食品工程原理课程设计——蒸发器的设计Word版

1、食品工程原理课程设计说明书任务名称：蒸发器的设计设计人：指导教师：班级组别：设计时间：成绩:目 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设计说明书一、 题目: 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4.25%，成品浓度为28%，第一效真空度为600mmHg,第二效真空度为700mmHg。加热蒸汽的压力为0.15 MPa二、 原始数据： 1、 原料：浓度为4.2

2、5%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0.15MPa5、 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：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：冷凝器、真空系统的选用5、流程图及装配图绘制四设计要求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

3、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

4、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0.15Mpa。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

5、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

6、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

7、1、原料处理量:每小时处理量： （常用化工单元设备设计153页）式中原料处理量，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=47.15 吨/日2、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=1:1.1故 W1=1904.8(kg/h)W2=4000-1904.8=2095.2(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=6.31%3、成品产量：F2=-W=4716-4000=716 kg/h（二）热量衡算1. 有关参数（1）

8、总蒸发量：4000 kg/h（2） 进料： =4.25% =61.1 (查食品工程原理843页此温度下水的比热Cww=4179J/Kg.k)出料： =28% =41.4料液比热: （3） 真空度分配：第效：600mmHg =0.21105 Pa（查得此压力下饱和蒸汽温度 =61.1）第效：700mmHg =0.08105 Pa （查得此压力下饱和蒸汽温度 =41.4）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=1.5105=111.3=2695.1=2229.3效二次蒸汽=0.21105=61.1=2606.6=2

9、352.5效加热蒸汽=0.08105=41.4=2570.2=2396.42、温差损失、温度损失的计算 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， 常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高， 校正系数，无因次，其经验计算式为： 式中：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/kg 式中：溶液内部平均压强，Pa 液面上方的压强，Pa 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 常温下番茄酱沸点升高 () 由压强51.223 kPa查表得： 取 3、W1,W2,D

10、1物料衡算公式： 式中 效蒸发水量 kg/h D1 D2效蒸汽量 kg/h 12-效自蒸发系数 -原料处理量 kg/h C0-原料比热 kj/kgk 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: 将式代入式中D2 =W1 将式代入式中A=1.0085+1.0085=2.017 第效蒸发量 第效蒸发量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第效放出浆量及浓度4.、 效加热面积的确定 效传热量： 效传热量： 各效有效温度差： 其中两效间温度损失=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）蒸发器型

11、式传热系数K（w/ m2k）水平沉浸加热式6002,300升膜式1,2006,000标准式（自然循环）6003,000降膜式1,2003,500标准式（强制循环）1,2006,000悬筐式6003,000外加热室式（自然循环）1,2006,000蛇管式3502,300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 自然循环 第效加热面积： 第效加热面积：（三）工艺尺寸计算1、效加热器的尺寸 根据常用化工单元设备设计162页，采用321.5mm不锈钢管，管长L=3 m （根）式中 S传热面积，； 加热管直径，m； L管子长度，m 。取管间距为1.25的同心圆排列：同心圆

12、数根数同心圆直径16212318425根据排列四层共61根管子第效加热面积： 加热室壳体直径的计算： 式中 D壳体直径，m； t 管间距，m； b 沿直径方向排列的管子数 e 最外层管中心到壳体内壁的距离，取管子在管板上的排列间距： 中心排列管子数：（根） 内径根据常用化工单元设备设计163页 取外壳壁厚=10mm 外径 将外径圆整到400mm2、效加热器的尺寸 采用321.5不锈钢管，管长L=3 m （根） 取管间距为1.25的同心圆排列：同心圆数根数同心圆直径16212318425531637743850956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

13、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：加热室壳体直径的计算： 中心排列管子数：（根） 内径根据常用化工单元设备设计163页 取外壳壁厚=12mm 外径 将外径圆整到800mm 3、蒸发室直径的确定第效： m式中 效蒸发水量 kg/h 二次蒸汽比体积 二次蒸汽上升速度 查食品工程原理841页并用内差法计算得61.1饱和水蒸汽的密度取第效： m式中 效蒸发水量 kg/h 二次蒸汽上升速度 m/s 二次蒸汽的比体积 查食品工程原理841页并用内差法计算得41.4饱和水蒸汽密度取4、蒸发室的截面积F=第效：F1=2第效F2=2.545、蒸发室的高度根

14、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： 第效：6、循环管尺寸上循环管直径取 下循环管直径取 式中 加热管内径； n加热管根数。7、连接管直径的确定1、加热蒸汽进口管径dm dm=式中：Fm进口管截面积， Vm加热蒸汽的比容，m3/kg 根据加热蒸汽压力为0.15Mpa，由食品工程原理饱和水蒸汽表查得 Vm= 1/0.7334=1.3635m3/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1.5大气压，取饱和蒸汽的速度为26.25米/秒。 饱和蒸汽速度，

15、26.25m/s 故 由食品工程原理P852：取整后选用，壁厚,内截面积为 所以实际饱和加热蒸汽的速度：2、效二次蒸汽出口进入效的管径：效二次蒸汽出口的温度为，由食品工程原理841页饱和水蒸汽表查得 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=0.223m取整后选用，壁厚,内截面积为的普通无缝钢管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 由食品工厂机械与设备查得，取v2=150m/s d2=0.296m取整后选用，厚为8mm，内截面积为的普通无缝刚管附属设备尺寸计算选用水喷式式冷凝

16、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： =25 出口温度： = 40冷凝水消耗量： W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2.5个大气压，喷嘴直径d=15mm，流量系数=0.93 通过一个喷嘴的水流量故 q=

17、0.933600 =32.24 (m3/h)喷嘴数 N=2.45（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 机组号项目效蒸发器效蒸发器进料浓度4.5%6.31%进料温度61.1-进料量kg/h47162047.68二次蒸汽压力MPa0.0210.008蒸汽温度61.141.4出料浓度6.31%28%出料量kg/h2047.68716计算结果汇总表料液处理量，kg/h4716蒸发水量,kg/h4000产品产量, kg/h716蒸汽用量, kg/h2047.68冷凝水用量，kg/h78700效蒸发器直径,m1.6效蒸发器直径,m1.8效蒸发器传热面积, m213.68效蒸发器传热面积, m270.56效蒸发器高度,m3.2效蒸发器高度，m3.6加热管尺寸,mm 上循环管直径，m0.32下循环管直径，m0.52加热蒸汽进口管径，mm219效二次蒸汽出口进入效的管径，mm245效二次蒸汽的出口管径，mm325分布器旋液式捕集器惯性捕集器冷凝