仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學院

食品工程原理課程設(shè)計闡明書

任務(wù)名稱：蒸發(fā)器的設(shè)計

設(shè)計人：朱曉燕()

指導(dǎo)教師：陳海光

班級組別：04(1)-3

設(shè)計時間：2023.12.25-2023.1.7

成績：

目錄

1、設(shè)計闡明書...................................................2

2、設(shè)計方案確實定...............................................3

3、方案闡明.....................................................4

4、物料衡算.....................................................5

5、熱量衡算.....................................................5

6、T藝尺寸計算.................................................9

7、附屬設(shè)備尺寸計算.............................................15

8、重要技術(shù)參數(shù).................................................17

9、計算成果匯總.................................................17

10、設(shè)備流程及裝備圖..............................................18

11、參照文獻21

設(shè)計闡明書

一、題目：蒸發(fā)器的設(shè)計

設(shè)計蒸發(fā)量為4噸/小時的雙效真空濃縮裝置，用于濃縮番茄醬日勺生產(chǎn)。已

知進料濃度為4.25%,成品濃度為28%,第一效真空度為6()()mmHg,第二效真

空度為700mmHg。加熱蒸汽日勺壓力為0.15MPa

二、原始數(shù)據(jù)：

1、原料：濃度為4.25%的番茄醬

2、產(chǎn)品：濃度為28%/、J番茄醬

3、生產(chǎn)能力：蒸發(fā)量四噸每小時，一天工作10個小時

4、熱源：加熱蒸汽為飽和水蒸汽，壓力O.I5MPa

5、壓力條件：第一效為600mmHg日勺真空度，第二效為700mmHg的真空度

三、設(shè)計規(guī)定內(nèi)容：

1、濃縮方案確實定：蒸發(fā)器的J型式、蒸發(fā)操作流程、蒸發(fā)器的效數(shù)等。

2、蒸發(fā)工藝的計算：進料量、蒸發(fā)水量、蒸發(fā)消耗量、溫差損失、傳熱量、

傳熱面積等。

3、蒸發(fā)器構(gòu)造的計算：加熱室尺寸、加熱管尺寸及排列、蒸發(fā)室尺寸、接管尺

寸等。

4、附屬設(shè)備的計算：冷凝器、真空系統(tǒng)的選用

5、流程圖及裝配圖繪制

四.設(shè)計規(guī)定

1、設(shè)計闡明書一份；

2、設(shè)計成果一覽表；蒸發(fā)器重要構(gòu)造尺寸和計算成果及設(shè)備選型狀況等：

3、蒸發(fā)器流程圖和裝配圖

設(shè)計方案確實定

1.蒸發(fā)器確實定：選用外加熱式蒸發(fā)器，它的I特點是加熱室與分離室分開，便

于清洗和更換。這種構(gòu)造有助于減少蒸發(fā)器的總高度，因此可以采用較長的I

加熱管。并且，因循環(huán)管不受熱而增大了溶液的循環(huán)速度，可達1.5m/s。

2.蒸發(fā)器的效數(shù)；雙效真空蒸發(fā)。真空操作的壓力小，故在蒸發(fā)器內(nèi)物料的沸

點就低，對于番茄這種熱敏性較高的物料，采用真空蒸發(fā)減少沸點是有必要

時。采用多效蒸發(fā)是減少加熱蒸汽耗用量，提高熱能經(jīng)濟性的有效措施。然

而也不能無限地增長效數(shù)。理由如下：（1）效數(shù)越多，節(jié)省地加熱蒸汽量就

越少.由單效改為雙效時，加熱蒸汽用量可減少50%,但由四效改為五效只

能節(jié)省10%,熱能經(jīng)濟性提高不大。（2）效數(shù)越多，溫度差損失越大，分派

到各效H勺有效溫度差就越小。為了維持料液在溶液沸騰階段，每效H勺有效溫

度差不能不大于5-7攝氏度。這樣也限制了效數(shù)的增長。（3）熱敏性溶液

的蒸發(fā)，一般不超過三效。

3.加熱方式：直接飽和蒸汽加熱，壓力0.15Mpa。

4.操作壓力：I效為600nmiHg真空度，I［效為700nmiHg真空度。

5.加料方式：并流式。具長處在于：（1）后一效蒸發(fā)室時壓強比前一效的低，

故溶液在效簡述送不用泵而運用各效簡的壓力差；（2）后一效溶液的沸點較

前一效H勺低，溶液進入后效時發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，產(chǎn)生較多二次蒸汽；（3）高濃

度溶液日勺溫度依效序減少對濃縮熱敏性食品有利。

6.輔助設(shè)備：冷凝器用水噴式冷凝器；慣性捕集器

方案闡明

1.本流程采用直接蒸汽加熱，雙效外加熱式蒸發(fā)器，并流法蒸發(fā)。使用25c水

作為冷卻劑，冷凝水出口溫度為40℃。

2.設(shè)備流程：

1）物料：預(yù)熱殺菌后的番茄醬由循環(huán)泵由下部進入，流經(jīng)管內(nèi)，由上部進入

蒸發(fā)分離室，先經(jīng)加熱器日勺管內(nèi)上升，通過彎頭進入另一臺加熱器，經(jīng)加熱料液

由管內(nèi)下降，以切線方向進入【效蒸發(fā)分離器進行汽液分離。然后由物料泵送至

II效再蒸發(fā)。料液料液匯集到傾斜口勺底部，由排出口與循環(huán)管連接，經(jīng)液位平衡

器至I效蒸發(fā)室，當I效蒸發(fā)室到達平衡液位時，料液直接進入I【效加熱器。

蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽與物料一起進入分離器。由二效分離器出來的物料濃度到達

所規(guī)定28%。

2）加熱蒸汽：I效蒸發(fā)與其預(yù)熱管內(nèi)物料的熱能由蒸汽供應(yīng)，II效蒸發(fā)和

預(yù)熱管內(nèi)物料的熱能所有為一效二次蒸汽供應(yīng)。n效二次蒸汽所有進入水噴式冷

凝器冷卻。

3）本流程采用直接蒸汽加熱，雙效外加熱式蒸發(fā)器，順流法蒸發(fā)。長處是

料液沸點依效序遞降，因而目前效料液進入后效時，便在降溫日勺同步放出其顯熱,

供一小部分水分汽化，增長蒸發(fā)器的蒸發(fā)量。使用25℃水作為冷卻劑，冷凝水

出口溫度為40℃o真空蒸發(fā)的條件：不停供應(yīng)熱量；要維持番茄醬H勺沸騰，需

要不停供應(yīng)熱量。必須順速排除二次蒸汽；如不及時排除二次蒸汽，又會凝結(jié)成

水回到番茄醬中去。本操作中將二次蒸汽引入另一效蒸發(fā)器作為熱源使用，熱能

運用率高。

（-）物料衡算

1、原料處理量:

每小時處理量:

VW=F\（常用化工單元設(shè)備設(shè)計153頁）

卬.々4000x28

二4716Kg/〃

―28-4.25

々7。

式中尸0—原料處理量，kg/h：

Xo一一進I效蒸發(fā)器料液的濃度，質(zhì)量比例;

X2一一出H效蒸發(fā)器料夜的濃度，質(zhì)量比例;

W---水分蒸發(fā)量kg/h；

日處理量:每天10小時：4715X10=47.15噸/日

2、初步估算一、二效的蒸發(fā)水量

由《常用化工單元設(shè)備設(shè)計》PI53

取W1:W2=1:1.1

故w-4000=19()48(kg/h)

1+1.1

W2=4000-1904.8=2095.2(kg/h)

其中，M一—第I效的蒸發(fā)量，kg/h

w2一一第n效的蒸發(fā)量，kg/h

I效二次蒸汽濃度M4716x4.25%人3

々「1%4716-1904.8

3、成品產(chǎn)量：F2=F0-VM716-4000=716kg/h

(-)熱量衡算

1.有關(guān)參數(shù)

(1)總蒸發(fā)量：4000kg/h

(2)進料：x=4.25%(=61.1℃(查《食品工程原理》843頁此溫度

下水時比熱Cw“=4179J/Kg.k)

出料：￡=28%r2=41.4℃

料液比熱：C()=Cw(1一含)=4179(1-產(chǎn))=40()U/Kg?Z

(3)真空度分派：

第I效：600mmHg片=0.21X10,Pa(查得此壓力下飽和蒸汽溫度

(=61.1℃)

5

第I【效：700mmHgP2=0.08X10Pa(查得此壓力下飽和蒸汽溫度

T2=41.4℃)

來自《食品工程原理》741頁飽和水蒸汽表

二次蒸汽的熱參數(shù)值如下表

壓力(Pa)T(C)比焰(KJ/kg)汽化潛熱(kg)

I效加熱蒸汽

痣=1.5X105"=111.3io=2695.1九二2229.3

I效二次蒸汽

<=0.21X105(二61.1/,=2606.6/,=2352.5

II效加熱蒸汽5

P2=0.08X1072二41.4i2=2570.2/2=2396.4

2、溫差損失

、溫度損失日勺計算

△=△'+△〃+△和

N=冠

式中：△溫度差損失，℃

N操作壓強下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點升高，℃

△"液層靜壓引起歐I溫度差損失，℃

N一一管路流動阻力引起的溫度差，C

、一一常壓下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點升高，℃

/一一校正系數(shù)，無因次，其經(jīng)驗計算式為:

q0.0162(7+273)2

J=--------：-------

式中：T——操作壓強下二次蒸汽口勺溫度，℃

y'——操作壓強下二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg

一八0,Pgh

P=P+—

式中：p，n一一溶液內(nèi)部平均壓強，Pa

p°一一液面上方的壓強，Pa

/?——溶液淺層島度，m（該題設(shè)具液層局度為6m）

p一一溶液密度，kg/m3

該題密度為1.028x\03kg/m

常溫下番茄林沸點升高△加=0.15。。

A，_0.0162(61.1十273)

x0.15=0.115(℃)

2352.5

9.81x6x1.028xlO3

pm=2KXX)++51.223死

2

由壓強51.223kPa查表得:

Tm=82℃

△"=7；-"=82-60.7=213C

取△唧=1℃

△=△'+△〃+"=().115+21.3+1=22.4

3、Wi,W2,Di

物料衡算公式：”=Q+優(yōu)C）??、?/p>

%=D?+FO?COF2②

式中“唯一I【【效蒸發(fā)水量[kg/h]

DiD--III效蒸汽量[kg/h]

0102—III效自蒸發(fā)系數(shù)

F.——原料處理量lkg/hj

—原料比熱[kj/kgk]

7％一一熱運用系數(shù)

（來自《食品工廠機械與設(shè)備》192頁）

根據(jù)逆流時日勺自然蒸發(fā)系數(shù)，按下式計算:

-c1n

414-611

AB,=————=-0.00838

2606.6-61.1x4.186

61.1-41.4

==0.00822

。22570.2-41.4x4.186

將①式代入②式中

VD2=Wi

???w?=q+在.q-俯+匕?G血泌

=D,+[4716X4.0I86一(叫+4176x4.001x0.00822)](-0.00838)

=D)-141.78+0.00838VV,

JW|=1.0085D,-142.98③

將③式代入②式中

w2=1.(X)85D,-142.98+4716x4.0186x0.(1)822

=l.(X)85-12.8

AA=1.0085+1.0085=2.017

B=-142.98-12.8=130.18

W-B4000-(-13018)

D.=------='血"=2047.設(shè)Kg/h

A2.017

，第I效蒸發(fā)量W]=1.0085D,-142.98=1.0085x2(M7.68-142.98=1922.1Ikg/h

第H效蒸發(fā)量w?=1.0085Z>,-12.8=1.0085x2047.68-12.8=2052.29kg/h

與初估各效蒸發(fā)水量比較誤差$3%,可不必對各效蒸發(fā)水量及濃度加以修正。

3.第H效放出漿量環(huán)及濃度與

Fn=F(rW2=4716-2052.29=2663.7/h

x.4716x4.25%—200.43.752%

“nFO-W24716-2052.292663.71,

4.、I、n效加熱面積確實定

1效傳熱量：Q1=D,XZ()=2(M7.68x2246.6=4600317kJ/h

H效傳熱量:Q2=D2XZ1=1922.11X2331.6=4481591kJ/h

各效有效溫度差：AT,=T0-7；=111.3-61.l=50.2℃

AT,=丁「4口一豈=61.1-1-41.4=18.7℃

其中A2T一一兩效間溫度損失=1℃

各類蒸發(fā)器傳熱系數(shù)（食品工程原理P722）

蒸發(fā)器型式傳熱系數(shù)K(w/蒸發(fā)器型式傳熱系數(shù)K(w/

m2?k)m2,k)

水平沉浸加熱式600-2,300開膜式1,200?6,000

原則式（自然循環(huán)）600-3,000降膜式1,200?3,500

原則式（強制循環(huán)）1,200-6,000懸筐式600?3,000

外加熱室式（自然循環(huán)）1,200?6,00()蛇管式35()?2,3(X)

外加熱室式（強制循環(huán)）1,200?7,000

通過上表按經(jīng)驗數(shù)據(jù)取:

強制循環(huán)=6698kJ/h-m2K

2

自然循環(huán)K2=3349kJ/h-tn?K

期電_=〃

???第I效加熱面積：S1=e.13.68?

K,A7；6698x50.2

Qi4481591”“2

第II效加熱面積：s,=------------=70.56"

K2\T23349X18.7

（三）工藝尺寸計算

1、I效加熱器的尺寸

根據(jù)《常用化工單元設(shè)備設(shè)計》162頁，采用。32X1.5mm不銹鋼管，管長

L=3m

S,_13.68

n=50（根）

7id（）L3.14x0.029x3

式中S——傳熱面積，相Z

d0----加熱管直徑，m；

L----管子長度，mo

取管間距為1.254津勺同心圓排列:

同心圓數(shù)根數(shù)同心圓直徑

16

D1=〃?〃萬=6x40/3.14=80〃〃〃

212

D2=D,+2f=80+2X40=160〃"〃

318

D3=。2+21=160+2X40=240/〃/〃

425

D4=D3+2/=240+2x40=320nun

根據(jù)排列四層共61根管子

???第I效加熱面積：S,=61x3.14x0.029x3=16.66〃/

加熱室殼體直徑口勺計算：D=t(b-])+2e

式中D——殼體直徑，m；

t一一管間距，m；

b一一沿直徑方向排列的管子數(shù)

e一一最外層管中心到殼體內(nèi)壁的距離，取

e=1.25=1.25x32=40mm

管子在管板上的排列間距：t=1.25d〃=1.25x32=40〃〃〃

中心排列管子數(shù):b=4x2=8（根）

內(nèi)徑Dlff=/（/?-!）+Ie=40x（8-1）+2x40=360

根據(jù)《常用化工單元設(shè)備設(shè)計》163頁

取外殼壁厚6=10mm

外徑DIH2^)=360+2X10=380〃"〃

將外徑圓整到400mm

2、II效加熱器的尺寸

采用。32XI.5不銹鋼管，管長L=3m

S2_70.56

n2(根)

以oL-3.14x0.029x3

取管間距為L25d4的同心圓排歹U：

同心圓數(shù)根數(shù)同心圓直徑

16

D[=〃?〃萬=6x40/3.14=80〃wz

212

D2=￡>1+2r=80+2x40=160“wz

318

D.=D2+2r=160+2x40=24G/n//?

425

D4=。3+2,=240+2x40=320〃w?

531

D5=D4+2t=320+2x40=400L

637

D6=D54-2Z=4(X)+2X40=480/麗

743

D7=Z)6+2r=480+2X40=560mm

850

Ds=D7+2/=560+2x40=640nu?i

956

D9=Ds+2t=640+2x40=720nvn

在各級中心安裝-一根。50mm的I抽氣管，因此取消了一、二層排列，同步在。160?

240之間的管板內(nèi)，加一根。2()()mm中央抽氣管，因此排列總管數(shù)為260根。

第II效加熱器實際加熱面積：S?=260x3.14x0.029x3=71/H2

加熱室殼體直徑日勺計算：

中心排列管子數(shù)：b=9x2=18（根）

內(nèi)徑。28=，（人一l）+2e=40x（18-l）+2x40=760〃wz

根據(jù)《常用化工單元設(shè)備設(shè)計》163頁

取外殼壁厚§=12mm

外徑D2H=Z）2fl+2Z>=760+2x12=784nvn

將外徑圓整到800mm

3、蒸發(fā)室直徑確實定

第I效：&=J吁m

產(chǎn)3600

式中“——I效蒸發(fā)水量[kg/h]

V,一一二次蒸汽比體積向3/奴]

g----二次蒸汽上升速度[〃z/s]

查《食品工程原理》841頁并用內(nèi)差法計算得61.1℃飽和水蒸汽日勺密度

p、=0.1369必/〃-

V.=—=——!——=7.16〃7'/kg

乃0.1396

取4=1.6機

第II效：d2=IW2J2m

.3600

式中I%----II效蒸發(fā)水量kg/h

口:一—二次蒸汽上升速度m/s

匕一一二次蒸汽口勺比體積〃//kg

查《食品工程原理》841頁并用內(nèi)差法計算得41.4℃飽和水蒸汽密度

p2=0.05514kg1而

取C，2=1.8/〃

4、蒸發(fā)室的截面積

F二貯

4

第I效：Mx].；2

4

A-A-TTJuf_3.14x1.8,

第II效F=---------=2.54m

24

5、蒸發(fā)室的高度

根據(jù)《常用化工單元設(shè)備設(shè)計》163頁取蒸發(fā)室高徑比H/D=2

???第I效:H]=2xd]=2x1.6=3.26

第H效：H2=2X=2X1.8=3.6/77

6、循環(huán)管尺寸

上循環(huán)管直徑取d；=0.24=0.2xl.6=0.32m

下循環(huán)管直徑取d：=J力.〃=70.0292X321=0.52m

式中dB——加熱管內(nèi)徑；

n——加熱管根數(shù)。

7、連接管直徑確實定

1、加熱蒸汽進口管徑必

.14XFm

d司丁

式中：上一—進口管截面積，肝

S二叫

@"x3600

Vra——加熱蒸汽的比容，m7kg

根據(jù)加熱蒸汽壓力為0.15Mpa,由《食品工程原理》飽和水蒸汽表

查得/=0.7334kg/m3

V.=1/0.7334=1.3635m7kg

由《食品工廠機械與設(shè)備》得：加熱蒸汽進口壓力為3大氣壓，取飽和蒸汽時

速度為30米/秒，蒸汽進口壓力為1大氣壓，取飽和蒸汽日勺速度為25米/秒，

故本題加熱蒸汽進口壓力為1.5大氣壓，取飽和蒸汽的速度為26.25米/秒。

飽和蒸汽速度，26.25m/s

2047.68xl.3635

=0.02955〃/

故Ftmn

26.25x3600

]4x0.02955

=0.194/??

V3.14

由《食品工程原理》P852：取整后選用4M=219加〃，壁厚6帆小，內(nèi)截

面積為003364/

因此實際飽和加熱蒸汽口勺速度:

Dy_2O47.68xl.3635

m=23.05〃z/s

yx3600—0.03364x3600

2、i效二次蒸汽出口進入n效的管徑：

I效二次蒸汽出口口勺溫度為61.1°C,由《食品工程原理》841頁飽和水

蒸汽表查得夕=0.1369匕/加

V.=-=—?—=7.3046而Ikg

,np0.13696

由《食品工廠機械與設(shè)備》在減壓真空狀態(tài)下，管日勺出口處二次蒸汽速度為

100—160米/秒，

取VFIOOHI/S

中止」I41V1V1

因此d尸J--------

V3600^1

二11922.11x7.3046x4

-V3.14x100x3600

=0.223m

取整后選用&=245〃〃〃,壁厚6.5〃?利，內(nèi)截面積為0.04225〃72的）一般無

縫鋼管

3、II效二次蒸汽的出口管徑:

n效二次蒸汽的出口溫度為41.4℃,由《食品工程原理》查得密度

V=—=——!——=lX.1357〃J/kg

夕2=0.05514必/一

p0.05514

由《食品工廠機械與設(shè)備》查得，取V2=150m/s

I4W2V2

13600m，

<4x2052.29x18.1357

V3600x150x3.14

=0.296m

取整后選用d2=325mm,厚為8mm,內(nèi)截面積為0.07495〃」的一般無縫剛管

附屬設(shè)備尺寸計算

①選用水噴式式冷凝器

冷凝器選用噴射式冷凝器，它由噴射器和離心水泵構(gòu)成，又稱水力噴射器，

兼有冷凝及抽真空兩種作用。其工作原理是運用高壓水流，通過噴嘴噴出，聚合

在一種焦點上，由于噴射的水流速度較高，在周圍形成負壓區(qū)，水流經(jīng)擴散管增

壓排出，而在負壓區(qū)可以不停地吸入二次蒸汽，經(jīng)導(dǎo)向盤與冷卻水接觸，冷凝后

起排出。

取冷凝水進口溫度：r,=25℃出口溫度：t2=40℃

冷凝水消耗量：

^W(H-Cpt2)

Cp(，2-1)

_2052.29x(2570.2-4.179x40)

4.179x(40-25)

=7.87xl09g〃？

W—水蒸汽量[kg/h]

H—水蒸汽熔[kj/kg]

CL冷卻水比熱[kj/kg℃]

tl,t2一冷卻水進、出口溫度[℃]

②噴嘴數(shù)計算

由《蒸發(fā)過程設(shè)計》巳6得到，設(shè)氣室為1個大氣壓，水室2.5個大氣壓，噴嘴

直徑d=15mm,流量系數(shù)°=0.93

通過一種噴嘴的I水流量

q=2g耳

2XXX

q=3.14x0.015XQ9129.81(2.5-1)TFX3600

4V997

=32.24(m7h)

噴嘴數(shù)N=—兇

7.87xlO4

997x32.24

=2.45（個）

取整數(shù)為N=3個

③捕集器

選用慣性捕集器，其作用是防止蒸發(fā)過程形成的細微液滴被二次蒸汽帶出，對

汽液進行分離，以減少物料的損失，同步防止污染管道及其他蒸發(fā)器的加熱。捕

集器的型式諸多，可分為慣性型和離心型等類型。

重要技術(shù)參數(shù)

機組號

項目I效蒸發(fā)器11效蒸發(fā)器

進料濃度4.5%6.31%

進料溫度°C61.1—

進料量kg/h47162047.68

二次蒸汽壓力MPa0.0210.008

蒸汽溫度℃61.141.4

山料濃度6.31%28%

出料量kg/h2047.68716

計算成果匯總表

料液處理量,kg/h4716

蒸發(fā)水量,kg/h4000

產(chǎn)品產(chǎn)量,kg/h716

蒸汽用量,kg/h2047.68

冷凝水用量,kg/h78700

I效蒸發(fā)器直徑,m1.6

II效蒸發(fā)器直徑1.8

I效蒸發(fā)器傳熱面積，n?13.68

II效蒸發(fā)器傳熱面積，n?70.56

I效蒸發(fā)器高度,m3.2

II效蒸發(fā)器高度，m3.6

加熱管尺寸,mm

032x1.5￡=3000

上循環(huán)管直徑，m0.32

下循環(huán)管直徑，m0.52

加熱蒸汽進口管徑，mm219

I效二次蒸汽出口進入H效日勺管徑,mm245

II效二次蒸汽的出口管徑，mm325

分布器旋液式

捕集器慣性捕集器

冷凝器水噴式冷凝器

設(shè)備流程及裝備圖

(-)設(shè)備流程圖