蒸发装置的设计

班姓学班姓学指提教日名号师期轻工食品学院食品工程原理课程设计蒸发装置的设计食品101班2刘晓艳蒸发装置的设计1.设计条件与任务 2 18浓缩蒸发方案的确定 2 1B2真空蒸发选用.。 1.38降膜式蒸发选用 2.单效蒸发工艺计算 2●1物料衡算 22热量衡算 28传热面积计算 2●4传热面积计算 62●5计算结果列表 83.蒸发器主体工艺设计.。 83加热部分的工艺计算 3●101加热管的选择和管数的初步估计 3●102加热室直径的确定 3●13蒸发室尺寸 32接管尺寸的确定 3●2加热蒸汽入口与二次蒸汽出口管径 0 o...o..o.oss.aoo......o........10 4。附属设备计算 4●1蒸汽冷凝器 15.工艺设计的计算结果汇总 附表..........。...。oo.o.o.o..oo……………oo..13蒸发装置的设计1.设计条件与任务1●1概述食品工程原理是食品工程与科学专业主要课程之一，食品工业包含诸多的单元操作，如蒸发、结晶、杀菌等，本课程均有介绍。本次设计题目为脱脂牛奶单方面加深学生对食品工程原理课程的理解与掌握。本设计涉及的单元操作为蒸发.蒸发是典型的传热过程，即是将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程。蒸发是一种分离操作，广泛应用于化工、轻工、制药和食品等许多工业中溶剂为挥发性而溶质为非挥发性的场合。在许多场合，蒸发系统的热量经济性成为整个生产流程的关键因素。工业上蒸发主要以浓缩和分离为主要目的。本设计以浓缩为主要月的，设计出将脱脂牛奶的质量分数由10%浓缩为50%的单效蒸发装置。本设计首先确定蒸发器的处理能力为20t/d脱脂牛奶。1●2设计任务书工艺条件：1。。原料：脱脂牛奶，质量分数为10%,进料温度85℃。2。产品：质量分数为50%的浓缩乳，出料温度60℃.3.。生产能力：日处理量20吨。设计任务：1。浓缩蒸发方案的确定：蒸发器的型式、蒸发操作流程、.2。蒸发器工艺计算：进料量、蒸发水量、蒸汽消耗量、传热量、传热面积等3。。蒸发器结构计算：加热室尺寸、换热管尺寸及排列、蒸发室尺寸、接管尺寸等。5.流程图及设备图绘制。1●3浓缩蒸发方案的确定1●3●1蒸发器选型蒸发装置的设计因为本设计为浓缩原料乳，根据其特点可知需要加工的物料是为热敏性物质。并且查表可知需采用蒸发器进行浓缩原料。表1—1蒸发器的选用制品热敏性制品粘度使用的蒸发类型说明无低或中等管式、板式、固定圆锥式水平管式不适于易结垢制品无或小高真空锅、刮板膜式、旋转圆锥式洋菜、明胶、肉浸出液的浓缩可采用间歇式热敏低或中等管式、板式、固定圆锥式包括牛奶、果汁含固体适度的制品热敏高刮板模式、旋转圆锥式包括多数果汁浓缩液、酵浸出液及某些药品。对浆状制品只能用刮板膜式高热敏低管式、板式、固定圆锥式要求单程蒸发高热敏高旋转圆锥式或板式要求单程蒸发。包括橙汁浓缩液、蛋白和某些药物热敏性特点：生物系统的物料多由蛋白质、脂肪、淀粉、维生素以及其它许多色、香、味成分组成。这些物质在高温下或长期受热时要受到破坏、变性、氧化等作用。所以许多食品的蒸发要严格考虑加热温度和加热时间。①加热温度和加热时间是不可分割的。食品蒸发的安全性与此二因素同时相关。这就是“温时结合”.的概念，即把温度与时间作为统一体来考虑。②从食品蒸发的安全性看，力求“低温短时”,但还要考虑工艺上的经济性。在保证食品质量的前提下，为提高生产能力，常采用“高温短时”蒸发。由于料液的沸点与外压有关，低温相应就是低压，所以真空蒸发是食品工业蒸发应用的显著特点之一。③为了缩短蒸发操作时的加热时间，一方面必须减小料液在蒸发器内的平均停留时间，另一方面还要解决局部性的停留时间问题。关于这一点，目前已发现长管膜式蒸发器和搅拌膜式蒸发器在物料的停留时间问题上具有很大的优点，从而在食品工业上获得广泛的应用。蒸发装置的设计根据以上的分析浓缩方案将采用：长管膜式蒸发器1●3●2真空蒸发选用提高生产强度的途径之一是增大传热温差△t,提高加热蒸汽的温度或是降低溶液的沸点均可增加△t.加热蒸汽的温度(及相应压强)受锅炉额定压强的限制，因此，在许多情况下，需要采用真空蒸发以降低溶液免遭破坏，并可利用工厂中低温的水蒸气作为热源。1.3●3降膜式蒸发选用长管式蒸发器，从加热器出来的汽液混合物经分离器分离后，有的直接作为浓缩液排出，不再经循环径返回加热器，有的则有部分浓缩液经循环管返回。这类蒸发器的管束很长，约6—8m,而其截面积则很小。它具有很大的传热面，溶液送入管束后很快强烈沸腾，管子的中央部分充满料液蒸汽，蒸汽从管口流出的速度可达100-120m/s.蒸汽以这样的速度流动，料液就被带动而沿管子内壁形成上升或下降的液膜。被蒸汽带动而沿管壁流动的液体速度可达20m/s,所以这种蒸发器被称为液膜式蒸发器.长管蒸发器根据浓膜的流动方向可分为升膜蒸发器、降膜蒸发器及升降膜蒸发器。在蒸发器上部区域，蒸汽体积急速增大，所产生的高速上升蒸汽使液体在管壁上形成一层薄膜，造成很好的传热条件。以后，汽液混合物进入分离器进行分离。浓缩液可直接排出，或与原料混合后再循环，或进入下一效进一步浓缩。这种蒸发器的特点是，在加热器内料液停留时间短，传热系数高，适于浓缩热敏物料。升膜蒸发器的缺点：在管内下部区域尚积存较多的液体，固而延长了接触时间(约15~30min)通常还不能通过严格单程蒸发达到所要求的浓度，一般尚需部分再循环，加长了停留时间，在管子中部易发生结垢和蛋白质沉积的现象。为了较彻底消除因液体积聚所造成的静压效应，并吸取薄膜传热的优点，出现了降膜蒸发器。降膜蒸发器能达到传热效率高，热能经济性好，停留时间短的目的。降膜蒸发器因不存在静液层效应，物料沸点均匀，甚为广泛，例如牛奶、果汁等散浓缩.根据以上的分析浓缩方案将采用：单效降膜式蒸发器蒸发装置的设计2.单效蒸发工艺计算2●1物料衡算物料衡算可以求出蒸发水量。对溶质作物料衡算可得：Fw₀=(F-W)w₁式中F——进料口原料液质量流量，kg/h;w₁—-完成液浓度，设计处理能力为20t/d,即2●2热量衡算r=2371kg/hr’=2293kg/h《化工原理》P₄52蒸发装置的设计D=828.25kg/h2●3传热量计算Q=Dr=828.25×2371=1.963×10⁶KJ2●4传热面积计算由传热速率方程得到蒸发室的加热面积为：K——传热系数，K=1500W/(m²·K);△t-—加热蒸汽与操作液沸点之差，℃;式(2-3—1)中D、K已知，可查得200kPa的压强下T=120.2℃,50kPa的压强下t'=81.2°℃;由于溶液的蒸汽压降低而导致的沸点升高△和液体静水压引起的沸点升高△"的存在，操作液实际沸点为：吉辛科公式：△'=f△。’式中：可查得50kPa下t’=81。2℃,r=2304。5kJ/kg,蒸发装置的设计代入式(2-3-3)可得：△'=0.8819x1.2°℃=1.0583C设计中：液面的高度：H=3.0m;牛奶的密度查得1。038—1.040(g/ml),此处脱脂牛奶的密度取1.038g/ml即p=1.038×10³kg/m³=65570Pa分别由压强p和p查取水的相应沸点为t和t,则静压效应的沸点升高△"近t₁=t₁'+△'+△"=81.2°℃+1.0583°℃+7.3℃=89.5603℃根据经验降膜蒸发器总传热系数约为1200—3500W/m²·K此处取K=1500W/m².K代入公式(2-3—1)可得：蒸发装置的设计≈43m²2●5计算结果列表表2-4-1衡算及传热计算结果数值蒸发水量(kg/h)加热蒸汽量(kg/h)666.67828。253。蒸发器主体工艺设计我们选取的降膜蒸发器的计算方法如下。3●1加热部分的工艺计算3●1●1加热管的选择和管数的初步估计管径与长度的选择应根据溶液结垢难易程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑，易结垢和易起泡沫溶液的蒸发易选用粗短管，反之，则采用细长管。根据我们的设计任务和番茄汁的性质，我们选用以下的管子：可以根据加热管的规格与长度初步估计所需的管子数n,式中S-一蒸发器的传热面积，m²,由前面的工艺计算决定(优化后的面积);L--加热管长度，m;3●1●2加热室直径的确定管排列用三角形排列法蒸发装置的设计真空度为0。08MPa查得p=0.117kg/m³-—《化工原理》P452—-《常用化工单元》3●1●4数据的核算根据公式则最终确定实际传热面积：S'=nnd(L-0.1)=46.53(m²)要求实际最大生产能力，所需热量蒸发装置的设计Q¹=KS△t=1500×46.53×(120.2-89.56)=(kJ)由公式能力：和,得到实际最大生产3●2接管尺寸的确定3●2●1加热蒸汽入口与二次蒸汽出口管径p=0.358kg·m³(80°c)9m=pg,=2032kg/h因为是蒸汽，u的范围一般为30~40m/s,现取u为35m/s—-《化工设计》表8.3管内流速范围P₂g₇所以D₁根据热轧无缝钢管的规格(GB8163-87)取φ325mm×8mm的热轧冷凝水的排出一般属于液体自然流动，可根据加热蒸汽的流量计算。由附表2可设冷凝水的流速为1m/s,则U₃=1.5m/s忽略不凝蒸汽的排放，冷凝水的质量流量约等于加热蒸汽的质量流量，即代入式(3—2-1)可求得：蒸发装置的设计3●2●3料液管径D.qm=pq=833.33kg/hu取0.5m/s蒸发器主要部件规格列表表3-5-1蒸发器主要部件规格部件名称钢号规格加热管加热蒸汽进口1冷凝水出口1二次蒸汽出口1京料脱脂牛乳进□14.附属设备计算4●1●1蒸汽冷凝器冷凝水消耗量：蒸发装置的设计C,——冷凝水比热kJ/(kg·℃)t₁、t₂——冷却水进、出口温度(这里取进口25℃,出口40℃)设计选用水力喷射器做为冷凝器，它具有冷凝和抽真空两种作用。其特点如1。兼有冷凝和抽真空作用，无需另配抽真空装置；2。结构简单，造价低廉，喷射器本身没有机械运转部分，不要经常检修；3。适用于抽腐蚀性气体；4.虽然水泵运转时的实际消耗功率较大，但整个冷凝装置的功率消耗仍较表6.不能获得高的真空度，且真空度随水温之高低而变化.5.工艺设计的计算结果汇总数值物料处理量(kg/h)833。33加热管加热蒸汽进口冷凝水出口蒸发装置的设计二次蒸汽出口京料脱脂牛乳进口实际传热面积(m²)实际最大生产能力(kg/h)深了对食品工业中单元操作的理解，初步掌握了工程设计的方法，并在处理设计1。0.1MPa下不同浓度蔗糖溶液的沸点升高浓度/%沸点升高2.某些流体在管道中常用的速度范围流体种类常用流速/(m/s)水及一般液体黏度较大的液体低压气体易燃、易爆的低压气体(如乙炔等)压强较高的气体饱和水蒸气0.8MPa以下0.3MPa以下过热水蒸气蒸发装置的设计1.李云飞，葛克山等.食品工程原理.北京：中国农业大学出版社，2002.82.黄少烈、邹华生主编，化工原理，北京：高等教育出版社20023.朱有庭、曲文海、于浦义主