食品工程原理课程设计.docx
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食品工程原理课程设计
食品工程原理
课程设计
设计题目:
奶粉生产牛奶真空蒸发器设计
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________________
第一章设计任务书及设计方案
概述
任务目的及数据
第二章真空蒸发系统的选择
系统的选择
系统的结构
第三章物料蒸发数据计算
1.总蒸发量的计算
2.传热面积的计算
2.1加热面积初算
2.2重算两效传热面积
3.流程图及参数
第四章设备的选择
4.1加热管的选择和管数的初步估计
4.2循环管的选择
4.3加热室直径及加热管数目的确定
4.4分离室直径与高度的确定
4.5蒸汽冷凝器直径的确定
4.6接管尺寸的确定
4.6.1溶液进出口
4.6.2加热蒸气进口与二次蒸汽出口
4.6.2冷凝水出口
附参考文献
第一章设计任务书及设计方案
概述
蒸发是将含有不挥发性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,蒸发所采用的设备称为蒸发器。
蒸发浓缩除去了食品中大量的水分,减少质量和体积,从而减少食品包装、储藏和运输费用。
并且政法操作可使溶液中可溶性物质浓度增大,从而增加了渗透压,降低了水分活度,能有效地抑制微生物生长,达到延长保质期的目的。
蒸发尤其是真空蒸发可以降低食品脱水过程的能耗,常作为干燥、结晶等单元操作的预处理过程。
真空蒸发是利用在负压下,原料的沸点降低,以较低温度使溶液沸腾而达到蒸发目的。
其特点为料液沸点低,浓缩速度快、能用低压蒸汽作热源、利于保持食品营养成分、能耗小。
任务目的及数据:
原料液处理量:
F=2400Kg/h
原料液浓度:
X0=10%
完成液浓度:
X2=50%
进料温度t0:
预热至第一效沸点
加热蒸汽压力:
P=490kPa(绝压)
第二效分离室压力:
P′2=20×103Pa(绝压)
第一效传热系数:
K1=1200W/(m2﹒℃)
第二效传热系数:
K2=750W/(m2﹒℃)
无额外蒸汽引出,忽略热损失。
第二章真空蒸发系统的选择
系统的选择
根据牛奶浓度低、对热敏感、易起泡的特点,选择双效升膜式真空蒸发器。
系统的结构
第三章物料蒸发数据计算
1.总蒸发量的计算
对溶质进行物料衡算:
Fx0=(F-W)x1
W=F(1-X0/X1)=3600×(1-0.1÷0.5)=2880kg/h
2.传热面积的计算
2.1加热面积初算:
(1)设双效蒸发水量相等,估计第一效中溶液浓度x1
W1=W2=W/2=2880÷2=1440kg/h
X1=Fx0/(F-W1)=3600×0.1/(3600-1440)=0.17
(2)设双效蒸汽压相等,估计第一效溶液沸点t1和有效总温度差∑△tm。
△P=P-P2′=490×103-20×103=470×10Pa
故P1′=P-△P/2=490×103-470×103/2=255×103Pa
查表得:
P1′=255×103Pa时,水的沸点tw1=128℃,
P2′=20×103Pa时,水的沸点tw2=60℃.
由资料查得:
t1=136℃,t2=77℃.
由沸点升高引起的温度差损失为:
△1′=t1-tw1=136-128=8℃
△2′=t2-tw2=77-60=17℃
对于升膜式蒸发器,由夜柱静压力引起的温度差损失可忽略,即△′′=0取管路引起的温度差损失△1-2′′=1℃,则总温度差损失为:
∑△=∑△′+∑△′′+∑△′′′=(△1′+△2′)+△′′+△1-2′′
∑△=8+17+1=26℃
查得加热蒸汽温度T1=151℃,汽化潜热r1=2115KJ/Kg。
所以,有效总温差∑△tm=T1-tw2-∑△=151-60-26=65℃
(3)、试算两效蒸发水量W1、W2及加热蒸汽消耗量D1.根据两效二次蒸汽压力,查出相应二次蒸汽的有关参数,列于表
表1:
两效二次蒸汽的有关参数
假设10%牛奶比热C0=3.77KJ/(kg﹒℃),水的比热Cw=4.187kJ/(kg﹒℃)。
作第一效的热量衡算,得:
W1=[D1r1/r1′+FC0(t0-t1)/r1′]y1
因系沸点进料,即t0=t1,又热利用系数y1=0.98-0.007△x所以:
y1=0.98-0.007(15-10)=0.945
故W1=0.945D1r1/r1′=0.945×(2115÷2190)×D1=0.913D1①同理第二效的热量衡算:
W2=W-W1=[(r2/r2′)×W1+(3.77F-4.187W1)(t2-t1)/r2′]y2②其中:
y2=0.98-0.007(x2-x1)=0.98-0.007×(50-15)=0.739则有:
2880-W1=[2190W1/2355.8+(3.77×3600-4.187W1)(136-77)/2355.8]×0.739整理得W1=1587.5kg/h代入式①可得:
D1=W1/0.913=1587.5/0.913=1738.8kg/h根据式②可得:
W2=W-W1=2880-1587.5=1292.5Kg/h(4)分配有效温差,计算两效传热面积S1、S2
S1=Q1/K1△tm1
其中Q1=D1r1=1738.8×2115/3600=1021.55kW
△tm1=T1-t1=151-136=15℃
K1=1200W/(m﹒℃)
故S1=1.02×10/(1200×15)=56.7m
而Q2=W1r1′=1587.5×2190×10/3600=965.7kW
△=tw1-△′-tw2=128-17-60=51℃K2=750W/(m﹒℃)
故S2=9.66×10/(750×51)=25.2m
由于两效传热面积相差很大,故应调整各效的有效温度差,并重复上述计算步骤
2.2重算两效传热面积
(1)重新分配有效温度差
S=(S1△tm1+S2△tm2)/∑△tm=(56.7×15+25.2×51)/66=32.4m△t′m1=tm1×S1/S=56.7×15/32.4=26.25℃
△t′m2=tm2×S2/S=25.2×51/32.4=39.7℃
(2)校正各效沸点、蒸发水量和传热量
因第二效完成液浓度和二次蒸汽压力均一定,故第二效溶液的沸点亦不变,t2=77℃。
而△t′m2=39.7℃,则第二效加热蒸汽温度为t2+△t′m2=116.7℃故第一效二次蒸汽温度:
T′1=116.7+△′′1-2
即T′1=tw1等于6.7+1=117.7
又x1=Fx0/(F-W1)=3600×0.1/(3600-1587.5)=0.179
按第一效的二次蒸汽温度117.7℃和溶液浓度0.1792
由题可知的第一效沸点t1=127℃,此温度下,r′1=2186KJ/Kg重做两效热量衡算得:
对第一效:
y1=0.98-0.007(17.9-10)=0.9247由热量衡算得
W1=(2115D1/2186)×0.9247=0.895D1③第二效y2=0.98-0.007(50-17.9)=0.755
由热量衡算
W2=2880-W1=651+0.723W1
即W1=1293.7kg/h
代入③得:
D1=1293.7/0.913=1416.9kg/h
W2=2880-1293.7=1586.3kg/h
Q1=D1r1=1416.9×2115×103/3600=832.4kWQ2=W1r1′=1293.7×2186×103/3600=785.6kW
(3)两效传热面积
S1=Q1/K1△tm1′=832.4×103/(1200×26.25)=26.42mS2=Q2/K2△tm2′=785.6×103/(750×39.7)=26.38m两效传热面积已经较接近,故可以经多重考虑取S1=S2=30m2323233
(4)、计算结果
表2:
并流双效升膜式蒸发器计算结果
3.流程图及参数
根据计算结果,绘制流程图如下:
第四章设备的选择
4.1加热管的选择和管数的初步估计
蒸发器的加热管通常选用Φ57×3.5mm无缝钢管,长度一般为0.6—2m,可根据经验我们选取:
L=1.1m,Φ57×3.5mm。
初步估计所需的管子数n':
s30'n=s/πdl=30/57×10-3×3.14×1.0=167.6≈168(根)
式中S=----蒸发器的传热面积,㎡;
d----加热管外径,m;
L---加热管长度,m;
加热管固定在管板上,考虑管板厚度所占传热面积,计算时管长应用(L—0.1)m.
4.2循环管的选择
循环管的截面积是根据使循环阻力尽量减小的原则考虑的。
选用中央循环管式蒸发器的循环管截面积可取加热管总截面积的40%--100%。
加热管的总截面积按n’计算。
循环管内径以D1表示,则
4πD12=(40%`~100%)n’4πdi2
D1=
(0.4~1.0)n’di2=√0.8×168×50=580mm
循环管面积S=3.14/4(580×10-3)2=0.455㎡
又有,S=0.8nπ/4di2=145(根)则:
n=4S/0.8πdi2=4×0.455/0.8×3.14×(50×10-3)2
4.3加热室直径及加热管数目的确定
选三角形顺排式。
选用的设计管心距是:
t=70mm
一根管子在管板上按正三角形排列时所占据的管板面积:
Fmp=t2sina=0.886t2
当加热管数为n时,在管板上占据的中面积F1=nFmp/φ=168×0.886×(70×10-3)/0.9=0.81mm2
式中:
F1--管数为n时在管板上占据的总面积,
φ—管板利用系数,φ=0.7-0.9;
当循环管直径为D1时,则棺板的总面积为
F2=πD1+2t2/4=3.14×(580×10-3)2=0.407mm2
设加热室的直径D0,则:
Π/4D02=nt2×0.866/φ+Π(D1+2t)2/4
=0.808mm2
由此求得D0=1.014m=101.4mm
取D0=1000mm。
所以壳体内径为1m,厚度为10.0mm。
4.4分离室直径与高度的确定
分离室的体积与二次蒸汽的体积流量及蒸发体积强度有关:
V=W/3600*P*U
式中:
V---分离室的体积,m3;
W---蒸发器的二次蒸汽量,kg/h;---二次蒸汽的密度,kg/m3,
ρ---二次蒸汽的密度kg/m3
U---蒸发体积强度,m3/(m3.s);即每m3分离室体积每秒产生的二次蒸汽量。
一般允许值为U=1.1~1.5m/(m.s)。
取U=1.2m/(m.s),则:
V=W/3600PU=5.74
分离室的体积、高度与直径符合4V=πDH关系,通常采用高径比H/D=1~2。
一般认为,中央循环式蒸发器和悬框式蒸发器分离室的高度不低于1.8—2.5m,才能保证液体不被带走。
∴综合考虑,取H=1.9m,,D=1.7m
4.5蒸汽冷凝器直径的确定
蒸汽冷凝器的作用是用冷却水将二次蒸汽冷凝。
当二次蒸汽为有价值的产品需要回收或会严重地污染冷却水时,应采用间壁式冷却器。
当二次蒸汽为水蒸气不需要回收时,可采用直接接触式冷凝器。
二次蒸汽与冷凝水直接接触进行热交换,其冷凝效果好,被广乏采用。
现采用多孔板式蒸汽冷凝器:
由计算可知,进入冷凝器的二次蒸汽的体积流量可计算得到冷凝器的直径D
D0=
4V/πu=0.374m
取D=377mm
4.6接管尺寸的确定
流体进出口的内径d=
4Vs/πu
式中Vs-----流体的体积流量m3/h;
U--------流体的适宜流速m/s
4.6.1溶液进出口
取流体的流速为0.8m/s;
D0=
4V/πu=0.037m
所以取ф38X2.5mm规格管。
4.6.2加热蒸气进口与二次蒸汽出口
取流体的流速为30m/s
D1=
4V/πu=0.202m
所以取ф203X6.0mm规格管。
4.6.2冷凝水出口
冷凝水的排出一般属于液体自然流动,接管直径由加热蒸气消耗量确定。
取流体的流速为0.1m/s
D2=
4V/πu=0.070m
所以取ф70X3.0mm规格管。
附参考文献
1.《食品工程原理》,赵思明.科学出版社,2009.2;
2.《现代果汁加工技术与设备》,仇农学,化学工业出版社