食品工程原理課程設(shè)計——蒸發(fā)器的設(shè)計.doc

食品工程原理課程設(shè)計食品工程原理課程設(shè)計說明書任務(wù)名稱：蒸發(fā)器的設(shè)計設(shè)計人：指導(dǎo)教師：班級組別：設(shè)計時間：成績:目 錄1、 設(shè)計說明書22、 設(shè)計方案的確定33、 方案說明44、 物料衡算55、 熱量衡算56、 工藝尺寸計算97、 附屬設(shè)備尺寸計算158、 主要技術(shù)參數(shù)179、 計算結(jié)果匯總1710、設(shè)備流程及裝備圖1811、參考文獻(xiàn)21設(shè)計說明書一、 題目: 蒸發(fā)器的設(shè)計 設(shè)計蒸發(fā)量為4噸/小時的雙效真空濃縮裝置，用于濃縮番茄醬的生產(chǎn)。已知進(jìn)料濃度為4.25%，成品濃度為28%，第一效真空度為600mmHg,第二效真空度為700mmHg。加熱蒸汽的壓力為0.15 MPa二、 原始數(shù)據(jù)： 1、 原料：濃度為4.25%的番茄醬2、 產(chǎn)品：濃度為28%的番茄醬3、 生產(chǎn)能力：蒸發(fā)量四噸每小時，一天工作10個小時4、 熱源：加熱蒸汽為飽和水蒸汽，壓力0.15MPa5、 壓力條件：第一效為600 mmHg的真空度，第二效為700 mmHg的真空度三、設(shè)計要求內(nèi)容：1、濃縮方案的確定：蒸發(fā)器的型式、蒸發(fā)操作流程、蒸發(fā)器的效數(shù)等。2、蒸發(fā)工藝的計算：進(jìn)料量、蒸發(fā)水量、蒸發(fā)消耗量、溫差損失、傳熱量、傳熱面積等。3、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的計算：加熱室尺寸、加熱管尺寸及排列、蒸發(fā)室尺寸、接管尺寸等。4、附屬設(shè)備的計算：冷凝器、真空系統(tǒng)的選用5、流程圖及裝配圖繪制四設(shè)計要求1、設(shè)計說明書一份；2、設(shè)計結(jié)果一覽表；蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果及設(shè)備選型情況等；3、蒸發(fā)器流程圖和裝配圖設(shè)計方案的確定1. 蒸發(fā)器的確定：選用外加熱式蒸發(fā)器，它的特點(diǎn)是加熱室與分離室分開，便于清洗和更換。這種結(jié)構(gòu)有利于降低蒸發(fā)器的總高度，所以可以采用較長的加熱管。并且，因循環(huán)管不受熱而增大了溶液的循環(huán)速度，可達(dá)1.5m/s。2. 蒸發(fā)器的效數(shù)：雙效真空蒸發(fā)。真空操作的壓力小，故在蒸發(fā)器內(nèi)物料的沸點(diǎn)就低，對于番茄這種熱敏性較高的物料，采用真空蒸發(fā)降低沸點(diǎn)是有必要的。采用多效蒸發(fā)是減少加熱蒸汽耗用量，提高熱能經(jīng)濟(jì)性的有效措施。然而也不能無限地增加效數(shù)。理由如下：（1）效數(shù)越多，節(jié)省地加熱蒸汽量就越少。由單效改為雙效時，加熱蒸汽用量可減少50%，但由四效改為五效只能節(jié)省10%，熱能經(jīng)濟(jì)性提高不大。（2）效數(shù)越多，溫度差損失越大，分配到各效的有效溫度差就越小。為了維持料液在溶液沸騰階段，每效的有效溫度差不能小于5-7攝氏度。這樣也限制了效數(shù)的增加。（3）熱敏性溶液的蒸發(fā)，一般不超過三效。3. 加熱方式：直接飽和蒸汽加熱，壓力0.15Mpa。4. 操作壓力：效為600 mmHg真空度，效為700 mmHg真空度。5. 加料方式：并流式。其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）后一效蒸發(fā)室的壓強(qiáng)比前一效的低，故溶液在效簡述送不用泵而利用各效間的壓力差;（2）后一效溶液的沸點(diǎn)較前一效的低，溶液進(jìn)入后效時發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，產(chǎn)生較多二次蒸汽；（3）高濃度溶液的溫度依效序降低對濃縮熱敏性食品有利。6. 輔助設(shè)備：冷凝器用水噴式冷凝器；慣性捕集器方案說明1. 本流程采用直接蒸汽加熱，雙效外加熱式蒸發(fā)器，并流法蒸發(fā)。使用25水作為冷卻劑，冷凝水出口溫度為40。2. 設(shè)備流程： 1）物料：預(yù)熱殺菌后的番茄醬由循環(huán)泵由下部進(jìn)入，流經(jīng)管內(nèi)，由上部進(jìn)入 蒸發(fā)分離室，先經(jīng)加熱器的管內(nèi)上升，通過彎頭進(jìn)入另一臺加熱器，經(jīng)加熱料液由管內(nèi)下降，以切線方向進(jìn)入效蒸發(fā)分離器進(jìn)行汽液分離。然后由物料泵送至效再蒸發(fā)。料液料液聚集到傾斜的底部，由排出口與循環(huán)管連接，經(jīng)液位平衡器至效蒸發(fā)室，當(dāng)效蒸發(fā)室達(dá)到平衡液位時，料液直接進(jìn)入效加熱器。蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽與物料一起進(jìn)入分離器。由二效分離器出來的物料濃度達(dá)到所要求28。2）加熱蒸汽：效蒸發(fā)與其預(yù)熱管內(nèi)物料的熱能由蒸汽供給，效蒸發(fā)和預(yù)熱管內(nèi)物料的熱能全部為一效二次蒸汽供給。效二次蒸汽全部進(jìn)入水噴式冷凝器冷卻。3）本流程采用直接蒸汽加熱，雙效外加熱式蒸發(fā)器，順流法蒸發(fā)。優(yōu)點(diǎn)是料液沸點(diǎn)依效序遞降，因而當(dāng)前效料液進(jìn)入后效時，便在降溫的同時放出其顯熱，供一小部分水分汽化，增加蒸發(fā)器的蒸發(fā)量。使用25水作為冷卻劑，冷凝水出口溫度為40。真空蒸發(fā)的條件：不斷供給熱量；要維持番茄醬的沸騰，需要不斷供給熱量。必須順?biāo)倥懦握羝蝗绮患皶r排除二次蒸汽，又會凝結(jié)成水回到番茄醬中去。本操作中將二次蒸汽引入另一效蒸發(fā)器作為熱源使用，熱能利用率高。（一）物料衡算 1、原料處理量:每小時處理量： （常用化工單元設(shè)備設(shè)計153頁）式中原料處理量，kg/h；x0進(jìn)效蒸發(fā)器料液的濃度，質(zhì)量百分比；x2出效蒸發(fā)器料夜的濃度，質(zhì)量百分比；W水分蒸發(fā)量kg/h；日處理量：每天10小時：471510=47.15 噸/日2、初步估算一、二效的蒸發(fā)水量由常用化工單元設(shè)備設(shè)計 P153取W1:W2=1:1.1故 W1=1904.8(kg/h)W2=4000-1904.8=2095.2(kg/h)其中，W1第效的蒸發(fā)量，kg/hW2第效的蒸發(fā)量，kg/h效二次蒸汽濃度=6.31%3、成品產(chǎn)量：F2=-W=4716-4000=716 kg/h（二）熱量衡算1. 有關(guān)參數(shù)（1） 總蒸發(fā)量：4000 kg/h（2） 進(jìn)料： =4.25% =61.1 (查食品工程原理843頁此溫度下水的比熱Cww=4179J/Kg.k)出料： =28% =41.4料液比熱: （3） 真空度分配：第效：600mmHg =0.21105 Pa（查得此壓力下飽和蒸汽溫度 =61.1）第效：700mmHg =0.08105 Pa （查得此壓力下飽和蒸汽溫度 =41.4）來自食品工程原理741頁飽和水蒸汽表二次蒸汽的熱參數(shù)值如下表壓力(Pa)T()比焓(KJ/kg)汽化潛熱(kg)效加熱蒸汽=1.5105=111.3=2695.1=2229.3效二次蒸汽=0.21105=61.1=2606.6=2352.5效加熱蒸汽=0.08105=41.4=2570.2=2396.42、溫差損失、溫度損失的計算 式中：溫度差損失， 操作壓強(qiáng)下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點(diǎn)升高， 液層靜壓引起的溫度差損失，管路流動阻力引起的溫度差， 常壓下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點(diǎn)升高， 校正系數(shù)，無因次，其經(jīng)驗計算式為： 式中：操作壓強(qiáng)下二次蒸汽的溫度， 操作壓強(qiáng)下二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg 式中：溶液內(nèi)部平均壓強(qiáng)，Pa 液面上方的壓強(qiáng)，Pa 溶液液層高度，m （該題設(shè)其液層高度為6m）溶液密度，kg/ m3 該題密度為 常溫下番茄醬沸點(diǎn)升高 () 由壓強(qiáng)51.223 kPa查表得： 取 3、W1,W2,D1物料衡算公式： 式中 效蒸發(fā)水量 kg/h D1 D2效蒸汽量 kg/h 12-效自蒸發(fā)系數(shù) -原料處理量 kg/h C0-原料比熱 kj/kgk 熱利用系數(shù)（來自食品工廠機(jī)械與設(shè)備192頁）根據(jù)逆流時的自然蒸發(fā)系數(shù)，按下式計算: 將式代入式中D2 =W1 將式代入式中A=1.0085+1.0085=2.017 第效蒸發(fā)量 第效蒸發(fā)量與初估各效蒸發(fā)水量比較誤差3，可不必對各效蒸發(fā)水量及濃度加以修正。3第效放出漿量及濃度4.、 效加熱面積的確定 效傳熱量： 效傳熱量： 各效有效溫度差： 其中兩效間溫度損失=1各類蒸發(fā)器傳熱系數(shù)（食品工程原理P722）蒸發(fā)器型式傳熱系數(shù)K（w/ m2k）蒸發(fā)器型式傳熱系數(shù)K（w/ m2k）水平沉浸加熱式6002,300升膜式1,2006,000標(biāo)準(zhǔn)式（自然循環(huán)）6003,000降膜式1,2003,500標(biāo)準(zhǔn)式（強(qiáng)制循環(huán)）1,2006,000懸筐式6003,000外加熱室式（自然循環(huán)）1,2006,000蛇管式3502,300外加熱室式（強(qiáng)制循環(huán)）1,2007,000通過上表按經(jīng)驗數(shù)據(jù)?。簭?qiáng)制循環(huán) 自然循環(huán) 第效加熱面積： 第效加熱面積：（三）工藝尺寸計算1、效加熱器的尺寸 根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計162頁，采用321.5mm不銹鋼管，管長L=3 m （根）式中 S傳熱面積，； 加熱管直徑，m； L管子長度，m 。取管間距為1.25的同心圓排列：同心圓數(shù)根數(shù)同心圓直徑16212318425根據(jù)排列四層共61根管子第效加熱面積： 加熱室殼體直徑的計算： 式中 D殼體直徑，m； t 管間距，m； b 沿直徑方向排列的管子數(shù) e 最外層管中心到殼體內(nèi)壁的距離，取管子在管板上的排列間距： 中心排列管子數(shù)：（根） 內(nèi)徑根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計163頁 取外殼壁厚=10mm 外徑 將外徑圓整到400mm2、效加熱器的尺寸 采用321.5不銹鋼管，管長L=3 m （根） 取管間距為1.25的同心圓排列：同心圓數(shù)根數(shù)同心圓直徑16212318425531637743850956在各級中心安裝一根50mm的抽氣管，所以取消了一、二層排列，同時在160240之間的管板內(nèi)，加一根200mm中央抽氣管，所以排列總管數(shù)為260根。第效加熱器實際加熱面積：加熱室殼體直徑的計算： 中心排列管子數(shù)：（根） 內(nèi)徑根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計163頁 取外殼壁厚=12mm 外徑 將外徑圓整到800mm 3、蒸發(fā)室直徑的確定第效： m式中 效蒸發(fā)水量 kg/h 二次蒸汽比體積 二次蒸汽上升速度 查食品工程原理841頁并用內(nèi)差法計算得61.1飽和水蒸汽的密度取第效： m式中 效蒸發(fā)水量 kg/h 二次蒸汽上升速度 m/s 二次蒸汽的比體積 查食品工程原理841頁并用內(nèi)差法計算得41.4飽和水蒸汽密度取4、蒸發(fā)室的截面積F=第效：F1=2第效F2=2.545、蒸發(fā)室的高度根據(jù)常用化工單元設(shè)備設(shè)計163頁取蒸發(fā)室高徑比H/D=2第效： 第效：6、循環(huán)管尺寸上循環(huán)管直徑取 下循環(huán)管直徑取 式中 加熱管內(nèi)徑； n加熱管根數(shù)。7、連接管直徑的確定1、加熱蒸汽進(jìn)口管徑dm dm=式中：Fm進(jìn)口管截面積， Vm加熱蒸汽的比容，m3/kg 根據(jù)加熱蒸汽壓力為0.15Mpa，由食品工程原理飽和水蒸汽表查得 Vm= 1/0.7334=1.3635m3/kg 由食品工廠機(jī)械與設(shè)備得：加熱蒸汽進(jìn)口壓力為3大氣壓，取飽和蒸汽的速度為30米/秒，蒸汽進(jìn)口壓力為1大氣壓，取飽和蒸汽的速度為25米/秒，故本題加熱蒸汽進(jìn)口壓力為1.5大氣壓，取飽和蒸汽的速度為26.25米/秒。 飽和蒸汽速度，26.25m/s 故 由食品工程原理P852：取整后選用，壁厚,內(nèi)截面積為 所以實際飽和加熱蒸汽的速度：2、效二次蒸汽出口進(jìn)入效的管徑：效二次蒸汽出口的溫度為，由食品工程原理841頁飽和水蒸汽表查得 由食品工廠機(jī)械與設(shè)備在減壓真空狀態(tài)下，管的出口處二次蒸汽速度為100160米/秒，取 v1=100m/s 所以 d1=0.223m取整后選用，壁厚,內(nèi)截面積為的普通無縫鋼管3、效二次蒸汽的出口管徑：效二次蒸汽的出口溫度為41.4，由食品工程原理查得密度 由食品工廠機(jī)械與設(shè)備查得，取v2=150m/s d2=0.296m取整后選用，厚為8mm，內(nèi)截面積為的普通無縫剛管附屬設(shè)備尺寸計算選用水噴式式冷凝器冷凝器選用噴射式冷凝器，它由噴射器和離心水泵組成，又稱水力噴射器，兼有冷凝及抽真空兩種作用。其工作原理是利用高壓水流，通過噴嘴噴出，聚合在一個焦點(diǎn)上，由于噴射的水流速度較高，在周圍形成負(fù)壓區(qū)，水流經(jīng)擴(kuò)散管增壓排出，而在負(fù)壓區(qū)可以不斷地吸入二次蒸汽，經(jīng)導(dǎo)向盤與冷卻水接觸，冷凝后一起排出。取冷凝水進(jìn)口溫度： =25 出口溫度： = 40冷凝水消耗量： W水蒸汽量 kg/hH-水蒸汽焓 kJ/kgCP-冷卻水比熱 kJ/kgt1，t2冷卻水進(jìn)、出口溫度 噴嘴數(shù)計算由蒸發(fā)過程設(shè)計P36得到，設(shè)氣室為1個大氣壓，水室2.5個大氣壓，噴嘴直徑d=15mm，流量系數(shù)=0.93 通過一個噴嘴的水流量故 q=0.933600 =32.24 (m3/h)噴嘴數(shù) N=2.45（個）取整數(shù)為 N=3個捕集器選用慣性捕集器，其作用是防止蒸發(fā)過程形成的細(xì)微液滴被二次蒸汽帶出，對汽液進(jìn)行分離，以減少物料的損失，同時避免污染管道及其他蒸發(fā)器的加熱。捕集器的型式很多，可分為慣性型和離心型等類型。主要技術(shù)參數(shù) 機(jī)組號項目效蒸發(fā)器效蒸發(fā)器進(jìn)料濃度4.5%6.31%進(jìn)料溫度61.1-進(jìn)料量kg/h47162047.68二次蒸汽壓力MPa0.0210.008蒸汽溫度61.141.4出料濃度6.31%28%出料量kg/h2047.68716計算結(jié)果匯總表料液處理量，kg/h4716蒸發(fā)水量,kg/h4000產(chǎn)品產(chǎn)量, kg/h716蒸汽用量, kg/h2047.68冷凝水用量，kg/h78700效蒸發(fā)器直徑,m1.6效蒸發(fā)器直徑,m1.8效蒸發(fā)器傳熱面積, m213.68效蒸發(fā)器傳熱面積, m270.56效蒸發(fā)器高度,m3.2效蒸發(fā)器高度，m3.6加熱管尺寸,mm 上循環(huán)管直徑，m0.32下循環(huán)管直徑，m0.52加熱蒸汽進(jìn)口管徑，mm219效二次蒸汽出口進(jìn)入效的管徑，mm245效二次蒸汽的出口管徑，mm