpt1=10000×4.266×(105-60)=1919700/h=533.25kw热温差:  

17、60;  Th1=Th2=120      Tc1=60 Tc2=105   t1=Th1-Tc1     t2=Th2-Tc2     tm=(t1-t2)/lnt1/t2=32.463.传热面积:     橙汁的=1.1×10-3Pa.s2×10-3Pa.s,根据经验数据,传热系数k取1000w/m2.k.  &#

18、160;  初步定传热面积:S=Q1/Ktm=533.25×103/(1000×32.46)=16.43m2     考虑到估算性质的影响,实际传热面积S0=1.3×A1=21.36m2 4.蒸汽的使用量：     忽略热损失    qm=Q1/r=533.25×3600/2205=870.61kg/h(r为饱和水蒸气的汽化潜热)传热管排列及分程1.管径选用和管内流速计算   管径：  

19、   由于橙汁是食品，按规定应该采用卫生管，按不锈钢管规格表选用25×2mm的管子。   管内流速的计算：     橙汁流动的体积流量:qv=m/=240×103/（24×980）=10.2m3/h。橙汁在管内流动时以湍流时传热效果最好， 所以让橙汁做湍流流动。由于Re=du/4000时为湍流,故:            由du/=4000 

20、60;代入数据得:             0.021×980×u/1.1×10-3=4000         即:u=0.21m/s        故u可取0.5m/s 2.管成数和传热管数及其排列分程方法   传热管单程数NS     

21、NS= qv /（0.785d2u）=0.43/0.785×(21×10-3)2×0.5×3600=16.4 取整数17根   确定程数     按单程数计算所需要的传热管长度:    L=S0/d0NS=21.36/(3.14×0.025×17)=17.01m 取L=18m    取标准管长度l=3m,则管程数Np=L/l=18/3=6(管程）    所以传热管总数：NT=1

22、7×6=102根 3.管子排列和分程   采用正四边形排列  管心距t=1.25d0=1.25×25=31.25mm  取t=32mm。   隔板中心到最后一排管中心距s=t/2+17=33mm.各程相邻管心距为33×2=66mm。4.2.3部件结构设计壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.6     则壳体内径：D=1.05t(Nt/)0.5=1.05×32×(102/0.6)0.5=438.09  

23、;       D圆整为450mm     长径比：l/D=3000/450=6.67,在6，10之间。故满足。折流板、拉杆和缓冲挡板1.折流板:     采用弓形折流板，弓形折流板圆缺高度一般为10%-40%，可取20%。则切去的圆缺高度为：                 h=350&

24、#215;20%=70mm.     折流板的间距:B=0.3D=0.3×350=105mm。 折流板数目：NB=l/B-1=3000/105-1=28块。   2.拉杆：     根据换热器拉杆选择标准(附表),本换热器壳体内径D=350mm,可选用拉杆直径10mm，拉杆数目4个。传热过程与设备P102 中国石化出版社 主编：史勇春 廖传华   3.放冲挡板：     壳程入口处应设防冲挡板。接管计算管程流体进出口接管，取管

25、内橙汁的流速u1=1.0m/s。     则接管内径：D1=(4qv/u1）0.5=(4×10.2/3.14×1×3600)0.5=60.08mm。取D1=61mm     壳程流体进出口接管，取接管内流体流速u2=10m/s。     则接管内径：D2=(4qv/u2）0.5=(4×0.892×870.61/3.14×10×3600)0.5=165.77mm。取D2 =170mm4.2.4换热器核算1 热

26、能力核算 1.壳程流体传热膜系数0     设换热管外壁温tW=115,则冷凝液膜的平均温度:(tW+tS)/2=(120+115)/2=117.5。     膜温在117.5下的水的物性参数： =950kg/m3      =25×10-5Pa.s    =0.685w/m.k    nc=1.1(Nt)0.5=1.1×(96)0.5=10.78 

27、0; 0=0.725(g23r/n2/3d0t)0.25=10.323×103w/m2  2.管程传热膜系数i    管程流体流通截面积：Si=d2NS/4=3.14×(21×10-3)2×17/4=0.005885m2     管程流体流速:ui=qV/si=10.2/(0.005885×3600)=0.481m/s     管程雷诺数:Re=dui/=(980×21×10-3×0.4

28、81)/1.1×10-3=89994000.管程流体处于湍流。     管程普兰特常数：Pr=Cp/i=(4.266×103×1.1×10-3)/0.65=7.22 管内传热膜系数:i=0.023iRe0.8Pr0.4/d=0.023×0.65×(8999)0.8×(7.22)0.4/0.021=2286.61w/m2  3.污垢热阻和管壁热阻     管内侧污垢热阻Ri=0.000172m2/w 不锈钢导热系数=17.45m

29、/w     管壁热阻Rw=b/=0.00014m2/w 管外污垢热阻R0=0   4.总传热系数K0     K0=1/(1/0+R0+Rwd0/dm+Rid0/di+d0/idi)      =1/(1/10323+0+0.00014×25/22.5+0.000172×25/21+25/(21×2286.61)=1125w/m2k  k取1000w/m2k满足。   

30、60;5.安全系数     换热器安全系数：（K0-k)/k=(1125-1000)/1000=12.5%,位于10%，25%之间，符合要求。 壁温核算    由公式（T-tw)/(R0+1/0)=(tw-ti)/(Ri+1/i) 可得：tw=137,tw与假设的壁温相差微小，满足要求。 压强计算    管程压强降Pi=(P1+P2)FtNSNP    25×2mm的钢管Ft=1.4，NS=1，NP=4，摩擦阻力系数=0.3164/Re0.25=0.032

31、5    直管压强降P1=lui2/2d=3092.5N/m3 回弯处压强降P2=3（ui2/2）=289.6N/m3    管程压强Pi=（3092.5+289.6）×1.4×4×1=1.89×104Pa 小于5×104Pa  故压强降合适。4.2.5设计结果概要换热器主要结构尺寸表1.物性参数表： 管程壳程 流速kg/h10000870.61 温度 进/出60/105120 压力Pa2.37×1041.99×105 定性温度82.5120 密度kg/m39801.1199 热容KJ/kg.