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

姓名：

班级：

指导教师：

学号：

＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

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