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1、食品工程原理课程设计说明书番茄汁单效连续加料蒸发装置的设计姓名： 学号： 班级：年月日设计任务书目 录1. 前言1.1 概述1.2 蒸发器选型2.单效蒸发工艺计算2.1 物料衡算2.2 热量衡算2.3 传热面积计算2.4 计算结果列表3.蒸发器主体工艺设计3.1 加热管的选择和管数的初步估量3.1.1 加热管的选择和管数的初步估量3.1.2 循环管的选择3.1.3 加热室直径确实定3.1.4 分别室直径与高度确实定3.2 接收尺寸确实定3.3 进料方式及加热管排布方式确实定3.3.1 进料方式确实定3.3.2 加热管排布方式确实定3.4 仪表、视镜与人孔确实定3.5 蒸发器主要部件规格列表4.
2、蒸发装置的关心设备4.1 气液分别器4.2 蒸汽冷凝器5.结语致谢附表参考文献1. 前言11 概述食品工程原理是食品工程与科学专业主要课程之一，食品工业包含诸多的单元操作，如蒸发、结晶 、杀菌等，本课程均有介绍。本次设计题目为番茄汁单效连续加料蒸发装置的设计。通过设计，一方面提高学生对食品工业单元操作的生疏，另一方面加深学生对食品工程原理课程的理解与把握。本设计涉及的单元操作为蒸发。蒸发是典型的传热过程，即是将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂局部汽化从而将溶液浓缩的过程。蒸发是一种分别操作，广泛应用于化工、轻工、制药和食品等很多工业中溶剂为挥发性而溶质为非挥发性的场合。在很多场
3、合，蒸发系统的热量经济性成为整个生产流程的关键因素。工业上蒸发主要以浓缩和分别为主要目的。本设计以浓缩为主要目的，设计出将番茄汁的可溶性固形物含量由 8浓缩为 40的单效连续加料蒸发装置。本设计首先确定浓缩罐的处理力量为 6t/h 番茄汁原浆。依据选用蒸发器的特点进展物料衡算、热量衡算，进一步确定换热器的传热面积。依据阅历及相关文献，选取加热管的长度为1.3m，管径为 50mm。进而确定加热管数目，并确定排布方式。依据加热管截面积与中心循环管的截面积的关系以及中心循环管直径与加热室直径的关系确定中心循环管的直径和加热室的直径。从而完成加热室的设计；依据分别室与加热室的比例关系确定分别室的尺寸；
4、依据物料流量及特性确定各输送管道的直径、选材以及其他部位的选材并确定定气液分别器以及冷凝器的型号；最终在需要的部位安装相关仪表、视镜以及人孔。12 蒸发器选型蒸发操作的蒸发器有悬筐式蒸发器、强制循环蒸发器、升膜式蒸发器、降膜式蒸发器、中心循环管式蒸发器等，本设计承受的是中心循环管式蒸发器，其简介如下：121 构造和原理其下部的加热室由垂直管束组成，中间由一根直径较大的中心循环管。当加热室内液体被加热沸腾时，中心循环管内气液混合物的平均密度较大；而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。在密度差的作用下，溶液由中心循环管下降，而由加热管上升，做自然循环流淌。溶液的循环流淌提高了沸腾外表传热系数，强
5、化了蒸发过程。二次蒸汽于蒸发室中经气液分别器与溶液分别后上升，由冷凝器冷凝。如图 1 所示122 特点这种蒸发器构造紧凑，制造便利，传热较好，操作牢靠等优点，应用格外广泛，有“标准 蒸发器“之称。为使溶液有良好的循环，中心循环管的截面积，一般为其余加热管总截面积的40%100%；加热管的高度一般为12m；加热管径多为2575mm 之间。但实际上，由于构造上的限制，其循环速度较低一般在 0.5m/s 以下；而且由于溶液在加热管内不断循环， 使其浓度始终接近完成液浓度，因而溶液沸点交高、有效温差减小。此外，设备的清洗和检 修也不够便利。2. 单效蒸发工艺计算21物料衡算物料衡算可以求出蒸发水量。图
6、 1 为单效蒸发的物料流程图。对溶质作物料衡算可得：Fw= (F - W )w01(2-1-1)W = F (1 -w0 )(2-1-2)w1式中 F进料口原料液质量流量，kg/s；W蒸发水量，kg/s；w 原料液浓度，0w 完成液浓度，1设计处理力量为 6t/h,即进料口原料液质量流量： F =原料液浓度： w= 0.0806000kg 3600s= 1.6667kg / s完成液浓度： w1= 0.40将上述数据带入式2-2，可得：0.08W = 1.6667kg / s(1-0.40) = 1.3334kg / s22热量衡算热量衡算可求出加热蒸汽消耗量，设加热蒸汽的质量流量为 D，其汽
7、化潜热为 r，加热室内溶液比热容为cp 0，二次蒸汽的汽化潜热为r，热量损失为 Q，依据能量守恒可知：LFc(tD =p 01- t ) + Wr”+Q0L2-2-1r式2-2-1即加热蒸汽消耗量的计算公式。从公式可以看出，加热蒸汽放出的热量用于三个方面：将料液从t0 加热到沸点，将其汽化，以及弥补热损失。设计中热损失无视不计，1并实行沸点进料t0=t ，则得：r”D = Wr2-2-2水的汽化潜热随温度或压强的变化不大，可取r r”，从而 D W ， 即加热蒸汽量为：D = 1.3334kg / s23传热面积计算由传热速率方程得到蒸发室的加热面积为：S =Q KDtm=DrK (T - t
8、 )12-3-1式中：S 传热面积，m2；Q 传热量，J ；K 传热系数， K = 1500W /(m 2 K ) ；Dt加热蒸汽与操作液沸点之差，；mT 加热蒸汽温度，；t操作液沸点，；11式2-3-1中 D、K ，可查得 200kPa 的压强下T = 120.2oC ，50kPa 的压强下t ” = 81.2o C ；由于溶液的蒸汽压降低而导致的沸点上升D ” 和液体静水压引起的沸点上升D ” ” 的存在，操作液实际沸点为：t1 = t1 ”+D”+D”2-3-2D ” 的计算：0吉辛科公式： D ” =fD”2-3-3式中：D ”0 操作液浓度对应蔗糖溶液在 0.1Mpa 下的沸点上升(
9、可由附表 1 查出)f 校正系数，其值为：0.0162 (273 + t”)2f =2-3-5r式中 r 操作压强下水的汽化潜热，kJ/kg。可查得 50kPa 下 t=81.2，r=2304.5kJ/kg，则：0.0162 (273 + 81.2)2f = 0.88192304.5代入式2-3-3可得：D” = 0.8819 1.2o C = 1.0583o CD ” ” 的计算：p= p +mr gH22-3-6式中 r 液体的密度，kg/m3;H总液层的高度，m。设计中：液面的高度：H1.8m；番茄汁的密度可由糖溶液物性的阅历拟和式求出，r = 1005.6 - 0.2473t + 3.
10、726x - 2.0315 10-3 t 2-1.845310-3 tx + 0.01809x 2 (kg / m3 )式中 t温度，； x糖的质量分数,%。2-3-7操作压强为 50kPa，对应水的沸点为 81.2，可近似认为t=81.2，且x 为 40，则有：r = 1144.1151kg/m 3则：p= p +mr gH2= 50000Pa + 1144.1151kg/m 3 10m / s 2 1.8m2= 60297.0350Pa分别由压强 p 和 pm 查取水的相应沸点为 t 和 tm，则静压效应的沸点上升 D ” ” 近似为D ” ” = t- tm即 D” = 85.6o C
11、- 81.2o C = 4.4o C则：(2-3-8)t= t11”+D”+D”= 81.2o C + 1.0583o C + 4.4o C= 86.6583o C代入公式2-3-1可得：QS = KDtm=DrK (T - t )1=1.3334kg / s 2304.5 1000J / kg1500W /(m2 K )(120.2o C - 86.6583o C) 59m224计算结果列表表 2-4-1 衡算及传热计算结果工程数值蒸发水量 kg/s1.3334加热蒸汽量 kg/s1.3334传热面积 m2593. 蒸发器主体工艺设计我们选取的中心循环管式蒸发器的计算方法如下。31加热管的选
12、择和管数的初步估量311加热管的选择和管数的初步估量沸腾加热管多承受 f 2575mm 的管子，长度一般在 0.6 2m ，管长与管径之比为20 40 ，材料为不锈钢或其他耐腐蚀材料。管径与长度的选择应依据溶液结垢难易程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑，易结垢和易起泡沫溶液的蒸发易选用粗短管，反之，则承受瘦长管。依据我们的设计任务和番茄汁的性质，我们选用以下的管子：管长 L1.3m，管径f 50 * 2.5mm可以依据加热管的规格与长度初步估量所需的管子数n，n =S=59m 2 289p d L3.14 0.05m 1.3m3-1-1式中：S蒸发器的传热面积，m2，由前面的工艺计算打
13、算优化后的面积 d加热管外径，mL加热管长度，m312循环管的选择中心循环管的截面积一般为总加热管束截面积的 40100。循环管的截面积是依据使循环阻力尽量减小的原则考虑的，假设中心循环管的截面积一般为总加热管束截面积的70，则：d 20.05m 2总加热管束截面积： S ” = n p 4= 289 3.14 4 0.5672m 23-1-2中心循环管的截面积： S0.7S”0.7 0.5672m24 0.3970m23.14循环 0.3970m23-1-34S循环p中心循环管的直径： d循环 0.7111m3-1-4313加热室高度及直径确实定加热室高度略低于液面高度，设为 1.7m。 中
14、心循环管的直径一般为加热室直径的1/41/5，设计中取 1/4。则：加热室直径： d4 d加热室4 0.7111m = 2.8444m3-1-5循环314 分别室直径与高度确实定分别室尺寸确定原则：（1） 对于中心循环管式蒸发器，其分别室一般不能小于 1.8m，以保证足够的雾沫分别高度。分别室的直径也不能太少，否则二次蒸汽流速过大，导致雾沫夹带现象严峻。一半分别室高度为加热室高度的 1.11.5 倍。（2） 在条件允许的状况下，分别室的直径尽量与加热室一样，这样可使构造简洁制造方便。（3） 高度和直径都适于施工现场的安放。依据以上原则，设分别室高度为加热室高度的1.5 倍，分别室直径与加热室一
15、样，则：分别室高度： H1.5 H分别加热= 1.5 1.7m = 2.55m3-1-6分别室直径： dd2.8444m3-1-7分别加热32接收尺寸确实定4VprUm流体进出口的内径按下式计算： d =式中：V 流体的质量流量，kg/s；mU流体的适宜流速，m/s ，3-2-1不同流体的适宜流速可由附表 2 查出。估算出内径后，应从管规格表格中选用相近的标准管。321料液进出口设计中料液进出口使用一样管径，依据操作番茄汁的性质计算出原料进口的内径。由附表 2 可设原料番茄汁流速为 0.5m/s，则U= 0.5m / s1由式2-3-7可求得番茄汁的密度r 1144.1151kg / m312
16、1物料衡算中已计算出原料的质量流量，即V ” = 1.6667kg / sm代入式3-2-1可求得：4 1.6667kg / s3.14 0.5m / s 1144.1151kg / m3番茄汁原料进口内径d=1 0.0609m依据热轧无缝钢管的规格GB8163-87,选用f 68 3.5mm 的热轧无缝不锈钢管。322加热蒸汽进口与二次蒸汽出口由21物料衡算中计算说明，单位时间内加热蒸汽泵送量与二次蒸汽产生量相等。加热蒸汽进口与二次蒸汽入口承受一样内径，由附表2 可设加热蒸汽流速为 30m/s，则U= 30m / s2查得 200kPa 下饱和水蒸气的密度r= 1.119kg / m3 ，2
17、22热量衡算中已计算出加热蒸汽的质量流量，即V” ” = 1.3334kg / sm代入式3-2-1可求得：4 1.3334kg / s3.14 30m / s 1.119kg / m3加热蒸汽进口内径d=2 0.2249m依据热轧无缝钢管的规格GB8163-87,选用f 245 10mm 的热轧无缝不锈钢管。323冷凝水出口冷凝水的排出一般属于液体自然流淌，可依据加热蒸汽的流量计算。由附表2 可设冷凝水的流速为 1m/s，则U= 1.5m / s3查得120.2oC 水的密度r= 943.1kg / m3 ,3无视不凝蒸汽的排放，冷凝水的质量流量约等于加热蒸汽的质量流量，即V” ” ” =
18、1.3334kg / sm代入式3-2-1可求得：4 1.3334kg / s3.14 1.5m / s 943.1kg / m3冷凝水的出口内径d=3 0.0347m依据热轧无缝钢管的规格GB8163-87,选取f 42 3.5mm 的热轧无缝不锈钢管。33 进料方式及加热管排布方式确实定33 1 进料方式确实定番茄汁在浓缩过程中黏度较大，在加热过程中简洁结垢或产生结晶。承受下进料，原料进入加热室后在加热室底部很难流淌，不能与加热室内原有物料混匀。承受上进料，原料自二次蒸汽室进入浓缩罐，由于重力的作用沿循环管向下流淌，渐渐与物料混合，进而到达较好的浓缩效果。因此，设计承受上进料。33 2 加
19、热管排布方式确实定加热管排布避开局部过热的现象。设计中承受随机排布方式，使加热管均匀分布于加热室内。34仪表、视镜与人孔确实定仪表：蒸发罐压力表安装在蒸汽进出管道，罐体不再设置压力表。西安地区大气压一般为 97kPa，结合操作压力选择适宜压力表，通过仪表对操作压力进展监测。承受热电偶温度进展温度监控。视镜：在分别室不同高度和角度安装假设干视镜，以监测分别室内汁气状态。直径统一承受 20cm。人孔：于蒸发罐顶以及分别室开设圆形人孔，便于清洗罐体。直径统一承受50cm。35蒸发器主要部件规格列表表 3-5-1 蒸发器主要部件规格部件名称钢号规格数目加热管10f50 2.5mm289加热蒸汽进口10
20、f 245 10mm1冷凝水出口10f42 3.5mm1二次蒸汽出口10f 245 10mm1原料番茄汁进口10f68 3.5mm1视镜f200mm3人孔f500mm24. 蒸发装置的关心设备41气液分别器设计选用金属网式捕液器，液滴粘附在其外表而二次蒸汽通过。它的特点是气流速较小， 阻力损失小。缺点是清洗不便。42蒸汽冷凝器设计选用水力喷射器做为冷凝器，它具有冷凝和抽真空两种作用。其特点如下： 兼有冷凝和抽真空作用，无需另配抽真空装置； 构造简洁，造价低廉，喷射器本身没有机械运转局部，不要常常检修； 适用于抽腐蚀性气体； 虽然水泵运转时的实际消耗功率较大，但整个冷凝装置的功率消耗仍较外表式和
21、大气冷凝器小； 不能获得高的真空度，且真空度随水温之凹凸而变化。5.结语本设计是围绕蒸发这一单元操作进展的。设计过程中主要涉及物料衡算、热量衡算和传热过程计算。通过对以上方面的计算，生疏了蒸发单元操作的各种过程，并依据蒸发罐的设 计要求及原则，确定了罐体直径为 2.84m，分别室高度为 2.55m，气液分别器距罐盖 0.48m， 罐底距加热室 0.4m，其余各部件、位置参数见表2-4-1、表 3-5-1。本设计根本到达了设计目的，并能依据设计要求完成设计任务。通过设计，加深了对食品工业中单元操作的理解，初 步把握了工程设计的方法，并在处理设计过程中遇到的困难和问题的同时，提高自身的学习 力量，
22、进一步稳固了对食品工程原理这一课程的把握。致谢本设计是在教师的细心指导和小组成员的通力合作下完成的，在此致以最真诚的谢意！ 附：浓度/%沸点上升/00100.1200.3300.7401.2502.0603.3705.41. 0.1MPa 下不同浓度蔗糖溶液的沸点上升2. 某些流体在管道中常用的速度范围流体种类水及一般液体 黏度较大的液体低压气体易燃、易爆的低压气体如乙炔等 压强较高的气体饱和水蒸气0.8MPa 以下0.3MPa 以下过热水蒸气常用流速/(m/s)130.518158 1525406020403050参考文献：1. 冯骉,夏素兰,卢晓黎等.食品工程原理.北京:中国轻工业出版社,2023.12. 黄英.化工过程设计.西安:西北工业大学出版社,2023.43. 韩冬冰.化工工艺学.北京:出版社,20234. 王非.化工压力容器设计.北京:化学工业出版社,2023.45. 蔡夕忠.化工仪表.北京:化学工业出版社,2023.56. 蒋迪清,唐伟强.食品通用机械与设备.广州:华南理工大学出版社,1996.27. 唐克中,朱同钧.画法几何及工程制图.北京:高等教育出版社,2023.8