升膜蒸发器设计计算说明书样本.doc

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《食品工程原理》课程设计
目录

一 《食品工程原理》课程设计任务书 2
(1)．设计课题 2
(2)．设计条件 2
(3).设计要求 2
(4).设计意义 3
(5).主要参考资料 3
二 设计方案的确定 3
三 设计计算 4
3.1.总蒸发水量 4
3.2.加热面积初算 4
( 1) 估算各效浓度 4
( 2) 沸点的初算 4
( 3) 温度差的计算 5
( 4) 计算两效蒸发水量, 及加热蒸汽的消耗量 6
( 5) 总传热系数K的计算 7
( 6) 分配有效温度差, 计算传热面积 9
3.3.重算两效传热面积 9
( 1) 第一次重算 9
3.4 计算结果 11
四 蒸发器主要工艺尺寸的计算 11
五 简图-----------------------------------------------------------------------------------------------------13
( 1) 工艺流程图-----------------------------------------------------------------------------------------13
( 2) 细节图-----------------------------------------------------------------------------------------------14

一 《食品工程原理》课程设计任务书

(1)．设计课题:
番茄汁浓缩工艺装置的设计计算

(2)．设计条件:
题目1: 番茄汁低温浓缩工艺装置的设计
设计任务及操作条件:
生产能力: 1170kg/h
原料固形物含量: 10%
浓缩要求: 使固形物质量分数浓缩至36%
液加入温度料: 25℃
原料最高许可温度: 58℃
浓缩液经冷凝后出口温度: 25℃
加热介质: 100℃的饱和蒸汽。
物料平均比热为3.50 kJ/(kg·K), 忽略浓缩热
试设计一套双效升膜蒸发系统, 满足上述工艺要求。

(3). 设计要求:
1.设计一套双效升膜蒸发系统( 满足上述工艺要求并包括料液输送系统, 蒸发系统, 冷凝水分离排除系统及真空系统) ;
2.提交设计计算说明书一份( 应包括目录、 设计计算任务书、 设计方案的确定、 各系统的设计计算及设备选型、 简略的技术经济分析、 参考文献资料等) ;
3.工艺布置简图一幅( 可附在设计计算书上) ;
4.注意收集、 阅读参考资料, 形成设计方案;
5.提交日期: 12月30日。

(4). 设计意义:
1.蒸发能够除去番茄汁中的大量水分, 减少包装、 贮藏和运输费用。蒸发还能提高番茄汁的糖分浓度, 增加番茄汁的耐贮藏性。选用升膜蒸发, 果汁在蒸发器内经过一次加热、 汽化、 分离过程, 不进行循环, 在蒸发器内停留时间短, 这对热敏性的番茄汁是有利的。蒸发操作是一个能耗大的过程。采用多效蒸发是降低能耗的最有效方法。随着效数的增加, 总蒸发量相同时所需新鲜蒸汽量减少, 操作费用降低; 但效数越多, 设备费用越高, 而且随着效数的增加, 所节约的新鲜蒸汽量越来越少。因此本次设计效数选为Ⅱ效。
2.当料液进入后效时会产生自蒸发, 且番茄汁浓度依效序增加, 高浓度番茄汁处于较低温度时对热敏性的番茄汁是有利的。
3.经过课程设计, 要求学生综合运用本课程和前修课程基本知识, 进行融会贯通, 独立思考, 在规定的时间内完成指定的化工单元操作的设计任务, 培养学生运用课本知识解决实际问题的能力, 从而得到化工工程设计的初步训练, 为以后更为复杂的设计打下良好的基础。

(5). 主要参考资料:
1.夏清、 陈常贵主编, 姚玉英主审, 化工原理,天津大学出版社, , 1
2.华南理工大学化工原理教研组, 化工过程及设备设计,华南理工大学出版社.1995
3.化工设备的选择与工艺设计, 中南工业大学出版社. 1992
4.丛德滋等, 化工原理详解与应用, 化学工业出版社. , 7, 151-158
5.张承翼 李春英, 化工工程制图, 化学工业出版社. 1997
6.张桂昭, 三效逆流加料蒸发器的设计, 化工设计. 1996( 6) : 6-10
7.蒋迪清等, 食品通用机械与设备, 华南理工大学出版社, , 7, 111-13
8.各类化学工程学报、 期刊、 化工设备手册及其化工机械设备产品广告

二 设计方案的确定
一．对果汁进行浓缩的好处:
1.减少包装、 运输和贮藏的费用;
2.防止腐败;
3.改进口感。

二.确定设计方案:
考虑到高温会破坏果汁的品质, 故采用真空低温蒸发来对番茄汁进行浓缩操作; 由处理物料( 原料) 的性质及设计要求知, 番茄汁黏度大、 不易生泡沫, 考虑到经济和效率问题, 选用双效升膜蒸发系统, 根据设计要求, 采用并流双效升膜式蒸发器蒸发。选用2m长φ38×3mm的无缝不锈钢管作加热管。

三 设计计算
3.1总蒸发水量

3.2加热面积初算
( 1) 估算各效浓度:
第一效蒸发后:
由经验公式: : 1:1.1
而
解得:

( 暂取15%)
( 2) 沸点的初算
查表: T=100℃时, P=101.33kpa; T=25℃时, =3.1684kpa
设两效蒸汽压强相等

解得时, 查表沸点℃; ℃,
第二效加热蒸汽=—1=82.19-1=81.19℃

蒸 汽
压力/KPa
温度/℃
汽化热/( KJ·Kg-1)
Ⅰ效加热蒸汽
101.33
100
2258.4
Ⅰ效二次蒸汽
52.2492
82.19
2301.7
Ⅱ效加热蒸汽
50.0
81.19
2304.0
Ⅱ效二次蒸汽
3.7622
26
2432.7
进冷凝器蒸汽
3.1684
25
2435.0
( 3) 温度差的计算
①将该溶液当作蔗糖溶液处理, 各效由于溶液的沸点升高引起的温度损失差为:
/％
15
36
/K
0.2
0.84
g/
1．0611
1.1585
第一效时:

℃
第二效时:

℃
℃
②由液柱静压力引起的温度差损失: ( 取液层高度为2m)
第一效:
此压强下℃, ℃
第二效:
此压强下℃, ℃
℃
③取管路引起的损失℃
℃
④各效料液的沸点和有效总温差
各效温度差损失: Ⅰ效: 4.75+0.18+1=5.93℃
Ⅱ效: 27.66+0.50+1=29.16℃
各效溶液的沸点: Ⅰ效: 82.19+5.93=88.12℃
Ⅱ效: 26+29.16=55.16℃
各效有效温差为: Ⅰ效: 100-88.12=11.88℃
Ⅱ效: 81.19-55.16=26.03℃
最大可能温差: ℃
损失温差: ℃
有效总温差: ℃
( 4) 计算两效蒸发水量, 及加热蒸汽的消耗量
由题意知料液平均比热为,
查表得水的比热为
作第一效热量衡算, 得
其中
因此
----------------①
同理作第二效热量衡算, 得
其中
因此

----------------②
整理得
代入①式可得:
由②式可得:
( 5) 总传热系数K的计算
查表得不锈钢管的导热率为
浓度

15％
1061.1

36％
1158.5

第一效时:

由管内沸腾传热系数的关联式有:

49188
饱和水蒸气的传热系数由下公式可求得:

传热外表面的总传热系数K由下公式计算:

℃)

同理可得, 第二效时:

由管内沸腾传热系数的关联式有:

饱和水蒸气的传热系数由下公式可求得:

传热外表面的总传热系数K由下公式计算:

℃)
( 6) 计算传热面积
为与加热蒸汽耗量符号S区分, 故以下面积符号采用

3.3重算两效传热面积
( 1) 第一次重算
由于两效传热面积相差太大, 故应调整各效的有效温度差, 并重复上述计算步骤再算重新分配有效温度差

校正各效沸点、 蒸发水量和传热量
因第二效完成液沸点不变, 因此℃
第二效加热蒸汽温度为℃
该温度下对应的汽化热r=2321.40KJ/Kg
第一效二次蒸汽温度℃

由和得第一效沸点℃
该温度下对应的汽化热r=2331.95KJ/Kg,

=0.9491-86.68 ----------------①

----------------②
①②解得:

两效的传热面积比较接近, 故不在重算
考虑留适当设计余量, 一般加大10~15%,取

3.4 计算结果
蒸发器序号
加热面积
蒸发水量
加热蒸汽消耗量
第一效
第二效
8.3
8.3
428.6
416.4
542.9
428.6
总和
16.6
845.0
971.5

四 蒸发器主要工艺尺寸的计算
( 1) 加热室
传热管数目

管子采用正三角形排列

采用胀管法, 取t=1.5d0
t=1.5d0=1.5×38=57mm
取=1.5d0
=1.5d0=1.5×38=57mm
加热室的直径

圆整后, 取加热室直径D为550mm.
( 2) 分离室
分离室体积计算式为:

其中, U为蒸发体积强度, 一般允许值为, 在此取。
将工艺计算中二次蒸气的温度和流量以及根据温度所查得的二次蒸气的密度列于下表:
效次
Ⅰ
Ⅱ
二次蒸汽温度( ℃)
75.19
26
二次蒸汽流量( kg/h)
428.6
416.4
二次蒸汽密度( kg/m3)
0.2435
0.0245

为方便起见, 各效分离室的尺寸均取一致, 因此体积V取最大值。
确定需考虑的原则:
①
②
③在允许的条件下分离室的直径应尽量与加热室相同
根据
取
得

五.简图

( 1) 工艺流程图

( 2) 细节图
①双效升膜蒸发器:

蒸发器选取理由: 溶液以液膜的形式一次经过加热室, 不进行循环。传热效率高, 蒸发速度快, 溶液在蒸发器内停留时间短 , 因而特别适用于热敏性物料的蒸发。
②金属丝除沫器:

除沫器选取理由: 选用金属丝除沫器, 利用液体的惯性使气液分离, 以除去液沫, 二次蒸汽经过多层金属丝网, 液滴黏附于金属丝网, 二次蒸汽透过, 易于达到99%以上的除沫效率。
③填料式冷凝器:

1.冷水 2.二次蒸汽 3.冷凝水 4.不凝气 5.喷嘴 6.填料
冷凝器选取理由: 选用填料式冷凝器, 冷凝器中装有一定高度的填料层, 填料层由许多瓷环或其它材料充填而成, 瓷环体内外表面就是两种流体接触面。冷却水与上升的二次蒸汽在填料表面换热, 混合后的冷凝水由底部引出, 不凝气由顶部排出。
④水力喷射真空装置:

真空泵选取理由: 水力喷射真空泵体积小, 重量轻、 结构紧凑。效能又比较高, 耗电量低, 操作简单维修方便, 不用专职人员管理, 由于无机械传动部份, 因此噪声低, 不需消耗润滑油。能够室外低位安装, 占地面积少, 能够节省厂房建筑面积与安装费用。