Практическая работа 12 - Процессы и аппараты пищевых производств

# Процессы и аппараты пищевых производств

5В073200- Стандартизация и сертификация __ст.преводаватель__ Саидов А.М.

## 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.

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.

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.

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 /.

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.

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.

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.

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.