1、食品工程原理課程設計說明書設計題目： 雙效并流牛奶濃縮裝置設計 姓 名： 張 微 班 級： 食品09班 學 號： 0905100410 指導教師： 謝 毅 日 期： 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc279214314 第一章 任務書 PAGEREF _Toc279214314 h 3 HYPERLINK l _Toc279214315 1. 設計任務及操作條件 PAGEREF _Toc279214315 h 3 HYPERLINK l _Toc279214316 第二章 蒸發工藝設計計算 PAGEREF _Toc279214316 h 3 HYPERLI

2、NK l _Toc279214317 21蒸濃液濃度計算 PAGEREF _Toc279214317 h 3 HYPERLINK l _Toc279214318 22溶液沸點和有效溫度差的確定 PAGEREF _Toc279214318 h 4 HYPERLINK l _Toc279214319 221各效由于溶液的蒸汽壓下降所引起的溫度差損失 PAGEREF _Toc279214319 h 5 HYPERLINK l _Toc279214320 222各效由于溶液靜壓強所因引起的溫度差損失 PAGEREF _Toc279214320 h 5 HYPERLINK l _Toc279214321

3、 223由經驗不計流體阻力產生壓降所引起的溫度差損失 PAGEREF _Toc279214321 h 6 HYPERLINK l _Toc279214322 24蒸發器的傳熱面積和有效溫度差在各效中的分布 PAGEREF _Toc279214322 h 8 HYPERLINK l _Toc279214323 25有效溫差再分配 PAGEREF _Toc279214323 h 8 HYPERLINK l _Toc279214324 第三章 蒸發器工藝尺寸計算 PAGEREF _Toc279214324 h 11 HYPERLINK l _Toc279214325 31 加熱管的選擇和管數的初步估

4、計 PAGEREF _Toc279214325 h 11 HYPERLINK l _Toc279214326 311加熱管的選擇和管數的初步估計 PAGEREF _Toc279214326 h 11 HYPERLINK l _Toc279214327 312循環管的選擇 PAGEREF _Toc279214327 h 11 HYPERLINK l _Toc279214328 313加熱室直徑及加熱管數目的確定 PAGEREF _Toc279214328 h 11 HYPERLINK l _Toc279214329 314分離室直徑與高度的確定 PAGEREF _Toc279214329 h 1

5、2 HYPERLINK l _Toc279214330 32接管尺寸的確定 PAGEREF _Toc279214330 h 13 HYPERLINK l _Toc279214331 321溶液進出口 PAGEREF _Toc279214331 h 13 HYPERLINK l _Toc279214332 322加熱蒸氣進口與二次蒸汽出口 PAGEREF _Toc279214332 h 13 HYPERLINK l _Toc279214333 323冷凝水出口 PAGEREF _Toc279214333 h 13 HYPERLINK l _Toc279214334 第四章、蒸發裝置的輔助設備 P

6、AGEREF _Toc279214334 h 13 HYPERLINK l _Toc279214335 41氣液分離器 PAGEREF _Toc279214335 h 13 HYPERLINK l _Toc279214336 42蒸汽冷凝器 PAGEREF _Toc279214336 h 14 HYPERLINK l _Toc279214338 第五章 工藝計算匯總表 PAGEREF _Toc279214338 h 14 HYPERLINK l _Toc279214339 第六章 工藝流程圖、蒸發器設備簡圖及加熱器的管子排列圖 PAGEREF _Toc279214339 h 15 HYPERL

7、INK l _Toc279214340 41工藝流程圖 PAGEREF _Toc279214340 h 15 HYPERLINK l _Toc279214342 42管切面圖 PAGEREF _Toc279214342 h 15 HYPERLINK l _Toc279214344 第七章 課程設計心得 PAGEREF _Toc279214344 h 16 HYPERLINK l _Toc279214345 參考文獻： PAGEREF _Toc279214345 h 17主要符號說明：原料液中溶質的質量分數；：完成液中溶質的質量分數，；：第I效的加熱蒸汽壓力；：溶液的進料量；：過程總蒸發量；：第

8、I效蒸發器的總傳熱系數；：第I效蒸發器中溶液密度；：第II效蒸發器的總傳熱系數；：第II效蒸發器中溶液密度；：原料液的比熱；：蒸發器中溶液的液面高度；：蒸發器中液面和底層的平均壓強：二次蒸氣的壓強，即液面處的壓強：溶液的平均密度，：第i效的傳熱速率，W：第i效的傳熱系數，W/（m2.）：第i效的傳熱溫度差， ：第i效的傳熱面積，m2第一章 任務書1. 設計任務及操作條件任務：含固形物11.9%（質量分率，下同）的鮮牛乳，擬經雙效真空蒸發裝置進行濃縮，要求完成液濃度為48%，加熱蒸汽壓力為60kPa(絕對壓)，原料液第一效液溫為（6070），第二效液溫為4245，每小時蒸發水量1200kg.試設

9、計該蒸發過程。濃縮設備流程：操作條件： 設備采用降膜式蒸發器，雙效并流沸點進料，效間流動溫差損失設為1K，第一效濃縮設備的傳熱系數為1220w/(k)，第二效的傳熱系數為930w/(k).主要設備形式：雙效并流降膜式蒸發器。料液從蒸發器頂部加入，在頂部有液體分布結構，以使每根加熱管都能不斷地、均勻地受液。二次蒸汽與濃縮液一般呈并流而下，料液沿管內壁因二次蒸汽的作用使之呈膜狀流動，液膜利用重力作用下流，使黏度較大的溶液的蒸發成為有利因素。優點：并流進料，減少了物料熱敏性成分的破壞率。物料首先進入一效蒸發，然后進行二效蒸發。物料在二效的濃度高于一效，但加熱與蒸發的溫度均低于一效，這是由于物料濃度高

10、時，粘度大，熱傳導差，如果加熱、蒸發的溫度過高會產生過熱現象，影響產品質量。物料受熱時間短。由于物料連續進出，在設備內停留時間約3min,這樣降膜式對保護熱敏性物料則優于升膜式，因為升膜式蒸發器不可能使全部先進入設備的物料首先排除，總是有部分先進入的物料在設備內反復受熱。冷卻水耗量低。由于二次蒸汽的充分利用，使得冷卻水的消耗大大降低。 操作過程中，料液停留時間短；由于呈薄膜狀，流體流速較大，因此蒸發給熱系數相應較大；壓降小，因此換熱器工藝側的壓力和溫度幾乎接近常數，可不用或少用顯熱；由于工藝流體僅在重力作用下流動，而不是靠高溫差來推動，所以允許用更經濟的低溫差。降膜式蒸發器還具有濃縮比大、黏度

11、范圍大、傳熱效果好、蒸汽和水的耗量小、處理量大等特點。材質選取：雙效降膜式蒸發器的結構設備與物料、二次蒸汽及冷凝水接觸的零部件均采用不銹鋼結構。第二章 蒸發工藝設計計算21估計各效蒸發量和完成液濃度多效蒸發的工藝計算的主要依據是物料衡算和、熱量衡算及傳熱速率方程。計算的主要項目有：加熱蒸氣（生蒸氣）的消耗量、各效溶劑蒸發量以及各效的傳熱面積。計算的已知參數有：料液的流量、溫度和濃度，最終完成液的濃度，加熱蒸氣的壓強和冷凝器中的壓強等。 總蒸發量:W=F（1-）=1200kg/h =11.9% =48% W=1200kg/h則 F=1595.6kg/h 對于該并流操作的二效蒸發，因有自蒸發現象，

12、可按如下比例進行估算 : =1:1.1W=+=1200kg/h 聯立求的 =571.4 kg/h =628.6 kg/h因而初估一效完成液濃度：=18.5%2.2 估計各效溶液的沸點和有效總溫度差 溶液的沸點計算公式為： i=i+i+iti=Ti+i（1）各效由于溶液蒸汽壓下降所引起的溫度差損失 查乳品工程設計手冊可知1大氣壓強下牛乳的沸點為100.55，隨著質量濃度的不斷升高，質量濃度升高一倍，沸點升高0.5。則在=18.5% 因質量濃度升高而造成沸點升高 =0.277第一效=100.55+0.277-100=0.827 假設一效的二次蒸汽=68 =0.84=0.69同時 =48% 因為質量

13、濃度升高而造成沸點升高 =1.52 設第二效二次蒸汽的溫度為=42 第二效=100.55+1.52-100=2.07=0.67 =1.39 （2）各效由于溶液靜壓強所引起的溫度差損失 =03）由于管路流動阻力引起的溫度差損失第一效到第二效的阻力=1因此：第一效的沸點=+=0.69+68=68.69第二效的沸點=+=42+1.39+1=44.39蒸汽壓力（KPa）溫度()汽化熱(kJ/kg)一效加熱蒸汽6085.62293.9一效二次蒸汽28.7682336.1二效加熱蒸汽27.5672338.3二效二次蒸汽8.3422396.4進冷凝器蒸汽7.8412398.83.3 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發

14、水量的初步計算第i效的焓衡算式為：有上式可求得第i效的蒸發量.若在焓衡算式計入溶液的能縮熱及蒸發器的熱損失時，尚需考慮熱利用系數一般溶液的蒸發，可取得0.960-x（式中x為溶液的濃度變化，以質量分率表示）。 第i效的蒸發量的 計算式為式中 第i效的加熱蒸汽量，當無額外蒸汽抽出時= 第i效加熱蒸氣的汽化潛熱 第i效二次蒸氣的汽化潛熱 原料液的比熱 水的比熱 ，分別為 第i效及第i-1效溶液的沸點 第i效的熱利用系數無因次，對于加熱蒸氣消耗量，可列出各效焓衡算式并與式（3-2）聯解而求得。 查乳品工程設計手冊可知=3.89 =4.187 kJ/(kg.) 第一效的焓衡量式為: 對于沸點進料， =

15、0.936同理第二效的熱衡算式為: =0.703+47.815 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT =1200kg/h = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 聯立 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 得出 =676.6 kg/h =523.4 kg/h =722.9 kg/h =676.6kg/h 3.4 蒸發器的傳熱面積估算任意一效的傳熱速率方程為:= 式中 第i效的傳熱速率，W第i效的傳熱系數，W/（m2.） 第i效的傳熱溫度差， 第i效的傳熱面積，m2 已知：=1220w/()，=930w/().三蒸發器主

16、要結構尺寸的確定 蒸發器主體為加熱室和分離室，蒸發器的主要結構尺寸包括：加熱室和分離室的直徑及高度；加熱管的規格、長度及在花板上的排列方式、連接管的尺寸。這些尺寸的確定取決于工藝計算結果，主要是傳熱面積。31加熱管的選擇和管數的初步估計管子長度的選擇根據溶液結垢的難易程度、溶液的起泡性和廠房的高度等因素來考慮。因加熱管固定在管板上，考慮到管板厚所占有的傳熱面積，則計算理論管子數n時的管長應用（L-0.1）m。一般降膜式蒸發器加熱管長度為5-6m，依據經驗選取 38。取L=6m考慮一效為10%，二效為15%的安全傳熱面積，則=23.321.1=25.652 初步估算所需的理論管子數n： （根）

17、（根）式中：S=蒸發器的傳熱面積，m2，由前面的工藝計算決定；加熱管外徑，m； L加熱管長度，m； 因加熱管固定在管板上，考慮管板厚度所占據的傳熱面積，則計算n時的管長應用（L0.1）m32加熱室直徑及加熱管數目的確定加熱室的內徑取決于加熱管的規格、數目及在管板上的排列方式。加熱管在管板上的排列方式為三角形排列。根據實際加熱管數大于理論管數的要求，當理論管數=37，=35時，查換熱器設計109頁表2-16得該加熱器的實際管數為=37根，=37根。一般用脹管法固定加熱管，以便于加熱管的調換。則t=1.31.5d0 加熱器內徑的計算式；Di=t(nc -1)+2b b=(11.5)d0 當t=1.

18、4d0=53.2mm ， b=1.5d0=57mm 時，=53.2（7-1)+257=434mm=7 =53.2(7-1)+257=434mm查閱化工原理上冊 表4-16知選取加熱室殼體標準尺寸： 50034接管尺寸的確定 流體進出口接管的內徑計算式：d=（4Vs/u）1/2（1）溶液進出口 各效設備尺寸一致，進出口直徑相同。根據溶液流量最大的第一效溶液流量確定接管直徑。溶液的適宜流速按強制流動取值，根據蒸發裝置的設計60頁表3-4取u1=1.0m/s.溶液體積流量Vs=F/36001=1595.6/(3600*1030)=0.00043m/s則 d=(40.00043)/(3.141.0)1

19、/2=24mm 取32的規格管（2）加熱蒸汽進出與二次蒸汽出口 設計各效結構尺寸一致，兩進出口直徑相同。由于末效體積流量最大，則根據末效體積流量來設蒸汽計進出口的直徑。根據蒸發裝置的設計60頁表3-4查得蒸汽流速u=30m/s。蒸汽體積流速量Vs=/36002=523.4/(36000.056856)=2.56m3/s則 d=(42.56)/(3.1430)1/2=330mm（3）冷凝水出口 冷凝水排出屬于液體自然流動，接管直徑由各效加熱蒸汽消耗量較大者確定。根據工藝設計結果，各效加熱蒸汽消耗量分別為：D1=722.9kg/h D2=W1=676.6kg/h D3=W2=523.4kg/h 顯

20、然，取最大者第一效D1=722.9kg/h作計算，根據化工原理上冊附錄7查得p1=978.88kg/m3.冷凝水積流速量Vs=D1/36001=722.9/(3600978.88)=0.00021m3/s根據蒸發裝置的設計60頁表3-4查得冷凝水的流速為u=0.15m/s.則 d=(40.00021)/(3.140.15)1/2=42mm選取504.0mm規格管第四章、蒸發裝置的輔助設備41氣液分離器蒸發操作時，二次蒸汽中夾帶大量的液體，雖在分離室得到初步的分離，但是為了防止損失有用的產品或防止污染冷凝液，還需設置氣液分離器，以使霧沫中的液體聚集并與二次蒸汽分離，故稱氣液分離器或除沫器。其類型很多，我們選擇慣性式除沫器，起工作原理是利用帶有液滴的二次蒸汽在突然改變運動方向時，液滴因慣性作用而與蒸汽分離。取流體的流速為25m/s 在慣性式分離器的主要尺寸可按下列關系確定：D0=D1；D1：D2：D3=1：1.5：2 H=D3 h=0.40.5D1D0二次蒸汽的管徑，m D1除沫器內管的直徑，mD2除沫器外管的直徑，m D3除沫器外殼的直徑，m H除沫器的總