Практическая работа 12

 

 

ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ

 

Цель: сформировать представление об устройстве и принципах работы выпарных аппаратов

План

1 Общие сведения

2 Выпарной аппарат с паровым обогревом.

3 Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой.

4 Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией.

5  Выпарной аппарат со свободно падающей пленкой.

6 Однокорпусная выпарная установка.

7 Многокорпусная выпарная установка с прямоточным питани­ем.

8 Многокорпусная выпарная установка с противоточным пита­нием.

 

1 Общие сведения

Процесс концентрирования растворов твердых нелетучих ве­ществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости, т.е. когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата, называется выпариванием.

Выпаривание применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из раствора чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т. е. вы­деления нелетучих веществ в твердом виде.

Выпаривание широко применяется при производстве сахара, в консервном, молочном и кондитерском производствах.

Способы выпаривания. Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высо­котемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теп­лотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Пар, используемый для обогрева аппарата, называется первич­ным.

Пар, образующийся при кипении раствора, — вторичным.

Выпаривание осуществляется: под вакуумом; при атмосфер­ном давлении; при повышенном давлении.

При выпаривании под вакуумом снижается температура кипения раствора, что дает возможность использовать для обогрева аппа­рата пар низкого давления. Этот способ применим при выпарива­нии растворов, чувствительных к высокой температуре. Кроме того, уменьшаются потери теплоты в окружающую среду, и увеличива­ется полезная разность температур греющего пара и кипящего ра­створа, все это позволяет сократить поверхность теплообмена и габариты аппарата.

При выпаривании при атмосферном давлении образующийся вто­ричный пар обычно не используется и выбрасывается в атмосферу.

Выпаривание при повышенном давлении вызывает повышение тем­пературы кипения раствора и дает возможность использования вторичного пара для обогрева других корпусов выпарной установ­ки с меньшим давлением. Кроме того, вторичный пар (экстра-пар) может быть использован для других теплотехнических целей.

 

2 Выпарной аппарат с паровым обогревом. Он состоит из греющей камеры (кипятильника), в которой расположена поверхность теп­лообмена и происходит выпаривание раствора и сепаратора — пространства, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

Выпарные аппараты подразделяются в зависимости от распо­ложения и вида поверхности нагрева, конфигурации поверхности нагрева, компоновки поверхности нагрева, рода теплоносителей, взаимного расположения рабочих сред, кратности циркуляции и режима циркуляции.

В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают выпарные аппараты: со свободной циркуляцией; с естественной циркуляцией; с принудительной циркуляцией; пленочные выпарные аппараты.

 

 

eee1.png

 

 

Рис. 4.13. Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой:

/ — брызгоотделитель; 2 — сепаратор; 3 — циркуляционная труба; 4 — кипятильные трубы; 5 — греющая камера

 

3 Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой. Выпарной аппарат (рис. 4.14) состоит из греющей камеры /, представляю­щей собой пучок труб, сепаратора 3 с брызгоуловителем 2 и цир­куляционной трубы 4, присоединенной к нижней растворной ка­мере.

 

 eee2.png

 

Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубкам, нагревается и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз. Высота парового пространства влияет на сепарацию из пара капелек жидкости, выбрасываемых из кипятильных труб и поднимающихся по инерции на определенную высоту.

Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, осво­бождается от капелек, а раствор возвращается по циркуляцион­ной трубе в греющую камеру.

Поскольку циркуляционная труба не обогревается, создаются условия для интенсивной циркуляции раствора. При этом плот­ность раствора в выносной циркуляционной трубе больше, чем в циркуляционных трубах, размещенных в греющих камерах, что обеспечивает сравнительно высокую скорость циркуляции раствора и препятствует образованию отложений на поверхности нагрева.

В таких аппаратах облегчается очистка поверхностей от отложе­ний, так как доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры.

4 Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией. Для повыше­ния интенсивности циркуляции раствора и увеличения коэффи- циента теплопередачи применяют аппараты с принудительной циркуляцией (рис. 4.15). Их целесообразно использовать при упаривании вязких жидкостей, когда естественная циркуляция затруднена. Аппараты с принудительной циркуляцией имеют высокие показатели при меньших перепадах температур.

 

 

eee3.png

 

 

Рис. 4.15. Выпарной аппарате принудительной циркуляцией:

/ — кипятильник; 2 — циркуляционный насос; 3 — циркуляционная труба; 4 — сепаратор

 

Принудительная циркуляция раствора происходит с помощью мешалок, насосов или подачей газа; может создаваться также вращением либо вибрацией поверхности нагрева.

Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, нагревается и закипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь попадает в сепа­ратор 4, где вторичный пар отделяется от капелек, а раствор по­ступает в циркуляционную трубу 3 и насосом 2 подается в грею­щую камеру аппарата.

Достоинством аппаратов с принудительной циркуляцией яв­ляются высокие коэффициенты теплопередачи (в 3 — 4 раза боль­ше, чем при естественной циркуляции), а также отсутствие за­грязнений поверхности теплообмена при выпаривании кристал­лизующихся растворов и возможность работы при небольших раз­ностях температур.

Недостаток этих аппаратов — необходимость расхода электро­энергии на работу насосов.

5  Выпарной аппарат со свободно падающей пленкой. В выпарном аппарате со свободно падающей пленкой (рис. 4.16) выпарива­емый раствор подается сверху в греющую камеру 3, которая со­стоит из пучка труб, заключенных в цилиндрическую обечайку. Верхние и нижние концы труб завальцованы в трубные решетки, приваренные к концам обечайки. К нижней трубной решетке под­соединена переходная камера со штуцером для соединения с се­паратором /.

 

 

 

 

 

eee4.png

 


 

Выпарной аппарат со свободно падающей пленкой: 1 — сепаратор; 2 — брызгоотделитель; 3 — греющая камера

/ — сепаратор; 2 — брызгоотделитель; 3 — греющая камера

 

 

Раствор равномерно распределяется на верхней трубной ре­шетке по стенкам труб и движется вниз под действием силы тяже­сти вместе с паром. При стекании пленки исключается наруше­ние ее сплошности и обнажение некоторой части поверхности нагрева.

Разделение парожидкостной смеси происходит в сепараторе 1, который представляет собой цилиндрический сосуд с кониче­ским днищем и эллиптической верхней крышкой. Брызгоотдели- тель 2 расположен в верхней части сепаратора. Вторичный пар выходит через штуцер в крышке сепаратора, а упаренный раствор отводится из нижней его части.

 

Эффективность испарения растворителя зависит от толщины пленки, физико-химических свойств жидкости и перепада темпе­ратур между поверхностью нагрева и жидкостью.

Выпарные установки

В пищевых производствах применяют однократное выпаривание в однокорпусных выпарных установках, которое проводится не­прерывным способом или периодическим; многократное выпари­вание в многокорпусных выпарных установках, проводимое не­прерывно; выпаривание с использованием теплового насоса.

6 Однокорпусная выпарная установка. Применяется для сгуще­ния материалов в малотоннажных производствах. Образующийся при выпаривании вторичный пар в этой установке не использует­ся, а конденсируется в конденсаторе.

Однокорпусная выпарная установка (рис. 4.17) работает под вакуумом. Исходный раствор из хранилища 1 подается насосом 2 в теплообменник 3, где нагревается до температуры кипения. Из теплообменника раствор идет в выпарной аппарат 4 для сгущения. Греющий пар подается в межтрубное пространство теплообмен­ника и выпарного аппарата. Образовавшийся в аппарате вторич­ный пар вместе с воздухом и газами через влагоотделитель 5 на­правляется в корпус 6 барометрического конденсатора. Здесь пар при смешивании с водой конденсируется, а воздух и газы из вер­хней части конденсатора через влагоотделитель 7 откачиваются вакуум-насосом. Конденсат вместе с водой (называемые баромет­рической водой) отводится в корпус 6 самотеком по барометри­ческой трубе 8 в барометрический сборник.

 

 

 eee5.png

 

Сгущенный до нужной конденсации раствор откачивается на­сосом 10 в хранилище готового продукта.

по направлению движения греющего пара и выпариваемого раствора:

прямоточные,

противоточные,

с параллельным питанием корпусов, со смешанным питанием корпусов.

7 Многокорпусная выпарная установка с прямоточным питани­ем. В настоящее время в промышленности широко используются выпарные установки с прямоточным питанием (рис. 4.19). В этих установках греющий пар, вторичный пар и выпариваемый раствор проходят в одном направлении. В такой установке предварительно подогретый в подогревателе / раствор переходит из одного кор­пуса в другой (2—4) благодаря разности давлений в корпусах. Из корпуса 4 вторичный пар направляется в барометрический кон­денсатор 5. За счет конденсации пара в установке создается необ­ходимое разрежение. Выпаренный раствор отбирается из послед­него корпуса 4. Достоинством этой схемы является возможность перемещения упариваемого раствора без применения насосов, только за счет понижения давления от первого корпуса к послед­нему. К недостаткам прямоточной схемы следует отнести повы­шение вязкости раствора в последнем корпусе из-за снижения температуры и повышения концентрации от первого корпуса к последнему. В результате резко снижаются коэффициенты тепло­передачи в той же последовательности.

 

 

 

 

eee6.png 

 

 

 

8 Многокорпусная выпарная установка с противоточным пита­нием. При схеме с противоточным питанием (рис. 4.20) раствор и вторичный пар движутся в противоположных направлениях, и по мере концентрирования раствора от последнего корпуса к перво­му температура в них повышается. Благодаря этому вязкость раст­вора и коэффициенты теплопередачи изменяются по корпусам значительно меньше, чем при прямотоке. Это позволяет выпари­вать растворы до более высоких концентраций, не допуская вы­падения на поверхности теплообмена кристаллов, снижающих ко­эффициенты теплопередачи.

 

 

 eee7.png

Противоточные установки использу­ют при упаривании растворов, вязкость которых резко возрастает с увеличением концентрации. Недостатками противоточной схе­мы являются увеличение расхода греющего пара (на 10... 15 %) по сравнению с прямотоком и дополнительный расход электроэнер­гии на перекачивание раствора из корпуса в корпус в направле­нии возрастающих давлений.

 

 

Контрольные вопросы

 

1.    Какими способами осуществляется процесс выпаривания и какие конструкции выпарных аппаратов применяются в пищевой отрасли?

2.      От каких параметров зависит выбор выпарной установки и опре­деление оптимального числа корпусов в ней?

3.      При каких условиях происходит процесс конденсации паров и га­зов?

4.       Как устроены поверхностный конденсатор и конденсатор смешения?

5.      Чем различаются конденсаторы смешения «мокрого» и «сухого» типов?

6.       В чем заключается расчет барометрического конденсатора смешения?

7.      Какие хладагенты используются для охлаждения газов, паров и жидкостей?

8.      Перечислите основные конструктивные элементы паровых комп­рессионных холодильных установок.