[工学]食品工程原理课程设计指导.doc

第1章 蒸发装置的设计 第1节 概 述 以浓缩溶液为目的的蒸发装置，其设计任务总的来说是确定蒸发方案，即确定蒸发的操作条件、蒸发设备的型式、蒸发流程等，进行工艺计算和设备的结构计算、强度计算或选型，最后用流程图、设备图和设计说明书表达设计者的设计思想和全部设计内容。 一项好的设计，必须做到工艺性能良好、设备投资少、操作费用低，即技术上应满足工艺的要求，经济程度要高，且能保证安全生产。 蒸发装置的设计程序一般为： 1．根据溶液的性质及工艺要求确定蒸发的操作条件;蒸发器的型式和蒸发操作的效数及流程等。 2．根据物料衡算及热量衡算计算加热蒸汽消耗量及各效蒸发量。 3. 求出各效传热量和传热有效温度差，确定传热系数，从而计算各效的传热面积。 4．根据传热面积和选定的加热管的直径和长度，计算加热管数；确定管心距和排列方式，计算加热室外壳直径。 5．确定蒸发器的尺寸。 6. 附属设备的设计计算或选型。 7. 绘制图纸和编写设计说明书。 第2节 蒸发方案的确定 蒸发作为食品产品工艺制造过程中的一个单元操作，有多种不同的设备，不同的流程和不同的操作方式。它们各有不同的技术特性和经济性。我们应该根据满足工艺要求和提高经济效果两大原则，结合实际综合考虑，确定一个先进合理的蒸发方案。 2．1 蒸发操作条件的确定 需要确定的蒸发操作条件主要是指蒸发器加热蒸汽的压力(或温度)和冷凝器的操作压力或真空度。正确确定蒸发的操作条件，对保证产品质量和降低能源消耗，具有重要的意义。 通常，被蒸发的溶液有一个允许的最高温度，超过这个温度, 物料就会变质、破坏。例如蔗糖溶液，为了防止高温下分解或焦化，其蒸发温度一般不能超过127℃这就是我们确定加热蒸汽压力(或温度）的重要依据。 蒸发操作可以在低于最大允许温度的广阔温度范围内进行，可以采用压力蒸发，常压蒸发或真空蒸发。要在一个广阔的温度范围内确定一个合适的加热蒸汽温度和冷凝器压力，是一个涉及许多因素的颇为复杂的问题。 一般食品厂，常装设热电厂的蒸汽机、透平机的废蒸汽或锅炉，因而蒸发用汽应该考虑利用这些蒸汽。直接采用未经做功的锅炉减压蒸汽是不经济的。糖厂中蒸汽机的废汽压力约为150～170kpa，透平机则为300～400kpa 。 蒸发是一个消耗大量加热蒸汽而又产生大量二次蒸汽的过程。从节能的观点出发, 我们应该充分利用蒸发所产生的二次蒸汽作为其它加热设备的热源，即要求蒸发装置能提供温度较高的二次蒸汽。这样，既可减少锅炉生蒸汽的消耗量，又可减少末效进入冷凝器的二次蒸汽量，提高了蒸汽的利用率。因此，能够采用较高温度的饱和蒸汽作为加热蒸汽是有利的。但通常所用饱和蒸汽的温度不超过180℃，超过180℃时，相应的压强就很高，这就增加了加热的设备费和操作费。 多效蒸发旨在节省加热蒸汽，我们应该尽量采用多效蒸发。如果工厂提供的是低压蒸汽(如蒸汽机废汽)，为了利用这些低压蒸汽，并实现多效蒸发，则末效应在较高的真空度下操作，以保证各效具有必要的传热温度差。或者选用高效率的蒸发器，这种蒸发器在低温差下仍有较大的蒸发强度。 末效操作压力的确定基于如下的考虑： 如果第一效采用较高压力的加热蒸汽，则末效可以采用低真空蒸发或常压蒸发，甚至可以采用压力蒸发。此时末效产生的二次蒸汽具有较高的温度，可以全部利用，而不进入冷凝器(为适应生产中实际存在的不稳定性，冷凝器不能取消)，因而经济性高。此外，各效操作温度较高，溶液粘度较低，传热好，蒸发强度较大。如果第一效加热蒸汽压力低，则如上所述，末效应采用较高真空度操作。此时，各效二次蒸汽温度不高，利用价值低。末效二次蒸汽进入冷凝器冷凝，大量能量损失，又消耗了冷却水泵所需之能量。此外，各效在较低温度下操作，溶液粘度大，传热差，蒸发强度也较低。但对于那些高温对产品质量有不良影响的物料，这种低温蒸发显然是好的。 对混合式冷凝器而言，其最大的真空度决定于冷凝器内的水温和真空装置的性能。通常冷凝器的最大真空度为82～85kpa，也可高达93kpa。 2．2 蒸发器的类型及其选择 在食品工业中，大多数蒸发器都是用饱和水蒸汽作为加热介质，因此，蒸发器中热交换的一方是饱和水蒸汽的冷凝，另一方是溶液的沸腾。一般说来，蒸汽冷凝传热系数比溶液沸腾传热系数大得多，因此，传热的关键在于沸腾传热。 为了适应各种不同物性(如粘度、起泡性、热敏性等)物料的蒸发浓缩，出现了各种不同结构型式的蒸发器。随着生产的发展，蒸发器的结构不断改进。常用的间壁式传热蒸发器，按溶液在蒸发器中的流动特点，可分为循环型(如中央循环管式、悬筐式、加热室在体外的长管式和列文式等)和单