升膜蒸发器设计计算说明书

1、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 1(1) 设计课题 2(2) 设计条件 2(3) .设计要求 2(4) .设计意义 2(5) .主要参考资料 32 设计方案的确定 33 设计计算 43.1 总蒸发水量 43.2 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 V V2及加热蒸汽的消耗量 S 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 93.3 重算两效传热面积 10( 1) 第一次重算 103.4 计算结果 11四蒸发器主要工艺尺寸的计算 13五简图 13(1)工艺流程图 13(2)

2、 细节图 14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 C原料最图许可温度：58 C浓缩液经冷凝后出口温度：25 C加热介质：100 C 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)

3、；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：2014 年 12 月 30 日。(4) . 设计意义：1. 蒸发可以除去番茄汁中的大量水分，减少包装、贮藏和运输费用。蒸发还能提禺番茄汁的糖分浓度，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

4、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，设备费用越图，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U 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. 通过课程设计，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，

5、化工原理, 天津大学出版社，2005， 12. 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 .19953. 化工设备的选择与工艺设计，中南工业大学出版社. 19924. 丛德滋等, 化工原理详解与应用, 化学工业出版社. 2002 ， 7, 151-1585. 张承翼 李春英，化工工程制图，化学工业出版社. 19976. 张桂昭，三效逆流加料蒸发器的设计，化工设计. 1996 （ 6）：6-107. 蒋迪清等，食品通用机械与设备，华南理工大学出版社，2001 ， 7， 111-138. 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

6、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. 改善口感。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? 38X 3mm 勺无缝不锈钢管作加热管。- 4 -设计计算3.1 总蒸发水量V =F (1 二)=1170 (1-°.10) =845.0kg/h；?p0.363.2 加热面积初算(1)估算各效浓度第一效蒸发后：F -V111700.10117

7、0 -V 1V： y =1 : 1.1V1V2二 V =845.0V1 = 402.4kg / h由经验公而解得：V2 二 442.6kg / h-'1 =15.24% (暂取 15%(2)沸点的初算查表：T=100C 时，P=101.33kpa ; T=25 C 时，P2=3.1684kpa设两效蒸汽压强相等P 二 P -P2 =101.33 -3.1684 =98.1616kpa P98.1616P1 二 P101.3352.2492kpa2 2解得 Pi 时，查表沸点 t ！ =82.19C; t 2 =25 ? 1 =26C ,第二效加热蒸汽T> =t 1一仁82.19-

8、1=81.19 C-11 -蒸汽压力/KPa温度/ r汽化热/ (KJ? Kg-1)I效加热蒸汽101.331002258.4I效二次蒸汽52.249282.192301.7U效加热烝汽50.081.192304.0U效二次蒸汽3.7622262432.7进冷凝器蒸汽3.1684252435.0(3)温度差的计算冷=16.2 .M 16.2 (t.i 273)2 r32301.7 100.20.0162 (82.19273)20.22301.7?/ %1536恋/K0.20.84p g/ m31. 06111.1585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第一效时:

9、=0.18 C第二效时:2 = 16.2=0.50 C16.2 (t. 2 273)230.842432.7 100.0162 (26 273) 20.842432.72 二 0.180.50 = 0.68 C由液柱静压力引起的温度差损失：(取液层高度为2m第一效： n. 一 Pm1此压强下Rgh1 0611 汉Pi 86.941C,52.24929 8汉9.8第二效：pm= 3.7622冷二 J 一 t . j = 86.94 - 82.191.15369.82 / 2 二 15.093二 62.65 KPa4.75 CKPa此压强下 Tm2= 53.66 C, I 二-t.2 = 53.6

10、6 26 = 27.66 C= . :-.冷.：2二 4.7527.66 = 32.41 C取管路引起的损失二X2 = 1 C=.:-冷一=1 T = 2 C各效料液的沸点和有效总温差各效温度差损失：1效：二用i=4.75+0.18+1=5.93 Cii效： ：2二 22： 2=27.66+0.50+1=29.16 C各效溶液的沸点：1效：t，.?每=82.19+5.93=88.12 CU 效：t2二 t 2： 2=26+29.16=55.16 C各效有效温差为：1效：.4八100= 100-88.12=11.88 CU 效:i±2 二 T =81.19-55.16=26.0 3 C

11、最大可能温差：.汀 二100 - 25二75 C损失温差：一：？ ：=0.18 0.5 32.31 2 =34.99 C有效总温差：t = %: t2 二 11.88+26.03=37.91 C计算两效S(4)蒸发水量V , V2及加热蒸汽的消耗量由题意知料液平均比热为 Cf = 3.5KJ / Kg K ,查表得水的比热为 Cw-4.220KJ /Kg K作第一效热量衡算，得rT 11V =0+ FCF )5其中 1=0.98110.1995 m / s所以-14rsVi=(SiFCF riTAti2258.425 88.12)1 =0.98 ( *Si 1170 3.502301.7)=0

12、.962S-110.052301.7同理作第二效热量衡算，得其中 n2 = 0.98y =v _V1 = S2 空 +(FCf 的区)八八:'2所以、,一 2304.0、, 845.0 V = IV +(11702432.7、?汉 3.50 4.220V)汉88.12 - 55.16 1 汇 0.982432.7整理得 VA422.34Kg / h代入式可得：S =553.42Kg/h由式可得：V2 二 V -Vi =845.0-422.34 = 422.66Kg/h(5)总传热系数K的计算查表得不锈钢管的与热率为=17.4W/m K浓度P(kg/m3)A (pa s)15%1061.

13、15.9"0*36%1158.52.18X10 ,第一效时:F二，2 d r36004111700.7850.032 21061.136000.3810 m/ sRel牛二 K-3-0.3-810 1 0 6211927 1叫5.910Sid v3600 4553.420.785 0.032 2 958.43600八 duv:?v&v0.032 0.19952.824958.410-二 21666-16 -Ji Cp5.9 x 10 x 3940Pii0.55由管内沸腾传热系数：i的关联式有：Prl9( 1 严 5( V)Pv P 1l(1.35八7 严=(1.3 128 0

14、.032)0.550.03221927。.23 21666 °.34 4.20.9( 1061.1 )0.25 ( 2.8246958.45.9"0=49188 W/(m0.1503 m/ s ")饱和水蒸气的传热系数由下公式可求得：j.o =1.13(1.13(2258.41039.8958.420.6821-42.824104211.88=6291W/(m 2C)传热外表面的总传热系数K由下公式计算11 b d 01 d 0=+ X +XK1:- 0d :- i d=± +。0039038 + 化.。38=3 88 5-4629117.4 0.032

15、49188 0.032二心二2 5 7 8. 3 8Wi 2/ C)同理可得,第二效时:ulF21170 422.340.2230 m/ s4d2 ' 36000.7850.032 21158.53600du 歼O-320.223011583=379Jl2.18 10S2/ 36082匚 4Rev 二32 .1503 a97" =133363.502 10-P”HCp2.18 10 , 33530.55由管内沸腾传热系数：i的关联式有:133:i = (1.3? 128d)二金严艮dv0.34 pr 严(Pv=(1.3 128 0.032)0.553790.23 13336

16、0” 1330.9 (0.0321158.5 严(3.502971.0巴)2.18x10=12571 W/(m2C)饱和水蒸气的传热系数由下公式可求得:rgv2 '3：0 = 1.13(-)巴 LAt21/41.13(2304 103 9.8 971.0 2 0.6747 3、；-43.502 汉 10 域 2 汉 26.03)4=4918W/(m 2 C)传热外表面的总传热系数K由下公式计算:K21:-0b d 01X + 丸 d O(i0.003 0.0381 0.038-=5.03 10491817.4 0.03212571 0.0322:K2 =1989.89W/(mC)(6)

17、计算传热面积S1 二Q1Ki ：t Q：3为与加热蒸汽耗量符号S区分，故以下面积符号采用sK2 At 2422.34 x 2304.0 x 1000522 IT21989.8926.033600 一 .-26惠二553"8.41000 “奥国Ki 巾 2578.38 11.88 36003.3重算两效传热面积(1)第一次重算步骤再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 算重新分配有效温度差Si：Ai - S? ： t211.3311.88 5.22 26.0311.88 +26.03=7.14 m2，S3At211.3八11.887145.22 26.03

18、7.14=18.85 C=19.03 C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t2-55.16C第二效加热蒸汽温度为t2 选=55.16 19.03 = 74.19 C该温度下对应的汽化热=74.19, 1 = 75.19 C°r=2321.40KJ/Kg 第一效二次蒸汽温度 T/ 二 12 rt2： 1F f_1170 0.1F -V - 1170 - 402.4=15.24%由？”和叮得第一效沸点T，=T,；打二75.19 - 0.18二75.37 C该温度下对应的汽化热r=2331.95KJ/Kg,1= 2=0.98V =(3仝十3 3尸J2119八1十11

19、70心51=0.9491 S1-86.68-V,二 v -V S2 ,(FCf -CX)I .2=845.0 -V ；二25 - 75.37 )0.982331.95M = 428.6kg/h解得：V2 = 845.0 - 428.6 = 416.4kg / hS,-542.9kg/h亘= 5422258 1000 =7 ° 佃 2 Ki £2578.38 18.85 3600a S428.6x2321.40x10002S27.30mK2： t21989.89 19.03 3600两效的传热面积比较接近，故不在重算考虑留适当设计余量，通常加大 1015%取0= 8.3 m2

20、3.4计算结果蒸发器序号加热面积m2蒸发水量kg / h加热烝汽消耗量kg/h第一效8.3428.6542.9第二效8.3416.4428.6总和16.6845.0971.5四蒸发器主要工艺尺寸的计算(1)加热室 传热管数目 83=42 根二 3.14 0.032 2管子矶正三角形排列nc =1.1. n =1.1 、 -42 =8 根 采用胀管法，取t=1.5d0t=1.5d 0=1.5 x 38=57mm 取 b =1.5d 0b =1.5d 0=1.5x 38=57mm加热室的直径D =t(nc-1) 2b =57 (8-1) 2 57 二 513mm圆整后，取加热室直径 D为550mm

21、.(2)分离室分离室体积计算式为W3600 7V -分离室体积，m3;W -某效蒸发器的二次蒸汽流量，kg/h;-某效蒸发器的二次蒸汽密度，kg/m3;U -蒸发体积强度，m3/m3 s,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1.1? 1.5 m3/ m3s，在此取1. 2m 3/ m3 s o428.636000.24351.2二 0.408 m3W 416.4360036000.02451.2将工艺计算U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In二次蒸汽温度C)P 75.1926二次蒸汽流量(kg/h)428.6416.4二次蒸汽密度(kg/m3)0.24350.0245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二3.94m 3确定需考虑的原则: H : D =1-2 H - 1.8在允许的条件下分离室的直径应尽量与加热室相同根据VD2H4H :D =1.5D = 1.50