《食品工程原理》word版

1、食品工程原理课程设计说明书设计题目： 双效并流牛奶浓缩装置设计 姓 名： 张 微 班 级： 食品09班 学 号： 0905100410 指导教师： 谢 毅 日 期： 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc279214314 第一章 任务书 PAGEREF _Toc279214314 h 3 HYPERLINK l _Toc279214315 1. 设计任务及操作条件 PAGEREF _Toc279214315 h 3 HYPERLINK l _Toc279214316 第二章 蒸发工艺设计计算 PAGEREF _Toc279214316 h 3 HYPERLI

2、NK l _Toc279214317 21蒸浓液浓度计算 PAGEREF _Toc279214317 h 3 HYPERLINK l _Toc279214318 22溶液沸点和有效温度差的确定 PAGEREF _Toc279214318 h 4 HYPERLINK l _Toc279214319 221各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失 PAGEREF _Toc279214319 h 5 HYPERLINK l _Toc279214320 222各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失 PAGEREF _Toc279214320 h 5 HYPERLINK l _Toc279214321

3、 223由经验不计流体阻力产生压降所引起的温度差损失 PAGEREF _Toc279214321 h 6 HYPERLINK l _Toc279214322 24蒸发器的传热面积和有效温度差在各效中的分布 PAGEREF _Toc279214322 h 8 HYPERLINK l _Toc279214323 25有效温差再分配 PAGEREF _Toc279214323 h 8 HYPERLINK l _Toc279214324 第三章 蒸发器工艺尺寸计算 PAGEREF _Toc279214324 h 11 HYPERLINK l _Toc279214325 31 加热管的选择和管数的初步估

4、计 PAGEREF _Toc279214325 h 11 HYPERLINK l _Toc279214326 311加热管的选择和管数的初步估计 PAGEREF _Toc279214326 h 11 HYPERLINK l _Toc279214327 312循环管的选择 PAGEREF _Toc279214327 h 11 HYPERLINK l _Toc279214328 313加热室直径及加热管数目的确定 PAGEREF _Toc279214328 h 11 HYPERLINK l _Toc279214329 314分离室直径与高度的确定 PAGEREF _Toc279214329 h 1

5、2 HYPERLINK l _Toc279214330 32接管尺寸的确定 PAGEREF _Toc279214330 h 13 HYPERLINK l _Toc279214331 321溶液进出口 PAGEREF _Toc279214331 h 13 HYPERLINK l _Toc279214332 322加热蒸气进口与二次蒸汽出口 PAGEREF _Toc279214332 h 13 HYPERLINK l _Toc279214333 323冷凝水出口 PAGEREF _Toc279214333 h 13 HYPERLINK l _Toc279214334 第四章、蒸发装置的辅助设备 P

6、AGEREF _Toc279214334 h 13 HYPERLINK l _Toc279214335 41气液分离器 PAGEREF _Toc279214335 h 13 HYPERLINK l _Toc279214336 42蒸汽冷凝器 PAGEREF _Toc279214336 h 14 HYPERLINK l _Toc279214338 第五章 工艺计算汇总表 PAGEREF _Toc279214338 h 14 HYPERLINK l _Toc279214339 第六章 工艺流程图、蒸发器设备简图及加热器的管子排列图 PAGEREF _Toc279214339 h 15 HYPERL

7、INK l _Toc279214340 41工艺流程图 PAGEREF _Toc279214340 h 15 HYPERLINK l _Toc279214342 42管切面图 PAGEREF _Toc279214342 h 15 HYPERLINK l _Toc279214344 第七章 课程设计心得 PAGEREF _Toc279214344 h 16 HYPERLINK l _Toc279214345 参考文献： PAGEREF _Toc279214345 h 17主要符号说明：原料液中溶质的质量分数；：完成液中溶质的质量分数，；：第I效的加热蒸汽压力；：溶液的进料量；：过程总蒸发量；：第

8、I效蒸发器的总传热系数；：第I效蒸发器中溶液密度；：第II效蒸发器的总传热系数；：第II效蒸发器中溶液密度；：原料液的比热；：蒸发器中溶液的液面高度；：蒸发器中液面和底层的平均压强：二次蒸气的压强，即液面处的压强：溶液的平均密度，：第i效的传热速率，W：第i效的传热系数，W/（m2.）：第i效的传热温度差， ：第i效的传热面积，m2第一章 任务书1. 设计任务及操作条件任务：含固形物11.9%（质量分率，下同）的鲜牛乳，拟经双效真空蒸发装置进行浓缩，要求完成液浓度为48%，加热蒸汽压力为60kPa(绝对压)，原料液第一效液温为（6070），第二效液温为4245，每小时蒸发水量1200kg.试设

9、计该蒸发过程。浓缩设备流程：操作条件： 设备采用降膜式蒸发器，双效并流沸点进料，效间流动温差损失设为1K，第一效浓缩设备的传热系数为1220w/(k)，第二效的传热系数为930w/(k).主要设备形式：双效并流降膜式蒸发器。料液从蒸发器顶部加入，在顶部有液体分布结构，以使每根加热管都能不断地、均匀地受液。二次蒸汽与浓缩液一般呈并流而下，料液沿管内壁因二次蒸汽的作用使之呈膜状流动，液膜利用重力作用下流，使黏度较大的溶液的蒸发成为有利因素。优点：并流进料，减少了物料热敏性成分的破坏率。物料首先进入一效蒸发，然后进行二效蒸发。物料在二效的浓度高于一效，但加热与蒸发的温度均低于一效，这是由于物料浓度高

10、时，粘度大，热传导差，如果加热、蒸发的温度过高会产生过热现象，影响产品质量。物料受热时间短。由于物料连续进出，在设备内停留时间约3min,这样降膜式对保护热敏性物料则优于升膜式，因为升膜式蒸发器不可能使全部先进入设备的物料首先排除，总是有部分先进入的物料在设备内反复受热。冷却水耗量低。由于二次蒸汽的充分利用，使得冷却水的消耗大大降低。 操作过程中，料液停留时间短；由于呈薄膜状，流体流速较大，因此蒸发给热系数相应较大；压降小，因此换热器工艺侧的压力和温度几乎接近常数，可不用或少用显热；由于工艺流体仅在重力作用下流动，而不是靠高温差来推动，所以允许用更经济的低温差。降膜式蒸发器还具有浓缩比大、黏度

11、范围大、传热效果好、蒸汽和水的耗量小、处理量大等特点。材质选取：双效降膜式蒸发器的结构设备与物料、二次蒸汽及冷凝水接触的零部件均采用不锈钢结构。第二章 蒸发工艺设计计算21估计各效蒸发量和完成液浓度多效蒸发的工艺计算的主要依据是物料衡算和、热量衡算及传热速率方程。计算的主要项目有：加热蒸气（生蒸气）的消耗量、各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积。计算的已知参数有：料液的流量、温度和浓度，最终完成液的浓度，加热蒸气的压强和冷凝器中的压强等。 总蒸发量:W=F（1-）=1200kg/h =11.9% =48% W=1200kg/h则 F=1595.6kg/h 对于该并流操作的二效蒸发，因有自蒸发现象，

12、可按如下比例进行估算 : =1:1.1W=+=1200kg/h 联立求的 =571.4 kg/h =628.6 kg/h因而初估一效完成液浓度：=18.5%2.2 估计各效溶液的沸点和有效总温度差 溶液的沸点计算公式为： i=i+i+iti=Ti+i（1）各效由于溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失 查乳品工程设计手册可知1大气压强下牛乳的沸点为100.55，随着质量浓度的不断升高，质量浓度升高一倍，沸点升高0.5。则在=18.5% 因质量浓度升高而造成沸点升高 =0.277第一效=100.55+0.277-100=0.827 假设一效的二次蒸汽=68 =0.84=0.69同时 =48% 因为质量

13、浓度升高而造成沸点升高 =1.52 设第二效二次蒸汽的温度为=42 第二效=100.55+1.52-100=2.07=0.67 =1.39 （2）各效由于溶液静压强所引起的温度差损失 =03）由于管路流动阻力引起的温度差损失第一效到第二效的阻力=1因此：第一效的沸点=+=0.69+68=68.69第二效的沸点=+=42+1.39+1=44.39蒸汽压力（KPa）温度()汽化热(kJ/kg)一效加热蒸汽6085.62293.9一效二次蒸汽28.7682336.1二效加热蒸汽27.5672338.3二效二次蒸汽8.3422396.4进冷凝器蒸汽7.8412398.83.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发

14、水量的初步计算第i效的焓衡算式为：有上式可求得第i效的蒸发量.若在焓衡算式计入溶液的能缩热及蒸发器的热损失时，尚需考虑热利用系数一般溶液的蒸发，可取得0.960-x（式中x为溶液的浓度变化，以质量分率表示）。 第i效的蒸发量的 计算式为式中 第i效的加热蒸汽量，当无额外蒸汽抽出时= 第i效加热蒸气的汽化潜热 第i效二次蒸气的汽化潜热 原料液的比热 水的比热 ，分别为 第i效及第i-1效溶液的沸点 第i效的热利用系数无因次，对于加热蒸气消耗量，可列出各效焓衡算式并与式（3-2）联解而求得。 查乳品工程设计手册可知=3.89 =4.187 kJ/(kg.) 第一效的焓衡量式为: 对于沸点进料， =

15、0.936同理第二效的热衡算式为: =0.703+47.815 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT =1200kg/h = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 联立 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 得出 =676.6 kg/h =523.4 kg/h =722.9 kg/h =676.6kg/h 3.4 蒸发器的传热面积估算任意一效的传热速率方程为:= 式中 第i效的传热速率，W第i效的传热系数，W/（m2.） 第i效的传热温度差， 第i效的传热面积，m2 已知：=1220w/()，=930w/().三蒸发器主

16、要结构尺寸的确定 蒸发器主体为加热室和分离室，蒸发器的主要结构尺寸包括：加热室和分离室的直径及高度；加热管的规格、长度及在花板上的排列方式、连接管的尺寸。这些尺寸的确定取决于工艺计算结果，主要是传热面积。31加热管的选择和管数的初步估计管子长度的选择根据溶液结垢的难易程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑。因加热管固定在管板上，考虑到管板厚所占有的传热面积，则计算理论管子数n时的管长应用（L-0.1）m。一般降膜式蒸发器加热管长度为5-6m，依据经验选取 38。取L=6m考虑一效为10%，二效为15%的安全传热面积，则=23.321.1=25.652 初步估算所需的理论管子数n： （根）

17、（根）式中：S=蒸发器的传热面积，m2，由前面的工艺计算决定；加热管外径，m； L加热管长度，m； 因加热管固定在管板上，考虑管板厚度所占据的传热面积，则计算n时的管长应用（L0.1）m32加热室直径及加热管数目的确定加热室的内径取决于加热管的规格、数目及在管板上的排列方式。加热管在管板上的排列方式为三角形排列。根据实际加热管数大于理论管数的要求，当理论管数=37，=35时，查换热器设计109页表2-16得该加热器的实际管数为=37根，=37根。一般用胀管法固定加热管，以便于加热管的调换。则t=1.31.5d0 加热器内径的计算式；Di=t(nc -1)+2b b=(11.5)d0 当t=1.

18、4d0=53.2mm ， b=1.5d0=57mm 时，=53.2（7-1)+257=434mm=7 =53.2(7-1)+257=434mm查阅化工原理上册 表4-16知选取加热室壳体标准尺寸： 50034接管尺寸的确定 流体进出口接管的内径计算式：d=（4Vs/u）1/2（1）溶液进出口 各效设备尺寸一致，进出口直径相同。根据溶液流量最大的第一效溶液流量确定接管直径。溶液的适宜流速按强制流动取值，根据蒸发装置的设计60页表3-4取u1=1.0m/s.溶液体积流量Vs=F/36001=1595.6/(3600*1030)=0.00043m/s则 d=(40.00043)/(3.141.0)1

19、/2=24mm 取32的规格管（2）加热蒸汽进出与二次蒸汽出口 设计各效结构尺寸一致，两进出口直径相同。由于末效体积流量最大，则根据末效体积流量来设蒸汽计进出口的直径。根据蒸发装置的设计60页表3-4查得蒸汽流速u=30m/s。蒸汽体积流速量Vs=/36002=523.4/(36000.056856)=2.56m3/s则 d=(42.56)/(3.1430)1/2=330mm（3）冷凝水出口 冷凝水排出属于液体自然流动，接管直径由各效加热蒸汽消耗量较大者确定。根据工艺设计结果，各效加热蒸汽消耗量分别为：D1=722.9kg/h D2=W1=676.6kg/h D3=W2=523.4kg/h 显

20、然，取最大者第一效D1=722.9kg/h作计算，根据化工原理上册附录7查得p1=978.88kg/m3.冷凝水积流速量Vs=D1/36001=722.9/(3600978.88)=0.00021m3/s根据蒸发装置的设计60页表3-4查得冷凝水的流速为u=0.15m/s.则 d=(40.00021)/(3.140.15)1/2=42mm选取504.0mm规格管第四章、蒸发装置的辅助设备41气液分离器蒸发操作时，二次蒸汽中夹带大量的液体，虽在分离室得到初步的分离，但是为了防止损失有用的产品或防止污染冷凝液，还需设置气液分离器，以使雾沫中的液体聚集并与二次蒸汽分离，故称气液分离器或除沫器。其类型很多，我们选择惯性式除沫器，起工作原理是利用带有液滴的二次蒸汽在突然改变运动方向时，液滴因惯性作用而与蒸汽分离。取流体的流速为25m/s 在惯性式分离器的主要尺寸可按下列关系确定：D0=D1；D1：D2：D3=1：1.5：2 H=D3 h=0.40.5D1D0二次蒸汽的管径，m D1除沫器内管的直径，mD2除沫器外管的直径，m D3除沫器外壳的直径，m H除沫器的总