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大学课程设计
食品工程原理课程设计2.doc
海南大学
食品工程原理课程设计
题目:
番茄汁单效连续加料蒸发装置的设计
学号:
200408
姓名:
杨
学院:
海洋学院
系别:
食品科学与工程系
指导老师:
林向东
日期:
200x年x月x日
目录
1.前言
1·1概述
1·2蒸发器选型
1·2·1结构和原理
2.单效蒸发工艺计算
2·1进料温度T的确定
2·2物料衡算及热量衡算
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尺寸确立
3·2进料方式及加热管排布方式的确定
3·2·1进料方式的确定
3·2·2加热管排布方式的确定
3·4仪表、视镜与人孔的确定
3·5蒸发器主要部件规格列表
4.蒸发装置的辅助设备
4·1气液分离器
4·2蒸汽冷凝器
5.结语
6.致谢
7.附表
8.参考文献
1.前言
1.1概述
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认识,另一方面加深学生对食品工程原理课程的理解与掌握,为经后的学习工作打下基础。
本设计涉及的单元操作为蒸发浓缩。
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部分汽化从而将溶液浓缩的过程。
蒸发系统的热量经济性是整个生产流程的关键因素。
工业上蒸发主要以浓缩和分离为主要目的。
本设计采用单效连续加料方式将番茄汁的可溶性固形物含量由8%浓缩为40%。
本设计首先确定浓缩罐的处理能力为6t/h番茄汁原浆。
根据选用蒸发器的特点进行物料衡算、热量衡算,进一步确定换热器的传热面积。
选取加热管的长度。
进而确定加热直径及管数目,并确定排布方式。
根据加热管截面积与中央循环管的截面积的关系确定中央循环管的直径和加热室的直径。
根据分离室与加热室的比例关系确定分离室的尺寸;根据物料流量及特性确定各输送管口的直径以及其他部位的选材并确定定气液分离器以及冷凝器的型号;最后在相关部位安装相关仪表、视镜以及人孔。
1.2蒸发器选型
本设计采用中央循环管式蒸发器,其简介如下:
1.2.1结构和原理
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央循环管。
当加热室内液体被加热沸腾时,中央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,溶液由中央循环管下降,而由加热管上升,做自然循环流动。
溶液的循环流动提高了沸腾表面传热系数,强化了蒸发过程。
二次蒸汽于蒸发室中经气液分离器与溶液分离后上升,由冷凝器冷凝。
(如图1所示)
这种蒸发器结构紧凑,制造方便,传热较好,操作可靠等优点,应用十分广泛,有"标准蒸发器"之称。
由于结构上的限制,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方便。
2.单效蒸发工艺计算
2.1进料温度T的确定
T=t0+Δ`+Δ``
Δ`为番茄汁的蒸汽压降引起的沸点升高
在50KPa二次蒸汽温度为81.20C,即354.35K,汽化潜热为2304.5kj/kg
查表的Δ`0=1.00C
则Δ`=0.0162×1.0×354.352/2304.5=0.8830C
Δ``为番茄汁静压效应引起的沸点升高
根据糖液密度的估算公式:
ρ1=1005.6-0.2473t+3.726χ-2.0315×10-3tχ+0.01809χ2
t=81.20C,χ=40%的番茄汁在罐内密度近似值1144.12kg/m3
则Pm=P0+ρgh/2=50000Pa+1144.12×9.81×1.8/2Pa=60101.4Pa
查水的物性表得tm=85.640C
Δ``=tm-t0=85.64-81.2=4.440C
所以进料温度T=t0+Δ`+Δ``=81.2+0.883+4.44=86.5230C
t=86.5230C,χ=8%得番茄汁进料密度ρ2=969.28kg/m3
2.2物料衡算及热量衡算
物料衡算可以求出蒸发水量,热量衡算求出蒸汽消耗量。
原料夜流量qm,f=6t/h=6000kg/3600s=1.67kg/3
W0=8%,w1=40%
则蒸发水量qm,w=qm,f(1-w0/w1)=1.67×(1-8%/40%)=1.336kg/s
热损失忽略不计,则qm,g/qm,w≈1,加热蒸汽消耗量qm,g≈qm,w
——原料液浓度,——完成液浓度,
2.3蒸发器的传热面积
则蒸发器传热面积
——传热面积,m2;——传热量,J ;——传热系数,;——加热蒸汽与操作液沸点之差,℃;——加热蒸汽温度,℃;t1——操作液沸点,℃;
式(2-3-1)中D、K已知,可查得200kPa的压强下。
2.4计算结果列表
表2-4-1衡算及传热计算结果
项目
数值
蒸发水量(kg/s)
1.3336
加热蒸汽量(kg/s)
1.3336
传热面积(m2)
58.31
3.蒸发器主体工艺设计
3.1尺寸确立
根据资料显示[1]加热管直径在25mm—75mm为宜,取d=0.04m,要求液面高度1.8m所以取加热管高1.2m
则加热管数量n=58.31/(π×0.04×1.2)=387根
加热管总截面积S=387×π×0.042/4=0.486m2
中央管截面积为加热管束总截面积的70%
S`=0.486×70%=0.34m2
中央管底面直径d`==2×(0.34/π)0.5=0.66m
中央管底面直径d`与蒸发器底面直径D之比即d`/D=1/4—1/5,也就是D=2.632m—3.29m,取D=2.80m
蒸发空间高度为加热管束长的1.2—1.5倍,取1.4则1.2×1.4≈1.7m
料夜入口管内经d1,根据资料[2]粘稠体流速一般取0.5—2m/s,所以取值u2=0.5m/s
d1=[4qm/(ρ2πu2)]0.5=0.064m
根据热轧无缝钢管的规格(GB8163-87),选用的热轧无缝不锈钢管。
由于出料口料夜黏度更大,所以内径d2取90mm
低压蒸汽流速控制在15—20m/s,取u3=20m/s,200KPa下水蒸汽比体积为0.887,所以密度ρ3=1/0.887kg/m3,则蒸汽入口内径
d3=[4qm,g/(ρ3πu3)]0.5=0.2749m取0.280m
根据热轧无缝钢管的规格(GB8163-87),选用的热轧无缝不锈钢管。
二次蒸汽出口选用的热轧无缝不锈钢管
冷凝水出口d5=[4qm,w/(ρ5πu5)]0.5≈0.058m则取60mm,u5=0.5m/s,ρ5=1000kg/m3
外壳厚度δ根据公式[2]
P(D+δ)/(2δ)≤[σ]t
选用比较好的压力容器材料12Cr2Mo1R,根据GB150—1998,870C该材料许用应力取172MPa,得δ≥0.407mm,考虑到腐蚀余量[3],取δ=4mm
3.2进料方式及加热管排布方式的确定
3.2.1进料方式的确定
番茄汁在浓缩过程中黏度较大,在加热过程中容易结垢或产生结晶。
采用下进料,原料进入加热室后在加热室底部很难流动,不能与加热室内原有物料混匀。
采用上进料,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动,逐渐与物料混合,进而达到较好的浓缩效果。
因此,设计采用上进料。
3.3.2加热管排布方式的确定
加热管排布避免局部过热的现象。
设计中采用随机排布方式,使加热管均匀分布于加热室内。
3.4仪表、视镜与人孔的确定
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,结合操作压力选择合适压力表,通过仪表对操作压力进行监测。
采用热电偶温度进行温度监控。
视镜:
在分离室不同高度和角度安装若干视镜,以监测分离室内汁气状态。
直径采用300mm,200mm,200mm。
人孔:
于蒸发罐顶以及分离室开设圆形人孔,便于清洗罐体。
直径统一采用400mm。
3.5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
10
387
原料番茄汁进口
10
1
加热蒸汽进口
10
1
二次蒸汽出口
10
1
冷凝水出口
10
1
视镜
2×
3
人孔
1
4.蒸发装置的辅助设备
4·1气液分离器
设计选用球形除沫器,液滴粘附在其表面而二次蒸汽通过。
它的特点是有良好分离效果,阻力损失小,结构简单,易于拆洗。
4·2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。
其特点为:
1.1.兼有冷凝和抽真空作用,无需另配抽真空装置;
2.2.结构简单,造价低廉,喷射器本身没有机械运转部分,不要经常检修;
3.3.适用于抽腐蚀性气体;
4.4.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表面式和大气冷凝器小;
5.5.不能获得高的真空度,且真空度随水温之高低而变化。
5.结语
通过本次设计,能根据设计要求完成设计任务。
加深了对食品工业中单元操作的理解,初步掌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,提高自身的学习能力,进一步巩固了对食品工程原理这一课程的掌握。
6.致谢
本设计是在林向东老师的精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:
1.0.1MPa下不同浓度蔗糖溶液的沸点升高
浓度/%
0
10
20
30
40
50
60
70
沸点升高/℃
0
0.1
0.3
0.7
1.2
2.0
3.3
5.4
参考文献:
[1]、高福成,食品工程原理,中国轻工业出版社;.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,2005.1
[2]、黄英,化工过程设计,西北工业大学出版社
[3]、汤善甫,朱思明,化工设备机械基础,第2版,华东理工大学出版社
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