蒸發(fā)裝置的設(shè)計

班姓學(xué)班姓學(xué)指提教日名號師期輕工食品學(xué)院食品工程原理課程設(shè)計蒸發(fā)裝置的設(shè)計食品101班2劉曉艷蒸發(fā)裝置的設(shè)計1.設(shè)計條件與任務(wù) 2 18濃縮蒸發(fā)方案的確定 2 1B2真空蒸發(fā)選用.。 1.38降膜式蒸發(fā)選用 2.單效蒸發(fā)工藝計算 2●1物料衡算 22熱量衡算 28傳熱面積計算 2●4傳熱面積計算 62●5計算結(jié)果列表 83.蒸發(fā)器主體工藝設(shè)計.。 83加熱部分的工藝計算 3●101加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計 3●102加熱室直徑的確定 3●13蒸發(fā)室尺寸 32接管尺寸的確定 3●2加熱蒸汽入口與二次蒸汽出口管徑 0 o...o..o.oss.aoo......o........10 4。附屬設(shè)備計算 4●1蒸汽冷凝器 15.工藝設(shè)計的計算結(jié)果匯總 附表..........。...。oo.o.o.o..oo……………oo..13蒸發(fā)裝置的設(shè)計1.設(shè)計條件與任務(wù)1●1概述食品工程原理是食品工程與科學(xué)專業(yè)主要課程之一，食品工業(yè)包含諸多的單元操作，如蒸發(fā)、結(jié)晶、殺菌等，本課程均有介紹。本次設(shè)計題目為脫脂牛奶單方面加深學(xué)生對食品工程原理課程的理解與掌握。本設(shè)計涉及的單元操作為蒸發(fā).蒸發(fā)是典型的傳熱過程，即是將含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液加熱沸騰，使其中的揮發(fā)性溶劑部分汽化從而將溶液濃縮的過程。蒸發(fā)是一種分離操作，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、制藥和食品等許多工業(yè)中溶劑為揮發(fā)性而溶質(zhì)為非揮發(fā)性的場合。在許多場合，蒸發(fā)系統(tǒng)的熱量經(jīng)濟性成為整個生產(chǎn)流程的關(guān)鍵因素。工業(yè)上蒸發(fā)主要以濃縮和分離為主要目的。本設(shè)計以濃縮為主要月的，設(shè)計出將脫脂牛奶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10%濃縮為50%的單效蒸發(fā)裝置。本設(shè)計首先確定蒸發(fā)器的處理能力為20t/d脫脂牛奶。1●2設(shè)計任務(wù)書工藝條件：1。。原料：脫脂牛奶，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,進料溫度85℃。2。產(chǎn)品：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的濃縮乳，出料溫度60℃.3.。生產(chǎn)能力：日處理量20噸。設(shè)計任務(wù)：1。濃縮蒸發(fā)方案的確定：蒸發(fā)器的型式、蒸發(fā)操作流程、.2。蒸發(fā)器工藝計算：進料量、蒸發(fā)水量、蒸汽消耗量、傳熱量、傳熱面積等3。。蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)計算：加熱室尺寸、換熱管尺寸及排列、蒸發(fā)室尺寸、接管尺寸等。5.流程圖及設(shè)備圖繪制。1●3濃縮蒸發(fā)方案的確定1●3●1蒸發(fā)器選型蒸發(fā)裝置的設(shè)計因為本設(shè)計為濃縮原料乳，根據(jù)其特點可知需要加工的物料是為熱敏性物質(zhì)。并且查表可知需采用蒸發(fā)器進行濃縮原料。表1—1蒸發(fā)器的選用制品熱敏性制品粘度使用的蒸發(fā)類型說明無低或中等管式、板式、固定圓錐式水平管式不適于易結(jié)垢制品無或小高真空鍋、刮板膜式、旋轉(zhuǎn)圓錐式洋菜、明膠、肉浸出液的濃縮可采用間歇式熱敏低或中等管式、板式、固定圓錐式包括牛奶、果汁含固體適度的制品熱敏高刮板模式、旋轉(zhuǎn)圓錐式包括多數(shù)果汁濃縮液、酵浸出液及某些藥品。對漿狀制品只能用刮板膜式高熱敏低管式、板式、固定圓錐式要求單程蒸發(fā)高熱敏高旋轉(zhuǎn)圓錐式或板式要求單程蒸發(fā)。包括橙汁濃縮液、蛋白和某些藥物熱敏性特點：生物系統(tǒng)的物料多由蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、維生素以及其它許多色、香、味成分組成。這些物質(zhì)在高溫下或長期受熱時要受到破壞、變性、氧化等作用。所以許多食品的蒸發(fā)要嚴(yán)格考慮加熱溫度和加熱時間。①加熱溫度和加熱時間是不可分割的。食品蒸發(fā)的安全性與此二因素同時相關(guān)。這就是“溫時結(jié)合”.的概念，即把溫度與時間作為統(tǒng)一體來考慮。②從食品蒸發(fā)的安全性看，力求“低溫短時”,但還要考慮工藝上的經(jīng)濟性。在保證食品質(zhì)量的前提下，為提高生產(chǎn)能力，常采用“高溫短時”蒸發(fā)。由于料液的沸點與外壓有關(guān)，低溫相應(yīng)就是低壓，所以真空蒸發(fā)是食品工業(yè)蒸發(fā)應(yīng)用的顯著特點之一。③為了縮短蒸發(fā)操作時的加熱時間，一方面必須減小料液在蒸發(fā)器內(nèi)的平均停留時間，另一方面還要解決局部性的停留時間問題。關(guān)于這一點，目前已發(fā)現(xiàn)長管膜式蒸發(fā)器和攪拌膜式蒸發(fā)器在物料的停留時間問題上具有很大的優(yōu)點，從而在食品工業(yè)上獲得廣泛的應(yīng)用。蒸發(fā)裝置的設(shè)計根據(jù)以上的分析濃縮方案將采用：長管膜式蒸發(fā)器1●3●2真空蒸發(fā)選用提高生產(chǎn)強度的途徑之一是增大傳熱溫差△t,提高加熱蒸汽的溫度或是降低溶液的沸點均可增加△t.加熱蒸汽的溫度(及相應(yīng)壓強)受鍋爐額定壓強的限制，因此，在許多情況下，需要采用真空蒸發(fā)以降低溶液免遭破壞，并可利用工廠中低溫的水蒸氣作為熱源。1.3●3降膜式蒸發(fā)選用長管式蒸發(fā)器，從加熱器出來的汽液混合物經(jīng)分離器分離后，有的直接作為濃縮液排出，不再經(jīng)循環(huán)徑返回加熱器，有的則有部分濃縮液經(jīng)循環(huán)管返回。這類蒸發(fā)器的管束很長，約6—8m,而其截面積則很小。它具有很大的傳熱面，溶液送入管束后很快強烈沸騰，管子的中央部分充滿料液蒸汽，蒸汽從管口流出的速度可達100-120m/s.蒸汽以這樣的速度流動，料液就被帶動而沿管子內(nèi)壁形成上升或下降的液膜。被蒸汽帶動而沿管壁流動的液體速度可達20m/s,所以這種蒸發(fā)器被稱為液膜式蒸發(fā)器.長管蒸發(fā)器根據(jù)濃膜的流動方向可分為升膜蒸發(fā)器、降膜蒸發(fā)器及升降膜蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器上部區(qū)域，蒸汽體積急速增大，所產(chǎn)生的高速上升蒸汽使液體在管壁上形成一層薄膜，造成很好的傳熱條件。以后，汽液混合物進入分離器進行分離。濃縮液可直接排出，或與原料混合后再循環(huán)，或進入下一效進一步濃縮。這種蒸發(fā)器的特點是，在加熱器內(nèi)料液停留時間短，傳熱系數(shù)高，適于濃縮熱敏物料。升膜蒸發(fā)器的缺點：在管內(nèi)下部區(qū)域尚積存較多的液體，固而延長了接觸時間(約15~30min)通常還不能通過嚴(yán)格單程蒸發(fā)達到所要求的濃度，一般尚需部分再循環(huán)，加長了停留時間，在管子中部易發(fā)生結(jié)垢和蛋白質(zhì)沉積的現(xiàn)象。為了較徹底消除因液體積聚所造成的靜壓效應(yīng)，并吸取薄膜傳熱的優(yōu)點，出現(xiàn)了降膜蒸發(fā)器。降膜蒸發(fā)器能達到傳熱效率高，熱能經(jīng)濟性好，停留時間短的目的。降膜蒸發(fā)器因不存在靜液層效應(yīng)，物料沸點均勻，甚為廣泛，例如牛奶、果汁等散濃縮.根據(jù)以上的分析濃縮方案將采用：單效降膜式蒸發(fā)器蒸發(fā)裝置的設(shè)計2.單效蒸發(fā)工藝計算2●1物料衡算物料衡算可以求出蒸發(fā)水量。對溶質(zhì)作物料衡算可得：Fw?=(F-W)w?式中F——進料口原料液質(zhì)量流量，kg/h;w?—-完成液濃度，設(shè)計處理能力為20t/d,即2●2熱量衡算r=2371kg/hr’=2293kg/h《化工原理》P?52蒸發(fā)裝置的設(shè)計D=828.25kg/h2●3傳熱量計算Q=Dr=828.25×2371=1.963×10?KJ2●4傳熱面積計算由傳熱速率方程得到蒸發(fā)室的加熱面積為：K——傳熱系數(shù)，K=1500W/(m2·K);△t-—加熱蒸汽與操作液沸點之差，℃;式(2-3—1)中D、K已知，可查得200kPa的壓強下T=120.2℃,50kPa的壓強下t'=81.2°℃;由于溶液的蒸汽壓降低而導(dǎo)致的沸點升高△和液體靜水壓引起的沸點升高△"的存在，操作液實際沸點為：吉辛科公式：△'=f△?！街校嚎刹榈?0kPa下t’=81。2℃,r=2304。5kJ/kg,蒸發(fā)裝置的設(shè)計代入式(2-3-3)可得：△'=0.8819x1.2°℃=1.0583C設(shè)計中：液面的高度：H=3.0m;牛奶的密度查得1。038—1.040(g/ml),此處脫脂牛奶的密度取1.038g/ml即p=1.038×103kg/m3=65570Pa分別由壓強p和p查取水的相應(yīng)沸點為t和t,則靜壓效應(yīng)的沸點升高△"近t?=t?'+△'+△"=81.2°℃+1.0583°℃+7.3℃=89.5603℃根據(jù)經(jīng)驗降膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)約為1200—3500W/m2·K此處取K=1500W/m2.K代入公式(2-3—1)可得：蒸發(fā)裝置的設(shè)計≈43m22●5計算結(jié)果列表表2-4-1衡算及傳熱計算結(jié)果數(shù)值蒸發(fā)水量(kg/h)加熱蒸汽量(kg/h)666.67828。253。蒸發(fā)器主體工藝設(shè)計我們選取的降膜蒸發(fā)器的計算方法如下。3●1加熱部分的工藝計算3●1●1加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計管徑與長度的選擇應(yīng)根據(jù)溶液結(jié)垢難易程度、溶液的起泡性和廠房的高度等因素來考慮，易結(jié)垢和易起泡沫溶液的蒸發(fā)易選用粗短管，反之，則采用細長管。根據(jù)我們的設(shè)計任務(wù)和番茄汁的性質(zhì)，我們選用以下的管子：可以根據(jù)加熱管的規(guī)格與長度初步估計所需的管子數(shù)n,式中S-一蒸發(fā)器的傳熱面積，m2,由前面的工藝計算決定(優(yōu)化后的面積);L--加熱管長度，m;3●1●2加熱室直徑的確定管排列用三角形排列法蒸發(fā)裝置的設(shè)計真空度為0。08MPa查得p=0.117kg/m3-—《化工原理》P452—-《常用化工單元》3●1●4數(shù)據(jù)的核算根據(jù)公式則最終確定實際傳熱面積：S'=nnd(L-0.1)=46.53(m2)要求實際最大生產(chǎn)能力，所需熱量蒸發(fā)裝置的設(shè)計Q1=KS△t=1500×46.53×(120.2-89.56)=(kJ)由公式能力：和,得到實際最大生產(chǎn)3●2接管尺寸的確定3●2●1加熱蒸汽入口與二次蒸汽出口管徑p=0.358kg·m3(80°c)9m=pg,=2032kg/h因為是蒸汽，u的范圍一般為30~40m/s,現(xiàn)取u為35m/s—-《化工設(shè)計》表8.3管內(nèi)流速范圍P?g?所以D?根據(jù)熱軋無縫鋼管的規(guī)格(GB8163-87)取φ325mm×8mm的熱軋冷凝水的排出一般屬于液體自然流動，可根據(jù)加熱蒸汽的流量計算。由附表2可設(shè)冷凝水的流速為1m/s,則U?=1.5m/s忽略不凝蒸汽的排放，冷凝水的質(zhì)量流量約等于加熱蒸汽的質(zhì)量流量，即代入式(3—2-1)可求得：蒸發(fā)裝置的設(shè)計3●2●3料液管徑D.qm=pq=833.33kg/hu取0.5m/s蒸發(fā)器主要部件規(guī)格列表表3-5-1蒸發(fā)器主要部件規(guī)格部件名稱鋼號規(guī)格加熱管加熱蒸汽進口1冷凝水出口1二次蒸汽出口1京料脫脂牛乳進□14.附屬設(shè)備計算4●1●1蒸汽冷凝器冷凝水消耗量：蒸發(fā)裝置的設(shè)計C,——冷凝水比熱kJ/(kg·℃)t?、t?——冷卻水進、出口溫度(這里取進口25℃,出口40℃)設(shè)計選用水力噴射器做為冷凝器，它具有冷凝和抽真空兩種作用。其特點如1。兼有冷凝和抽真空作用，無需另配抽真空裝置；2。結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，噴射器本身沒有機械運轉(zhuǎn)部分，不要經(jīng)常檢修；3。適用于抽腐蝕性氣體；4.雖然水泵運轉(zhuǎn)時的實際消耗功率較大，但整個冷凝裝置的功率消耗仍較表6.不能獲得高的真空度，且真空度隨水溫之高低而變化.5.工藝設(shè)計的計算結(jié)果匯總數(shù)值物料處理量(kg/h)833。33加熱管加熱蒸汽進口冷凝水出口蒸發(fā)裝置的設(shè)計二次蒸汽出口京料脫脂牛乳進口實際傳熱面積(m2)實際最大生產(chǎn)能力(kg/h)深了對食品工業(yè)中單元操作的理解，初步掌握了工程設(shè)計的方法，并在處理設(shè)計1。0.1MPa下不同濃度蔗糖溶液的沸點升高濃度/%沸點升高2.某些流體在管道中常用的速度范圍流體種類常用流速/(m/s)水及一般液體黏度較大的液體低壓氣體易燃、易爆的低壓氣體(如乙炔等)壓強較高的氣體飽和水蒸氣0.8MPa以下0.3MPa以下過熱水蒸氣蒸發(fā)裝置的設(shè)計1.李云飛，葛克山等.食品工程原理.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2002.82.黃少烈、鄒華生主編，化工原理，北京：高等教育出版社20023.朱有庭、曲文海、于浦義主