食品工程原理课程设计蒸发器的设计Word格式.doc
《食品工程原理课程设计蒸发器的设计Word格式.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《食品工程原理课程设计蒸发器的设计Word格式.doc（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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：
（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：
Ⅰ效为600mmHg真空度，Ⅱ效为700mmHg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简的压力差;
（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
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，流经管内，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Ⅱ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Ⅱ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：
Ⅰ效蒸发与其预热管内物料的热能由蒸汽供给，Ⅱ效蒸发和预热管内物料的热能全部为一效二次蒸汽供给。
Ⅱ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。
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。
（一）物料衡算
1、原料处理量:
每小时处理量：
∵（常用化工单元设备设计153页）
式中—原料处理量，kg/h；
x0——进Ⅰ效蒸发器料液的浓度，质量百分比；
x2——出Ⅱ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
由《常用化工单元设备设计》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Ⅰ效的蒸发量，kg/h
W2——第Ⅱ效的蒸发量，kg/h
Ⅰ效二次蒸汽浓度==6.31%
3、成品产量：
F2=-W=4716-4000=716kg/h
（二）热量衡算
1.有关参数
（1）总蒸发量：
4000kg/h
（2）进料：
=4.25%=61.1℃（查《食品工程原理》843页此温度下水的比热Cww=4179J/Kg.k）
出料：
=28%=41.4℃
料液比热:
（3）真空度分配：
第Ⅰ效：
600mmHg=0.21×
105Pa（查得此压力下饱和蒸汽温度=61.1℃）
第Ⅱ效：
700mmHg=0.08×
105Pa（查得此压力下饱和蒸汽温度=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）
Ⅰ效加热蒸汽
=1.5×
105
=111.3
=2695.1
=2229.3
Ⅰ效二次蒸汽
=0.21×
=61.1
=2606.6
=2352.5
Ⅱ效加热蒸汽
=0.08×
=41.4
=2570.2
=2396.4
2、温差损失
、温度损失的计算
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，℃
——常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，℃
——校正系数，无因次，其经验计算式为：
——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/kg
——溶液内部平均压强，Pa
——液面上方的压强，Pa
——溶液液层高度，m（该题设其液层高度为6m）
——溶液密度，kg/m3
该题密度为
常温下番茄酱沸点升高
（℃）
由压强51.223kPa查表得：
℃
℃
取℃
3、W1,W2,D1
物料衡算公式：
①
②
式中——ⅠⅡ效蒸发水量[kg/h]
D1D2——ⅠⅡ效蒸汽量[kg/h]
β1β2-----ⅠⅡ效自蒸发系数
------原料处理量[kg/h]
C0------原料比热[kj/kgk]
——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:
∴
将①式代入②式中
∵D2=W1
∴③
将③式代入②式中
∴A=1.0085+1.0085=2.017
∴第Ⅰ效蒸发量
第Ⅱ效蒸发量
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Ⅱ效放出浆量及浓度
4.、Ⅰ、Ⅱ效加热面积的确定
Ⅰ效传热量：
Ⅱ效传热量：
各效有效温度差：
℃
℃
其中——两效间温度损失=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/m2·
k）
水平沉浸加热式
600~2,300
升膜式
1,200~6,000
标准式（自然循环）
600~3,000
降膜式
1,200~3,500
标准式（强制循环）
悬筐式
外加热室式（自然循环）
蛇管式
350~2,300
外加热室式（强制循环）
1,200~7,000
通过上表按经验数据取：
强制循环
自然循环
∴第Ⅰ效加热面积：
第Ⅱ效加热面积：
（三）工艺尺寸计算
1、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×
1.5mm不锈钢管，管长L=3m
∴（根）
式中S——传热面积，；
——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
1
6
2
12
3
18
4
25
根据排列四层共61根管子
加热室壳体直径的计算：
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
管子在管板上的排列间距：
中心排列管子数：
（根）
内径
根据《常用化工单元设备设计》163页
取外壳壁厚δ=10mm
外径
将外径圆整到400mm
2、Ⅱ效加热器的尺寸
采用32×
1.5不锈钢管，管长L=3m
取管间距为1.25的同心圆排列：
5
31
37
7
43
8
50
9
56
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之间的管板内，加一根200mm中央抽气管，所以排列总管数为260根。
第Ⅱ效加热器实际加热面积：
加热室壳体直径的计算：
取外壳壁厚δ=12mm
将外径圆整到800mm
3、蒸发室直径的确定
m
式中——Ⅰ效蒸发水量[kg/h]
——二次蒸汽比体积
——二次蒸汽上升速度
查《食品工程原理》841页并用内差法计算得61.1℃饱和水蒸汽的密度
取
式中——Ⅱ效蒸发水量kg/h
——二次蒸汽上升速度m/s
——二次蒸汽的比体积
查《食品工程原理》841页并用内差法计算得41.4℃饱和水蒸汽密度
取
4、蒸发室的截面积
F=
F1==2㎡
第Ⅱ效F2==2.54㎡
5、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Ⅰ效：
第Ⅱ效：
6、循环管尺寸
上循环管直径取
下循环管直径取
式中——加热管内径；
n——加热管根数。
7、连接管直径的确定
1、加热蒸汽进口管径dm
dm=
Fm——进口管截面积，㎡
Vm——加热蒸汽的比容，m3/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
Vm=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。
——饱和蒸汽速度，26.25m/s
故
由《食品工程原理》P852：
取整后选用，壁厚,内截面积为
所以实际饱和加热蒸汽的速度：
2、Ⅰ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℃，由《食品工程原理》841页饱和水蒸汽表查得
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/s
所以d1=
=
=0.223m
取整后选用，壁厚,内截面积为的普通无缝钢管
3、Ⅱ效二次蒸汽的出口管径：
Ⅱ效二次蒸汽的出口温度为41.4℃，由《食品工程原理》查得密度
由《食品工厂机械与设备》查得，取v2=150m/s
d2=
=0.296m
取整后选用，厚为8mm，内截面积为的普通无缝刚管
附属设备尺寸计算
①选用水喷式式冷凝器
冷凝器选用喷射式冷凝器，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：
=25℃出口温度：
=40℃
冷凝水消耗量：
＝
＝
W—水蒸汽量[kg/h]
H--水蒸汽焓[kJ/kg]
CP--冷却水比热[kJ/kg℃]
t1，t2—冷却水进、出口温度[℃]
②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
故q=×
0.93×
3600
=32.24（m3/h）
喷嘴数N=
=2.45（个）
取整数为N=3个
③捕集器
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。
主要技术参数
机组号
项目
Ⅰ效蒸发器
Ⅱ效蒸发器
进料浓度
4.5%
6.31%
进料温度℃
61.1
-
进料量kg/h
4716
2047.68
二次蒸汽压力MPa
0.021
0.008
蒸汽温度℃
41.4
出料浓度
28%
出料量kg/h
716
计算结果汇总表
料液处理量，kg/h
蒸发水量,kg/h
4000
产品产量,kg/h
蒸汽用量,kg/h
冷凝水用量，kg/h
78700
Ⅰ效蒸发器直径,m
1.6
Ⅱ效蒸发器直径,m
1.8
Ⅰ效蒸发器传热面积,m2
13.68
Ⅱ效蒸发器传热面积,m2
70.56
Ⅰ效蒸发器高度,m
3.2
Ⅱ效蒸发器高度，m
3.6
加热管尺寸,mm
上循环管直径，m
0.32
下循环管直径，m
0.52
加热蒸汽进口管径，mm
219
Ⅰ效二次蒸汽出口进入Ⅱ效的管径，mm
245
Ⅱ效二次蒸汽的出口管径，mm
325
分布器
旋液式
捕集器
冷凝器
水喷式冷凝器
设备流程及装备图
（一）设备流程图
（二）一效蒸发器简图
（三）惯性捕集器
参考文献
（1）《食品工程原理》李云飞，葛克山主编
北京：
中国农业大学出版社，2004年8月第2版
（2）《化工单元过程及设备课程设计》匡国柱、史启才编
化学工业出版社，2001。
（3）《食品工厂机械与设备》无锡轻工业学院，天津轻工业学院编，
北京：
中国轻工业出版社，1981年2月第1版
（5）《化工原理》王志魁主编
化学工业出版社，1998年10月第2版
（6）《蒸发过程设计》天津轻工业学院编
中国轻工业出版社,1995年10月
-22-
升级会员 