食品工程原理课程设计-桃汁低温浓缩双效升膜蒸发器设计.doc

食品工程原理课程设计题 目：桃汁低温浓缩双效升膜蒸发器设计姓 名：学 号：学 院：食品科技学院专业班级：指导教师：设计成绩：中国武汉2016 年 12 月课程设计任务书(1)设计课题：桃汁低温浓缩双效升膜式蒸发器装置的设计(2)设计条件： 设计任务及操作条件生产能力：4200kg/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%料液加入温度：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的饱和水蒸汽。物料平均比热为3.50 kJ/(kgK)，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、设计任务书、设计方案简介、工艺流程草图及说明、工艺计算及主体设备设计、辅助设备的计算及选型、设计结果概要或设计一览表、对本设计的评述、设备简图、参考文献等。须打印）；3.注意收集、阅读参考资料，形成设计方案； (4).设计意义蒸发可以除去桃汁中的大量水分，减少包装、贮藏和运输费用。蒸发还能提高桃汁的糖分浓度，增加桃汁的耐贮藏性。选用升膜蒸发，果汁在器内经过一次加热、汽化、分离过程，不打循环，在器内停留时间短，这对热敏性的桃汁是有利的。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双效。本次设计选择的蒸发流程为并流加料，此种加料方式前效压强较后效高，料液可借此压差自动地流向后一效而无需泵输送。同时，由于前效中溶液的沸点比后效高，当料液进入后效时会产生自蒸发，且桃汁浓度依效序增加，高浓度桃汁处于较低温度时对热敏性的桃汁是有利的。目录一、设计方案简介4二、工艺流程草图42.1 桃汁浓缩流程42.2 蒸发器工艺草图5三、工艺计算及主体设备设计53.1 总蒸发水量53.2 加热面积初算5（1）估算各效浓度5（2）沸点的初算5（3）温度差的计算6（4）计算两效蒸发水量V1，V2及加热蒸汽的消耗量S17（5）总传热系数K的计算8(6)分配有效温度差，计算传热面积103.3 重算两效传热面积103.4 计算结果113.5蒸发器主要工艺尺寸的计算11（1）加热室11（2）分离室12四、计算结果汇总表13五、设计评述13六、附图14七、参考文献14一、设计方案简介本设计是关于桃汁浓缩双效升膜蒸发，桃汁浓缩主要意义在于减少包装、运输和贮藏的费用，防止腐败，改善口感。桃汁是热敏性物料，遇热极易发生分解、聚合、氧化等变质反应，造成经济上重大损失，所以在本设计中料液加入温度为25，原料最高许可温度为58，浓缩液经冷凝后出口温度为25，尽可能的避免物料的损失。由被处理物料的性质及设计要求知，桃汁黏度大、不易生泡沫，考虑到经济和效率问题，采用并流双效降膜式蒸发器蒸发。本设计为达到桃汁浓缩的目的，对生产工艺的各项参数进行计算，确定了工艺所需的总蒸发水量、总传热面积、总传热系数、蒸发器主要工艺尺寸等参数，以此来确定浓缩工艺中机器的工艺要求。二、工艺流程草图2.1 桃汁浓缩流程料液 浓缩杀菌冷却容器清洗、杀菌无菌灌装 冻库贮存2.2 蒸发器工艺草图D1P(T1)F,t0,F1,t1P,t2三、工艺计算及主体设备设计3.1 总蒸发水量V=F1-FP=42001-0.100.36=3033.3(kgh)式中F原料处理量，kg/h； F进效蒸发器料液的浓度，质量百分比； P出效蒸发器料夜的浓度，质量百分比； V水分蒸发量kg/h；3.2 加热面积初算（1）估算各效浓度有经验公式：V1:V2=1:1.1V+V2=V=3033.3kgh得：V1=1444.4(kg/h) V2=1588.9(kg/h)效二次蒸汽浓度 1=FFF-V1=42000.14200-1444.4=15.24% (暂取15%)其中，V1第效的蒸发量，kg/h V2第效的蒸发量，kg/h（2）沸点的初算查表T=100时，p=101.33kpa;T=25时，P2 =3.1684kpa设两效蒸汽压强相等，p=p-p2=101.33-3.1684=98.1616kPap1=p-p2=101.33-98.16162=52.2492(kPa)查得p1=52.2492时，T1=82.19.假设效间流动温差损失为1蒸 汽压力P/kPa温度T/汽化热/（kJkg-1)效加热蒸汽101.33100rs=2258.4效二次蒸汽52.249282.19r1=2301.7效加热蒸汽50.081.19rs2=2304.0效二次蒸汽3.762226r2=2432.7进冷凝器蒸汽3.1684252435.0（3）温度差的计算各效由于沸点升高而引起的温度差损失根据各效的二次蒸汽温度T和各效完成液的组成，各效的沸点升高及密度如下表（桃汁近似由糖液代替）i/1536a/K0.20.84(kgm3)106111.1585则各效由于溶液的沸点升高引起的温度差损失为：第一效时：1=16.2aT2vh=16.20.2(82.19+273)22301.7103=0.178第二效时：2=16.2aT2vh=16.20.84(26+273)22432.7103=0.50由液柱静压力而引起的温度差损失Pm1=P1+gh2=52.2492+1.06119.822=62.65(kPa)Pm2=P2+gh2=3.7622+1.15859.822=15.12(kPa)由Pm1查得Tm1=86.94，由Pm2查得Tm2=53.661=Tm1-T1=86.94-82.19=4.752=Tm2-T2=53.66-26=27.66由流动阻力而引起的温度差损失由经验值均取1，1=2=1各效料液的沸点和有效总温差各效温度差损失：1=1+1+1=4.75+0.178+1=5.928 2=2+2+2=27.66+0.5+1=29.16各效溶液的沸点：T1=Tc1+1=82.19+5.928=88.118 T2=Tc2+2=26+29.16=55.16各效有效温差为：T1=Ts1-T1=100-88.118=11.882 T2=Ts2-T2=81.19-55.16=26.03有效总温差T=T1+T2=11.882+26.03=37.912（4）计算两效蒸发水量V1，V2及加热蒸汽的消耗量S1由题意知，物料的平均比热cF=3.50(KJkg),查表得水的比热为cw=4.220(KJkgK)做第一效热量衡算，得V1=S1rsr1+FcFTF-T1r11(取10.98)=（2258.42301.7s142003.525-88.1182301.7）0.98 V1=0.96S1-395.05 同理做第二效热量衡算，得V2=V-V1=rs2r2+(FcF-cwV1)TF-T1r12 (取20.98)3033.3-V1=2304.02432.7+(42003.50-4.220V1)88.118-55.162432.70.98整理得 V1=1515.76(kg/h)V2=V-V1=3303.3-1515.76=1517.54(kg/h)代入式得 S1=1990.43(kg/h)（5）总传热系数K的计算查表得不锈钢管的导热率为=17.4w/mk浓度(kgm3)(Pas) 151061.15.910-4361158.52.1810-2第一效时，ul=F4d2l3600=42000.7850.03221061.13600=1.3678(m/s)Rel=dlulll=0.0321.36781061.15.910-4=78718.5uv=S14d2v3600=1990.430.7850.03220.34163600=2013.5(m/s)Rev=dvuvvv=0.0322013.50.34162.82410-4=77939Prl=lCPl=5.910-440950.55=4.4管内沸腾传热系数i的关联式有：i=(1.3+128di)ldiRel0.23Rev0.34Prl0.9lv0.25(vl) =1.3+1280.0320.550.03278718.50.23779390.344.40.91061.10.34160.25( 2.82410-45.910-4) =774024.8 w/(m2) 饱和水蒸气的传热系数由下公式可求得：0=1.13(rg23LT)14 =1.132258.410009.8958.420.682132.82410-4211.88214 =6292.14w/(m2)传热外表面的总传热系数K由下公式计算：1K1=10+bd0dm+1id0di =16292.14+0.0013817.432+38774024.832K1=4372.35w/(m2)第二效时：ul=F24d2l3600=4200-1515.760.7850.03221061.13600=0.8(m/s)Rel=dlulll=0.0320.81158.52.1810-2=1360.4uv=S24d2v3600=1515.760.7850.03220.33753600=1552(m/s)Rev=dvuvvv=0.03215520.33753.46210-4=48416Prl=lCPl=2.1810-239330.55=155.9管内沸腾传热系数i的关联式有：i=(1.3+128di)ldiRel0.23Rev0.34Prl0.9lv0.25(vl) =1.3+1280.0320.550.0321360.40.23484160.34155.90.91158.50.33750.25( 3.46210-42.1810-2) =218404.6 w/(m2)饱和水蒸气的传热系数由下公式可求得：0=1.13(rg23LT)14 =1897120.674733.50210-4226.0314 =4917.49w/(m2)传热外表面的总传热系数K由下公式计算：1K2=10+bd0dm+1id0di =14917.49+0.0033817.432+38218404.632K2=2418.18w/(m2) (6)分配有效温度差，计算传热面积S1=Q1K1T1=S1r1K1T1=1990.432258.410004372.3511.8823600=24.035m2S2=Q2K2T2=S2r2K2T2=1515.762304.010002418.1826.033600=15.41m23.3 重算两效传热面积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S=S1t1+S2t2t=24.03511.882+15.4126.0311.882+26.03=18.113m2T1=24.03511.88218.113=15.767T2=15.4126.0318.113=22.146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，所以T2=55.16第二效加热蒸汽温度为T2+T2=55.16+22.146=77.306(r=2314.07KJ/kg)第一效二次蒸汽温度为T1=T2+1=78.3061=FFF-V1=42000.14200-1444.4=15.24%由1和T1得第一效沸点为：T1=78.466 对应汽化热为2311.4kJ/kg V1=S1rsr1+FcFTF-T1r11(取10.98) =（2258.42311.4s142003.525-78.4662311.4）0.98V1=0.9575S1-340 V2=V-V1=s2rs2r2+(FcF-cwV1)TF-T1r12 (取20.98)3033.3-V1=2304.02432.7s2+(42003.50-4.220V1)78.466-55.162432.70.98整理得 V1=1514.58(kg/h)V2=V-V1=3303.3-1514.58=1518.72(kg/h)S1=1936.9(kg/h)(为与加热蒸汽耗量符号S区分，故以下面积符号采用s)S1=Q1K1T1=S1r1K1T1=1936.92258.410004372.3515.7673600=17.6m2S2=Q2K2T2=S2r2K2T2=1514.582314.0710002418.1822.1463600=18.2m2两效的传热面积比较接近，故不再重算。 考虑留适当设计余量，通常加大1015%,取S1=S2=20.2m23.4 计算结果蒸发器序号加热面积m2蒸发水量kg/h加热蒸汽消耗量kg/h第一效20.21514.581936.9第二效20.21518.721514.58总和40.43033.33451.483.5蒸发器主要工艺尺寸的计算（1）加热室传热管数目n=sdL=20.23.140.0322=101 根管子采用正三角形排列nc=1.1n=1.1101=12 根采用胀管法，取d=1.5d0=1.538=57mm加热室的直径D=tnc-1+2b=5712-1=741mm取加热室直径D为800mm（2）分离室分离室体积计算式为:V=W3600UV分离室体积，m3W某效蒸发器的二次蒸汽流量，kgh某效蒸发器的二次蒸汽密度，kgm3U蒸发体积强度，m3/（m3s）,即每立方米分离室每秒钟产生的二次蒸汽量其中，U为蒸发体积强度，一般允许值为1.11.5m3/（m3s），在此取1.2m3/（m3s）。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：效次二次蒸汽温度（）78.30626二次蒸汽流量（kg/h)1514.581518.72二次蒸汽密度（kg/m3)0.27550.02503V1=W136001U=1514.5836000.27551.2=1.27m3V2=W236002U=1518.7236000.025031.2=14.05m3为方便起见，各效分离室的尺寸均取一致，所以体积V取最大值V=14.05m3。确定需考虑的原则： H:D=12 H1.8 在允许的条件下分离室的直径应尽量与加热室相同根据 V=4D2H 取 H:D=1.5 得 D=2.28m,H=3.4m 四、计算结果汇总表料液处理量，kg/h4200效蒸发水量,kg/h1514.58效蒸发水量,kg/h1518.72效蒸汽用量, kg/h1936.9效蒸汽用量, kg/h冷凝水用量，kg/h1514.58加热室直径，m0.8分离室