食品工程原理课程设计——蒸发器的设计

1、.食品工程原理课程设计说明书任务名称：蒸发器的设计设计人：指导教师：班级组别：设计时间：成绩 :页脚.目录122334455569715页脚.81791710181121页脚.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 4.25% ，成品浓度为 28% ，第一效真空度为 600mmHg, 第二效真空度为 700mmHg 。加热蒸汽的压力为0.15 MPa二、原始数据：1、原料：浓度为 4.25% 的番茄酱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

2、为饱和水蒸汽，压力0.15MPa5、 压力条件：第一效为600 mmHg的真空度，第二效为700 mmHg的真空度页脚.三、设计要求容：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

3、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页脚.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1.5m/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

4、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 5-7 摄氏度。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0.15Mpa 。4. 操作压力：效为 600 mmHg 真空度，效为 700 mmHg 真空度。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间的压力差 ; （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

5、页脚.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，由上部进入蒸发分离室，先经加热器的管上升， 通过弯头进入另一台加热器，经加热料液由管下降，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：效蒸发与其预热管物料的热能由蒸

6、汽供给，效蒸发和预热管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。页脚.（一）物料衡算1、原料处理量 :每小时处理量：W F1x0（常用

7、化工单元设备设计153 页）xnWx2400028F0x0284716 Kg / hx24.25式中 F0 原料处理量， kg/h ；x0 进效蒸发器料液的浓度，质量百分比；x2 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=47.15吨 / 日2、初步估算一、二效的蒸发水量页脚.由常用化工单元设备设计P153取 W1:W2=1:1.1故 W 1= 4000 =1904.8(kg/h) 1 1.1W 2 =4000-1904.8=2095.2(kg/h)其中， W 1第效的蒸发量， kg/hW 2第效的蒸发量， kg/hF0 x0471

8、64.25%效二次蒸汽浓度 x=4716=6.31%F0W 11904.83、成品产量： F2= F0 -W=4716-4000=716 kg/h（二）热量衡算1. 有关参数（ 1） 总蒸发量： 4000 kg/h（ 2） 进料：x1 =4.25%T1 =61.1 ( 查食品工程原理 843 页此温度下水的比热 Cw w =4179J/Kg.k)出料： x2 =28%T2 =41.4 料液比热 : C0 CW (1xO )4179(14.25) 4001J / Kg k100100（ 3） 真空度分配：第效： 600mmHg5a（查得此压力下饱和蒸汽温度P1 =0.21 10PT1 =61.1

9、）页脚.第效： 700 mmHgP2 =0.08 105 Pa （查得此压力下饱和蒸汽温度 T2 =41.4 ）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 (Pa)T()比焓 (KJ/kg)汽化潜热 (kg)效加热蒸汽P0 =1.5 105T0=111.3i 0 =2695.10 =2229.3效二次蒸汽P1 =0.21 105T1 =61.1i1 =2606.61 =2352.5效加热蒸汽P2 =0.08 T2=41.4i 2 =2570.22 =2396.41052、温差损失、温度损失的计算fat mt 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

10、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：页脚.0.0162(T 273)2fr 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/kgp mp 0gh2式中： pm 溶液部平均压强，Pap0 液面上方的压强，Pah 溶液液层高度， m（该题设其液层高度为6m ）溶液密度， kg/ m 3该题密度为 1.028103 kg / m3常温下番茄酱沸点升高a10.15 C0.0162 61.127320.115 ()2352.50.15pm210009.8161.028103

11、51.223kPa2由压强 51.223 kPa 查表得：Tm82 TmT08260.721.3 取10.11521.3122.43、W 1,W 2,D1页脚.物料衡算公式： W1D1F0 C0W211W2D2 F0C0 2式中 W1 W2 效蒸发水量kg/hD1 D2 效蒸汽量kg/h1 2- 效自蒸发系数F0 - 原料处理量kg/hC0- 原料比热kj/kgk1 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 : n = Tn 1Tni nc Tn41.461.10.00838 12606.661.14.186261.141.42570.241.4

12、0.008224.186将式代入式中D2 =W 1 w 1 D1Fo C oW1Fo C o 2 1D147164.0186 W1 4176 4.001 0.00822 0.00838D1141.780.00838W1页脚. w 11.0085D1142.98将式代入式中w 2 1.0085 D1142.98 4716 4.0186 0.008221.0085 D112.8 A=1.0085+1.0085=2.017B142.9812.8 130.18WB4000130.182047.68 Kg / hD1A2.017第效蒸发量 w 11.0085 D1142.981.00852047.68

13、142.98 1922.11kg / h第效蒸发量 w 21.0085D112.81.00852047.68 12.8 2052.29kg / h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 xF F oW247162052.292663.71kg / hFoxo4716 4.25%200.437.52%xW247162052.29Fo2663.714.、 效加热面积的确定效传热量： Q1D 102047.682246.64600317 kJ / h效传热量： Q 2D 211922.112331.64481591kJ / h各效有效温度差： T

14、1T0 T1111.361.150.2 T2T 12 1T261.11 41.4 18.7 其中 2 1 两效间温度损失21=1各类蒸发器传热系数（食品工程原理P722 ）蒸发器型式传热系数 K（w/蒸发器型式传热系数 K（w/页脚.m2 k）m2k）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K16698kJ / h m 2K自

15、然循环K 23349kJ / h m 2K第效加热面积： S1Q1T1460031713.68m 2K 1669850.2第效加热面积： S2Q 2T2448159170.56m 2K 2334918.7（三）工艺尺寸计算1、效加热器的尺寸根据常用化工单元设备设计162 页，采用32 1.5mm 不锈钢管，管长L=3 mS113.68（根） n150d 0 L3.14 0.029 3式中S传热面积， m2 ；d 0 加热管直径， m；L管子长度， m 。取管间距为 1.25 dH 的同心圆排列：页脚.同心圆数根数同心圆直径16D 1n t /6 40 / 3.1480mm212D 2D12t8

16、0240160mm318D 3D 22t160240240mm425D 4D 32t240240320mm根据排列四层共61 根管子第效加热面积：SI613.140.029316.66m2加热室壳体直径的计算：Dt b12e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壁的距离，取 e1.25d H1.253240mm管子在管板上的排列间距：t1.25dH1.253240 mm中心排列管子数： b428 （根）径 D1Bt b12e4081240360mm根据常用化工单元设备设计163 页取外壳壁厚 =10mm外径 D 1HD1B2360210380m

17、m将外径圆整到 400mm2、效加热器的尺寸采用32 1.5 不锈钢管，管长L=3 m页脚.S270.56（根） n 2259d 0 L3.14 0.029 3取管间距为 1.25 dH 的同心圆排列：同心圆数根数同心圆直径16D 1n t /6 40 / 3.1480mm212D 2D12t80240160mm318D 3D 22t160240240mm425D 4D 32t240240 320mm531D 5D 42t320240400mm637D 6D 52t400240480mm743D 7D 62t480240560mm850D 8D 72t560240640mm956D 9D 82

18、t640240720mm在各级中心安装一根50mm 的抽气管，所以取消了一、二层排列，同时在160 240 之间的管板， 加一根200mm 中央抽气管， 所以排列总管数为260根。第效加热器实际加热面积：S22603.140.029371m2加热室壳体直径的计算：中心排列管子数： b9218（根）径 D2 Bt b12e40181240760mm根据常用化工单元设备设计163 页取外壳壁厚 =12mm页脚.外径 D 2HD 2 B2760212784mm将外径圆整到 800mm3、蒸发室直径的确定W1V1m第效： d1036004式中 W1 效蒸发水量kg/hV1 二次蒸汽比体积m3 / kg

19、0 二次蒸汽上升速度m / s查食品工程原理 841 页并用差法计算得61.1饱和水蒸汽的密度1 0.1369 kg / m 3V1117.16m3 / kg10.13964.264.263.15m/ s0330.13691 d11922.117.161.55m3.143.1536004取 d11.6m第效： d 2W2V2m403600式中W1 效蒸发水量kg/h0二次蒸汽上升速度m/sV2 二次蒸汽的比体积m3 / kg页脚.查食品工程原理 841 页并用差法计算得41.4饱和水蒸汽密度2 0.05514 kg / m3V21118.14m3 / kg20.0551404.264.2633

20、4.26m/ s0.055142d 2W2V22052.29 18.140.7854.261.76m3600036004取 d 21.8m4、蒸发室的截面积d 2F=43.141.62第效： F1=2 4第效3.141.82F2 =2.54 45、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： H 12d121.63.2m第效： H 22d 221.83.6m6、循环管尺寸上循环管直径取d10.2d10.21.6 0.32m下循环管直径取d2d B2n0.0292321 0.52m式中dB 加热管径；n加热管根数。页脚.7、连接管直径的确定1、加热蒸汽进口管径d

21、m4Fmdm =式中： Fm 进口管截面积， DV mSmm3600Vm 加热蒸汽的比容， m 3/kg根据加热蒸汽压力为0.15Mpa ，由食品工程原理饱和水蒸汽表查得0.7334kg / m 3Vm = 1/0.7334=1.3635m3/kg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1.5 大气压，取饱和蒸汽的速度为26.25 米/ 秒。m 饱和蒸汽速度，26.25m/s故Fm 2047.68 1.3635 0.02955m2 26.25 360040.0

22、2955d m0.194m3.14由食品工程原理 P852 ：取整后选用 d m219mm ，壁厚 6mm,截面积为 0.03364m2所以实际饱和加热蒸汽的速度：D1Vm2047.681.3635mFm36000.0336423.05m / s3600页脚.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61.1 ，由食品工程原理 841 页饱和水蒸汽表查得0.1369 kg / m3Vm117.3046m3 / kg0.1369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 v1=100m/s4W V1所以 d1=13600v1=1922.

23、117.304643.141003600=0.223m取整后选用 d1245mm，壁厚6.5mm,截面积为 0.04225m2 的普通无缝钢管3、效二次蒸汽的出口管径：效二次蒸汽的出口温度为41.4 ，由食品工程原理查得密度2 0.05514 kg / m3V1118.1357m3 / kg0.05514由食品工厂机械与设备查得，取v2 =150m/s4W2V2d2=3600 v页脚=.42052.2918.135736001503.14=0.296m取整后选用 d 2325mm ，厚为 8mm ，截面积为 0.07495m2 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

24、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：t1 =25 出口温度： t2 = 40 冷凝水消耗量：GW ( HC pt 2 )Cp (t 2t1 ) 2052.29 ( 2570.2 4.179 40)4.179 (40 25) 7.87 104 kg / hW 水蒸汽量kg/hH- 水蒸汽焓kJ/kg页脚.CP-冷却水比热kJ/kg t1，

25、 t2 冷却水进、出口温度喷嘴数计算由蒸发过程设计 P36 得到，设气室为1 个大气压，水室2.5 个大气压，喷嘴直径 d=15mm ，流量系数=0.93通过一个喷嘴的水流量qf02gp故 q=3.14 0.0152 0.932 9.81 ( 2.5 1) 10536004997=32.24 (m 3/h)G喷嘴数N=q= 7.87 10499732 .24=2.45 （个）取整数为N=3 个捕集器页脚.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。页脚.主要技术参数机组号项目效蒸发器效蒸发器进料浓度4.5%6.31%进料温度61.1-进料量 kg/h47162047.68二次蒸汽压力 MPa0.0210.008蒸汽温度61.141.4出料浓度6.31%28%出料量 kg/h2047.68716计算结果汇总表料液处理量， kg/h4716蒸发水量 ,kg/h4000产品产量 , kg/h716蒸汽用量 , kg/h2047.68冷凝水用量， kg/h78700效蒸发器直径 ,m1.6页脚.效蒸发器直径 ,m1.8效蒸发器传热面积 , m