食品工程原理课程研究设计——蒸发器的研究设计.doc

目 录1、 设计说明书22、 设计方案的确定33、 方案说明44、 物料衡算55、 热量衡算56、 工艺尺寸计算97、 附属设备尺寸计算158、 主要技术参数179、 计算结果汇总1710、设备流程及装备图1811、参考文献21设计说明书一、 题目: 蒸发器的设计 设计蒸发量为4吨/小时的双效真空浓缩装置，用于浓缩番茄酱的生产。已知进料浓度为4.25%，成品浓度为28%，第一效真空度为600mmHg,第二效真空度为700mmHg。加热蒸汽的压力为0.15 MPa二、 原始数据：1、 原料：浓度为4.25%的番茄酱2、 产品：浓度为28%的番茄酱3、 生产能力：蒸发量四吨每小时，一天工作10个小时4、 热源：加热蒸汽为饱和水蒸汽，压力0.15MPa5、 压力条件：第一效为600 mmHg的真空度，第二效为700 mmHg的真空度三、设计要求内容：1、浓缩方案的确定：蒸发器的型式、蒸发操作流程、蒸发器的效数等。2、蒸发工艺的计算：进料量、蒸发水量、蒸发消耗量、温差损失、传热量、传热面积等。3、蒸发器结构的计算：加热室尺寸、加热管尺寸及排列、蒸发室尺寸、接管尺寸等。4、附属设备的计算：冷凝器、真空系统的选用5、流程图及装配图绘制四设计要求1、设计说明书一份；2、设计结果一览表；蒸发器主要结构尺寸和计算结果及设备选型情况等；3、蒸发器流程图和装配图设计方案的确定1. 蒸发器的确定：选用外加热式蒸发器，它的特点是加热室与分离室分开，便于清洗和更换。这种结构有利于降低蒸发器的总高度，所以可以采用较长的加热管。并且，因循环管不受热而增大了溶液的循环速度，可达1.5m/s。2. 蒸发器的效数：双效真空蒸发。真空操作的压力小，故在蒸发器内物料的沸点就低，对于番茄这种热敏性较高的物料，采用真空蒸发降低沸点是有必要的。采用多效蒸发是减少加热蒸汽耗用量，提高热能经济性的有效措施。然而也不能无限地增加效数。理由如下：（1）效数越多，节省地加热蒸汽量就越少。由单效改为双效时，加热蒸汽用量可减少50%，但由四效改为五效只能节省10%，热能经济性提高不大。（2）效数越多，温度差损失越大，分配到各效的有效温度差就越小。为了维持料液在溶液沸腾阶段，每效的有效温度差不能小于5-7摄氏度。这样也限制了效数的增加。（3）热敏性溶液的蒸发，一般不超过三效。3. 加热方式：直接饱和蒸汽加热，压力0.15Mpa。4. 操作压力：效为600 mmHg真空度，效为700 mmHg真空度。5. 加料方式：并流式。其优点在于：（1）后一效蒸发室的压强比前一效的低，故溶液在效简述送不用泵而利用各效简的压力差;（2）后一效溶液的沸点较前一效的低，溶液进入后效时发生闪蒸现象，产生较多二次蒸汽；（3）高浓度溶液的温度依效序降低对浓缩热敏性食品有利。6. 辅助设备：冷凝器用水喷式冷凝器；惯性捕集器方案说明1. 本流程采用直接蒸汽加热，双效外加热式蒸发器，并流法蒸发。使用25水作为冷却剂，冷凝水出口温度为40。2. 设备流程： 1）物料：预热杀菌后的番茄酱由循环泵由下部进入，流经管内，由上部进入 蒸发分离室，先经加热器的管内上升，通过弯头进入另一台加热器，经加热料液由管内下降，以切线方向进入效蒸发分离器进行汽液分离。然后由物料泵送至效再蒸发。料液料液聚集到倾斜的底部，由排出口与循环管连接，经液位平衡器至效蒸发室，当效蒸发室达到平衡液位时，料液直接进入效加热器。蒸发产生的二次蒸汽与物料一起进入分离器。由二效分离器出来的物料浓度达到所要求28。2）加热蒸汽：效蒸发与其预热管内物料的热能由蒸汽供给，效蒸发和预热管内物料的热能全部为一效二次蒸汽供给。效二次蒸汽全部进入水喷式冷凝器冷却。3）本流程采用直接蒸汽加热，双效外加热式蒸发器，顺流法蒸发。优点是料液沸点依效序递降，因而当前效料液进入后效时，便在降温的同时放出其显热，供一小部分水分汽化，增加蒸发器的蒸发量。使用25水作为冷却剂，冷凝水出口温度为40。真空蒸发的条件：不断供给热量；要维持番茄酱的沸腾，需要不断供给热量。必须顺速排除二次蒸汽；如不及时排除二次蒸汽，又会凝结成水回到番茄酱中去。本操作中将二次蒸汽引入另一效蒸发器作为热源使用，热能利用率高。（一）物料衡算1、原料处理量:每小时处理量： （常用化工单元设备设计153页）式中原料处理量，kg/h；x0进效蒸发器料液的浓度，质量百分比；x2出效蒸发器料夜的浓度，质量百分比；W水分蒸发量kg/h；日处理量：每天10小时：471510=47.15 吨/日2、初步估算一、二效的蒸发水量由常用化工单元设备设计 P153取W1:W2=1:1.1故 W1=1904.8(kg/h)W2=4000-1904.8=2095.2(kg/h)其中，W1第效的蒸发量，kg/hW2第效的蒸发量，kg/h效二次蒸汽浓度=6.31%3、成品产量：F2=-W=4716-4000=716 kg/h（二）热量衡算1. 有关参数（1） 总蒸发量：4000 kg/h（2） 进料： =4.25%=61.1(查食品工程原理843页此温度下水的比热Cww=4179J/Kg.k)出料： =28% =41.4料液比热: （3） 真空度分配：第效：600mmHg =0.21105Pa（查得此压力下饱和蒸汽温度=61.1）第效：700mmHg =0.08105Pa （查得此压力下饱和蒸汽温度=41.4）来自食品工程原理741页饱和水蒸汽表二次蒸汽的热参数值如下表压力(Pa)T()比焓(KJ/kg)汽化潜热(kg)效加热蒸汽=1.5105=111.3=2695.1=2229.3效二次蒸汽=0.21105=61.1=2606.6=2352.5效加热蒸汽=0.08105=41.4=2570.2=2396.42、温差损失、温度损失的计算式中：温度差损失，操作压强下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，液层静压引起的温度差损失，管路流动阻力引起的温度差，常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，校正系数，无因次，其经验计算式为：式中：操作压强下二次蒸汽的温度，操作压强下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg式中：溶液内部平均压强，Pa液面上方的压强，Pa溶液液层高度，m （该题设其液层高度为6m）溶液密度，kg/m3该题密度为常温下番茄酱沸点升高 ()由压强51.223 kPa查表得：取3、W1,W2,D1物料衡算公式： 式中效蒸发水量 kg/hD1 D2效蒸汽量 kg/h12-效自蒸发系数-原料处理量 kg/hC0-原料比热 kj/kgk热利用系数（来自食品工厂机械与设备192页）根据逆流时的自然蒸发系数，按下式计算: 将式代入式中D2 =W1将式代入式中A=1.0085+1.0085=2.017第效蒸发量 第效蒸发量与初估各效蒸发水量比较误差3，可不必对各效蒸发水量及浓度加以修正。3第效放出浆量及浓度4.、 效加热面积的确定效传热量：效传热量： 各效有效温度差： 其中两效间温度损失=1各类蒸发器传热系数（食品工程原理P722）蒸发器型式传热系数K（w/ m2k）蒸发器型式传热系数K（w/ m2k）水平沉浸加热式6002,300升膜式1,2006,000标准式（自然循环）6003,000降膜式1,2003,500标准式（强制循环）1,2006,000悬筐式6003,000外加热室式（自然循环）1,2006,000蛇管式3502,300外加热室式（强制循环）1,2007,000通过上表按经验数据取：强制循环 自然循环 第效加热面积： 第效加热面积：（三）工艺尺寸计算1、效加热器的尺寸 根据常用化工单元设备设计162页，采用321.5mm不锈钢管，管长L=3 m（根）式中 S传热面积，；加热管直径，m； L管子长度，m 。取管间距为1.25的同心圆排列：同心圆数根数同心圆直径16212318425根据排列四层共61根管子第效加热面积： 加热室壳体直径的计算： 式中 D壳体直径，m；t管间距，m； b 沿直径方向排列的管子数 e 最外层管中心到壳体内壁的距离，取管子在管板上的排列间距： 中心排列管子数：（根） 内径根据常用化工单元设备设计163页 取外壳壁厚=10mm 外径 将外径圆整到400mm2、效加热器的尺寸 采用321.5不锈钢管，管长L=3 m（根） 取管间距为1.25的同心圆排列：同心圆数根数同心圆直径16212318425531637743850956在各级中心安装一根50mm的抽气管，所以取消了一、二层排列，同时在160240之间的管板内，加一根200mm中央抽气管，所以排列总管数为260根。第效加热器实际加热面积：加热室壳体直径的计算： 中心排列管子数：（根） 内径根据常用化工单元设备设计163页 取外壳壁厚=12mm 外径 将外径圆整到800mm3、蒸发室直径的确定第效： m式中 效蒸发水量 kg/h二次蒸汽比体积 二次蒸汽上升速度 查食品工程原理841页并用内差法计算得61.1饱和水蒸汽的密度取第效： m式中 效蒸发水量 kg/h二次蒸汽上升速度 m/s二次蒸汽的比体积 查食品工程原理841页并用内差法计算得41.4饱和水蒸汽密度取4、蒸发室的截面积F=第效：F1=2第效F2=2.545、蒸发室的高度根据常用化工单元设备设计163页取蒸发室高径比H/D=2第效： 第效：6、循环管尺寸上循环管直径取 下循环管直径取 式中 加热管内径；n加热管根数。7、连接管直径的确定1、加热蒸汽进口管径dmdm=式中：Fm进口管截面积， Vm加热蒸汽的比容，m3/kg 根据加热蒸汽压力为0.15Mpa，由食品工程原理饱和水蒸汽表查得 Vm= 1/0.7334=1.3635m3/kg 由食品工厂机械与设备得：加热蒸汽进口压力为3大气压，取饱和蒸汽的速度为30米/秒，蒸汽进口压力为1大气压，取饱和蒸汽的速度为25米/秒，故本题加热蒸汽进口压力为1.5大气压，取饱和蒸汽的速度为26.25米/秒。 饱和蒸汽速度，26.25m/s 故 由食品工程原理P852：取整后选用，壁厚,内截面积为所以实际饱和加热蒸汽的速度：2、效二次蒸汽出口进入效的管径：效二次蒸汽出口的温度为，由食品工程原理841页饱和水蒸汽表查得由食品工厂机械与设备在减压真空状态下，管的出口处二次蒸汽速度为100160米/秒，取 v1=100m/s 所以 d1=0.223m取整后选用，壁厚,内截面积为的普通无缝钢管3、效二次蒸汽的出口管径：效二次蒸汽的出口温度为41.4，由食品工程原理查得密度由食品工厂机械与设备查得，取v2=150m/s d2=0.296m取整后选用，厚为8mm，内截面积为的普通无缝刚管附属设备尺寸计算选用水喷式式冷凝器冷凝器选用喷射式冷凝器，它由喷射器和离心水泵组成，又称水力喷射器，兼有冷凝及抽真空两种作用。其工作原理是利用高压水流，通过喷嘴喷出，聚合在一个焦点上，由于喷射的水流速度较高，在周围形成负压区，水流经扩散管增压排出，而在负压区可以不断地吸入二次蒸汽，经导向盘与冷却水接触，冷凝后一起排出。取冷凝水进口温度： =25 出口温度： = 40冷凝水消耗量：W水蒸汽量 kg/hH-水蒸汽焓 kJ/kgCP-冷却水比热 kJ/kgt1，t2冷却水进、出口温度 喷嘴数计算由蒸发过程设计P36得到，设气室为1个大气压，水室2.5个大气压，喷嘴直径d=15mm，流量系数=0.93 通过一个喷嘴的水流量故 q=0.933600 =32.24 (m3/h)喷嘴数 N=2.45（个）取整数为 N=3个捕集器选用惯性捕集器，其作用是防止蒸发过程形成的细微液滴被二次蒸汽带出，对汽液进行分离，以减少物料的损失，同时避免污染管道及其他蒸发器的加热。捕集器的型式很多，可分为惯性型和离心型等类型。主要技术参数机组号项目效蒸发器效蒸发器进料浓度4.5%6.31%进料温度61.1-进料量kg/h47162047.68二次蒸汽压力MPa0.0210.008蒸汽温度61.141.4出料浓度6.31%28%出料量kg/h2047.68716计算结果汇总表料液处理量，kg/h4716蒸发水量,kg/h4000产品产量, kg/h716蒸汽用量, kg/h2047.68冷凝水用量，kg/h78700效蒸发器直径,m1.6效蒸发器直径,m1.8效蒸发器传热面积, m213.68效蒸发器传热面积, m270.56效蒸发器高度,m3.2效蒸发器高度，m3.6加热管尺寸,mm上循环管直径，m0.32下循环管直径，m0.52加热蒸汽进口管径，mm219效二次蒸汽出口进入效的管径，mm245效二次蒸汽的出口管径，mm325分布器旋液式捕集器惯性捕集器冷凝器水喷式冷凝器设备流程及装备图（一）设备流程图（二）一效蒸发器简图（三）惯性捕集器参考文献（1）食品工程原理 李云飞，葛克山主编 北京：中国农业大学出版社，2004年8月第2版（2）化工单元过程及设备课程设计 匡国柱、史启才编化学工业出版社，2001。（3）食品工厂机械与设备 无锡轻工业学院，天津轻工业学院编，北京：中国轻工业出版社，1981年2月第1版（5）化工原理 王志魁主编 北京：化学工业出版社，1998年10月第2版（6）蒸发过程设计 天津轻工业学院编北京：中国轻工业出版社, 1995年10月