《蒸发装置的设计》word版.doc

轻工食品学院食品工程原理课程设计蒸发装置的设计班级食品101班姓名杜冬敏学号201010714112指导教师刘晓艳提交日期2013.01.04食品工程原理课程设计目 录1.设计条件与任务211 概述212 设计任务书213 浓缩蒸发方案的确定2131 蒸发器选型2132 真空蒸发选用4133 降膜式蒸发选用42.单效蒸发工艺计算521 物料衡算522 热量衡算 523 传热面积计算624 传热面积计算625 计算结果列表83.蒸发器主体工艺设计831 加热部分的工艺计算 8311 加热管的选择和管数的初步估计8312 加热室直径的确定8313 蒸发室尺寸9314 数据的核算932 接管尺寸的确定10321 加热蒸汽入口与二次蒸汽出口管径10322 冷凝水出口10323 料液管径DL10324 蒸发器主要部件规格列表114.附属设备计算1141 蒸汽冷凝器115.工艺设计的计算结果汇总126.结语13附表13参考文献131. 设计条件与任务- 17 -食品工程原理课程设计11 概述食品工程原理是食品工程与科学专业主要课程之一，食品工业包含诸多的单元操作，如蒸发、结晶 、杀菌等，本课程均有介绍。本次设计题目为脱脂牛奶单效蒸发装置的设计。通过设计，一方面提高学生对食品工业单元操作的认识，另一方面加深学生对食品工程原理课程的理解与掌握。本设计涉及的单元操作为蒸发。蒸发是典型的传热过程，即是将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程。蒸发是一种分离操作，广泛应用于化工、轻工、制药和食品等许多工业中溶剂为挥发性而溶质为非挥发性的场合。在许多场合，蒸发系统的热量经济性成为整个生产流程的关键因素。工业上蒸发主要以浓缩和分离为主要目的。本设计以浓缩为主要目的，设计出将脱脂牛奶的质量分数由10%浓缩为50的单效蒸发装置。本设计首先确定蒸发器的处理能力为20t/d脱脂牛奶。12 设计任务书工艺条件：1.原料：脱脂牛奶，质量分数为10%，进料温度85。2.产品：质量分数为50的浓缩乳，出料温度60。3.生产能力：日处理量20吨。4.热源：饱和水蒸汽加热。设计任务：1.浓缩蒸发方案的确定：蒸发器的型式、蒸发操作流程、。2.蒸发器工艺计算：进料量、蒸发水量、蒸汽消耗量、传热量、传热面积等3.蒸发器结构计算：加热室尺寸、换热管尺寸及排列、蒸发室尺寸、接管尺寸等。4.附属设备计算：冷却以及真空设备。5.流程图及设备图绘制。13浓缩蒸发方案的确定131 蒸发器选型因为本设计为浓缩原料乳，根据其特点可知需要加工的物料是为热敏性物质。并且查表可知需采用蒸发器进行浓缩原料。表1-1蒸发器的选用制品热敏性制品粘度使用的蒸发类型说明无低或中等管式、板式、固定圆锥式水平管式不适于易结垢制品无或小高真空锅、刮板膜式、旋转圆锥式洋菜、明胶、肉浸出液的浓缩可采用间歇式热敏低或中等管式、板式、固定圆锥式包括牛奶、果汁含固体适度的制品热敏高刮板模式、旋转圆锥式包括多数果汁浓缩液、酵母浸出液及某些药品。对浆状制品只能用刮板膜式高热敏低管式、板式、固定圆锥式要求单程蒸发高热敏高旋转圆锥式或板式要求单程蒸发。包括橙汁浓缩液、蛋白和某些药物热敏性特点：生物系统的物料多由蛋白质、脂肪、淀粉、维生素以及其它许多色、香、味成分组成。这些物质在高温下或长期受热时要受到破坏、变性、氧化等作用。所以许多食品的蒸发要严格考虑加热温度和加热时间。加热温度和加热时间是不可分割的。食品蒸发的安全性与此二因素同时相关。这就是“温时结合”。的概念，即把温度与时间作为统一体来考虑。从食品蒸发的安全性看，力求 “低温短时”，但还要考虑工艺上的经济性。在保证食品质量的前提下，为提高生产能力，常采用“高温短时”蒸发。由于料液的沸点与外压有关，低温相应就是低压，所以真空蒸发是食品工业蒸发应用的显著特点之一。为了缩短蒸发操作时的加热时间，一方面必须减小料液在蒸发器内的平均停留时间，另一方面还要解决局部性的停留时间问题。关于这一点，目前已发现长管膜式蒸发器和搅拌膜式蒸发器在物料的停留时间问题上具有很大的优点，从而在食品工业上获得广泛的应用。根据以上的分析浓缩方案将采用：长管膜式蒸发器132真空蒸发选用提高生产强度的途径之一是增大传热温差，提高加热蒸汽的温度或是降低溶液的沸点均可增加。加热蒸汽的温度（及相应压强）受锅炉额定压强的限制，因此，在许多情况下，需要采用真空蒸发以降低溶液免遭破坏，并可利用工厂中低温的水蒸气作为热源。133 降膜式蒸发选用长管式蒸发器，从加热器出来的汽液混合物经分离器分离后，有的直接作为浓缩液排出，不再经循环径返回加热器，有的则有部分浓缩液经循环管返回。这类蒸发器的管束很长，约68m，而其截面积则很小。它具有很大的传热面，溶液送入管束后很快强烈沸腾，管子的中央部分充满料液蒸汽，蒸汽从管口流出的速度可达100-l20m/s。蒸汽以这样的速度流动，料液就被带动而沿管子内壁形成上升或下降的液膜。被蒸汽带动而沿管壁流动的液体速度可达20m/s，所以这种蒸发器被称为液膜式蒸发器。长管蒸发器根据浓膜的流动方向可分为升膜蒸发器、降膜蒸发器及升降膜蒸发器。在蒸发器上部区域，蒸汽体积急速增大，所产生的高速上升蒸汽使液体在管壁上形成一层薄膜，造成很好的传热条件。以后，汽液混合物进入分离器进行分离。浓缩液可直接排出，或与原料混合后再循环，或进入下一效进一步浓缩。这种蒸发器的特点是，在加热器内料液停留时间短，传热系数高，适于浓缩热敏物料。升膜蒸发器的缺点：在管内下部区域尚积存较多的液体，固而延长了接触时间 (约1530min)通常还不能通过严格单程蒸发达到所要求的浓度，一般尚需部分再循环，加长了停留时间，在管子中部易发生结垢和蛋白质沉积的现象。为了较彻底消除因液体积聚所造成的静压效应，并吸取薄膜传热的优点，出现了降膜蒸发器。降膜蒸发器能达到传热效率高，热能经济性好，停留时间短的目的。 降膜蒸发器因不存在静液层效应，物料沸点均匀，甚为广泛，例如牛奶、果汁等散浓缩。根据以上的分析浓缩方案将采用：单效降膜式蒸发器2.单效蒸发工艺计算21 物料衡算物料衡算可以求出蒸发水量。对溶质作物料衡算可得： 式中F进料口原料液质量流量，kg/h；W蒸发水量，kg/h；原料液浓度，完成液浓度，设计处理能力为20t/d,即进料口原料液质量流量：原料液浓度：完成液浓度：将上述数据带入式（2-2），可得：22 热量衡算热量衡算可求出加热蒸汽消耗量，设加热蒸汽的质量流量为D，其汽化潜热为r，加热室内溶液比热容为，二次蒸汽的汽化潜热为r，热量损失为QL，根据能量守恒可知： 查的 常用食品数据手册P3r=2371 kg/h r=2293 kg/h 化工原理P45223 传热量计算 24 传热面积计算由传热速率方程得到蒸发室的加热面积为： 式中：传热面积，m2；传热量，J；传热系数，；加热蒸汽与操作液沸点之差，；加热蒸汽温度，；t1操作液沸点，；式（2-3-1）中D、K已知，可查得200kPa的压强下，50kPa的压强下；由于溶液的蒸汽压降低而导致的沸点升高和液体静水压引起的沸点升高的存在，操作液实际沸点为：的计算：吉辛科公式： 式中：操作液浓度对应蔗糖溶液在0.1Mpa下的沸点升高(可由附表1查出)校正系数，其值为： 式中 r 操作压强下水的汽化潜热，kJ/kg。可查得50kPa下t=81.2，r=2304.5kJ/kg，则：代入式（2-3-3）可得：的计算： 式中 液体的密度，kg/m3; H总液层的高度，m。设计中：液面的高度：H3.0m；牛奶的密度查得1.038-1.040（g/ml），此处脱脂牛奶的密度取1.038 g/ml即则：分别由压强p和pm查取水的相应沸点为t和tm，则静压效应的沸点升高近似为 即则：根据经验降膜蒸发器总传热系数约为12003500此处取K=1500代入公式（2-3-1）可得：25 计算结果列表表2-4-1衡算及传热计算结果项目数值蒸发水量 （kg/h）666.67加热蒸汽量 （kg/h）828.25传热量 （kj）1.963106传热面积 （m2）433.蒸发器主体工艺设计我们选取的降膜蒸发器的计算方法如下。31 加热部分的工艺计算 311 加热管的选择和管数的初步估计管径与长度的选择应根据溶液结垢难易程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑，易结垢和易起泡沫溶液的蒸发易选用粗短管，反之，则采用细长管。根据我们的设计任务和番茄汁的性质，我们选用以下的管子：管长 L4m，管径可以根据加热管的规格与长度初步估计所需的管子数n， 式中S蒸发器的传热面积，m2，由前面的工艺计算决定（优化后的面积）；d加热管外径，m；L加热管长度，m；312 加热室直径的确定管排列用三角形排列法管间距：用胀接法 查表:b=13 加热室直径： 313蒸发室尺寸 真空度为0.08MPa 查得化工原理P452取允许的蒸发体积强度 常用化工单元H取3.0m 则314 数据的核算要核算一下实际传热面积及设备实际最大生产能力。根据公式 实际传热面积： = 42.25 (m2)因为实际传热面积小于计算所需传热面积，所以为了保证能够完成任务，根据需要取实际加热管：根则最终确定实际传热面积： = 46.53 (m2)要求实际最大生产能力，所需热量 = 150046.53（120.2-89.56）=21385388（kJ）由公式 和 ，得到实际最大生产能力：（kg/h）32 接管尺寸的确定321 加热蒸汽入口与二次蒸汽出口管径 又 因为是蒸汽，u的范围一般为3040m/s，现取u为35m/s化工设计表8.3管内流速范围 P297所以DJ根据热轧无缝钢管的规格（GB8163-87）取的热轧无缝不锈钢管。322 冷凝水出口冷凝水的排出一般属于液体自然流动，可根据加热蒸汽的流量计算。由附表2可设冷凝水的流速为1m/s，则查得水的密度,忽略不凝蒸汽的排放，冷凝水的质量流量约等于加热蒸汽的质量流量，即代入式（3-2-1）可求得：冷凝水的出口内径根据热轧无缝钢管的规格（GB8163-87）,选取的热轧无缝不锈钢管。323 料液管径DL u取0.5m/s 化工原理华工大学编 P20根据热轧无缝钢管的规格（GB8163-87）,选用的热轧无缝不锈钢管。324 蒸发器主要部件规格列表表3-5-1蒸发器主要部件规格部件名称钢号规格数目加热管1076加热蒸汽进口101冷凝水出口101二次蒸汽出口101原料脱脂牛乳进口1014 附属设备计算411 蒸汽冷凝器冷凝水消耗量：w水蒸汽量（kg/h）H二次蒸汽热焓（kJ/h）Cp冷凝水比热kJ/(kg)t1 、t2冷却水进、出口温度（这里取进口25，出口40）查 H=2624.3 kJ/kg Cp=4.18kJ/kg化工原理华工大学编 P451 、P452 设计选用水力喷射器做为冷凝器，它具有冷凝和抽真空两种作用。其特点如下：1.兼有冷凝和抽真空作用，无需另配抽真空装置；2.结构简单，造价低廉，喷射器本身没有机械运转部分，不要经常检修；3.适用于抽腐蚀性气体；4.虽然水泵运转时的实际消耗功率较大，但整个冷凝装置的功率消耗仍较表5.面式和大气冷凝器小；6.不能获得高的真空度，且真空度随水温之高低而变化。5.工艺设计的计算结果汇总项目数值物料处理量（kg/h）833.33蒸发水量 （kg/h）666.67加热蒸汽量 （kg/h）828.25传热量 （kj）1.963106传热面积 （m2）43加热管加热蒸汽进口冷凝水出口二次蒸汽出口原料脱脂牛乳进口实际传热面积（m2）46.53实际最大生产能力（kg/h）6.结语本设计是围绕蒸发这一单元操作进行的。设计过程中主要涉及物料衡算、热量衡算和传热过程计算。通过对以上方面的计算，熟悉了蒸发单元操作的各种过程，并基本确定了蒸发器的一些相关工艺数据。 本设计基本达到了设计目的，并能根据设计要求完成设计任务。通过设计，加深了对食品工业中单元操作的理解，初步掌握了工程设计的方法，并在处理设计过程中遇到的困难和问题的同时，提高自身的学习能力，进一步巩固了对食品工程原理这一课程的掌握。附：1 0.1MPa下不同浓度蔗糖溶液的沸点升高浓度/%010203040506070沸点升高/00.10.30.71.22.03.35.42 某些流体在管道中常用的速度范围流体种类常用流速/(m/s)水及一般液体黏度较大的液体低压气体易燃、易爆的低压气体（如乙炔等）压强较高的气体饱和水蒸气0.8MPa 以下0.3MPa 以下过热水蒸气130.5181581525406020403050参考文献：1.李云飞,葛克山等.食品工程原理.北京:中国农业大学出版社,2002.82.黄少烈、邹华生主编