Аппараты для концентрирования выпариванием

Аппараты, в которых процесс сгущения растворов заключается в удалении растворителя путем его испарения, называют выпарными. Температура кипения растворов в таких аппаратах намного ниже, чем при атмосферном давлении. Достигается это за счет создания вакуума. Поэтому такие аппараты и назвали вакуум-выпарными установками.

Классифицировать вакуум-выпарные установки можно по нескольким признакам:

- в зависимости от принципа действия различают установки периодического и непрерывного действия;

- в зависимости от количества корпусов аппараты подразделяются на однокорпусные и многокорпусные;

- в зависимости от конструкции греющих поверхностей аппараты могут быть с трубчатыми или пластинчатыми калоризаторами;

- в зависимости от греющего агента установки подразделяются на установки с паровым, аммиачным или фреоновым обогревом;

- в зависимости от условий кипения продукта аппараты подразделяются на циркуляционные и пленочные.

Независимо от вида и конструкции вакуум-выпарных установок физическая сущность удаления влаги одинакова. Температура кипения различных продуктов находится в интервале 20-80 ⁰С. Происходит это вследствие искусственного создания вакуума. При пуске аппарата вакуум создается за счет специальных насосов, а затем за счет конденсации удаляемого пара. Объем, занимаемый паром, при конденсации уменьшается в тысячи раз (при остаточном давлении 9,8·10³ Па из 14,95 м³ пара получают 1 л воды). Пар, удаляемый из продукта, называют вторичным или соковым.

Вакуум-выпарные установки с выносной системой нагрева типа «Виганд» нашли широкое применение в различных отраслях пищевой промышленности. Они могут быть однокорпусные и многокорпусные. В состав однокорпусной вакуум-выпарной установки входят: два трубчатых подогревателя; калоризатор (нагреватель), сепаратор - пароотделитель, конденсатор, пароструйный компрессор, пароструйный вакуум-насос или жидкостной кольцевой насос. Принципиальная схема такой установки показана на рис. 7.1.

Исходный продукт направляется в подогреватель, где подогревается до температуры сгущения, а затем подается в калоризатор. В калоризаторе продукт закипает и частично вместе с образовавшимся паром поступает в пароотделитель.

В пароотделителе происходит отделение пара, а продукт по циркуляционной трубе возвращается в нагреватель, вновь закипает и цикл повторяется.

Вторая часть закипевшего продукта по малым циркуляционным трубам из верхней части нагревателя опускается вниз, вновь нагревается, по кипятильным трубам поднимается вверх и цикл повторяется.

Образовавшийся вторичный или соковый пар частично идет на термокомпрессор, смешивается с острым паром и используется для нагрева продукта в нагревателе. Вторая часть сокового пара идет в подогреватель, отдает тепло исходному продукту, частично конденсируется и направляется в конденсатор, где окончательно конденсируется и отводится через водокольцевой насос в виде конденсата в смеси с воздухом.

Подогреватель представляет собой трубчатый теплообменник цилиндрической формы. Внутри цилиндра расположены прямые трубки, концы которых завальцованы в трубные решетки. По трубам движется продукт, а в межтрубное пространство подается вторичный пар, который и нагревает исходный продукт.

Нагреватель также представляет собой трубчатый теплообменник. Он имеет с торцевых сторон крышки, внутри расположены трубные решетки, кипятильные трубы малого диаметра и одну или две трубы большего диаметра, которые называются возвратными или циркуляционными. По кипятильным и циркуляционным трубам движется продукт, а в межтрубное пространство подается греющий пар (смесь острого и вторичного пара).Греющий пар, отдавая тепло, конденсируется и через конденсатоотводчик направляется на подогреватель или конденсатор.

Продукт в кипятильных трубах закипает и поднимается в верхнюю часть нагревателя, где часть его по циркуляционным трубам стекает в нижнюю часть нагревателя. Вторая часть кипящего продукта вместе с соковым паром поступает в пароотделитель, где пар отделяется, а жидкость по циркуляционной трубе возвращается в нижнюю часть нагревателя.

Пароотделитель является дополнением к нагревателю и служит для отделения пара от жидкости. Для лучшего отделения пара смесь пара и жидкости подается в пароотделитель по касательной, что придает ей вращетельное движение и способствует более эффективному отделению пара. Внутри его расположен отражатель. Капли кипящей жидкости ударяясь о него стекают вниз. В пароотделителе концентрируемая жидкость по стенкам стекает вниз и по циркуляционной трубе возвращается в нагреватель.

Двухкорпусная вакуум-выпарная установка с пароструйным компрессором отличается от однокорпусной вакуум-выпарной установки тем, что нагревателиэтого аппарата расположены наклонно и молоко вначале подсгущается в одном корпусе, а затем переходит во второй, откуда отводится готовый продукт. Она состоит из следующих основных частей: двух подогревателей, резервуара для молока, камеры самоиспарения, конденсатоотводчика, конденсатора, пароструйного насоса, пароотделителей, нагревателей, насосадля воды и насоса для молока. Устройство установки показано на рис. 7.2.

Молоко подогревается в трубчатых подогревателях до температуры пастеризации. Далее оно направляется в резервуардля выдерживания, который является промежуточной емкостью для бесперебойной работы вакуум-аппарата. Из резервуара горячее молоко поступает в линию, находящуюся под вакуумом, и камеру самоиспарения, где происходит частичное испарение влаги, а молоко охлаждается до температуры испарения в первом корпусе. Затем молоко поступает в нагреватель первого корпуса, где и выпаривается.

Одна часть вторичного пара из камеры самоиспаренияи пароотделителя первого корпуса поступает в нагреватель второго корпуса как греющий, где конденсируется. Конденсат удаляется через конденсатоотводчик. Другая часть вторичного пара из первого корпуса и камеры самоиспаренияпоступает в пароструйный насос, где сжимается острым паром и направляется в нагреватель первого корпуса.

Вторичный пар из пароотделителя второго корпуса направляется в конденсатор.

В каждом пароотделителе расположены ловушки для улавливания капель молока. Сгущаемое молоко из первого корпуса переходит во второй, концентрируется до нужного содержания сухих веществ и удаляется на дальнейшую обработку.

Производительность одно- и двухкорпусных установок циркуляционного типа «Виганд» по испаренной влаге колеблется от 500 до 8000 кг/ч.

Техническая характеристика вакуум-выпарных аппаратов «Виганд»:
Производительность по испаренной влаге, кг/ч Поверхность нагрева, м2 Диаметр трубок нагревателя, мм Количество трубок в нагревателе, шт Длина трубок нагревателя, мм Диаметр трубок конденсатора, мм Количество трубок в конденсаторе, шт Длина трубок конденсатора, мм Габариты, мм Длина Ширина Высота Масса, кг	40/43   18/21	40/43   18/21	36/40   16/18	36/40   16/18	40/44   16/18

 

Вакуум-выпарные установки с принудительной циркуляцией работают в периодическом режиме. Принципиальная схема такой установки показана на рис.7.3. В комплект установки входят: нагреватель, пароотделитель, циркуляционный насос с приводом, ловушка, два теплообменника для конденсации паров, два приемника конденсата, два сборника конденсата, суховоздушный вакуум-насос, мокровоздушный вакуум-насос.

Нагреватель представляет собой аппарат цилиндрической формы с паровой рубашкой, крышкой и коническим днищем. Для увеличения площади поверхности нагрева в нем расположена система вертикальных двойных трубок. Верхний конец у наружных трубок закрыт, а нижний открыт, у внутренних трубок открыты оба конца. Продукт движется по внутренним трубкам и между трубами большего диаметра. Водяной пар подается в паровую рубашку и в пространство между большими и малыми трубками. Благодаря такому движению теплоносителя и продукта создается развитая поверхность обогрева.

Пар из обогревательной системы удаляется с помощью плунжерного мокровоздушного вакуум-насоса. После создания в системе вакуума с помощью вакуум-насоса жидкость засасывается в подогреватель до уровня нижнего смотрового окна выпарного аппарата. После этого включается циркуляционный насос, который обеспечивает непрерывную циркуляцию концентрируемой жидкости по замкнутому кольцу: нагреватель - выпарной аппарат - нижняя циркуляционная труба - циркуляционный насос – нагреватель.

Вторичный пар поступает в ловушку для отделения капель выпариваемой жидкости и возвращения их в нижнюю часть выпарного аппарата. Пар после ловушки поступает в первый теплообменник, конденсируется и конденсат отводится в приемник. Несконденсировавшиеся в первом теплообменнике водяные пары поступают во второй теплообменник. Для повышения эффективности конденсации второй теплообменник охлаждается рассолом или ледяной водой.где охлаждаются рассолом или холодной водой и отводятся в виде Конденсат из второго теплообменника удаляется в приемник. Из приемников конденсат направляется в сборники, где резервируется перед дальнейшим использованием.

По мере упаривания свежие порции культуральной жидкости непрерывно поступают в подогреватель. После концентрирования до заданного объема обогрев и выпаривание прекращают, давление выравнивают и концентрат в виде сиропа выгружают через штуцер.

Вакуум-выпарная установка снабжена приборами дистанционного контроля вакуума и температуры водяного пара и вторичных водяных паров.

 

Выпарные трубчатые пленочные аппараты с восходящей или стекающей пленкой могут быть с вынесенной или соосной греющей камерой. Циркуляция концентрируемого раствора в таких аппаратах однократная, что существенно сокращает время пребывания его в вакуум-аппарате. Это особенно важно для термолабильных жидкостей.

Устройство трубчатого пленочного выпарного аппарата с восходящей пленкой и соосно расположенной греющей камерой показано на рис. 7.4.

Аппарат состоит из корпуса, греющей камеры, сепаратора-пароотделителя, брызгоотделителяи пучка трубок кипятильных трубок. Раствор подается в трубки греющей камеры, где он вскипает. Образующиеся пузырьки вторичного пара увлекают с большой скоростью раствор вверх в виде тонкой пленки по внутреннему периметру труб. Парожидкостная эмульсия, выходя из трубок, поступает в сепаратор 3, с помощью изогнутых лопаток брызгоотделителяполучает вращательное движение и отбрасывается центробежной силой на внутреннюю стенку аппарата. Это способствует отделению вторичного пара от сгущенного раствора. Вторичный пар из сепаратора удаляется, а концентрированный раствор стекает в нижнюю часть сепаратора и выводится из аппарата.

Уровень заполнения трубок греющей камеры обычно составляет 25-30 %. Поверхность теплообмена пленочных трубчатых выпарных аппаратов колеблется в широких пределах. Зависит этот показатель от количества трубок, их диаметра и величины греющей камеры. Количество трубок может колебаться от 63 до 2340 шт. при длине 7-9 м. Диаметр греющей камеры колеблется от 600 до3000 мм. С учетом этих показателей и поверхность теплообмена может колебаться от 63 до 2520 м². Общая высота аппарата составляет 8690—16590 мм. Коэффициент теплопередачи достигает 1700 Вт/(м²-К). Максимальная вязкость концентрируемой среды 1 Па-с, время пребывания среды в аппарате 4—6 мин.

 

Трехкорпусные выпарные установки нашли широкое применение в микробиологической и пищевой промышленности д ля упаривания термолабильных жидкостей. Преимущества таких установок заключаются в том, что первый корпус установки обогревается водяным паром, а обогрев каждого последующего корпуса осуществляется вторичным паром из предыдущего корпуса. Это приводит к значительной экономии пара. Так расход пара на 1 кг выпаренной влаги составляет в однокорпусной установке 1,1 кг/кг; в двухкорпусной – 0,57 кг/кг; в трехкорпусной – 0,40 кг/кг; в четырехкорпусной – 0,30 кг/кг; в пятикорпусной – 0,27 кг/кг.

Необходимо помнить, что с увеличением числа корпусов возрастают температурные потери, уменьшается полезная разность температур между корпусами, ухудшаются условия выпаривания продукта, что может привести к снижению его качества.

Наибольшее применение получили трехкорпусные вакуум-выпарные установки, состоящие из трех последовательно соединенных однокорпусных аппаратов со стекающей пленкой. В качестве теплоносителя используется водяной пар низкого давления.

Принципиальная схема трехкорпусной установки с падающей пленкой показана на рис. 7. 5.

Установка состоит из испарителей первой, второй и третьей ступеней, брызгоотделителей, труб дли вторичного пара, насосовдля перекачки сгущаемого продукта, поверхностного конденсатора, водокольцевого вакуум-насосадля отсоса несконденсированных газов из испарителей.

Исходный раствор подогревается в теплообменнике до температуры, близкой к температуре кипения, и поступает в первый корпус установки. Благодаря предварительному нагреванию раствора уменьшается пенообразование в выпарном аппарате, повышается интенсивность кипения и удаляется значительное количество воздуха. Для нагрева раствора в первый корпус подают свежий водяной пар. Образующийся в первом корпусе вторичный пар поступает во второй корпус, куда также поступает сконцентрированный раствор из первого корпуса.

Из второго корпуса вторичный пар и сконцентрированный раствор поступает в третий корпус. Соковый пар из третьего корпуса направляется в конденсатор, конденсируется и в виде конденсата удаляется из установки.. Концентрированный раствор из третьего корпуса центробежным насосом подается в промежуточный сборник.

Установка оборудована уровнемерами и приборами регулирования параметров процесса.

Расчет трехкорпусной вакуум-выпарной установки заключается в определении поверхности нагрева корпусов установки при выбранных условиях теплового режима работы. Тепловой режим и тип установки выбирают с учетом свойств выпариваемой среды. Для определения тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезных разностей температур необходимо определить количество удаляемой воды, концентрацию растворов и температуру кипения в каждом корпусе. При расчетах вакуум-выпарных установок учитывают материальный баланс, который выражается следующим уравнением:

,

(7.1)

где - количество исходного продукта, кг.; - количество готового продукта, кг.; - содержание сухих веществ в исходном продукте, %.; - содержание сухих веществ в готовом продукте, %; - количество испаренной влаги (вторичных паров), кг.

Из уравнения (7.1) легко рассчитать количество выпаренной воды или производительность выпарной установки по выпаренной воде (W), кг / с:

, кг / с

(7. 2)

Общее количество испаренной воды из трех корпусов равно сумме выпаренной воды из каждого корпуса:

W = W1 + W2 + W3.

(7. 3)

Соотношение выпариваемой воды по корпусам можно принять следующее: W₁: W₂: W₃ = 1: 1,1: 1,2. Тогда из уравнения (7.3) легко найти выпаренную влагу в каждом корпусе:

W1 = W · 1,0 / (1 + 1,1 + 1,2),	(7.4)
W2 = W · 1,1 / (1 + 1,1 + 1,2),	(7.5)
W3 = W · 1,2 / (1 + 1,1 + 1,2),	(7.6)

Материальный баланс сухих веществ:

для первого корпуса -

Gn · Bn / 100 = (Gn - W1) · Bk1 / 100,

(7.7)

для двухкорпусной установки -

Gn · Bn / 100 = (Gn - W1 - W2) · Bk2 / 100,

(7.8)

для трехкорпусной установки -

Gn · Bn / 100 = (Gn - W1 - W2 - W3) · Bk / 100,

(7.9)

где В_к1 и В_к2 - концентрации упаренного раствора после первого и второго корпусов, %

Конечная концентрация раствора (%) после первого корпуса:

Вк1 = Gn · Bn / (Gn - W1),

(7.10)

Конечная концентрация раствора (%) после второго корпуса:

Вк2 = Gn · Bn / (Gn - W1 - W2),

(7.11)

Конечная концентрация раствора (%) после третьего корпуса:

Вк3 = Вк = Gn · Bn / (Gn - W1 - W2 - W3),

(7. 12)

При упаривании происходит увеличение вязкости и плотности раствора, что снижает коэффициент теплопередачи. При расчетах коэффициенты можно принимать по экспериментальным данным, либо их определяют по известным показателям выпариваемой среды. Для упрощения расчетов можно использовать ориентировочное соотношение коэффициентов теплопередачи по корпусам: К₁: К₂: К₃ = 1: (0,7...0,8): (0,4...0,6).

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса зависит от типа выпарной конструкции аппарата и может быть выбран из таблицы 1 приложения А.

Тепловые нагрузки по корпусам составят:

Q1 = W1 · r1,		(7. 13)
Q2 = W2 · r2,		(7.14)
Q3 = W3 · r3,		(7.15),

где r₁, r_2, r₃ - скрытая теплота парообразования греющего или вторичного пара, соответственно в первом, втором и третьем корпусах

кДж \ кг. Для её определения можно воспользоваться данными таблицы 2 приложения А.

 

Суммарная полезная разность температур (⁰С) может быть определена по формуле:

,

(7. 16)

где - температура вторичного пара в последнем корпусе, ⁰С; - суммарные потери температуры по корпусам, ⁰С (принимаются 4...7 ⁰С).

С повышением полезной разности температур эффективность теплообмена увеличивается. В вакуум-выпарных установках с термокомпрессией полезная разность температур при сгущении составляет 15...25 ⁰С. При снижении полезной разности температур, а в отдельных случаях и повышении, уменьшается интенсивность циркуляции жидкости в калоризаторе, а, следовательно, и коэффициент теплопередачи. В некоторых вакуум-выпарных установках (например, мешалочных типа “Люва”) полезная разность температур составляет около 80 ⁰С. В отдельных корпусах многокорпусных аппаратов полезная разность температур может быть 8...12 ⁰С.

Если принять, что площади поверхностей нагрева F

(м²) всех корпусов равны между собой, то полезные разности температур (⁰С) для каждого корпуса можно определить по формуле:

,	(7.17)
,	(7.18)
,	(7.19)

Тогда расчетные площади поверхности нагрева (м²) в корпусах определяем по формулам:

,		(7.20)
,		(7.21)
,		(7.22)

Выбор выпарного аппарата производят по максимальной расчетной (Fр.м.) площади поверхности нагрева, которая больше расчетной на 20...30 %.

После выбора аппарата по максимальной площади нагрева рассчитывают фактическую производительность вакуум-выпарной установки (кг \ с):

,

(7.23)

Расход греющего пара, (кг / ч):

,

(7.24)

Удельный расход греющего пара, (кг / кг):

,

(7.25)

Расход тепла в подогревателе среды, (кДж / ч):

,

(7.26)

где с - удельная теплоемкость среды, подаваемой в подогреватель, кДж / (кг · К); t₁ и t₂ - температура среды, поступающей в подогреватель и выходящей из подогревателя, ⁰С.

Количество пара (кг / с), поступающего в конденсатор из третьего корпуса:

,

(7.27)