食品工程原理课程设计(食品科学与工程专业)

2010级食品科学与工程专业食品工程原理课程设计授课时间：2012——2013年度第1学期题目：双效并流降膜式果汁浓缩装置课程名称：化工原理课程设计专业年级：食品科学与工程2010级学号：1005100110姓名：陈建成绩：指导教师：谢毅2013年7月10日课程设计任务安排表食品科学工程学院班级：2010级食品科学与工程专业食品101班-2-课程名称：化工原理课程设计填写时间：_2013_年_7月_10_日课程设计任务设计题目：双效并流降膜式果汁浓缩一原始设计数据：采用双效并流设计。（1）生产能力：18000kg/h（2）原料汁固形物含量：11%（3）浓缩汁固形物含量：46%（4）原料汁最高许可温度：75℃（5）第I效蒸发器的总传热系数：1100W/(m2·K)，而第II效为800W/(m2·K)。（6）各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。二设计内容：（1）设计方案的选定与说明。浓缩装置的流程，操作条件，主要设备形式及材质的选取。（2）蒸发器的工艺计算。进行物料衡算，热量衡算，计算和确定蒸发器的转热面积。（3）蒸发器的主要工艺尺寸设计。确定蒸发器的直径和长度，管心距和排列方式。（4）主要辅助设备的选型和计算。气液分离器，冷凝器等辅助设备的主要尺寸计算和设备型号规格的选定。设计进度安排7月1日—2日，布置任务，查阅、收集相关设计资料、参考文献等；7月3日—5日，完成设计计算；7月8日—11日，完成设计说明书；7月12日，答辩。主要符号说明c——比热容，KJ/(Kg.h)x——溶剂的百分质量,％d——管径，mα对流传热系数，Ｗ/m2.℃-3-D——直径，mΔ――温度差损失，℃D——加热蒸汽消耗量，Kg/hK——总传热系数，W/m2.℃，f——校正系数，η――热损失系数，F——进料量，Kg/hη――阻力系数，g——重力加速度，9.81m/s2λ――导热系数，Ｗ/m2.℃h——高度，mρ――密度，Kg/m3H——高度，m∑――加和k——杜林线斜率下标：1,2――效数的序号η――误差i――内侧L——液面高度，mm――平均n——效数p――压强p——压强，PaW——蒸发量，Kg/hq——热通量，W/m2W——质量流量，Kg/hQ——传热速率，W上标：′：二次蒸汽的r——汽化潜热，KJ/Kg上标：′：因溶液蒸汽压而引起的R——热阻，m2.℃/W上标：〞：因液柱静压强而引起的S——传热面积，m2上标：'〞：因流体阻力损失而引起的2目录第一章前言...........................................................................03第二章蒸发工艺设计计算........................................................092·1蒸发溶液浓度计算...................................................................................092·2溶液沸点和有效温度差的确定..............................................................092·3加热蒸气消耗量和各效蒸发水量的初步计算.......................................122·4蒸发器传热面积估算...............................................................................错误!未定义书签。2·5重新分配各效的有效温差.......................................................................152·6重复上述步骤...........................................................................................152·7再重新分配各效的有效温差...................................................................182·8再重复上述步骤.......................................................................................182·9计算结果列表...........................................................................................21第三章蒸发器的主要结构尺寸的计算.............................................21（1）加热管的选择和加热管数的初步估算...........................................21（2）加热室直径及加热管数目的确定...................................................22(3)分离室直径和高度的确定................................................................22(4)接管尺寸的确定..................................................................................23第四章.蒸发装置的辅助设备的选用计算.......................................25第五章.双效并流蒸发器结构尺寸确定.............................................28第六章.本次化工设计附图...............................................................30第七章.设计总结………………………………………………..….32第八章.参考文献.................................................................................34第一章前言3概述课程设计是本课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是学习化工设计基本知识的初次尝试。通过课程设计，要求能够综合运用本课程和前修课程的基本知识进行融会贯通，并在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。本次设计的主要是双效蒸发部分。1.蒸发及蒸发流程蒸发是采用加热的方法，使含有不挥发性杂质（如盐类）的溶液沸腾，除去其中被汽化单位部分杂质，使溶液得以浓缩的单元操作过程。蒸发操作广泛用于浓缩各种不挥发性物质的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较为常见的单元操作。化工生产中蒸发主要用于以下几种目的：（1）获得浓缩的溶液产品；（2）将溶液蒸发增浓后，冷却结晶，用以获得固体产品，如烧碱、糖产品；（3）脱除杂质，获得纯净的溶剂或半成品。进行蒸发操作的设备叫蒸发器。蒸发器内要有足够的加热面积，使溶液受热沸腾。溶液在蒸发器内因各处密度的差异而形成某种循环流动，被浓缩到规定浓度后排出蒸发器外。蒸发器内备有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，应将其在冷凝器中加以冷凝。蒸发过程中经常采用饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把作热源用的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液蒸发出来的蒸汽叫做而二次蒸汽。根据加料蒸汽与料液流向的不同，多效蒸发的操作流程可分为并流、逆流、平流、错流等流程：（1）并流流程也称顺流加料流程，料液与蒸汽在效间流动同向。并流流程结构紧凑，操作简便，应用较广。并流流程只使用于处理黏度不大的料液。4（2）逆流流程料液与加热蒸汽在效间呈逆流流动。自前效到后效，料液组成渐增，温度同时升高，黏度及传热系数变化不大，温度分配均匀，适用于处理黏度较大的料液，不适于处理热敏性料液。（3）平流流程每一效都有进料和出料，适合于有大量结晶析出的蒸发过程（4）错流流程也称为混流流程，它是并、逆流的结合，其特点是兼有并、逆流的优点，但操作复杂，控制困难。我国目前仅用于造纸工业及有色金的碱回收系统中。2.蒸发操作的分类按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。真空蒸发有许多优点：（1）在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸发器的传热面积；（2）可以利用低压蒸气作为加热剂；（3）有利于对热敏性物料的蒸发；（4）操作温度低，热损失较小。在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用。因此，单效蒸发多为真空蒸发；多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在真空下操作。3.蒸发操作的特点5从上述对蒸发过程的简单介绍可知，常见的蒸发时间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传热过程，蒸发器也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，蒸发操作又有如下特点:（1）沸点升高蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在港台压力下溶液的蒸气压较同温度下纯溶剂的蒸气压低，使溶液的沸点高于纯溶液的沸点，这种现象称为溶液沸点的升高。在加热蒸气温度一定的情况下，蒸发溶液时的传热温差必定小于加热唇溶剂的纯热温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。（2）物料的工艺特性蒸发的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能析出晶体，或易于结垢；有些则具有较大的黏度或较强的腐蚀性等。如何根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备是蒸发操作彼此必须要考虑的问题。（3）节约能源蒸发时汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸气。如何充分利用热量，提高加热蒸气的利用率是蒸发操作要考虑的另一个问题。4.蒸发设备的要求蒸发设备的种类很多，但无论何种类型的蒸发设备，在构造上必须有利于过程的进行。因此设计蒸发设备时应考虑以下几个因素：(1)尽可能提高冷凝和沸腾给热系数。减缓加热面上污垢的生成速率，保证设备具有较大的传热系数；(2)能适应溶液的某些特性，如粘性、起泡性、热敏性、腐蚀性等；(3)能完善汽化、液的分离；(4)能排除溶液在蒸发过程中所析的晶体。从机械加式工的工艺性、设备的投资、操作费用等角度考虑，蒸发设备的设计还应满足以下几项要求：a、设备的材料消耗少，制造、安装方便合理；6b、设备的检修和清洗方便，使用寿命长；c、有足够的机械强度。在实际设计过程中，要完全满足以上各点困难的，必须权衡轻重，研究主次，加以综合考虑。5.蒸发设备的选型蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热室和蒸发室组成。蒸发的辅助设备包括：使液沫进一步分离的除沫器，和使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需真空装置。分述如下：由于生产要求的不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。对常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：（1）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度。操作稳定。此类蒸发器主要有:a.中央循环管式蒸发器；b.悬筐式蒸发器；c.外热式蒸发器；d.列文式蒸发器；e.强制循环蒸发器。其中，前四种为自然循环蒸发器。（2）单程型蒸发