【正文】 μ 15第三章 主體設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 16 第二效蒸發(fā)器筒體設(shè)計(jì) 16 第一效蒸發(fā)器筒體設(shè)計(jì) 18 18 18 第一效蒸發(fā)器換熱板設(shè)計(jì) 18 第二效蒸發(fā)器換熱板設(shè)計(jì) 19 19 20 21 21 21 22 23 24 24 26 26第四章 附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型 27 27 27 27 28 28 28 29 29 29 29 29 30 30 30第五章 附件的設(shè)計(jì)與選型 32 32 32 33 34 35 36 37 37 38 39 39 第二效蒸發(fā)器物料出口與分離器進(jìn)口之間的接管 40 第二效分離器物料出口與產(chǎn)品輸出泵之間的接管 40 產(chǎn)品輸出管上三通與濃縮液儲(chǔ)罐之間的接管 41 42 43 43 43 44 44結(jié)論 45參考文獻(xiàn) 46致 謝 47 前言我國(guó)是世界上生產(chǎn)乳類產(chǎn)品的大國(guó)，特別是奶粉產(chǎn)品的加工生產(chǎn)在我國(guó)的食品加工行業(yè)內(nèi)具有重要地位。近年來，降膜式異形豎板蒸發(fā)器脫穎而出，在奶粉加工設(shè)備的濃縮環(huán)節(jié)被廣泛使用，并且獲得好評(píng)。因此本人以《奶粉生產(chǎn)設(shè)備的成套設(shè)計(jì)》為題，對(duì)于以降膜式異形豎板蒸發(fā)器為濃縮設(shè)備的全套奶粉生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了結(jié)構(gòu)與選型設(shè)計(jì)。首先，降膜式異形豎板蒸發(fā)器作為該套奶粉生產(chǎn)設(shè)備的濃縮設(shè)備，本人將其視為本設(shè)計(jì)的主要設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其附屬部件的設(shè)計(jì)。目前，在我國(guó)異形豎板降膜蒸發(fā)器多用于造紙行業(yè)，在食品發(fā)酵行業(yè)已用于酒糟廢液和味精廢液的濃縮。降膜式異形豎板蒸發(fā)器是根據(jù)薄膜傳熱理論和板式換熱器原理發(fā)展起來的一種高效，節(jié)能、新型蒸發(fā)設(shè)備,它與管式降膜蒸發(fā)器相比，具有傳熱效率高、物料受熱時(shí)間短、掛料量少、不易結(jié)垢且結(jié)垢易清洗等諸多優(yōu)點(diǎn)。即異形豎板降膜蒸發(fā)器中物料在加熱元件外表面靠重力自由降膜蒸發(fā)濃縮，這不僅給與物料接觸的傳熱元件外表面的精加工帶來有利的條件，而且更為重要的是加熱表面易于清洗，對(duì)易結(jié)垢的物料十分有利；不僅給與物料接觸的加熱元件表面的精加工提供了極為有利的條件，而且便于觀察液膜的流動(dòng)情況。另外，乳粉的濃縮設(shè)備是消耗能源最多的單元之一，因此在今天節(jié)能第一的時(shí)代，降膜式異形豎板蒸發(fā)器可以大大減少奶粉生產(chǎn)設(shè)備的耗能。這些設(shè)備包括了鮮牛奶的殺菌設(shè)備、預(yù)熱設(shè)備以及干燥成粉設(shè)備，另外還有加熱蒸汽的部分供應(yīng)系統(tǒng)。最后，對(duì)于部分附件如：接管、監(jiān)測(cè)儀表、保溫層及閥門作了簡(jiǎn)略選型。該工藝流程的流程草圖見下圖 （）：圖 工藝流程Fig. The Technical process本設(shè)計(jì)中，將濃縮設(shè)備作為主要設(shè)計(jì)對(duì)象，因此首先要對(duì)其進(jìn)行選型。選型時(shí)一般應(yīng)考慮以下原則：（1）滿足生產(chǎn)要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量；（2）生產(chǎn)能力較大；（3）構(gòu)造簡(jiǎn)單操作維修方便；（4）經(jīng)濟(jì)實(shí)用。而膜式蒸發(fā)器的特點(diǎn)為：溶液沿加熱管壁呈膜狀流動(dòng)而進(jìn)行傳熱及蒸發(fā)，而溶液只通過加熱室一次即達(dá)到濃縮要求，由于蒸發(fā)速度快溶液在蒸發(fā)器內(nèi)停留時(shí)間短，故特別適用于處本設(shè)計(jì)。另外，當(dāng)蒸發(fā)溫度為60～65℃時(shí)，％％ ，即經(jīng)過濃縮提高奶液干物質(zhì)含量，同時(shí)去除奶液中的膻味及不良?xì)馕?。最后，為了更好的達(dá)到節(jié)能高效的目的，本設(shè)選用真空并流雙效流程。第二章 工藝計(jì)算加工對(duì)象為鮮牛奶，其具有：粘度大、熱敏性強(qiáng)和易產(chǎn)生泡沫的特性。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)結(jié)果蒸發(fā)室設(shè)備類型蒸汽與物料溫差 Δt（℃）蒸汽溫度（℃）物料溫度（℃）真空度（Mp）加熱壓力（Mp）殺菌器套管管式超高溫瞬時(shí)滅菌機(jī)74784預(yù)熱器固定管板式換熱器187860第一效蒸發(fā)室異形豎板87870第二效蒸發(fā)室異形豎板87062 操作條件Table Operating Condition根據(jù)文獻(xiàn)[2]由以下公式進(jìn)行計(jì)算 ：W = S ( 1－B0 / B2 ) （）式中：S ——牛奶的處理量 ：kg/h ；B0——物料初始濃度 ； B2——物料終了濃度 。 根據(jù)文獻(xiàn)[2]由以下公式得到第一效二次蒸汽蒸發(fā)量W1與第二效二次蒸汽蒸發(fā)量W2的關(guān)系：W2 = （）式中：——蒸發(fā)系數(shù) ； ——自蒸發(fā)系數(shù) ； ——熱損失系數(shù) ；——平均比熱 ：kcal/（kg查文獻(xiàn)[2]得：=1；β2 =； = ?！妫? 70 ℃ 情況下的全脂乳 ) 。 根據(jù)文獻(xiàn)[2]由以下公式進(jìn)行計(jì)算 ：B1 = （） 由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得 ： B1 = ℅ 。 由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得：D1 = kg/h 。 Da根據(jù)文獻(xiàn)[2]由以下公式進(jìn)行計(jì)算： （）式中：D——通入生蒸汽量 ：kg/h ；Ms ——物料處理量 ：kg/h ；——對(duì)數(shù)平均溫差 ：℃ ； ——水蒸汽汽化潛熱 ：kcal/kg ?！妫? 4 ℃ 情況下的全脂乳 ) ；查文獻(xiàn)[4]得 ： = kcal/kg （ 78 ℃ 情況下的水蒸汽 ） ；另外 ，Ms = 2000 kg/h ； = to－ ti= 60℃－ 4℃ = 56℃ 。 Db 由公式（）進(jìn)行計(jì)算 ，查文獻(xiàn)[3]得 ： = kcal/（kg由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得 ： Db = kg/h 。 由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得 ： Q1 = kj 。℃） ?！妫? 78 ℃ 的情況下 ) 。由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得： = ㎡ （1）第二效蒸發(fā)器傳熱量 Q2 ：查文獻(xiàn)[4]得： = kcal/kg （ 70 ℃ 情況下的水蒸汽 ） ；另外 ，D = D2 = kg/h 。（2）第二效蒸發(fā)器初步傳熱面積 ：經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得： K = K2 = 1800 W/（㎡另外 ，= Δt2 = 8℃ 。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，采用臨界熱負(fù)荷校核法， ,qm為開始鼓泡沸騰時(shí)的熱負(fù)荷。（1）第一效蒸發(fā)器極限熱負(fù)荷qm1根據(jù)文獻(xiàn)[5]，極限熱負(fù)荷qm應(yīng)根據(jù)換熱板上端的操作條件進(jìn)行計(jì)算。s 。查文獻(xiàn)[3]得：μ l = Pa1 = S = 1800 kg/h 。根據(jù)已知數(shù)據(jù)，由公式（）、()計(jì)算得 ：1 = 150 kg/h ； Re1 = 。℃）；λl——液相的導(dǎo)熱系數(shù) ：Pa查文獻(xiàn)[3]得 ： = kcal/（kgk）( 70 ℃ 情況下的全脂乳 ) 。因?yàn)?Re1 = ＜ 500 故根據(jù)文獻(xiàn)[5]由以下公式進(jìn)行計(jì)算： ()式中： α ——局部對(duì)流傳熱系數(shù) ：w/（㎡查文獻(xiàn)[3]得 ：νl= 由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得 ：α1 = w/（㎡因?yàn)?Re1 = ＜ 500 ，故根據(jù)文獻(xiàn)[5]由以下公式進(jìn)行計(jì)算：X = ()式中： δ——液相的表面張力 ：N/m ；T——飽和溫度 ：k ；ρν——蒸汽密度 ：kg/m3 。Y = () qm = ()查文獻(xiàn)[3]得 ：δ = N/m ；ρν = kg/m3 ；另外 ，T = 70 + 273 = 343 k ；ρl = 1031 kg/m3。Ｅ．第一效蒸發(fā)器傳熱面積A1的校核與取值（2）第一效蒸發(fā)器熱負(fù)荷q1　　故根據(jù)文獻(xiàn)[5]由以下公式進(jìn)行計(jì)算：　　　q1 = Q1/ ()由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得 ：q1 = j/㎡ 。則換熱板長(zhǎng)度為 ：L1 = = = 2 m 。s ( 62 ℃ 情況下的全脂乳 ) 。另外 ，初選第一效蒸發(fā)器的換熱板為 ：板數(shù) n2 = 6 ；板寬度 b2 = 1 m 。 Pr2 ；查文獻(xiàn)[3]得 ： = kcal/（kgk）( 70 ℃ 情況下的全脂乳 ) 。因?yàn)?Re2 = ＜ 500 故根據(jù)文獻(xiàn)[5]由公()式進(jìn)行計(jì)算：查文獻(xiàn)[3]得 ：νl= 由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得 ：α2 = w/（㎡因?yàn)?Re2 = ＜ 500 ，故根據(jù)文獻(xiàn)[5]由公式() 、()、 ()進(jìn)行計(jì)算：查文獻(xiàn)[3]得 ：δ = N/m ；ρν = kg/m3 ；另外 ，T = 62 + 273 = 335 k 。E．第二效蒸發(fā)器傳熱面積A1的校核與取值（2）第二效蒸發(fā)器熱負(fù)荷q2　　根據(jù)已知數(shù)據(jù) ，由公式()計(jì)算得 ：q2 = j/㎡ 。則換熱板長(zhǎng)度為 ：L2 = = = m 。引發(fā)“干壁現(xiàn)象”的原因是水分不斷蒸發(fā)，向下流動(dòng)的液膜越來越薄，進(jìn)而最有可能破壞的部分是換熱板的下部。 Ｓmin1（1）第一效蒸發(fā)器最小回流量 Gmin1 根據(jù)文獻(xiàn)[5]由以下公式進(jìn)行計(jì)算 ： ()由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得 ： Gmin = kg/s ，又因?yàn)閾Q熱板為雙面蒸發(fā)，則Gmin1 = 2 Gmin = kg/s 。（1）第二效蒸發(fā)器最小回流量 Gmin2根據(jù)已知數(shù)據(jù)，由公式()計(jì)算得 ： Gmin = kg/s ，又因?yàn)閾Q熱板為雙面蒸發(fā)，則Gmin2 = 2 Gmin = kg/s 。（3）第二效蒸發(fā)器回流量Smin2 Smin2 = Gmin2 + W2 = kg/h = kg/s 。由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得 ： = % 。查文獻(xiàn)[6]得 ω= 95% 。 u根據(jù)文獻(xiàn)[3]由以下公式進(jìn)行計(jì)算 ：u = ()由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得 ：（1）第一效 u1 = 103 kg/(㎡s) 。第三章 主體設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第二效蒸發(fā)器筒體設(shè)計(jì)根據(jù)第一效蒸發(fā)器操作條件，查文獻(xiàn)[9]GB3280,選用1Cr17Ni14Mo2不銹鋼鋼板，其彈性模量 E = 206103 MPa ；厚度 t = 6 mm 。(1)筒體直徑內(nèi)徑因?yàn)橥搀w內(nèi)安裝的換熱板選用六塊板的尺寸為 ：寬度b = 1000 mm ；厚度 tb = mm ；兩板焊接后中空鼓泡高度 f = 20 mm ； 板間距c = 120 mm ，另外考慮到換熱板組要安裝蒸汽進(jìn)口與不凝性氣體和冷凝水出口的聯(lián)合接口。估算直徑 ：Di = = mm ；查文獻(xiàn)[9]，選用筒體直徑Di = 1600 mm ；筒體長(zhǎng)度 L = 2600 mm ；設(shè)計(jì)壓力Pg = MPa 。(3)筒體強(qiáng)度的校核A、無加強(qiáng)圈時(shí)筒體強(qiáng)度校核根據(jù)文獻(xiàn)[9]由以下公式進(jìn)行計(jì)算 ：Lcr= ()式中：Lcr——筒體臨界長(zhǎng)度 ：mm ；Do——筒體外徑 ：mm ； ——筒體計(jì)算壁厚 ：mm 。故： Lcr = mm 。B、應(yīng)力校核a．極限壓力由于是短圓筒，根據(jù)文獻(xiàn)[9]由以下公式進(jìn)行計(jì)算 ：Pcr = ()式中：Pcr——筒體臨界壓力 ：Pa ； 由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得 ：Pcr = MPa 。 故 ：[P] ＜ Pg ，如果不設(shè)加強(qiáng)圈，筒體的強(qiáng)度足夠。另外，為了避免試驗(yàn)發(fā)生低溫脆性破壞，液體溫度不得低于15℃。后者所求結(jié)果最大，所以由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得 ：PT = 再據(jù)文獻(xiàn)[9]，由下式校核圓筒的應(yīng)力 ： （）式中：——焊縫系數(shù) 。由已知數(shù)據(jù)計(jì)算得 ： = 33 MPa 。 第一效蒸發(fā)器筒體設(shè)計(jì)同第二效蒸發(fā)器的選取結(jié)果。(1)水壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)同第一效蒸發(fā)器的選取結(jié)果。為了對(duì)蒸發(fā)器筒體的部件進(jìn)行定期的方便檢修，根據(jù)設(shè)備規(guī)格選用人孔。 第一效蒸發(fā)器換熱板設(shè)計(jì)中空的異形豎板換熱板是該型蒸發(fā)器的核心元件 ()，材料選用1Cr17Ni14Mo2不銹鋼鋼板， mm 。由工藝計(jì)算可確定，換熱板尺寸為 ：1m 。取等腰三角形斜邊間距70mm，底邊間距100mm 。 在換熱板上的加熱蒸汽進(jìn)口部位、冷凝水排出部位和抽不凝性氣體的部位焊上一個(gè)矩形盒，并在矩形盒上焊接管。由于總管又是同筒體上的接管以法蘭連接的，所以最終換熱板組能夠固定到蒸發(fā)器中。1. 第一效蒸發(fā)器上封頭的選型根據(jù)各效蒸發(fā)器的操作條件，查文獻(xiàn)[9]，各效蒸發(fā)器上封頭選用 ：HGB6191 圓形平蓋封頭DN1