番茄汁双效并流蒸发装置的设计

1、砂圆址农林布枚大学Northwest A & F University西北农林科技大学食品科学与工程学院食品工程原理课程设计说明书番茄汁双效并流蒸发装置的设计设计人：专 业：食品科学与工程班级组别：食工145班第八组 完成时间：2016年9月2日1 .前言 31.1 设计题目 3.1.2 蒸发流程特点 3.1.3 设计任务及操作条件3.2 .设计项目 4.2.1 设计方案简介4.2.2 蒸发器的工艺流程 5.2.3 蒸发器的工艺计算 5.2.3.1 物料衡算 5.2.3.2 热量衡算 6.2.3.3 工艺尺寸计算 9.2.4 计算结果列表1.3.3 . 番茄汁双效并流加料蒸发装置的流程

2、图和蒸发器设备工艺简图 144 .设计总结 1.5.5 . 参考文献 1.6.201 .前言1.1 设计题目番茄汁双效并流蒸发装置的设计。1.2 蒸发流程特点蒸发是使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽， 从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作。 蒸发具有它独特的特点： 从传热方面看， 原料和加热蒸汽均为相变过程，属于恒温传热：从溶液特点分析，有的溶液有晶体析出、易结垢、易生泡沫、高温下易分解或聚合，粘度高、腐蚀性强；从传热温差上看，因溶液蒸汽压降低，沸点增高，故传热温度小于蒸发纯水温度差；从泡沫夹带情况看，二次蒸汽夹带泡沫， 需用辅助仪器除去； 从能源利用上分析， 可以对二次蒸汽重复利用等。这

3、就需要我们从五个方面考虑蒸发器的设计。随着工业蒸发技术的发展， 蒸发器的结果和形式也不断的改进。 目前蒸发器大概分为两类：一类是循环型，包括中央循环管式、悬筐式、外热式、列文式及强制循环式等；另一类是单程型，包括升膜式、降膜式等。这些蒸发器形式的选择要多个方面综合得出。现代化工生产实践中， 为了节约能源， 提高经济效益， 很多厂家采用的蒸发设备是多效蒸发。 因为这样可以降低蒸汽的消耗量， 从而提高蒸发装置的各项热损失。多效蒸发流程可分为：并流流程、逆流流程、平流流程及错流流程。在选择形式时应考虑料液的性质、工程技术要求、公用系统的情况等。1.3 设计任务及操作条件（ 1）该蒸发器处理含固形物

4、5.0%的番茄汁的能力为 36 吨/ 天，番茄汁成品浓度为 10%；原料液温度为沸点进料。（2）加热蒸汽压力为200kPa（绝压），冷凝器压力为95kPa（绝压）；（3）总传热系数K1=900W/（m 2? 【如果设计双效蒸发器，）K2=1800W/（m2?）】 ；（4）番茄汁的比热为4.00kJ/（kg? ）。（ 5）加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。忽略热损失。（ 6）每年按300 天计，日工作量是8 小时。（ 7）厂址：西安地区。2 .设计项目2.1 设计方案简介（ 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，

5、 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：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。 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5-7 摄氏度。这

6、样也限制了效数的增加。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2Mpa。（4）操作压力：I效为600 mmHg真空度，口效为700 mmHg真空度。（ 5）加料方式：并流式。具优点在于：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 ; 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； 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2.2 蒸发器的工艺流程(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 25c 水作为冷却剂，冷凝水

7、出口温度为 40Co(2)设备流程：物料：预热杀菌后的番茄酱由循环泵由下部进入， 流出后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，经加的热料液由管内 下降，以切线方向进入I效蒸发分离器进行汽液分离。 然后由物料泵送至n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I 效蒸发室，当I效蒸发室达到平衡液位时，料液直接进入n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 10%。加热蒸汽：I效蒸发与其预热管内物料的热能由蒸汽供给，R效蒸发和预热管内物料的热能全部为一效二次蒸汽供给。n效二次蒸汽全部进入

8、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25c水作为冷却剂，冷凝水出口温度为40Co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，热能利用率局。2.3 蒸发器的工艺计算2.3.1 物料衡算(一)原料处理量 Fo = 36 1000 = 4500kg / ht 八 4 、一xo5、水分烝

9、发重 W = Fo(1 )= 4500 x 1 i = 2250kg / hXn:10)(二)初步估算一、二效的蒸发水量取 Wi： W2 =1:1.1故 W1= W = 2250 =1071 43kg/h1 1.11 1.1W2 =W -W1 =1178.57kg/hF0x04500 5%- lcc，I 效出来的物料浓度：x1 = 6.56%F0 -W14500 -1071.43式中：W 总蒸发量，kg/h;Wi 各效蒸发量，kg/h;F0 原料7流量，kg/h;X。、xi 原料及各效完成液浓度（质量 %） （三）成品产量：F2 =F0 W =4500 -2250 2250kg/h2.3.2

10、热量衡算（一）有关参数总蒸发量：2250kg/h进料：x0=5%t0=61.1 C （查食品工程原理此温度下水的比热Cpw =4179J/kg K ）出料：x2=10% t2=41.4 C、,.一r 一、，“产 乂0 '产 5 I 一 .料敏比热计算：C0=Cpw 1-1 = 41791- i=4.00kJAkg K< 100J< 100）真空度分配：第I效：600mmHgP1 =0.21 x105Pa （查得此压力下饱和蒸汽温度 t1=61.1C）第 II 效：700mmHgP2 =0.08 M105Pa （查得此压力下饱和蒸汽温度t2=41.4 C ）二次蒸汽的温度和气

11、化潜热压力（Pa）T (C)比比(kJ/kg)汽化潜热（kJ/kg）I效加热蒸汽P0=2.00X 105PaT=120i0=2710.0r0=2202.4I效二次蒸汽P1=0.21X105Pat1 =61.1i1=2606.6门=2352.5II效加热蒸汽P2=0.08X 105Pat2=41.4i2=2570.2r2=2396.4（二）温度损失的计算 = A + A +=f !1a,，A = tm t。式中： 温度差损失，C； 操作压强下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高，c ；氏一一液层静压引起的温度差损失，C ;_"'.一 . 一 . . 、 . 一、- 管路流动阻力引

12、起的温度差，C;a 一常压下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高，C ；f 一一校正系数，无因次，其经验计算式为：, 0.0162丁 +2732f ='r式中：T 操作压强下二次蒸汽的温度，C;r 操作压强下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg,p ghPm=P02式中：Pm溶液内部平均压强，PaPo液面上方的压强，Pah溶液液层高度，m （设其液层高度为6m）P-溶液密度，kg/m3 （尸1.028X 103kg/m3）常温下番茄汁沸点升高 &'=0.15C6 =0.0162（61.1 +273：2 S15 = 0.115C2352.59 81 6 1 028 103Pm =

13、210006=51223.2Pa由压强 51223.2Pa查表彳导:Tm=82C =Tm=82 -60.7 = 21.3C取4 =1C+ =0.115+21.3+1 =22.4C(三)W1、W2、D1的计算物料衡算公式：W1 =D+(F0 c0W2冲f W2 = D2+F0，c0 d式中：Wr W2I、II效蒸发水量，kg/hD1、D2I、II 效蒸汽量,kg/h5、山一一I、II效自蒸发系数F0一原料处理量，kg/hC0原料比热，kJ/（kg K）刑、印热利用系数根据逆流时的自然蒸发系数，按下式计算：依JiTnin -CTn_ t2 -t1i1 c t141.4 -61.12606.6 61

14、.1 4.186=0.008380,t1 -t261.1 -41.4B 2 =i2c t22510.2 -41.4 4.186-0.00822将式代入式中，又因D2=Wi所以 W1 =Di + Fo C0-(W1+F0 C0 /曲可得 W1 =1.0085D1-150.86将式代入式中得W2 =1.0085Di-142.98 4716 4.0186 0.00822 = 1.0085D1 - 2.9所以 A =1.0085 1.0085 =2.017B = -150.86 -2.9 = -153.76- W -B 2250 - -153.76D 1 N =2.017二 1191.75kg/h第

15、I 效实际蒸发量 Wi =1.0085M 1191.75150.86 = 1051.02kg/h第 II 效实际蒸发量 W2 =1.0085M1191.75 2.9 = 1198.98kg/h与初步估计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（四）第I效放出浆量Fi及浓度X1Fi =Fo-Wi =4500 -1051.02 3448.98kg/hFo X0X1工Fo -Wi4500 5%4500 -1051.02-0.0652 =6.52%（五）I、II效加热面积的确定I 效传热量：Qi = Di r0 =1191.75 M2202.4 =2624710kJ/hI

16、I 效传热量：Q2 = D2 6=1051.02 m 2352.5 = 2472525kJ/h各效有效温差：=T0T1 =120一61.1 =58.9C T2=_ 枝 _1_丁2 =61.1_1 _41.4=18.7C （42为两效间温度 损失）所以 第I效加热面积：$=Q= 2624710 =49.51m2K1900 58.9第 II 效加热面积：S2= 2472525 = 73.46m2K2 .AT21800M18.72.3.3工艺尺寸计算（一）I效加热器的尺寸根据常用化工单元设备设计162页，采用32 x 1.5mm不锈钢管，管长L=3m故 m=-S-=495=182根u0L 3.14x

17、0.029x3式中S传热面积，m2; d0加热管直径，m； L管子长度，m。取管间距为1.25的同心圆排列：同心圆数根数同心圆直径（mm）16P D1=n t/7=6X40/3.14=801212D2=D1+2t=80+2X40=160318D3=D2+2t=160+2 X40=240425D4=D3+2t=240+2 X40=320531D5=D4+2t=320+2 X40=400637D6=D5+2t=400+2 X40=480743P D7=D6+2t=480+2 X40=5601850D8=D7+2t=560+2 X40=640排列8层，共222根管子故 第I效加热面积：S = 222

18、黑3.14父0.029父3 = 60.65m2加热室壳体直径的计算：D -t b-1 2e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 e =1.25dH =1.25 32 = 40mm管子在管板上的排列间距：t =1.25dH =1.25 32 = 40mm中心排列管子数：b=8X2=16 （根）内径：D1B=tb-1 2e=40 16-1 2 40 = 680mm根据常用化工单元设备设计163页取外壳壁厚生10mm外径：Dih =Dib 2A680 2 10 700mm将外径圆整到400mm（二）II效加热器的尺寸采用32X1.5

19、不锈钢管，管长L=3 m故悖=三=73.46=269根冗虬 3.14x0.029x3取管间距为1.25的同心圆排列:同心圆数根数同心圆直径（mm）16D1=n t/7=6X40/3.14=801212D2=D1+2t=80+2X40=160318D3=D2+2t=160+2 X40=240425D4=D3+2t=240+2 X40=320531p D5=D4+2t=320+2 X40=400 637D6=D5+2t=400+2X40=480743D7=D6+2t=480+2 X40=560850D8=D7+2t=560+2X40=640956P D9=D8+2t=640+2 X40=72011

20、062D10=D9+2t=720+2X40=800排列10层，共340根管子故第II效力口热面积：S2 =340父3.14父0.029父3 = 92.88m2加热室壳体直径的计算：D = t b -1 2e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e =1.25dH =1.25 32 = 40mm管子在管板上的排列间距：t =1.25dH =1.25 32 = 40mm中心排列管子数：b=10X2=20 （根）内径：D2B=tb-1 2e=40 20-1 2 40 = 840mm根据常用化工单元设备设计163页取外壳壁厚生12mm外

21、径：D2H =D2B 2 s = 840 2 12 = 864mm将外径圆整到900mm（三）蒸发室直径的确定W1 V1弟 I 效：d1 = （m）一冗 ':-3 3600式中 WiI效蒸发水量，kg/h; Vi二次蒸汽比体积 ，m3/kg；必一一一 次蒸汽上升速度，m/s查食品工程原理841页并用内差法计算得61.1 C饱和水蒸汽的密度得3P1=0.1369kg/m3113Vi = 一 = = 7.30m /kgpi 0.1369CJ0= 3426:3P1di 二1051.02 7.303.14 3.15 36004= 0.93m取 d1=1.0m第II效：d2 =W2 V2. 、(

22、m)Tt 一w 3600 4式中 W2II效蒸发水量，kg/h; V2二次蒸汽比体积 ，m3/kg；血- 次蒸汽上升速度，m/s查食品工程原理841页并用内差法计算得 41.4C饱和水蒸汽的密度得3片0.05514kg/m3113V2 = =18.14m3/kg区 0.055144.26 。 4.2634.26m/s产 .0.05514,1198.9818.14d2 =.3 14 £.11乂4.26父3600=1.81m取 d2=1.9m（四）蒸发室的截面积3114 20由A =口计算得第I效：A1 = 3 . 114. 00.7 29 m第II效：44A2一- 23.14 1.94

23、=2.83m2（五）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所以 第 I 效：H1 =2"=2M1.0 = 2.0m第 II 效：H2=2Md2 = 2".9=3.8m（六）循环管尺寸上循环管直径取 d< =0.2d1 =0.2 1.0 -0.2m下循环管直径取 d2'' = '.dB2 n =、,0.0292 340 = 0.535m式中dB加热管内径；n加热管根数 （七）连接管直径的确定加热蒸汽进口管径 dm4 Smv 九式中：Sm 进口管截面积，m2；C DVmSm =3m 36000饱和蒸汽速度，27m/s式

24、中Vm 加热蒸7的比容，m3/kg； com根据加热蒸汽压力为200Kpa,由食品工程原理饱和水蒸汽表查得3Vm=1/0.7334=1.3635m/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2大气压，取饱和蒸汽的速度 为27米/秒。故 Sm = 1191.75 0.81 = 0.009931m227 3600,4 0.009931dm0.1125m = 113mm3.14I效二次蒸汽出口进入II效的管径：I效二次蒸汽出口的温度为61.1C ,由食品工程原理841页饱和水

25、蒸汽表查得 p=0.1369kg/rm113V1 一 = = 7.30m /kgP10.1369 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100160 米/秒,取 V1 =100m/s所以d1 =4W1V13600"1051.02 7.30 4, 3.14 100 3600= 0.1648m取整后选用d1=165mm,壁厚2mm,内截面积的0.020348m2的普通无缝钢管n效二次蒸汽的出口管径：II效二次蒸汽的出口温度为41.4C ,由食品工程原理查得密度世=0.05514kg/m3113V2 = - = = 18.14m /kg伊 0.05514所以 d2

26、=4W2V23600 二 V2由食品工厂机械与设备查得，取 V2=150m/s,1198.98 18.14 4 =0.25322m3.14 120 3600取整后选用d1=254mm,壁厚2mm,内截面积的0.049063m2的普通无缝钢管（八）附属设备尺寸计算冷凝器选用水喷式冷凝器，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：ti=25C出口温度：t2

27、=40C冷凝水消耗量:W2 i2 -Cpt2 G 二Cp t2 - tl1198.98 2510.2 -4.179 404=4.60 10 kg/h4.179 40-25式中W水蒸汽量，kg/h； H 水蒸汽始，kJ/kg； Cp冷却水比热，kJ/（kg ? C）； 3, t2冷却水进、出口温度，C。2.4计算结果列表（一）主要技术参数项目 机组号I效蒸发器II效蒸发器进料浓度5%6.25%进料温度c61.1-进料量kg/h45003448.98二次蒸7压力MPa0.0210.008蒸汽温度c61.141.4出料浓度6.52%10%出料量kg/h3448.982250（二）计算结果汇总料液处理量，kg/h4500蒸发水量，kg/h2250产品产量，kg/h2250I效蒸发器直径，m1.0II效蒸发器直径，m1.9I效蒸发器传热面积，m249.