食品工程蒸发器设计方案

- 0 - 食品工程 蒸发器设计方案 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 成品浓度为 28%，第一效真空度为 600二效真空度为 700热蒸汽的压力为 、 原始数据： 1、 原料： 浓度为 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 、 压力条件：第一效为 600 真空度，第二效为 700 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 - 1 - 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 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 4. 操作压力： 效为 600 效为 700 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 - 2 - 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。 - 3 - （ 一 ） 物料衡算 1、 原料处理量 : 每小时处理量： 1（常用化工单元设备设计 153 页） 4 7 1 84 0 0 00220 式中0F 原料处理量， kg/h； 进效蒸发器料液的浓度，质量百分比； 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： 4715 10= /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 2=1: 1904.8(kg/h) 095.2(kg/h) 其中， 第 效的蒸发量， kg/h 第 效的蒸发量， kg/h 效 二次蒸汽浓度1000=3、成品产量 ： 71616 kg/h （ 二 ） 热量衡算 1. 有关参数 （ 1） 总蒸发量： 4000 kg/h - 4 - （ 2） 进料 ： 1x = 1T = (查食品工程原理 843页此温度下水的 比热 179J/出料： 2x =28% 2T = 料液比热 : W /4001)100 179)1001(0（ 3） 真空度分配： 第效： 6001P =0 5 得此压力下饱和蒸汽温度 1T = 第效： 700 2P =0 5 查得此压力下饱和蒸汽温度 2T =） 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 (T( ) 比焓 (KJ/汽化潜热 (效加热蒸汽 0P=105 0T=i=效二次蒸汽 1P =105 1T =i = =效加热蒸汽 2P =105 2T =i = =、温差损失 、温度损失的计算 0 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， a 常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高， f 校正系数，无因次，其经验计算式为： - 5 - 2 )273(式中： T 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/0 m 式中： 溶液内部平均压强， p 液面上方的压强， Pa h 溶液液层高度， m （该题设其液层高度为 6m） 溶液密度， 该题密度为 33 /10028.1 常温下 番茄酱 沸点升高 1 1 5 2 2 7 6 ( ) am 2 0 0 0 3 由压强 表得： 82 3.0820 TT m 取 1 3、 2,料衡算公式： 1120011 20022 式 中 1W 2W 效蒸发水量 kg/h - 6 - 2 效蒸 汽量 kg/h 1 2 效自蒸发系数 0 kg/h kj/1 2 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 : 1 = 0 0 83 06 0 0 82 70 将 式代入 式中 12111w 0 0 8 3 8 2 7 60 1 8 1 6 11 11 0 0 8 3 1 1 D 将式代入 式中 0 0 8 2 8 1 8 2 D D A=B 4 70 1 04 0 0 01 第效蒸发量 2 4 70 0 8 20 0 8 1 - 7 - 第效蒸发量 5 4 70 0 8 8 2 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 F 及浓度 x %4.、 、 效加热面积的 确定 效传热量： 4 6 0 0 3 1 4 4 7 效传热量： 4 4 8 1 5 9 3 2 2Q 122 各效 有效温度差： 1 1 1 1212 其中 12 两效间温度损失 12 =1 各类蒸发器传热系数（食品工程原理 蒸发器型式 传热系数 K（ w/ k） 蒸发器型式 传热系数 K（ w/ k） 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 21 /6 6 9 8 自然循环 22 /3349 第效加 热面积 ：21111 9 84 6 0 0 3 1 7S 第效加热面积：22222 4 94 4 8 1 5 9 1S （三）工艺尺寸计 算 1、效加热器的尺寸 - 8 - 根据常用化工单元设备设计 162 页， 采用 32 锈钢管，管长L=3 m 5030 2 根） 式中 S 传热面积， 2m ； 0d 加 热管直径， m； L 管子长度， m 。 取管间距为 d 的同心圆排列 ： 同心圆数 根数 同心圆直径 1 6 06/D 1 2 12 60402802D 12 3 18 4 04021 6 02D 23 4 25 204022402D 34 根据排列四层共 61 根管子 第效加热面积： 2I m 加热室壳体直径 的计算： 1 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： 824b （根） 内径 3604021840211 根据常用化工单元设备设计 163 页 取外壳壁厚 =10径 3801023602D 11H 将外径圆整到 400、效加热器的尺寸 - 9 - 采用 32 锈钢管，管长 L=3 m 2 5 930 2 根） 取管间距为 d 的同心圆排列： 同心圆数 根数 同心圆直径 1 6 06/D 1 2 12 60402802D 12 3 18 4 04021 6 02D 23 4 25 204022402D 34 5 31 004023202D 45 6 37 804024002D 56 7 43 604024802D 67 8 50 404025602D 78 9 56 204026402D 89 在各级中心安装一根 50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 200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： 22 7130 2 0 加热室壳体直径的计算： 中心排列管子数： 1829b （根） 内径 7 6 040211840212 根据常用化工单元设备设计 163 页 取外壳壁厚 =12径 7 8 41227 6 02D 22H 将外径圆整到 800、蒸发室直径的确定 - 10 - 第效：36004 0111m 式中 1W 效蒸发水量 kg/h 1V 二次蒸汽比体积 3 0 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 和水蒸汽的密度31 /1369.0 9 1 311 310 0 2 2 取 第效：36004m 式中 1W 效蒸发水量 kg/h 0 二次蒸汽上升速度 m/s 2V 二次蒸汽的比体积 3 查食品工程原理 841 页并用内差法计算得 和水蒸汽密度32 /05514.0 5 1 1 322 320 - 11 - 取 4、蒸发室的截面积 F=42d 第效： =2 第 效 = 5、 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： 22 11 第效： 22 22 6、循环管尺寸 上循环管直径取 1 下循环管直径 取 22 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 式中： 进口管截面积， 3600 m m 加热蒸汽的比容， m3/据加热蒸汽压力为 由食品工程原理饱和水蒸汽表 - 12 - 查得 3/7334.0 1/ 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 饱和蒸汽的速度为 秒。 m 饱和蒸汽速度， s 故 20 2 95 6 47 mF m md m 1 9 2 9 5 由食品工程原理 整后选用 19，壁厚 内截面积为 203364.0 m 所以实际饱和加热蒸汽的速度： 0 00 3 3 6 6 3 4 73 6 0 01 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 3/1369.0 m /3 0 4 6 1 3 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100 160米 /秒， 取 00m/s 所以 1136004 =整后选用 451 ，壁厚 内截面积为 204225.0 m 的普通无缝钢管 - 13 - 3、效二次蒸汽的出口管径： 效二次蒸汽的出口温度为 由食品工程原理查得密度32 /05514.0 1 3 5 5 1 1 3 由食品工厂机械与设备查得，取 50m/s d2=6004 22 = =整后选用 252 ， 厚为 8截 面积为 207495.0 m 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：1t=25 出口温度：2t= 40 冷凝水消耗量： 221()() C t t)2540(1 7 401 7 7 0( 5 2 W 水蒸汽量 kg/h kJ/kJ/ 冷却水进、出口温度 - 14 - 喷嘴数计算 由 蒸发过程设计 到，设 气室为 1 个大气压，水室 大气压，喷嘴直径 d=15量系数 =通过一个喷嘴的水流量 0 2pq f g 故 q=4 3600 =m3/h) 喷嘴数 N=） 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。 - 15 - 主要技术参数 计算结果汇总表 料液处理量， kg/h 4716 蒸发水量 ,kg/h 4000 产品产量 , kg/h 716 蒸汽用量 , kg/h 凝水用量， kg/h 78700 效蒸发器直径 ,m 效蒸发器直径 ,m 效蒸发器传热面积 , 效蒸发器传热面积 , 效蒸发器高度 ,m 效蒸发器高度， m 热管尺寸 , 3000L 上循环管直径， m 循环管直径， m 热蒸汽进口管径， 19 效二次蒸汽出口进入效的管径， 45 效二次蒸汽的出口管径， 25 机组号 项目 效蒸发器 效蒸发器 进料浓度 进料温度 进料量 kg/h 4716 次蒸汽压力 汽温度 料浓度 28% 出料量 kg/h 16 - 16 - 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 16182110 101217131114354615987顺流式双效真空降膜浓缩设备流程图1 - 平 衡 槽 2 - 冷 凝 水 泵 3 - 二 效 蒸 发 器 4 - 一 效 蒸 发 器 5 - 杀 菌 器 6 - 保 温 管