食品工程原理課程設(shè)計——蒸發(fā)器的設(shè)計

1、<p>　　食品工程原理課程設(shè)計說明書</p><p>　　任務(wù)名稱：蒸發(fā)器的設(shè)計</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　設(shè)計說明書…………………………………………………………………2</p><p>　　設(shè)計方案的確定……………………………………………………………3</p

2、><p>　　方案說明……………………………………………………………………4</p><p>　　物料衡算……………………………………………………………………5</p><p>　　熱量衡算……………………………………………………………………5</p><p>　　工藝尺寸計算………………………………………………………………9</p>

3、<p>　　附屬設(shè)備尺寸計算…………………………………………………………15</p><p>　　主要技術(shù)參數(shù)………………………………………………………………17</p><p>　　計算結(jié)果匯總………………………………………………………………17</p><p>　　10、設(shè)備流程及裝備圖…………………………………………………………18</p&

4、gt;<p>　　11、參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………21</p><p><b>　　設(shè)計說明書</b></p><p>　　題目: 蒸發(fā)器的設(shè)計 </p><p>　　設(shè)計蒸發(fā)量為4噸/小時的雙效真空濃縮裝置，用于濃縮番茄醬的生產(chǎn)。已知進(jìn)料濃度為4.25%，成品濃度為28%，第一效真空度為600

5、mmHg,第二效真空度為700mmHg。加熱蒸汽的壓力為0.15 MPa</p><p><b>　　原始數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　原料：濃度為4.25%的番茄醬</p><p>　　產(chǎn)品：濃度為28%的番茄醬</p><p>　　生產(chǎn)能力：蒸發(fā)量四噸每小時，一天工作10個小時</p><p

6、>　　熱源：加熱蒸汽為飽和水蒸汽，壓力0.15MPa</p><p>　　壓力條件：第一效為600 mmHg的真空度，第二效為700 mmHg的真空度</p><p><b>　　三、設(shè)計要求內(nèi)容：</b></p><p>　　1、濃縮方案的確定：蒸發(fā)器的型式、蒸發(fā)操作流程、蒸發(fā)器的效數(shù)等。</p><p>　　2

7、、蒸發(fā)工藝的計算：進(jìn)料量、蒸發(fā)水量、蒸發(fā)消耗量、溫差損失、傳熱量、</p><p><b>　　傳熱面積等。</b></p><p>　　3、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的計算：加熱室尺寸、加熱管尺寸及排列、蒸發(fā)室尺寸、接管尺</p><p><b>　　寸等。</b></p><p>　　4、附屬設(shè)備的計算：冷凝器

8、、真空系統(tǒng)的選用</p><p>　　5、流程圖及裝配圖繪制</p><p><b>　　四．設(shè)計要求</b></p><p>　　1、設(shè)計說明書一份；</p><p>　　2、設(shè)計結(jié)果一覽表；蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果及設(shè)備選型情況等；</p><p>　　3、蒸發(fā)器流程圖和裝配圖</p

9、><p><b>　　設(shè)計方案的確定</b></p><p>　　蒸發(fā)器的確定：選用外加熱式蒸發(fā)器，它的特點是加熱室與分離室分開，便于清洗和更換。這種結(jié)構(gòu)有利于降低蒸發(fā)器的總高度，所以可以采用較長的加熱管。并且，因循環(huán)管不受熱而增大了溶液的循環(huán)速度，可達(dá)1.5m/s。</p><p>　　蒸發(fā)器的效數(shù)：雙效真空蒸發(fā)。真空操作的壓力小，故在蒸發(fā)器內(nèi)物

10、料的沸點就低，對于番茄這種熱敏性較高的物料，采用真空蒸發(fā)降低沸點是有必要的。采用多效蒸發(fā)是減少加熱蒸汽耗用量，提高熱能經(jīng)濟性的有效措施。然而也不能無限地增加效數(shù)。理由如下：（1）效數(shù)越多，節(jié)省地加熱蒸汽量就越少。由單效改為雙效時，加熱蒸汽用量可減少50%，但由四效改為五效只能節(jié)省10%，熱能經(jīng)濟性提高不大。（2）效數(shù)越多，溫度差損失越大，分配到各效的有效溫度差就越小。為了維持料液在溶液沸騰階段，每效的有效溫度差不能小于5--7攝氏度。這

11、樣也限制了效數(shù)的增加。（3）熱敏性溶液的蒸發(fā)，一般不超過三效。</p><p>　　加熱方式：直接飽和蒸汽加熱，壓力0.15Mpa。</p><p>　　操作壓力：Ⅰ效為600 mmHg真空度，Ⅱ效為700 mmHg真空度。</p><p>　　加料方式：并流式。其優(yōu)點在于：（1）后一效蒸發(fā)室的壓強比前一效的低，故溶液在效簡述送不用泵而利用各效簡的壓力差;（2）后一

12、效溶液的沸點較前一效的低，溶液進(jìn)入后效時發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，產(chǎn)生較多二次蒸汽；（3）高濃度溶液的溫度依效序降低對濃縮熱敏性食品有利。</p><p>　　輔助設(shè)備：冷凝器用水噴式冷凝器；慣性捕集器</p><p><b>　　方案說明</b></p><p>　　本流程采用直接蒸汽加熱，雙效外加熱式蒸發(fā)器，并流法蒸發(fā)。使用25℃水作為冷卻劑，冷凝水出

13、口溫度為40℃。</p><p><b>　　設(shè)備流程：</b></p><p>　　1）物料：預(yù)熱殺菌后的番茄醬由循環(huán)泵由下部進(jìn)入，流經(jīng)管內(nèi)，由上部進(jìn)入 蒸發(fā)分離室，先經(jīng)加熱器的管內(nèi)上升，通過彎頭進(jìn)入另一臺加熱器，經(jīng)加熱料液由管內(nèi)下降，以切線方向進(jìn)入Ⅰ效蒸發(fā)分離器進(jìn)行汽液分離。然后由物料泵送至Ⅱ效再蒸發(fā)。料液料液聚集到傾斜的底部，由排出口與循環(huán)管連接，經(jīng)液位平衡

14、器至Ⅰ效蒸發(fā)室，當(dāng)Ⅰ效蒸發(fā)室達(dá)到平衡液位時，料液直接進(jìn)入Ⅱ效加熱器。</p><p>　　蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽與物料一起進(jìn)入分離器。由二效分離器出來的物料濃度達(dá)到所要求28％。</p><p>　　2）加熱蒸汽：Ⅰ效蒸發(fā)與其預(yù)熱管內(nèi)物料的熱能由蒸汽供給，Ⅱ效蒸發(fā)和預(yù)熱管內(nèi)物料的熱能全部為一效二次蒸汽供給。Ⅱ效二次蒸汽全部進(jìn)入水噴式冷凝器冷卻。</p><p>　　3）

15、本流程采用直接蒸汽加熱，雙效外加熱式蒸發(fā)器，順流法蒸發(fā)。優(yōu)點是料液沸點依效序遞降，因而當(dāng)前效料液進(jìn)入后效時，便在降溫的同時放出其顯熱，供一小部分水分汽化，增加蒸發(fā)器的蒸發(fā)量。使用25℃水作為冷卻劑，冷凝水出口溫度為40℃。真空蒸發(fā)的條件：不斷供給熱量；要維持番茄醬的沸騰，需要不斷供給熱量。必須順?biāo)倥懦握羝?；如不及時排除二次蒸汽，又會凝結(jié)成水回到番茄醬中去。本操作中將二次蒸汽引入另一效蒸發(fā)器作為熱源使用，熱能利用率高。</p&g

16、t;<p><b>　?。ㄒ唬┪锪虾馑?lt;/b></p><p><b>　　1、原料處理量:</b></p><p><b>　　每小時處理量：</b></p><p>　　∵ （常用化工單元設(shè)備設(shè)計153頁）</p><p>　　式中—原料處理量，kg

17、/h；</p><p>　　x0——進(jìn)Ⅰ效蒸發(fā)器料液的濃度，質(zhì)量百分比；</p><p>　　x2——出Ⅱ效蒸發(fā)器料夜的濃度，質(zhì)量百分比；</p><p>　　W——水分蒸發(fā)量kg/h；</p><p>　　日處理量：每天10小時：4715×10=47.15 噸/日</p><p>　　2、初步估算一、二效的

18、蒸發(fā)水量</p><p>　　由《常用化工單元設(shè)備設(shè)計》 P153</p><p>　　取W1:W2=1:1.1</p><p>　　故 W1==1904.8(kg/h)</p><p>　　W2=4000-1904.8=2095.2(kg/h)</p><p>　　其中，W1——第Ⅰ效的蒸發(fā)量，kg/h</p

19、><p>　　W2——第Ⅱ效的蒸發(fā)量，kg/h</p><p>　?、裥Ф握羝麧舛?=6.31%</p><p>　　3、成品產(chǎn)量：F2=-W=4716-4000=716 kg/h</p><p><b>　?。ǘ崃亢馑?lt;/b></p><p><b>　　有關(guān)參數(shù)</b>

20、</p><p>　　總蒸發(fā)量：4000 kg/h</p><p>　?。?） 進(jìn)料： =4.25% =61.1℃ (查《食品工程原理》843頁此溫度下水的比熱Cww=4179J/Kg.k)</p><p>　　出料： =28% =41.4℃</p><p><b>　　料液比熱: </b></p

21、><p>　?。?） 真空度分配：</p><p>　　第Ⅰ效：600mmHg =0.21×105 Pa（查得此壓力下飽和蒸汽溫度 =61.1℃）</p><p>　　第Ⅱ效：700mmHg =0.08×105 Pa （查得此壓力下飽和蒸汽溫度 =41.4℃）</p><p>　　來自《食品工程原理》741頁飽和水蒸汽

22、表</p><p>　　二次蒸汽的熱參數(shù)值如下表</p><p><b>　　2、溫差損失</b></p><p><b>　　、溫度損失的計算</b></p><p>　　式中：——溫度差損失，℃</p><p>　　——操作壓強下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點升高，℃&l

23、t;/p><p>　　——液層靜壓引起的溫度差損失，℃</p><p>　　——管路流動阻力引起的溫度差，℃</p><p>　　——常壓下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點升高，℃</p><p>　　——校正系數(shù)，無因次，其經(jīng)驗計算式為：</p><p>　　式中：——操作壓強下二次蒸汽的溫度，℃</p>&

24、lt;p>　　——操作壓強下二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg</p><p>　　式中：——溶液內(nèi)部平均壓強，Pa</p><p>　　——液面上方的壓強，Pa</p><p>　　——溶液液層高度，m （該題設(shè)其液層高度為6m）</p><p>　　——溶液密度，kg/ m3 </p><p>　　該題密度為

25、 </p><p>　　常溫下番茄醬沸點升高 </p><p><b>　　(℃)</b></p><p>　　由壓強51.223 kPa查表得：</p><p>　　℃ </p><p&

26、gt;<b>　　℃</b></p><p><b>　　取℃</b></p><p>　　3、W1,W2,D1</p><p>　　物料衡算公式： ①</p><p><b>　　②</b></p><p>　　式中 ——ⅠⅡ效蒸發(fā)水量 [k

27、g/h]</p><p>　　D1 D2——ⅠⅡ效蒸汽量 [kg/h]</p><p>　　β1β2-----ⅠⅡ效自蒸發(fā)系數(shù)</p><p>　　------原料處理量 [kg/h]</p><p>　　C0------原料比熱 [kj/kgk]</p><p><b>

28、;　　——熱利用系數(shù)</b></p><p>　?。▉碜浴妒称饭S機械與設(shè)備》192頁）</p><p>　　根據(jù)逆流時的自然蒸發(fā)系數(shù)，按下式計算: </p><p><b>　　∴</b></p><p><b>　　將①式代入②式中</b></p><p>

29、<b>　　∵D2 =W1</b></p><p><b>　　∴</b></p><p>　　∴ ③</p><p><b>　　將③式代入②式中</b></p><p>　　∴A=1.0085+1.0085=2.017</p><p>

30、<b>　　∴第Ⅰ效蒸發(fā)量</b></p><p><b>　　第Ⅱ效蒸發(fā)量</b></p><p>　　與初估各效蒸發(fā)水量比較誤差≤3﹪，可不必對各效蒸發(fā)水量及濃度加以修正。</p><p>　　3．第Ⅱ效放出漿量及濃度</p><p>　　4.、Ⅰ、 Ⅱ效加熱面積的確定</p>&

31、lt;p><b>　?、裥鳠崃浚?lt;/b></p><p><b>　?、蛐鳠崃浚?lt;/b></p><p>　　各效有效溫度差：℃ </p><p><b>　　℃</b></p><p>　　其中——兩效間溫度損失=1℃</p><p>　　各

32、類蒸發(fā)器傳熱系數(shù)（食品工程原理P722）</p><p>　　通過上表按經(jīng)驗數(shù)據(jù)?。?lt;/p><p><b>　　強制循環(huán) </b></p><p><b>　　自然循環(huán) </b></p><p><b>　　∴第Ⅰ效加熱面積：</b></p><p&g

33、t;<b>　　第Ⅱ效加熱面積：</b></p><p><b>　?。ㄈ┕に嚦叽缬嬎?lt;/b></p><p>　　1、Ⅰ效加熱器的尺寸</p><p>　　根據(jù)《常用化工單元設(shè)備設(shè)計》162頁，采用32×1.5mm不銹鋼管，管長L=3 m</p><p><b>　　∴（根）

34、</b></p><p>　　式中 S——傳熱面積，；</p><p>　　——加熱管直徑，m；</p><p>　　L——管子長度，m 。</p><p>　　取管間距為1.25的同心圓排列：</p><p>　　根據(jù)排列四層共61根管子</p><p><b>　　

35、∴第Ⅰ效加熱面積：</b></p><p>　　加熱室殼體直徑的計算：</p><p>　　式中 D——殼體直徑，m；</p><p>　　t ——管間距，m；</p><p>　　b ——沿直徑方向排列的管子數(shù)</p><p>　　e ——最外層管中心到殼體內(nèi)壁的距離，取</p><

36、p>　　管子在管板上的排列間距：</p><p>　　中心排列管子數(shù)：（根）</p><p><b>　　內(nèi)徑</b></p><p>　　根據(jù)《常用化工單元設(shè)備設(shè)計》163頁</p><p>　　取外殼壁厚δ=10mm</p><p><b>　　外徑</b><

37、/p><p>　　將外徑圓整到400mm</p><p>　　2、Ⅱ效加熱器的尺寸</p><p>　　采用32×1.5不銹鋼管，管長L=3 m</p><p><b>　　∴（根）</b></p><p>　　取管間距為1.25的同心圓排列：</p><p>　　在

38、各級中心安裝一根50mm的抽氣管，所以取消了一、二層排列，同時在160～240之間的管板內(nèi)，加一根200mm中央抽氣管，所以排列總管數(shù)為260根。</p><p>　　第Ⅱ效加熱器實際加熱面積：</p><p>　　加熱室殼體直徑的計算： </p><p>　　中心排列管子數(shù)：（根）</p><p><b>　　內(nèi)徑</b&g

39、t;</p><p>　　根據(jù)《常用化工單元設(shè)備設(shè)計》163頁</p><p>　　取外殼壁厚δ=12mm</p><p><b>　　外徑</b></p><p>　　將外徑圓整到800mm</p><p>　　3、蒸發(fā)室直徑的確定</p><p><b>　　

40、第Ⅰ效： m</b></p><p>　　式中 ——Ⅰ效蒸發(fā)水量 [kg/h]</p><p>　　——二次蒸汽比體積 </p><p>　　——二次蒸汽上升速度 </p><p>　　查《食品工程原理》841頁并用內(nèi)差法計算得61.1℃飽和水蒸汽的密度</p><p><b>　　∴

41、</b></p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　第Ⅱ效： m</b></p><p>　　式中 ——Ⅱ效蒸發(fā)水量 kg/h</p><p>　　——二次蒸汽上升速度 m/s</p><p>　　——二次蒸汽的比體積 &

42、lt;/p><p>　　查《食品工程原理》841頁并用內(nèi)差法計算得41.4℃飽和水蒸汽密度</p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　4、蒸發(fā)室的截面積</b></p><p><b>　　F=</b></p><p>　　第Ⅰ效

43、：F1==2㎡</p><p>　　第Ⅱ效F2==2.54㎡</p><p><b>　　5、蒸發(fā)室的高度</b></p><p>　　根據(jù)《常用化工單元設(shè)備設(shè)計》163頁取蒸發(fā)室高徑比H/D=2</p><p><b>　　∴第Ⅰ效：</b></p><p><b&g

44、t;　　第Ⅱ效：</b></p><p><b>　　6、循環(huán)管尺寸</b></p><p><b>　　上循環(huán)管直徑取 </b></p><p>　　下循環(huán)管直徑取 </p><p>　　式中 ——加熱管內(nèi)徑；</p><p><b>　　n

45、——加熱管根數(shù)。</b></p><p>　　7、連接管直徑的確定</p><p>　　1、加熱蒸汽進(jìn)口管徑dm </p><p><b>　　dm=</b></p><p>　　式中：Fm——進(jìn)口管截面積，㎡</p><p>　　Vm——加熱蒸汽的比容，m3/kg</p>

46、<p>　　根據(jù)加熱蒸汽壓力為0.15Mpa，由《食品工程原理》飽和水蒸汽表查得</p><p>　　Vm= 1/0.7334=1.3635m3/kg </p><p>　　由《食品工廠機械與設(shè)備》得：加熱蒸汽進(jìn)口壓力為3大氣壓，取飽和蒸汽的速度為30米/秒，蒸汽進(jìn)口壓力為1大氣壓，取飽和蒸汽的速度為25米/秒，故本題加熱蒸汽進(jìn)口壓力為1.5大氣壓，取飽和蒸汽的速度為26.

47、25米/秒。 </p><p>　　——飽和蒸汽速度，26.25m/s</p><p><b>　　故 </b></p><p>　　由《食品工程原理》P852：取整后選用，壁厚,內(nèi)截面積為</p><p>　　所以實際飽和加熱蒸汽的速度：</p><p>　　2、Ⅰ效二次蒸汽出口進(jìn)入Ⅱ效的管

48、徑：</p><p>　?、裥Ф握羝隹诘臏囟葹椤妫伞妒称饭こ淘怼?41頁飽和水蒸汽表查得</p><p>　　由《食品工廠機械與設(shè)備》在減壓真空狀態(tài)下，管的出口處二次蒸汽速度為100～160米/秒，</p><p>　　取 v1=100m/s </p><p><b&

49、gt;　　所以 d1=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=0.223m</b></p><p>　　取整后選用，壁厚,內(nèi)截面積為的普通無縫鋼管</p><p>　　3、Ⅱ效二次蒸汽的出口管徑：</p><p>　?、蛐?/p>

50、二次蒸汽的出口溫度為41.4℃，由《食品工程原理》查得密度 </p><p>　　由《食品工廠機械與設(shè)備》查得，取v2=150m/s </p><p><b>　　d2=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=0.296m</b>

51、;</p><p>　　取整后選用，厚為8mm，內(nèi)截面積為的普通無縫剛管</p><p><b>　　附屬設(shè)備尺寸計算</b></p><p>　?、龠x用水噴式式冷凝器</p><p>　　冷凝器選用噴射式冷凝器，它由噴射器和離心水泵組成，又稱水力噴射器，兼有冷凝及抽真空兩種作用。其工作原理是利用高壓水流，通過噴嘴噴出，

52、聚合在一個焦點上，由于噴射的水流速度較高，在周圍形成負(fù)壓區(qū)，水流經(jīng)擴散管增壓排出，而在負(fù)壓區(qū)可以不斷地吸入二次蒸汽，經(jīng)導(dǎo)向盤與冷卻水接觸，冷凝后一起排出。</p><p>　　取冷凝水進(jìn)口溫度： =25℃ 出口溫度： = 40℃</p><p><b>　　冷凝水消耗量：</b></p><p><b>　?。?</b&

53、gt;</p><p><b>　　＝</b></p><p>　　W—水蒸汽量 [kg/h]</p><p>　　H--水蒸汽焓 [kJ/kg]</p><p>　　CP--冷卻水比熱 [kJ/kg℃]</p><p>　　t1，t2—冷卻水進(jìn)、出口溫度 [℃]</p><p

54、><b>　?、趪娮鞌?shù)計算</b></p><p>　　由《蒸發(fā)過程設(shè)計》P36得到，設(shè)氣室為1個大氣壓，水室2.5個大氣壓，噴嘴直徑d=15mm，流量系數(shù)=0.93 </p><p>　　通過一個噴嘴的水流量</p><p>　　故 q=×0.93×3600</p><p>　　=32.24

55、 (m3/h)</p><p><b>　　噴嘴數(shù) N=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=2.45（個）</b></p><p>　　取整數(shù)為 N=3個</p><p><b>　?、鄄都?/p>

56、</b></p><p>　　選用慣性捕集器，其作用是防止蒸發(fā)過程形成的細(xì)微液滴被二次蒸汽帶出，對汽液進(jìn)行分離，以減少物料的損失，同時避免污染管道及其他蒸發(fā)器的加熱。捕集器的型式很多，可分為慣性型和離心型等類型。</p><p><b>　　主要技術(shù)參數(shù)</b></p><p><b>　　計算結(jié)果匯總表</b>

57、;</p><p><b>　　設(shè)備流程及裝備圖</b></p><p><b>　?。ㄒ唬┰O(shè)備流程圖</b></p><p>　　（二）一效蒸發(fā)器簡圖</p><p><b>　?。ㄈT性捕集器</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)

58、</b></p><p>　　（1）《食品工程原理》 李云飛，葛克山主編</p><p>　　北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2004年8月第2版</p><p>　?。?）《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》 匡國柱、史啟才編</p><p>　　化學(xué)工業(yè)出版社，2001。</p><p>　

59、　（3）《食品工廠機械與設(shè)備》 無錫輕工業(yè)學(xué)院，天津輕工業(yè)學(xué)院編，</p><p>　　北京：中國輕工業(yè)出版社，1981年2月第1版</p><p>　?。?）《化工原理》 王志魁主編</p><p>　　北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998年10月第2版</p><p>　　（6）《蒸發(fā)過程設(shè)計》