食品工程原理课程设计--葡萄汁双效浓缩工艺装置设计.docx

食品工程原理课程设计--葡萄汁双效浓缩工艺装置设计
食品工程原理课程设计

题 目：
葡萄汁双效浓缩工艺装置的设计任务书
姓 名：
李云诺
学 号：
2014309200809
学 院：
食品科学技术学院
专业班级：
食工1404
指导教师：
刘友明 胡杨
职 称：
副教授 讲师

中国·武汉
2016 年 12 月

14 / 29

目 录
前言 .............................................................. 2
1. 设计概论与设计方案 ............................................... 3
1.1 设计名称 ..................................................... 3
1.2 设计条件 ..................................................... 3
1.3 设计任务 ..................................................... 3
3. 总平面设计的简要说明 .......... 4
4. 工艺设计的思路与内容的说明 ....................................... 4
4.1 生产工艺流程 ................................................. 4
4.2 设备选择 ..................................................... 5
4.2.1 设备的选择要求 ............................................ 5
4.22 设备的选取范围 ............................................ 5
4.3 设计内容 ..................................................... 5
4.4 工艺流水线设计简图 ........................................... 6
4.5 双效降膜式蒸发器的设计计算 ................................... 7
4.5.1 双效降膜式蒸发器工作原理图 .............................. 7
4.5.2 各效蒸发量与完成液浓度估计 ................................ 7
4.5.3 估算二次蒸汽压强与溶液沸点 ................................ 8
4.5.4 估算各效温度差损失 ........................................ 8
4.5.5 加热蒸汽消耗量与各效蒸发量 ............................... 10
4.5.6 蒸发器传热面积的计算 ..................................... 10
45.7 分配有效温度差 ........................................... 11
4.5.8 各种温度差损失 ........................................... 11
4.5.9 重算加热蒸汽消耗量与各效蒸发量 ........................... 12
4.5.10 重算传热面积 ........................................... 13
4.5.11 加热管的选择 ......................................... 13
4.5.12 复核总传热系数 ......................................... 13
4.6 设计计算结果列表 ............................................ 16
6. 结论 ............................................................ 17
7. 参考文献 ........................................................ 18

1. 设计概论与设计方案

1.1 设计名称

葡萄汁双效浓缩工艺装置的设计 设计条件
1) 处理物料量：3600 ㎏/h
2) 生产要求：每日 10000kg（10 吨）
3) 物料温度：25℃
4) 原料固形物含量：11.0%
5) 浓缩液固形物含量：36.0%
6) 原料最高许可温度：78℃
7) 物料平均比热为 3600J/(kg·℃)（略浓缩热）
8) 加热蒸汽压：标准大气压 101.33KPa
9) 冷凝器的绝压：20KPa
10) 加热蒸汽液在饱和温度下排除（忽略热损失）。

4. 工艺设计的思路与内容的说明

4.1 生产工艺流程

4.2 设备选择
4.2.1 设备的选择要求

1) 便于设备维护和喷淋洗净；
2) 高效节能，符合生产要求，生产率高；
3) 水果在提升中尽量不被破碎以防引起污染，影响产品质量，但适当的碰撞 和摩擦有利于清除表皮污物、农药残留以与残次果中腐烂变质部分；
4) 便于扩大生产；
5) 结构简单、噪音小、成本低、占地面积小。

4.2.2 设备的选取范围
各种类型型号的泵、筛选清洗设备、输送设备、压榨设备、离心设备、降膜式蒸发器、加热装置灭菌设备。

4.3 设计内容

主要通过双效蒸发系统以每小时 2000Kg 的流量将质量分数为 14%的葡萄汁浓 缩到 68%，原料在第一效的沸点下加入，加热蒸汽压为标准大气压，冷凝器为 20KPa。 期间各加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出，忽略热损失，然后计算出相关关系，选 择合适的设备。

4.4 工艺流水线设计简图

4.5 双效降膜式蒸发器的设计计算

双效降膜式蒸发器

4.5.1 双效降膜式蒸发器工作原理图

4.5.2 各效蒸发量与完成液浓度估计

总蒸发量W F (1- x0 ) = 3600 ´(1- 0.11) = 2500kg / h
x1 0.36
因本设计为双效并流蒸发系统，故可设： W1:W2=1:1.1
W=W1+W2

联立以上两式，解得：
1

W1=2500 ´

W2=2500 ´
从而得：


2.1
1.1

2.1
=1190kg/h

=1309kgh

x1 -
Fx0 F - w1
= 3600´0.11 3600 - 1190
= 0.1138

4.5.3 估算二次蒸汽压强与溶液沸点 暂且忽略各种温度差损失，认为蒸汽通过各效的压强降相等：

Dp = pi
pk
= 101.3 - 20 = 40.65kpa
2

由各效的压强差求得各效蒸发室的压力为：
pl = pi-Dp = 101.33 - 40.65 = 60.68kpa

由 pl 从《食品工程原理》中查的相应的二次蒸汽的温度和汽化潜热：

T1 = 85.89°C

r1 = 2293.05kJ / kg

已知冷凝器绝对压强为 20kpa,查得相应水蒸气的温度 Tk = 60.1°C ，由经验值可知 因流动阻力而损失的温度差为1°C ，故第二效二次蒸汽温度 T2 = 61.1°C ，查得相 应的汽化潜热 r2 = 2352.5kj / kg ，压强为 P2=21.04KPa.
4.5.4 估算各效温度差损失

l 因溶液蒸汽压下降引起的温度差损失
对于第一效：二次蒸气温度 T1=85.89 °C ，此温度下的水的汽化热为
a
r1=2293.05kj/kg，常压下 22.51%的蔗糖沸点升高 D' = 0.35 ，故

2
D' = 16.2´ (273.2 + 85.89)

´ 0.35 = 0.32°C

1 22293050
对于第二效：二次蒸汽温度 T2=61.1 °C ，此温度下的水的汽化热为 r2=2352.5
´ 103kj/kg,

a
常压下 68%的蔗糖沸点升高 D' = 4.58 ，故：

D
2
' = 16.2´ (273.2 + 61.1)
2 2352500

´ 4.585 = 3.52°C

1 2
l 因蒸发器内液层静压强引起的温度差损失 本设计采用降膜式蒸发器，无静压效应，故 D'' - D''


= 0

1 2
l 因流动阻力引起的温度差损失 根据经验值，取效间蒸汽因流动阻力效应温度差降低 1 °C ，与 D''' - D''' = 1°C
l 总的温度差损失
' ' '' '' ''' '''
D = D1 + D2D1 + D2 + D1 + D2 = 5.84°C
l 估计各效料液沸点与有效温度差
1 1 1
各效溶液沸点分别为 t = T '' + D' + D'' = 85.86 + 0.32 + 0 = 86.21°C

'' ' ''
t = T2 + D2 + D2 = 61.1+ 3.52 + 0 = 64.62°C
第二效加热蒸汽温度为 T2=T1-1=85.89-1=84.89 °C 查得相应加热蒸汽的汽化潜热 r2=2295.48 ´ 103kj/kg.
查得 pi =101.33kpa 饱和水蒸气的温度 T1=100 °C ,对应的汽化潜热 r1=2258.4 ´ 103kj/kg.
项目
第一效
第二效
加热蒸汽
压强 p( kpa )
101.33
-
温度 T (kpa)
100
84.89
汽化热 r( kj / kg )
2258.4
2295.48
二次蒸汽
压强 p( kpa )
60.68
21.04
温度 T (°C)
85.89
61.1
汽化热 r( kj / kg )
2293.04
2352.5
温度差损失
D' (°C)
0.32
0

因此，有效总温差为 Dt = (T1 - Tk ) - D = (100 - 60.1) = 34.06°C 现将各数据列于本表中

D'' (°C)
0
0
D''' (°C)
1
1
溶液沸点 t（ °C ）
86.21
64.62

有效温度差 Dt （ °C ）

13.79

20.27

总有效温度差 Dt （ °C ）

34.06

1 = 0.96´

2293.05 ø

第二效：查得葡萄的定压比热容容 360Kj/(Kg·k),水的定压比热容为 4.187， 故葡萄汁的：
Cp0 = 4.187´(1- 0.2251) + 3.60´0.2251 = 4.05Kj / (Kg.K)

éW r
W = h 1 1 + (F × C

-W × C
)× t1 - t2 ù

2 2 ê
ë r2
p0 1 pw
ú
r2 û

= 0.96 ´ éW1 × 2295.48 + (2000 ´ 4.050 -W × 4.187)× 86.21- 64.62 ù

w = W1 + W2
又因为:
êë 2352.5 1 2352.5
úû

联立以上三式得：W1 =789.40Kg/h W2 =789.79Kg/h D=884.43Kg/h
本设计应验算由焓变衡算求得的W1 与初设值的相对误差，但根据经验知第一次计
算结果往往不符合要求，故暂不验算。先计算传热面积，若计算出是传热面积不 相等，在重新调节各效有效温度差，为第二效重复计算作准备。
4.5.6 蒸发器传热面积的计算

查得降膜式蒸发器的总传热系数 K 值范围为：1200-3500W/（ m2 × °C )

故我先假设第一效、第二效的 K 值均为 2500W/（ m2 × °C ）

S1 =
Q1
K1Dt1
= Dr1 K1Dt1
= 844.43´ 2258.4 ´1000 = 15.37m2
3600 ´ 2500 ´13.79

S1 =
Q2
K2 Dt2
= W1r1 K2 Dt2
= 798.40 ´ 2295.48 ´1000 = 10.04m2
3600 ´ 2500 ´ 20.27

相对偏差
x = 1- Smin
Smax
= 1- 10.04 = 34.65% > 3%
15.37

，相对偏差大于规定值，故重复计

算。

4.5.7 分配有效温度差

1
S = S1Dt1 + S2 Dt2 = 15.37 ´13.79 +10.04 + 20.27 = 12.20m2

Dt2
34.06

Dt = S1Dt1 = 15.37 ´13.79 = 17.37°C

1 Dt
12.20

Dt = S2Dt2 = 10.04 ´ 20.27 = 16.69°C
2 S 12.20
4.5.8 各种温度差损失

因冷凝器压强与完成液的浓度没有变化，故第二效二次蒸汽的参数与溶液沸点均 无变化。即
T2 = 61.1°C r2 = 2352.5kKj / Kg t2 = 64.62°C 故第二效加热蒸汽温度为 T2 = 64.62 +16.69 = 81.31°C
查《食品工程原理》附表得出相应的汽化热： r2 = 2304.50Kj / Kg
...
第一效二次蒸汽温度为： T1 = T2 + D2 = 82.31°C 查《食品工程原理》附表得出相应的汽化热： r1 = 2301.98Kj / Kg 压强为：
P1 = 52.23KPa

X
F
X = 0
= 2000 ´ 0.14

= 0.2330

第一效完成液浓度为： 1
F W1

2000 - 798.40

常压下 23.48%的蔗糖沸点升高

故溶液压强下降引起的温度差损失为：

(273.2 + 82.31)2

D, = 16.2´ ´ 0.366 = 0.33°C
1 2301980

,, ,,,
D1 = 0°C D1 =1°C

所以：
, , ,, ,, ,,, ,,,


D = D1 + D2 + D1 + D2 + D1 + D2 =
(100 - 60.1) - (0.33 +3.52) = 34.05°C

前面重新分配的有效温度差 Dt1 = 17.37°C ， Dt2 = 16.69°C ，故
t =17.37 +16.69 = 34.06°C ，此与 34.05°C 无明显区别，故认为前面与 Dt1 有关的参 数不做变动。
, , ,,
第一效溶液沸点为： t1 = T1 + D1 + D1 = 82.31+ 0.33+ 0 = 82.64°C
温度差重新分配后的各数据如下所示：
项 目
第一效
第二效

加热蒸汽
压强 P （KPa）
101.33
--
温度 T(℃)
100
81.31
汽化热 r（Kj/Kg）
2258.4
2304.50

二次蒸汽
压强 P （KPa）
52.23
21.04
温度 T(℃)
82.31
61.1
汽化热 r（Kj/Kg）
2301.98
2352.5

温度差蒸汽
△，（℃）
0.33
3.52
△，，（℃）
0
0
△，，，（℃）
1
1
溶液沸点 t（℃）
82.64
64.62
有效温度差△ti（℃）
17.36
16.69
总有效温度差△t（℃）
34.06

4.59 重算加热蒸汽消耗量与各效蒸发量

W1=η1(Dr1/r1)=0.96×D·2258.4/2301.98
W2=η2[W1r2/r2 +(F·cp0-w1·cpw)·t1-t2/r2]

=0.96[W12304.50/2352.5+(2000×4.05-w1·4.187)·82.64-64.62/2352.5]
W=W1+W2
联立以上三式解得：
W1=800.49Kg/h W2=787.71Kg/h D=849.93Kg/h 校核各项蒸发量：
εw1=1-798.4/800.49=0.26％≤3％ εw2=1-787.71/789.79％≤3％

由焓衡算获得的蒸发量与初设值的相对误差在工程计算可以接受的范围内。 因初设值与计算值相差甚微，故前面与蒸发量有关的参数不再重复。
4.5.10 重算传热面积 S1=Q1/K1△t1=Dr1/K1△t1
=849.93×2258.5×1000/3600×2500×17.37
=12.278m2
S2=Q2/K2△t2=W1r1/K2△t2
=800.49×2304.5×1000/3600×2500×16.69
=12.281m2
相对偏差ζ=1-Smin/Smax=1-12.278/12.281=0.02％<3％ 迭代计算结果合理，去传热面积为 12.281m2

4.5.11 加热管的选择

采用Φ25×2mm,长为 8m 的黄铜管作为加热管，则管数为： n=s/Õ dL=12.281/ ×0.021×8=23.26≈24
4.5.12 复核总传热系数

以下公式所用符号意义如下：
ai-一管内葡萄汁沸腾传热系数，W/(m2·℃）； ai 一管外侧蒸汽冷凝传热系数，W/(m2·℃）； uL 一葡萄汁粘度，Pa·s;
ρL 一葡萄汁密度，Kg/m3;
CpL 一葡萄汁比热容, Kj/(Kg. K) ; g 一重力加速度 m/s2;
M 一单位时间内管子周边上流过的溶液质量； n 一管数 ；
r 一饱和水蒸汽的冷凝潛热, Kj/Kg; L 一降膜式加热管的高度, m; λ一冷凝水的导热系数, w/(m2 ·℃); ρ一冷凝水的密度, Kg/m3;

µ 一冷凝水的黏度, Pa·s;
△t 一水蒸汽饱和温度与加热管壁面温度之差,℃。
査书得以下参数: (部分数据参照蔗糖和水的参数性质, 可能影响计算结果) 86.21℃时：
L
L
λ=0.6821 W/(m2·℃) u =0.68×10-3Pa·s ρ=958.4Kg/m3; ρ =1040Kg/m3;
µ=0.2824X10-3 Pa· s σ=0.062 N/m
s =0.062N/m lL =0.6622W(m 2 ·℃)
l
R=2304.5KJ/Kg =0.6615W/( m 2 ·℃)

-3
2 -3
r =980.1kg/ m 2 m =1.05X10 pa·s 64.62℃时：
λL=0.6755W/(m ·℃) uL=24.52×10 Pa·s
3
r=2258.4 Kj/Kg ρL=1308.8Kg/m σ=0. 062 N/m λ=0.6615 W/(m2·℃)
2 3
λL=0.6622 W/(m ·℃) ρ=980. 1 Kg/m r=2304.5 Kj/Kg µ=1.05x10-3 pa· s 第一效：
按进口条件计算管内沸腾传热系数a i：

M = W
m L PdnmL
= 2000
P0.021´ 24 ´ 0.68´10-3


´ 3600

=516

ç ÷
1450 ´ æ CPL · mL ö
-1.06

=1450 ´
-1.06
3 -3
æ 4.05´10 ´ 0.68´10 ö
ç ÷

=326.9

è lL ø
è 0.6755 ø

æ C · m
-1.06
ö M

即a i = ´ ç PL L ÷ <

è lL ø m L
1


-1.06


0.4

3 3
3 æ r gl ö
æ C · m ö
æ M ö

所以a i =7.69 ´ 10 · ç L L ÷
m 2
· ç PL L ÷
l
· ç m ÷

è L ø è L ø è L ø

1
æ 3 ö3


3 -3


0.65

=7.69 ´ 103 ´ ç 1040 ´ 9.81´ 0.6755 ÷ ´ æ 4.05´10 ´ 0.68´10 ö
´ 5160.4

ç (0.68´103 )2 ÷ ç
0.6755 ÷

è ø è ø

=4418W/ m 2 ·℃

1
æ r r 2 gl 3 ö4
a 0=1.13 ç ÷
è m LDt ø

1
3 2 3 4
æ 2258.4 ´10 ´(958.4) ´ 9.81´(0.6821) ö
=1.13 ´
ç ÷
ç 0.2824 ´10-3 ´ 8´17.37 ÷
è ø

=720 W/ m 2 ·℃

3 2
查书取管内侧污垢热阻 Rsi =8.608 ´ 10 m ·℃/W,忽略管壁热阻，则总传热系 数为：

K=
1
+ RW
1
d0 + d0
= 1
1 + 8.608´103 ´ 25 + 25
=582.6 W/ m 2 ·℃

a0 di
第二效：
a0di
720 21 4418´ 21

按进口条件计算管内沸腾传热系数a i

M = W
m L PdnmL
= 1199.51
P0.021´ 24 ´ 0.68´10-3


´ 3600

=8.59

ç ÷
1450 ´ æ CPL · mL ö
-1.06

=1450 ´
-1.06
3 -3
æ 4.05´10 ´ 0.68´10 ö
ç ÷

=7.71

è lL ø
è 0.6632 ø

ç ÷
1450= ´ æ CPL · mL ö
-1.06
< M

è lL ø m L
1


-1.06


0.4

3 3
3 æ r gl ö
æ C · m ö
æ M ö

所以a i =7.69 ´ 10 · ç L L ÷
m 2
· ç PL L ÷
l
· ç m ÷

è L ø è L ø è L ø

1
æ 3 ö3


3 -3


0.65

==7.69 ´ 103 ´ ç 1040´ 9.81´ 0.6622 ÷ ´ æ 4.05´10 ´ 24.52´10 ö
´ 8.590.4

ç (24.52´103 )2 ÷ ç
0.6632 ÷

è ø è ø

=866 W/ m 2 ·℃

1
æ r r 2 gl 3 ö4
a 0=1.13 ç ÷
è m LDt ø

1
3 2 3 4
æ 2304.5´10 ´(980.1) ´ 9.81´(0.6605) ö
=1.13 ´
ç ÷
ç 1.05´10-3 ´ 8´16.69 ÷
è ø

=520 W/ m 2 ·℃

取管内侧污垢热阻 RW =8.608 ´ 103 m 2 ·℃/W,忽略管壁热阻，则总传热系数为：

K=
1
+ RW

1
d0 + d0
= 1
1 + 8.608´103 ´ 25 + 25

=309.7 W/ m 2 ·℃

a0 di
a0di
520 21 866 ´ 21

故第一安全系数： 2500 - 582.2 ´ 100%=67.71%>25%
2500

故第二安全系数： 2500 - 309.7 ´ 100%=87.61%>25%
2500
计算 K 值与初设值相差太大，故所设的 K 值不符合要求，需要重设 K 值，重 复计算。因为时间的关系，本小组的能力以与其他的因素，再此就不再计算了。其 中所有计算只作为参考。
4.6 设计计算结果列表

效次
第一效
第二效
冷凝器
加热蒸汽温度 T（ °C ）
100
81.31
60.1
操作压力 P(KPa)
52.23
21.04
20
葡萄汁温度 t（ °C ）
82.64
64.62

浓缩液浓度 x（%）
0.2330
0.68

蒸发量 W(Kg/h)
800.49
787.71

蒸汽消耗量 D(Kg/h)
849.93

传 热 面 积 S （ m 2 ）
1 2 . 2 8 1
12. 2 8 1

5. 辅助部门设计的简要说明

本设计主要采用的是双效蒸发降膜式浓缩设备来浓缩葡萄汁，所以期间存在 原料的采购、设备的维护、生产的安全等一系列问题，则需要相关的一些说明。 1. 葡萄原料的采集，一定要注意收购的葡萄的成熟度、腐烂率、含糖量、品 种、榨汁量、固形物含量和价格等问题。收购回来的葡萄尽可能直接加工，加工不
了的要放入冷库进行保藏处理，防止腐败。
2. 选用合适的清洗筛选运送设备，防止过程中果肉的损坏；破碎和压榨时防 止葡萄籽的破碎以防止葡萄汁的口感下降；加热和加压过程中要控制好温度和压 力，防止葡萄汁中更多的营养物质损失。
3．浓缩好的葡萄汁装罐杀菌包装后要进行低温保藏，延长保质期。

4．设备生产线要进行定期维护管道设备的密封性，泵的效率，还有停产后 清洗装置的良好运行。
5. 冷却设备冷却后的排出水可用于加热洗澡水、暖气供水、加热过程中的水 循环系统等，重复利用，减少资源浪费等。
6. 废水的处理，废水如果没有达到国家标准要求，需加设污水处理设备来处 理后排放。
7．安全第一，设立卫生室，准备好一些常用药品和医疗设备，配备专业人事 负责，能够与时处理厂房内发生的一些事故造成的人生安全问题。

6. 结论

1. 数据来源的权威性具有重要作用，直接关系到计算结果的准确性、实用性、 可靠性还有设备的选择等。
2. 两效的 K 值应不一样，第一效应高一些，第二效应低一些，这个经验法则 对于以后的生产实际具有重要指导作用。本设计为了简要计算采用次此方法，这也 是计算的一大缺陷。
3. 食品生产数据较化工生产数据还有很大的改进之处，缺乏系统性、完整性， 还有待进一步完善、补充。
4. 果汁蒸发浓缩过程中，加热蒸汽的压力、冷凝器的压力应慎重考虑。100° C 的加热温度对葡萄汁的影响较小，在生产实际中可以采用；但是，很多文献都认 为苹果汁、橙汁等加热温度不可过高，60°C 左右合适，期中过高的温度可能会引 起果汁中的活性物质发生变化，维生素 C 之类的物质容易水解，还有高温能使芳 香物质挥发。
5. 果汁浓缩中，一般控制传热温度差在 15-20°C 之间，不要太低，不然会引 起最后浓缩葡萄汁的品质。
6．本次设计计算所设两效 K 值均为 2500 W/(m2·℃ )，通过最终核算来确定 是否符合实际生产要求，符合的话即可投入使用，购买设备投入生产；若不符合， 需要重新设计，重新计算。
7．设计过程很复杂，所以还有很多地方没有考虑到，需要进一步进行核算， 如果要投入实际，则需要专业进行设计。
8. 本设计只是为了进一步了解和学习食品工程原理。

7. 参考文献

[1]杨同舟主编 《食品工程原理》[D] 北京：中国农业出版社 2011 年 2 月第 2 版
[2]dovehah 《浓缩果汁工厂设计》 [K] 百度文库 2013 年 12 月 6 日
[3]一个厨师 《浓缩冷冻混浊红葡萄汁》[H] 百度百科 2015 年 12 月 2 日
[4]navyhpc 《浓缩果汁》[K] 百度百科 2015 年 10 月 14 日 [5]阿衣满古力·哈力哈拜 《新疆和田红葡萄汁膜过滤与真空浓缩研究》[G]
新疆农业大学 中国知网 2010 年 6 月 17 日 [6]朱新华 《浓缩果汁加工中原料提升设备选型研究》 [G]
西北农林科技大学 中国知网 2006 年 11 月

参考软件：
公式编辑器 MathType6.9 福昕 PDF 阅读器
CAJViewer 7.2 知网文献阅读器 Microsoft Office2010
参考网站：
百度搜索 百度文库 百度百科 百度图片 谷歌搜索 中国知网