食品工程原理課程設(shè)計(jì)——蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)

1、v1.0可編輯可修改食品工程原理課程設(shè)計(jì)說明書-11 - 5 -蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)任務(wù)名稱:設(shè)計(jì)人：指導(dǎo)教師:班級(jí)組別:設(shè)計(jì)時(shí)間:成績(jī):目 錄1、設(shè)計(jì)說明書 22、設(shè)計(jì)方案的確定 33、方案說明 44、物料衡算 55、熱量衡算 56工藝尺寸計(jì)算 97、附屬設(shè)備尺寸計(jì)算 158、主要技術(shù)參數(shù) 179、計(jì)算結(jié)果匯總 1710、 設(shè)備流程及裝備圖 1811、 參考文獻(xiàn) 21設(shè)計(jì)說明書題目：蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)蒸發(fā)量為4噸/小時(shí)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%成品濃度為28%第一效真空度為600mmHgg二效真空度為 700mmHg加熱蒸汽的壓力為 0.15 MPa原始數(shù)據(jù)：1、原料

2、：濃度為勺番茄醬2、產(chǎn)品：濃度為28%勺番茄醬3、生產(chǎn)能力：蒸發(fā)量四噸每小時(shí)，一天工作 10個(gè)小時(shí)4、熱源：加熱蒸汽為飽和水蒸汽，壓力5、壓力條件：第一效為600 mmHg勺真空度，第二效為700 mmHg勺真空度三、設(shè)計(jì)要求內(nèi)容: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。2、蒸發(fā)工藝的計(jì)算：進(jìn)料量、蒸發(fā)水量、蒸發(fā)消耗量、溫差損失、傳熱量、 傳熱面積等。3、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的計(jì)算：加熱室尺寸、加熱管尺寸及排列、蒸發(fā)室尺寸、接管尺 寸等。4、附屬設(shè)備的計(jì)算：冷凝器、真空系統(tǒng)的選用5、流程圖及裝配圖繪制四.設(shè)計(jì)要求1、設(shè)計(jì)說明書一份；2、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表；蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果

3、及設(shè)備選型情況等;3、蒸發(fā)器流程圖和裝配圖設(shè)計(jì)方案的確定1. 蒸發(fā)器的確定：選用外加熱式蒸發(fā)器，它的特點(diǎn)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(zhǎng)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/s2. 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)物料的沸點(diǎn)就低，對(duì)于番茄這種熱敏性較高的物料，采用真空蒸發(fā)降低沸點(diǎn)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(jì)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(shí)，加熱蒸汽用量可減少50%但由四效

4、改為五效只能節(jié)省10%熱能經(jīng)濟(jì)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。3. 加熱方式：直接飽和蒸汽加熱，壓力。4. 操作壓力：1效為600 mmHg真空度，U效為700 mmHg真空度。5. 加料方式：并流式。其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）后一效蒸發(fā)室的壓強(qiáng)比前一效的低， 故溶液在效簡(jiǎn)述送不用泵而利用各效間的壓力差；（2）后一效溶液的沸點(diǎn)較 前一效的低，溶液進(jìn)入后效時(shí)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(duì)濃縮熱

5、敏性食品有利。6. 輔助設(shè)備：冷凝器用水噴式冷凝器；慣性捕集器方案說明1. 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25C水 作為冷卻劑，冷凝水出口溫度為 40 C。2. 設(shè)備流程：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(tái)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U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 器至I效蒸發(fā)室，當(dāng)I效蒸發(fā)室達(dá)到平衡液位時(shí)，料液直接進(jìn)入U(xiǎn)效加熱器。蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽與物料一起進(jìn)入分離器。由二

6、效分離器出來的物料濃度達(dá)到 所要求28%。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，U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。U效二次蒸汽全部進(jìn)入水噴式冷 凝器冷卻。3）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(diǎn)是料液沸點(diǎn)依效序遞降，因而當(dāng)前效料液進(jìn)入后效時(shí)，便在降溫的同時(shí)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25C水作為冷卻劑，冷凝水出口溫度為40C。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(shí)排除二次蒸汽，又會(huì)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

7、為熱源使用，熱能利用率咼。（一）物料衡算1、原料處理量：每小時(shí)處理量：WF 1X.Xn（常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)153頁(yè)）WX24000 28一Fo4716Kg /hX2Xo28 4.25式中F0 原料處理量，kg/h ;X2Xo 進(jìn)I效蒸發(fā)器料液的濃度，質(zhì)量百分比;出U效蒸發(fā)器料夜的濃度，質(zhì)量百分比;v1.0可編輯可修改W水分蒸發(fā)量kg/h ；日處理量：每天 10小時(shí)：4715X 10=噸/日2、初步估算一、二效的蒸發(fā)水量由常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)P153取 W1:W2=1:故 Wi= 4000 =(kg/h)1 1.1W=(kg/h)其中，W第I效的蒸發(fā)量，kg/hW第U效的蒸發(fā)量，kg/hFxo

8、4716 4.25%I效二次蒸汽濃度x -=%F。 W14716 1904.83、成品產(chǎn)量：F2=F0-W=4716-4OOO=716 kg/h(二) 熱量衡算1. 有關(guān)參數(shù)(1) 總蒸發(fā)量：4000 kg/h(2) 進(jìn)料：X1 =% =61.C (查食品工程原理843頁(yè)此溫度下水的比熱Cw=4179J/出料：X2 =28%T2=41.4 C料液比熱：C0 CW(1 上2) 4179(14001J/ Kg k100 100(3) 真空度分配：第I效：600mmHg P1 =X 105 Pa (查得此壓力下飽和蒸汽溫度第效:700mmHg P2 =X 105 Pa (查得此壓力下飽和蒸汽溫度T2

9、=41.4 C)來自食品工程原理741頁(yè)飽和水蒸汽表二次蒸汽的熱參數(shù)值如下表壓力(Pa)T( C)比焓(KJ/kg)汽化潛熱(kg)I效加熱蒸汽5P0 = x 10T0 =i =0 =I效二次蒸汽5R=X 10T1 =h =1 =U效加熱蒸汽5P2 = X 10T2 =i2 =2 =2、溫差損失、溫度損失的計(jì)算t m t0式中：溫度差損失，C操作壓強(qiáng)下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點(diǎn)升高，C液層靜壓引起的溫度差損失，C管路流動(dòng)阻力引起的溫度差，Ca常壓下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點(diǎn)升咼，cf 校正系數(shù)，無因次，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式為：f 0.0162(T273)2r式中：T 操作壓強(qiáng)下二次蒸汽的溫度，

10、C操作壓強(qiáng)下二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kgm0ghp p 2式中：pm 溶液內(nèi)部平均壓強(qiáng)，Pap0液面上方的壓強(qiáng)，Pah溶液液層咼度，m（該題設(shè)其液層咼度為6m）溶液密度，kg/ m該題密度為1.028 103kg/m3常溫下番茄醬沸點(diǎn)升咼a1 0.15 C-11 - 11 -0.0162 61.1273 22352.50.150.115 ( C)32100051.223kPa9.81 6 1.028 10物料衡算公式：W1 D1F 0 C0 W21W D2 F0 C02 式中W1 W2 IU效蒸發(fā)水量kg/hD D IU效蒸汽量kg/hBBiu效自蒸發(fā)系數(shù)Fo原料處理量kg/hC 原料比熱

11、kj/kgk! 2熱利用系數(shù)（來自食品工廠機(jī)械與設(shè)備192頁(yè)）根據(jù)逆流時(shí)的自然蒸發(fā)系數(shù),按下式計(jì)算Tn 1 Tn41.461.12606.6 61.1 4.1860.0083861.141.4儀 2570.241.4 4.1860.00822將式代入式中 w1 D1Fo CoW1FoCoD147164.01864176 4.001 0.008220.00838D1141.780.00838W11.0085D112.8 w11.0085D1142.98 將式代入式中w21.0085 D1142.98 4716 4.0186 0.00822二 A=+=142.9812.8130.18D1W B 4

12、000130.182.0172047.68Kg /h第I效蒸發(fā)量 W11.0085D1142.981.0085 2047.68142.981922.11kg/hv1.0可編輯可修改第 U 效蒸發(fā)量 w21.0085D112.81.0085 2047.68 12.82052.29kg/h與初估各效蒸發(fā)水量比較誤差W 3%,可不必對(duì)各效蒸發(fā)水量及濃度加以修正3第U效放出漿量F及濃度xF Fo W24716 2052.29 2663.71kg/hFo Xo4716 4.25%200.43 7X7.52 /oFo W24716 2052.292663.714. 、I、U效加熱面積的確定I效傳熱量：Q1

13、D102047.68 2246.64600317kJ/hU效傳熱量：Q2D211922.11 2331.64481591kJ/h各效有效溫度差：T1 T0 T1 111.3 61.1 50.2 CT2 T12 1 T261.1141.418.7 C其中21 兩效間溫度損失21=1C各類蒸發(fā)器傳熱系數(shù)（食品工程原理P722）蒸發(fā)器型式傳熱系數(shù)K (w/m k)蒸發(fā)器型式傳熱系數(shù)K（w/ m -k）水平沉浸加熱式6002,300升膜式1,2006,000標(biāo)準(zhǔn)式（自然循環(huán)）6003,000降膜式1,2003,500標(biāo)準(zhǔn)式（強(qiáng)制循環(huán)）1,2006,000懸筐式6003,000外加熱室式（自然循環(huán)）1,

14、2006,000蛇管式3502,300外加熱室式（強(qiáng)制循環(huán)）1,2007,000通過上表按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取:強(qiáng)制循環(huán)K1 6698kJ /h m2 K自然循環(huán) K23349kJ/h m2 K第I效加熱面積：S1Q1460031713.68m2K1 T16698 50.2第U效加熱面積：S2Q2448159170.56m2K2 T23349 18.7（三）工藝尺寸計(jì)算1、1效加熱器的尺寸根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)Si doL13.683.14 0.029 350 （根）162頁(yè)，采用32 x 1.5mm不銹鋼管，管長(zhǎng)L=3式中S 傳熱面積，m2 ； do 加熱管直徑，m L 管子長(zhǎng)度，m。取管間距為dH

15、的同心圓排列：同心圓數(shù)根數(shù)同心圓直徑16Di n t/6 40/3.14 80mm212D2 D1 2t 80 2 40160mm318D3 D2 2t 1602 40240mm425D4 D3 2t 2402 40320mm根據(jù)排列四層共61根管子第I效加熱面積：SI 61 3.14 0.029 3 16.66m2加熱室殼體直徑的計(jì)算：D tb 1 2e式中d殼體直徑，mt管間距，mb沿直徑方向排列的管子數(shù)e最外層管中心到殼體內(nèi)壁的距離，取e 1.25dH 1.25 32 40mm管子在管板上的排列間距：t 1.25dH 1.25 32 40 mm中心排列管子數(shù)：b 4 2 8 （根）內(nèi)徑

16、D1B t b 1 2e 408 12 40360mm根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)163頁(yè)取外殼壁厚S =10mm外徑 D1H D1B 23602 10 380mm將外徑圓整到400mm2n效加熱器的尺寸采用32 X不銹鋼管，管長(zhǎng)L=3 m7056259 （根）d0L 3.14 0.029 3取管間距為dH的同心圓排列:同心圓數(shù)根數(shù)同心圓直徑16Di n t/6 40/3.14 80mm212D2 D1 2t 80 2 40160mm318D3 D2 2t 1602 40240mm425D4 D3 2t 2402 40320mm531D5 D4 2t 3202 40400mm637D6 D5 2t

17、 4002 40480mm743D7 D6 2t 4802 40560mm850D8 D7 2t 5602 40640mm956D9 D8 2t 6402 40720mm-11 - 13 -v1.0可編輯可修改在各級(jí)中心安裝一根 50mm勺抽氣管，所以取消了一、二層排列，同時(shí)在160240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。第U效加熱器實(shí)際加熱面積：S2260 3.140.029 371m加熱室殼體直徑的計(jì)算：中心排列管子數(shù)：b 9 218 （根）內(nèi)徑 D2B t b 1 2e 4018 12 40760mm根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)163頁(yè)取外殼壁厚S =1

18、2mm外徑 D2H D2B 27602 12784mm將外徑圓整到800mm3、蒸發(fā)室直徑的確定第I效：d,0 36004式中WiI效蒸發(fā)水量kg/h次蒸汽比體積m3 / kg-12- 17 -0 二次蒸汽上升速度 m/s查食品工程原理841頁(yè)并用內(nèi)差法計(jì)算得61.1 r飽和水蒸汽的密度30.1369 kg/m117.16m3/kg10.13963 4.26 3 4263.15m/s10.13691922.11 7.16二 di 1.55m3 143.15 36004取 d11.6m第U效：d2W2 V2m03600式中WiII效蒸發(fā)水量kg/h二次蒸汽上升速度m/sV2二次蒸汽的比體積m3

19、/ kg查食品工程原理841頁(yè)并用內(nèi)差法計(jì)算得41.4 C飽和水蒸汽密度20.05514 kg / m3V2|318.14m /kg 0.055142034260.055144.26m/ sd2W2 V2036004205229 18.141.76m,0.785 4.26 3600取 d21.8m 4、蒸發(fā)室的截面積F=314 1 62 第 I 效：F1=3.14 1.6 =2 m24第I效 F2=3.14 1.8 =m45、蒸發(fā)室的高度根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)163頁(yè)取蒸發(fā)室高徑比H/D=2第I效： 出 2 d12 1.63.2m第U效：出2 d22 1.8 3.6m6循環(huán)管尺寸上循環(huán)管直徑

20、取d10.2d10.2 1.6 0.32m下循環(huán)管直徑取d2d； n0.0292 321 0.52m式中dB加熱管內(nèi)徑；n加熱管根數(shù)。7、連接管直徑的確定1、加熱蒸汽進(jìn)口管徑dm式中：Fm進(jìn)口管截面積，卅SmDVm3600V m加熱蒸汽的比容，m/kg根據(jù)加熱蒸汽壓力為，由食品工程原理飽和水蒸汽表查得0.7334kg /m3V m= 1/=1.3635m3/kg由食品工廠機(jī)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)口壓力為大氣壓，取飽和蒸汽的速度為 26.25米/秒。m 飽和蒸汽速度，26

21、.25m/sFm0.02955m22047.68 1.363526.25 36004 0.02955V 3.140.194m由食品工程原理P852:取整后選用dm 219mm，壁厚6mm,內(nèi)截v1.0可編輯可修改面積為0.03364m2所以實(shí)際飽和加熱蒸汽的速度:D1VmFm 360023.05m/s2047.68 1.36350.03364 36002、I效二次蒸汽出口進(jìn)入U(xiǎn)效的管徑：I效二次蒸汽出口的溫度為61.1 T，由食品工程原理841頁(yè)飽和水蒸汽表查得0.1369kg/m3Vm1 10.13697.3046m3 / kg-12- 23 -由食品工廠機(jī)械與設(shè)備在減壓真空狀態(tài)下，管的出口

22、處二次蒸汽速度為100160米/秒，取 v 1=100m/s所以d=(4W1V11= : 3600 V11922.11 7.3046 4.3.14 100 3600=0.223m取整后選用d1245mm,壁厚6.5mm,內(nèi)截面積為0.04225m2的普通無縫鋼管3n效二次蒸汽的出口管徑:U效二次蒸汽的出口溫度為41.4 C,由食品工程原理查得密度20.05514 kg / m3V -118.1357m3/kg0.05514由食品工廠機(jī)械與設(shè)備查得，取 V2=150m/sd2= 4W2V23600 v4 2052.29 18.13573600 150 3.14=0.296m取整后選用d2325m

23、m，厚為8mm內(nèi)截面積為0.07495m2的普通無縫剛管附屬設(shè)備尺寸計(jì)算 選用水噴式式冷凝器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，聚合 在一個(gè)焦點(diǎn)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(kuò)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。取冷凝水進(jìn)口溫度：t1 =25 C 出口溫度：t2 = 40 C冷凝水消耗量：c W(H CQG -Cp(t2 t1)2052.29 (2570.24.179 40)4.179 (4025)=7.87 104 kg/

24、hV水蒸汽量kg/hH-水蒸汽焓kJ/kgG-冷卻水比熱kJ/kg C t1，t2 冷卻水進(jìn)、出口溫度C 噴嘴數(shù)計(jì)算由蒸發(fā)過程設(shè)計(jì)P36得到，設(shè)氣室為1個(gè)大氣壓，水室個(gè)大氣壓，噴嘴直徑 d=15mm 流量系數(shù) =通過一個(gè)噴嘴的水流量q故2q=42 9.81 (2.5 1) 105 丫997X 3600=(m3/h)噴嘴數(shù)N=4=7.87 104997 32.24=(個(gè))取整數(shù)為N=3個(gè) 捕集器選用慣性捕集器，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(duì) 汽液進(jìn)行分離，以減少物料的損失，同時(shí)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。主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算匯總、機(jī)組號(hào)項(xiàng)目、.I效蒸發(fā)器U效蒸發(fā)器進(jìn)料濃度%進(jìn)料溫度C-進(jìn)料量kg/h4716二次蒸汽壓力MPa蒸汽溫度C出料濃度%28%出料量kg/h716料液處理量，kg/h4716蒸發(fā)水量,kg/h4000產(chǎn)品產(chǎn)量,kg/h716蒸汽用量,kg/h冷凝水用量，kg/h78700I效蒸發(fā)器直徑,m結(jié)果表v1.0可編輯可修