Вакуумно-випарні установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вакуумно-випарні установки

Підлубна Ірина

ВСТУП

Випарні установки (ВУ) широко використовуються в різних галузях промисловості: хімічній, харчовій, металургійній, енергетичній, мікробіологічній та ін. У багатьох виробництвах названих галузей промисловості ці установки - основна ланка технологічного процесу, що визначає якість і вартість виготовленої продукції.

За останні роки при створенні новітніх технологій ВУ застосовують для вирішення нових технічних завдань: для очищення мінералізованих стічних вод, що має тепер особливе значення для вирішення екологічних проблем; для створення опріснювальних установок з метою розв'язання завдань водопостачання ряду районів України, у яких уже зараз відчувається нестача прісної води; для створення економічних систем вилучення цінних речовин з морських вод та інших солоних джерел, що має важливе значення для хімічної промисловості та кольорової металургії нашої країни.

У цей час в усьому світі й зокрема в Україні надзвичайно гостро стоять питання зниження енерговитрат і обмеження шкідливих викидів у навколишнє середовище практично у всіх галузях виробництв. Зниження енерговитрат і зменшення шкідливих викидів може бути досягнуто тільки розробкою й впровадженням у виробництво нових раціональних теплових схем, тепловикористовуючих апаратів і конструкцій які передбачали б такий розподіл теплоносіїв стосовно до технологічного процесу, при якому забезпечувалися б задані технологічним регламентом параметри (температура, концентрація, тиск, розрідження й т.д.) при мінімальній витраті теплової й електричної енергії.

Найважливішою ділянкою теплової схеми будь-якого виробництва де виникає необхідність у концентруванні розчинів, є випарна установка (ВУ), призначена для згущення розчину до концентрованого сиропу із заданим відсотком змісту сухих речовин.

РОЗДІЛ 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕСУ ВИПАРЮВАННЯ

1.1 Сутність процесу випарювання

випарювання багатокорпусний вакуум нелеткий

Випарювання - це процес теплової обробки однорідної або неоднорідної системи при температурі кипіння з метою збільшення в ній концентрації нелеткого компоненту. В переробних виробництвах випарюють, як правило, розчини нелетких речовин у леткому розчиннику (соки, сироп, тощо) або однорідні системи, зокрема, кров, клеєві, кісткові та желатинові бульйони, витяжки з органів тварин, барду тощо. При цьому процес відбувається в об'ємі розчину, коли тиск пари розчинника дорівнює загальному тиску у розчинному просторі за умови сталості температури кипіння при цьому тиску та цьому складі розчину. В процесі випаровування летка складова частина системи видаляється у вигляді пари, а вміст нелетких компонентів видаляється незмінним (на відміну від перегонки, коли в пару переходять одночасно різні компоненти розчину, причому в різних кількостях). Крім того, при випарюванні особливе значення має не тільки підвищення концентрації одного з компонентів системи, але і зберігання вихідних якісних властей продукції.

Для технічної організації процесу необхідно дотримуватися двох умов: підведення теплоносія для надання системі необхідної кількості теплоти та відведення з неї пари. Для нагрівання використовують вогневий, водяний, паровий, газовий та електричний методи. При цьому теплоносій та система розділені поверхнею теплопередачі, що має форму або стінки (в сорочкових апаратах), або трубки (в апаратах із змійовиком), або пучка труб, розташованих вертикально горизонтально (в трубчатих апаратах).

Загалом рідина може переходити у газовидний стан при випаровуванні та кипінні. Випаровування розчину або неоднорідної системи відбувається при різних температурах. Коли температура процесу нижча за температуру кипіння пари розчинника над поверхнею розчину більший за парціальний тиск пари у надрозчинному просторі, але менший за загальний тиск у робочому об'ємі. Цей процес використовують під час сушіння матеріалів.

Процес випарювання здійснюється в апаратах, що називаються випарниками, які виконуються або в одному корпусі або мають декілька.

1.2 Загальна характеристика вакуум-випарних апаратів

В молочній промисловості зокрема для згущення молока, перегону і сироватки використовують вакуум-випарні апарати. Продукт згущається внаслідок неперервного відведення пари від киплячого продукту. По фізичній суті це масообмінний процес, що відбувається при підведенні теплоти.

Всі випарні апарати, які використовують в молочній промисловості, працюють під вакуумом, що дозволяє знизити температуру кипіння і таким чином запобігти фізико-хімічним змінам, що можуть відбутися в молоці (карамелізація, пригар тощо), і втратам вітамінів.

Конструктивно вакуум-випарні апарати мають типові елементи: підігрівач-теплообмінник для попереднього підігріву продукту; калоризатор трубчастий або пластинчастий теплообмінник, в якому проходить кипіння продукту і випаровування води; сепаратор -- для розділення пари і крапель продукту, інжектор, конденсатор, вакуумний насос -- для відсмоктування вторинної пари та несконденсова-них газів і створення вакууму, система насосів для відведення згущеного продукту і конденсату. Калоризатор і сепаратор складають так звану ступінь, або корпус установки.

Найчастіше в якості нагрівального агента використовується водяна пара. Пара, що поступає в установку при високому тиску безпосередньо з парогенератора або розподільного вузла заводу, називається гострою, пара, що відводиться від киплячого продукту -- вторинною або соковою, пара, що поступає в калоризатор, називається нагрівальною.

Продуктивність вакуум-випарних установок, як правило, подають в кількості випареної вологи за одиницю часу, тому ряд інших показників приводиться також на 1 кг випареної вологи.

Багато продуктів не витримують навіть короткочасної дії і температур, що створюються в багатокорпусній установці. З цією метою застосовуються випарні апарати з тепловим насосом, що знайшли використання як в одиночних агрегатах, так і на окремих ступенях багатокорпусної установки. Тепловий насос за рахунок створення необхідного теплового режиму при стисканні допомагає ефективно використовувати вторинні пари як гріючі. Серед різновидів теплових насосів застосовують поршневі та турбокомпресори, на роботу яких витрачають механічну енергію (тому процес за їх використанням називають механічним випаровуванням); а також пароструменеві, в яких процес відбувається при витіканні гострої пари з сопла та стисканні суміші вторинної та гострої пари в дифузорі.

Поршневі компресори використовуються в установках з невеликою продуктивністю при значній величині повної різниці температур, так як за великої виробничої потужності потрібні громіздкі компресори та вартість апарату підвищується, а при малих температурних перепадах, що найбільш часто мають місце в технології випаровування, компресори відрізняються малим к.к.д. Крім того застосування поршневих компресорів має деякі недоліки: при стисканні в циліндрі механізму пара забруднюється маслом, що погіршує тепловіддачу, утруднює використання конденсату; при стисканні можливе перегрівання пари. Перегріта пара має погану тепловіддачу, тому її пропускають через паровий умформер з метою отримання насиченої пари. Прикладом найпростішого умформера може слугувати апарат, в який уприскується холодна вода.

Турбокомпресори набули більш широкого використання при великих продуктивностях та малому перепаді температур, тобто за умов сприятливих при механічному випаровуванні. Так, при стисканні пари в турбокомпресорі витрата енергії на стискання зменшується з підвищенням температури, тобто використання цього апарату економічно вигідно при обробці високотемпературних парів. Практично турбокомпресор застосовується при невеликих температурних перепадах, так як збільшення останнього вимагає застосування декількох ступенів тиску, що ускладнює конструкцію та збільшує вартість установки. Крім того при роботі турбокомпресора для компенсації теплових втрат необхідно витрачати також певну частину свіжої пари.

Пароструменеві апарати є найбільш ефективними та економічно доцільними в установках великої продуктивності з малими температурними перепадами та низькими температурами вторинної пари, тобто в умовах, характерних для випарювання харчових систем - бульйонів, крові тощо. У випарному апараті з пароструменевим інжектором пара подається до сопла, в якому розширюється та отримує значну швидкість (до 1000 м/с). Потрапляючи до камери змішування гостра або робоча пара захоплює вторинну, що подається зазвичай, перпендикулярно до напряму струменя гострої пари. Суміш надходить в камеру стискання, де швидкість технологічних потоків зменшується а тиск збільшується. Отже, робота пароструменевого компресора побудована на принципі перетворення потенціальної енергії гострої па кінетичну, яка, в свою чергу, перетворюється у потенціальну в камері стискання. При цьому як в соплі, так і в дифузорі мають місце втрати кінетичної енергії на тертя та перетворення її у теплоту.

Рис. 1.1. Випарний апарат з пароструменевим інжектором:

1 - корпус; 2 -- сепаратор; 3 - пароструменевип інжектор; 4 -- зливний трубопровід

У випарному апараті для теплообміну використовують насичену водяну пару, теплота пароутворення якої при конденсації через поверхню теллопередачі надається киплячій системі, що призводить до створення вторинної пари.

Таким чином, випарний апарат, з однієї сторони, є конденсатором гріючої пари а з іншої, генератором вторинної пари; тобто його можна розгляляти як паровий котел, а утворену вторинну пару можна застосувати на виробництві для роботи холодильних орбційних установок або в теплообмінній апаратурі як гріючий засіб. При цьому необхідно, щоб продуктивність випарного апарату за кількістю вторинної пари відповідала потребі в парі виробничої апаратури. Крім того, необхідна повна синхронізація роботи випарного апарату та виробничого теплообмінника. Такі умови обмежують технологічне використання вторинної пари у пристроях, тому раціональніше його спрямовувати для обігрівання іншого випарного агрегату.

В багатокорпусному випарному агрегаті гріючу пару доцільно витрачати тільки на перший корпус, тоді в усіх інших корпусах в якості гріючої викоистовуються вторинні пари. У цьому випадку вторинна пара будь-якого корпусу є гріючою для наступного за ним корпусу, де пара повністю конденсується, а теплота пароутворення через поверхню теплообміну передається киплячому розчину та слугує для утворення нової вторинної пари.

Вторинну пару будь-якого корпусу можна частково відібрати та спрямувати виробництво в якості гріючої під назвою екстрапари. Так, вторинна пара останього корпусу надходить до конденсатора. Різке зменшення об'єму в перетворення пари у воду при конденсації в герметичній судині, призводить до створення вакууму в конденсаторі та випарній установці. Теплота і при конденсації не використовується, а конденсат або суміш його з охолоджувальною водою, зазвичай, спрямовується в каналізацію. Перевагою такого використання вторинної пари є значне збільшення повної корисної різниці температур у випарному апараті.

До основних конструктивних елементів випарного апарату можна віднести поверхню нагрівання та камеру, куди находить гріюча або первинна пара, патрубки для підведення та відведення робочих середовищ; для відведення конденсату та газів, що не конденсуються; сепаратори та пастки для відділення піни від вторинної пари тощо. Поверхня нагрівання випарних елементів за конфігурацією виконується сорочковою, у вигляді підвісної камери з кільцевих елементною_; змієвиковою, трубчатою, пластинчатою або ребристою; а за розташуванням - вертикальною, горизонтальною або похилою. Також відомі ротаційні випарні апарати з поверхнею нагрівання, що обертається.

Вакуум-випарні установки класифікують за способом дії -- установки неперервної і періодичної дії, за кількістю корпусів розрізняють однокорпусні і багатокорпусні, за конструктивним виконанням нагрівальних поверхонь -- установки з трубчастими і пластинчастими калоризаторами; в залежності від нагрівального агента -- установки з паровим, аміачним і фреоновим обігрівом; від умов кипіння продукту -- циркуляційні і плівкові.

Залежно від взаємного розташування робочих середовищ випарні агрегати можуть бути паротрубними, коли всередині трубок міститься пара, або рідиннотрубними, коли всередині трубок кипить рідина.

За компонуванням поверхні нагрівання розрізняють апарати з виносними та внутрішніми, з горизонтальними та вертикальними паровими камерами.

За характером циркуляції технологічних середовищ випарні апарати можна класифікувати за кратністю та режимом циркуляції. Так, відомі прямотечійні апарати з одноразовою циркуляцією, через які розчин проходить в один прийом, та апарати з багаторазовою циркуляцією, в яких розчин неодноразово проходить через один і той самий переріз апарату.

За режимом циркуляції виділяються апарати з примусовим рухом розчину та організованою природною циркуляцією, що характеризується наявністю певного циркуляційного контуру; та з неорганізованою природною циркуляцією, коли рідина кипить, а певний напрям руху розчину відсутній.

Випарний апарат, що поєднує також функції сепаратора пари (див. рис.1.2) має поверхню нагрівання у вигляді трубчатого підігрівача виносного типу, що слугує для теплової обробки неоднорідної системи, яку доводять до кипіння в сепараторі. Пара через спеціальну пастку відводиться з розширеної частини сепаратора, а розчин під напором рідини повертається до контуру - 10.

Рис. 1.2. Конструктивні схеми випарних апаратів:

а) з паровою сорочкою і мішалкою; б) з вимушеною циркуляцією; в) з виносною поверхнею нагрівання; г) довготрубна плівкового випаровування; д) зі стабілізатором потоку; є) утфельний вакуум-апарат. Позначення: п - гріюча пара; к -- конденсат; г - гази, що не конденсуються; р - розчин; зр - згугцений розчин; кр - кристали з розчином; вп - вторинна пара.

З метою поліпшення циркуляції технологічних середовищ, особливо при випарюванні концентрованих розчинів, потоку рідини надають штучний імпульс за допомогою насосу (див. рис. 1.2, б). У цьому випадку можливе вертикальне або горизонтальне розташування трубчатої поверхні нагрівання.

У разі періодичного уварювання невеликих порцій високов'язких пластичних мас (типу напівфабрикатів кондитерського виробництва, томатних мас тощо) використання трубчатого циркуляційного контуру не завжди є доцільним. Тому в цьому випадку більше вкористовують чани відкріпого типу бо випарні апарати кульковидної форми з мішалками (див. рис.1.2, а), нижня сфера машини має парову сорочку, а верхня - при завантаженях подається на тросах через спеціальні блоки.

У довготрубному однопрохідному апараті (див. рис. 1.2, г) розчин йде знизу до кип'ятильних трубок та випарюється в тонкому шарі, рухаючись доверху по внутрішній поверхні трубок. Апарат з більш досконалою організацією (див. рис. 1.2, д) можна використати для розчинів, що кристалізуються в якості особливостей машини можна відзначити високий рівень розчину, підвищені швидкості циркуляції; більше занурення поверхні наявність над нею гідродинамічного стабілізатора з концентричних елементів, що не обігріваються. Стабілізатор апарату забезпечує новий поток у вертикальному напрямі та зменшує втрати енергії на перемінення розчину. Завдяки цьому покращується використання напору для сі потрібної швидкості циркуляції.

Один з апаратів для періодичного випарювання розчинів, представлений нарис. 1.2, є. Він характеризується наявністю гріючої камери, значним об'ємом над поверхнею нагрівання. Рух пари в, апараті здійснюється всередині центральної циркуляційної труби та в просторі між камерою та стінками корпусу. Після обробки маса випускається через шибер. Апарати такого типу можуть мати додаткову поверхню нагрівання, яка розташовується під основною підвісною камерою та виконується у вигляді горизонтальних змійовиків чи парової і на конічному днищі апарату. Крім того, для полегшення циркуляції пари по центральній пропускній трубі передбачають осьовий пропелерний насос.

Таблиця1.1 Класифікація основних різновидів випарних апаратів

№ п/п	Класифікаційні ознаки	№ п/п	Випарний апарат
1	2	3	4
1	Кількість робочих корпусів	1.1	однокорпусні
		1.2	багатокорпусні
2	Схема руху технологічних середовищ	2.1	з прямотечійною схемою
		2.2	з протитечійною схемою
		2.3	з паралельною схемою
3	Безперервність технологічного циклу	3.1	періодичної дії
		3.2	безперервної дії
4	Тип теплового насосу	4.1	з поршневим компресором
		4.2	з турбокомпресором
		4.3	з пароструменевим інжектором
5	Кратність циркуляції технологічного середовища	5.1	однопрохідний
		5.2	багатопрохідний
	Режим циркуляції технологічного середовища	6.1	з організованою природною циркуляцією
6
		6.2	з неорганізованою природною циркуляцією
7	Тип поверхні нагрівання	7.1	із сорочковим теплообмінни
		7.2	із змійовиковим теплообмінником
		7.3	з трубчатим теплообмінником
		7.4	з пластинчатим теплообмінником
		7.5	з ребристим теплообмінником
8	Розташування поверхні нагрівання	8.1	з вертикальним розташуваням
		8.2	з горизонтальним розташуванням
		8.3	з похилим розташуванням
		8.4	з виносним положенням поверхні нагрівання
9	Рухомість поверхні нагрівання	9.19.2	з нерухомою поверхнею нагрівання
			з поверхнею нагрівання, що обертається

РОЗДІЛ 2. АНАЛІЗ КОНСТРУКЦІЇ БАГАТОКОРПУСНИХ ВИПАРНИХ УСТАНОВОК

2.1 Плівкові вакуум-випарні установки

Найчастіше в молочній промисловості використовуються вакуум-випарні установки з падаючою плівкою. Такі установки характеризуються високими коефіцієнтами теплопередачі, встановленими часом перебування продукту в установці. Характерною конструктивною особливістю є розміщення сепаратора нижче трубчастих калоризаторів, труби яких розміщені вертикально.

Продукт в установку надходить при температурі кипіння, або при температурі на декілька градусів вищій за температуру кипіння і рівномірно розподіляється по трубах. Внаслідок кипіння вторинна пара, що виділяється, в значній кількості притискає продукт до внутрішньої поверхні труби і він стікає тонкою плівкою. В центрі труби, внаслідок того, що вакуум зростає в процесі руху продукту, пара також рухається разом з продуктом. Суміш продукту і вторинної пари через тангенціально розміщений патрубок надходить в сепаратор. Тут відбувається відділення крапель продукту від вторинної пари.

На рис.2.1 зображено двокорпусний пристрій плівкового типу фірми б-Laval з термокомпресором. Установка складається з підігрівачів 1 і 2, калоризаторів 3 і 5, сепараторів 4 і 6, термокомпресора 7, конденсатора 8.

Молоко надходить в підігрівач 1, де нагрівається до температури 4 ⁰С вторинною парою із сепаратора другого корпусу і далі в підігрівач 2, після якого температура становить 75 °С. Потому молоко надходить в калоризатор (випарник) 3, в якому кипить при 70 °С. Молоко тонкою плівкою стікає внутрішньою поверхнею труби, вода випаровується і молоко концентрується.

Нагрівання молока здійснюється нагрівальною парою, що надходить а термокомпресора 7. При подальшому випаровуваній па другому ступені концентрат від пари видділяється сепараторі 6. Нагрівальним агентом в другому ступені є вторинна пара із сепаратора першого ступеня. Температура кипіння на другому ступені становить 50 °С.

При двоступеневому нагріві завдяки термокомпресії на 1 кг випареної вологи витрачається 0,45 кг гострої пари.

Рис. 2.1. Двокорпусна установка фірми б-Laval :

1,2 -- підігрівачі; 3, 5 -- калоризатори; 4, 6 -- сепаратор; 7 -- термокомпресор; 8 -- конденсатор.

2.2 Двохкорпусна випарна установка «Віганд»

Установка «Віганд» (рис. 2.2) прямотечійна двокорпусна, циркуляційного типу використовується для згущення незбираного молока, перегону і сироватки. До складу установки входять два калоризатори 1, два сепаратори 2, інжектор 3, пароежекторний блок, який має одноступеневий 5 і двоступеневі 6 ежектори, відцентрові насоси 7, 8, регенеративні підігрівачі 9, 10, 11 регенеративні підігрівачі; і високотемпературний підігрівач 12.

Рис.2.2. Вакуум-випарний пристрій «Віганд»:

1 -- калоризатор; 2 -- сепаратор; 3 -- інжектор; 4 -- конденсатор; 5 -- одноступеневий ежектор; 6 -- двоступеневий ежектор; 7, 8 -- відцентрові насоси; 9, 10, 11 -- регенеративні підігрівачі; 12 -- високотемпературний підігрівач.

Нагрівальні камери (калоризатори) випарних апаратів діаметром 1200 мм і загальною висотою 2520 мм мають 419 нагрівальних трубок діаметром 38 мм і товщиною стінки 1,5 мм, увальцьованих в трубні ґратки. Сепаратор (паровідділювач) працює за принципом відцентрового розділення пари і рідини.

Парорідинна суміш з великою швидкістю виходить із калоризатора через трубу, з'єднану з паровідділювачем по дотичній. Рідина відкидається до стінок, ударяється у відбійник і стікає в циркуляційну трубу, яка йде до калоризатора, а також в трубу для випуску згущеного молока із ступеня. Пара рухається до центру, змінюючи декілька разів напрямок, що сприяє відділенню крапель продукту. Вторинна пара із першого корпусу надходить як нагрівальна в другий корпус, частина в підігрівач 12, а реінта через інжектор 3 надходить як нагрівальна в перший корпус. Трубчасті підігрівачі служать для підігріву молока до температури випарювання за рахунок теплоти вторинної пари. Поверхневий конденсатор має 216 трубок діаметром 18 мм з товщиною стінки 1 мм і довжиною 3560 мм.

Відведення повітря, що надходить в систему, здійснюється із конденсатора 4 за допомогою двоступеневого пароежекторного блоку і пускового пароструминного ежектора 5.

При оснащенні двокорпусного вакуум-випарного пристрою інжектором приблизно на 40 % зменшуються витрати робочої пари, а також витрати охолоджувальної води.

Недоліком установки є швидке забруднення підігрівача останнього ступеня пригаром, відтак для безперебійної експлуатації доцільно встановити два підігрівачі.

2.3 Трикорпусна вакуум-випарна установка

Трикорпусна вакуум-випарна установка з компресором наведена на рис.2.3.

Установка включає інжектор 1, вакуум-насос 2, компресор З, підігрівачі 4 і 5 і три ступені випарювання -- І, II, III.

Молоко, підігріте в підігрівачах 4 і 5, додатково проходить через нагрівальну камеру калоризатора І ступеня й надходить в калоризатор при температурі більшій, ніж температура кипіння. В підігрівачі 4 нагрівальним агентом є концетрат, який одночасно охолоджусться, а в підігрівачі 5 використовується тепло конденсату нагрівальної пари III ступеня. В сепараторі ПІ ступеня в верхній частині передбачено відведення газів і повітря. Для створення вакууму в момент пуску установки никорис'гопусться ежектор 1, вакуум-насос 2.

Рис. 2.3. Трикорпусна вакуум-випарна установка з компресором.

І, II, III -- відповідні ступені пристрою; -- інжектор; 2 -- вакуум-насос; 3 -- компресор; 4, 5 -- підігрівачі.

2.4 Триступенева плівкова вакуум-випарна установка з пластинчастими калоризаторами

Рис. 2.4. Схема трикорпусної плівкової вакуум-випарної установки:

1 -- водовідділювач; 2 -- паророзподільник; З -- вентиль для холодної води; 4,6,7 -- ежектори; 5 -- проміжний трубчастий конденсатор; 8 -- конденсатор змішування; 9, 23 -- підпірна (дросельна) шайба; 10 -- підігрівач II ступеня; 11 -- підігрівач І ступеня; 12 -- сепаратор (паровідділю-вач) третього корпуса; 13 -- форсунки; 14 -- калоризатор третього корпуса; 15 -- підпірна шайба на повітровідділювачі; 16 -- повітровідділювач; 17 -- підігрівач III ступеня; 18 -- сепаратор (паровідділювач) другого корпуса; 19 -- калоризатор другого корпуса; 20, 21 -- інжектори; 22 -- калоризатор першого корпуса; 24 -- сепаратор (паровідділювач) першого корпуса; 25, 26, 29, 31 -- насоси для молока; 27 -- підпірна шайба на нагнітальній лінії насоса; 28 - насос для відводу конденсату; 30 -- лічильник для молока; 32 --- молокоочищувач; 33 -- вакуум-насос.

В плівковій трикорпусній вакуум-випарній установці типу «Віганд» продуктивністю 5500 кг/год випареної вилоги при роботі на незбираному молоці (рис.2.4.) встановлено три підігрівачі 10, 11, 17 для підігріву молока. Підігрівач 11 двосекційний. В першу секцію як теплоносій подають вторинну пару із сепаратора 12 третього корпусу, а в другу секцію -- вторинну пару із паровідділювача 18 другого корпусу. Молоко, підігріте приблизно до 54 °С, через молокоочищувач подається в двосекційний підігрівач II ступеня 10. В першій його секції молоко нагрівається вторинною парою, що надходить із сепаратора третього корпусу 24 (75°С) і парою із термокомпресора20 (95 °С). Молоко, підігріте приблизно до 80 °С, подається в калоризатор 22 І ступеня. Із паровідділювача 24 молоко надходить в колоризатор 19, де як нагрівальний агент використовується вторинна пара із першого корпуса, а звідси в калоризатор 141 ступеня. Із калоризатора 19 молоко надходить в сепаратор 18 і насосом 26 нагнітається в підігрівач 17, в який надходить вторинна пара, утворена в сепараторі 24.

Після підігрівача 17 молоко переходить спочатку в колоризатор М, а потому в сепаратор 12.

Вторинна пара, утворена в процесі згущення продукту, використовується як гріюча. Невелика частина вторинної пари надходить в конденсатор змішування 8. Суміш охолоджувальної води і конденсату відводиться вауумним насосом 33.

Кількаразово в установці використовується тепло конденсату. Конденсат із калоризатори 22 надходить в калоризатор 19, а з нього в калоризатор 14. Конденсат із теплообмінних установок відводиться через підпірні шайби, що виконують роль конденсатовідвідників.

Повітря і несконденсовані гази відсмоктуються із верхньої частини конденсатора ежектором 6, із якого надходить пароповітряна суміш в проміжний конденсатор 5. З останнього залишки повітря відсмоктуються ежектором 4 і викидаються назовні.

Ежектор 7 є пусковим. Після запуску установки ежектор відключають.

Недоліком пристрою є складність очистки теплообмінних поверхонь.

2.5 Триступенева вакуум-випарна установка

Рис.5. Триступенева вакуум-випарна установка продуктивністю 1900 кг випареної вологи за годину:

1 - трубопровід подачі розчину; 2 - регулятор подачі розчину; З - випарний апарат І ступеня; 4 - трубопровід для пари; 5 - трубопровід для конденсату; б - трубопровід; 7 - сепаратор І ступеня; 8, 9 - трубопроводи для розчину; 10 - трубопровід для сокової пари; 11 - випарний апарат II ступеня; 12 - сокопровід; 13 - сепаратор II ступеня; 14, 15 - трубопроводи для розчину; 16 трубопровід для сокової пари; 17 - випарний апарат III ступеня; 18 - трубопровід; 19 ~ термокомпресор; 20 - сепаратор III ступеня; 21 - сокопровід; 22 поверхневий конденсатор; 23 - трубопровід охолоджуючої води; 24 - трубопровід теплої води, що відводиться; 25 - трубопровід для розчину; 26 -трубопровід для конденсату; 27 - вакуум-насос; 28 - електродвигун; 29, ЗО - трубопроводи; 31, 32, 33 - дросельні клапани; 34 - термокомпресор; 35 -пропускна шайба; 36 - висмоктуючий насос; 37 - поверхневий конденсатор; 38 - пароструменевий насос

Паралельна подача технологічних середовищ до багатокорпусного апарату див. рис.2.5 дає можливість здійснювати обробку різних систем в одній установці. При цьому кожний апарат являє собою самостійну однокорпусну установку для реалізації певного технологічного режиму, що дає змогу підбирати оптимальні технологічні умови однокорпусного випарювання для конкретної системи. Крім того, подібна схема дає можливість раціоі використовувати теплоту вторинної пари, передбачити один загальний для всіх корпусів конденсаційний пристрій. Проте схема випаровування з паралельною подачею різних систем в корпусах апарату використовується при продуктивностях машини та невеликих кількостях рідин, що випаровуються.

РОЗДІЛ 3. МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ БАГАТОКОРПУСНИХ ВИПАРНИХ УСТАНОВОК

Параметрами, що характеризують роботу вакуум-випарної установки, і за якими можна оцінювати переваги конструкції і ефективність використання можуть бути:

¦ б_н -- коефіцієнт випаровування -- відношення кількості теплоти, що віддає 1 кг нагрівальної пари, до кількості теплоти затраченої па утворення 1 кг вторинної пари

б_н (3.1)

r_г -- питома теплота пароутворення нагрівальної пари, кДж/кг;

r_в -- питома теплота пароутворення вторинної пари, кДж/кг.

I -- інтенсивність процесу випаровування -- це кількість води, що випаровується з 1 м² поверхні нагріву за 1 год.

(3.2)

W -- кількість випареної вологи, кг;

F -- площа поверхні нагріву, м².

¦ в -- коефіцієнт самовипаровування -- це кількість вторинної пари, утвореної з 1 кг продукту, в результаті різниці між температурою, з котрою продукт надходить в апарат, і температурою кипіння продукту

(3.3)

с₁, с₂ -- відповідно питома теплоємність продукту на вході і виході з установки, кДж(кг?К);

t₁,t₂ -- початкова і кінцева температура продукту, °С;

h₂ -- ентальпія вторинної пари, кДж/кг;

¦ d_г -- витрати гострої пари на 1 кг випареної вологи

(3.4)

D_г -- витрата гострої пари кг/год.

с -- питомі витрати води в конденсаторі на конденсацію вториної пари,

с = (3.5)

де т -- маса води, що надходить в конденсатор за одиницю час} кг/год.

¦ q -- теплове навантаження вакуум-апарата -- це кількість теплоти, що підводиться на 1 м² площі за одиницю часу.

Q -- кількість теплоти, що підводиться з нагрівальною парою за одиницю часу, Дж/год.

У вакуум-випарних апаратах відбуваються масообмінні і теплові процеси, тому в інженерній практиці необхідно здійснити матеріальний і тепловий розрахунок апаратів.

Рівняння матеріального балансу при випарюванні має наступний вигляд:

G_n ? S_n = (G_п - W)S_r = G_г ? S_г, (3.6)

G_п, G_г -- кількість початкового і готового продукту, кг;

W -- кількість вологи, що необхідно випарувати, кг;

S_n S_г -- масова частка сухих речовин в початковому і готовому продукті, кг/кг.

Кількість випареної вологи:

(3.7)

Концентрацію сухих речовин в готовому продукті розраховують за формулою:

(3.8)

Для багатокорпусної випарної установки загальна кількість випареної вологи:

W= W₁ + W_{2 + ……}W_n (3.9)

W₁,W₂, W_п і т.д. -- кількість вологи, випареної у відповідному корпусі.

Кінцева концентрація розчину S_к в будь-якому і-тому корпусі установки

(3.10)

Рівняння теплового балансу випарювання для однокорпусного випарного пристрою має вигляд:

D?h₁ + (G_n ? c₁ ? t₁ = W ? h₂ + (G_n - W) t₂ ? c₂ + D ? c_конд ?t_конд

D -- кількість нагрівальної пари, кг;

h₁, h₂ -- ентальпія нагрівальної і вторинної пари, Дж/кг;

с_х, с₂ -- питома теплоємність продукту на вході і на виході установки, Дж/кгК;

c₁, c₂ -- початкова і кінцева температура продукту, °С;

c_конд -- теплоємність конденсату, Дж/кгК;

t_конд -- температура конденсату, °С.

Витрати нагрівальної пари:

(3.11)

з -- коефіцієнт, що враховує втрати з = 0,97 + 0,98.

Кількість вторинної пари, утвореної в результаті самовипарову-иання:

Тепловий баланс багатокорпусного випарного пристрою можна шписати таким рівнянням:

D?h_1n + (G_n - W₁-W₂-…..W_n-1) t_n-1 ? c_n-1 =W_n D ? h_2n +((G_n - W₁ - W₂ -…..W_n) ? t_n? c_n +D_n ? h_к.п (3.12)

D_п -- кількість нагрівальної пари, що поступає в даний корпус, кг;

t_п-1 - тeмпeратура продукту, що надходить н даний корпус, ⁰С;

h_1n - ентальпія нагрівальної пaри и даному корпусі, Дж/кг;

h_п, h_к.п -- ентальпія вторинної пари, котру одержують в даному корпусі, і конденсату в калоризаторі даного корпусу, Дж/кг;

t_п -- температура кипінші продукту в даному корпусі, °С;

c_n-1, c_n -- питома теплоємність продукту, що надходить в даний корпус і виходить з нього, Дж/(кг ? К).

Для однокорпусного випарного пристрою з термокрмпресією пари витрати робочої пари 2) визначаються за формулою:

(3.14)

v -- коефіцієнт інжекції

D_в -- кількість вторинної пари, яку засмоктує інжектор, кг/с.

Коефіцієнт інжекції визначається за допомогою Н-s діаграми з рівняння:

v=ц₁? ц₂? ц₃?(3.15)

ц₁, ц₂, ц₃ -- відповідно коефіцієнти, що враховують втрати швидкості пари від тертя і ударів у соплі, розширення в камері змішування і в камері стискання (ц₁= 0,9, ц₂ = 0,91, ц₃ = 0,95);

h'_a -- теоретичний теплоперепад (в кДж/кг) при адіабатному розширенні гострої пари від тиску гострої пари Р₁ до тиску вторинної пари Р₂ (знаходиться за Нs діаграмою);

h_a" -- теоретичний теплоперепад (в кДж/кг) при адіабатному стисненні змішаної пари від тиску Р₂ до тиску нагрівальної пари Р_л (знаходиться за Нs діаграмою);

Конструктивний розрахунок вакуум-випарного апарату передбачає визначення площі поверхні нагріву, основних розмірів калоризатора і сепаратора.

Площу поверхні теплообміну молена визначити із рівняння

Q=(W-W_c)r_B =k ?F ? Дt_к , (3.16)

r_в -- питома теплота пароутворення вторинної пари Дж/кг;

k -- середній коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²?К);

Дt_к -- корисна різниця температур, що являє собою різницю між температурами нагрівальної пари t_п і кипіння t₂.

Якщо температура продукту і температура кипіння збігаються, то W_c= 0.

Якщо продукт надходить при температурі, нижчій від тeмпeратури кипіння, то

Q=W_r ?r_B+G_n ? (t₂ - t₁)= k?F ? Дt_к (3.17)

(3.18)

Корисна різниця температур завжди менша від загальної різниці Дt_заг (⁰С). Перевищення загальної різниці температури над корисною южна пояснити температурними витратами

?Д=Дt_заг - Дt_к (3.19)

?Д -- температурні втрати.

Температурні втрати обумовлені температурною депресією, тобто (зниженням пружності парів води в результаті зміни концентрації озчину, підвищенням температури кипіння продукту в результаті дростатичного тиску і пониженням температури вторинної пари в аропроводах між корпусами. Сумарні температурні втрати можуть сладати від 2,7 до 3,5 °С.

Коефіцієнт теплопередачі можна визначити за формулою:

(3.20)

б₁, б₂ -- коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки і від стінки і рідини, Вт/м²К;

д_c, д_H -- товщина стінки труби і накипу на трубах, м;

л_c, л_H -- теплопровідність металу трубок і накипу, Вт/мК.

Величина б₁ залежить від режиму конденсації і руху плівки. У Buпадку плівкової конденсації нари на поверхні і ламінарного режиyт руху плівки

(3.21)

H -- висота трубок, м;

Дt -- різниця між температурами пари і стінки;

(3.22)

r -- прихована теплота пароутворення, Дж/кг;

с_к -- густина конденсату, кг/м²;

л -- коефіцієнт теплопровідності конденсату, Вт/м-К;

м_к -- коефіцієнт динамічної в'язкості, Па ? с.

Під час турбулентного руху плівки

(3.23)

Режим витікання плівки конденсату на поверхні вертикальної труби визначають за критерієм Рейнольдса

Re= (3.24)

w_к -- середня мипідкісті, витікання конденсату, м/с;

д_к --товщина нліккп конденсату, м;

н_к -- коефіціент кінематичної в'язкості конденсату м²/с. '

Середню швидкість руху конденсату визначають за формулою

, (3.25)

D₂ -- кількість конденсату (відповідає кількості нагрівальної пари), кг/с,

п -- кількість трубок в калоризаторі;

d -- діаметр трубок, м.

Встановлено, що нри Rе < 180 плівка має ламінарний режим руху, а нри Rе > 180 -- турбулентний.

Для визначення б₂ можна використовувати формулу Кутателадзе для калоризаторів циркуляційних вакуум-випарних апаратів:

(3.26)

с_п -- густина вторинної пари, кг/м³;

у -- поверхневий натяг, Н/м;

а -- коефіцієнт температуропровідності м²/с;

р -- абсолютний тиск над поверхнею нагріву, Па;

q-- теплове навантаження, Вт/(м² ? год).

Для визначення б₂ в калоризаторах плівкових вакуум-випарних апаратів можна використати наступну залежність:

(3.27)

р_к -- тиск, при якому відбувається кипіння продукту, Па.

G_о-- густина зрошення, кількість продукту, що надходить на одиницю площі, кг/(м² ? год).

Формула справедлива при G₀ = 200 ? 600 кг/м²год;

р_к = (0,1 ? 4) ? 10⁴ Па і при q = 4600 ? 26600 Вт/м²год.

Визначивши площу поверхні теплообміну, можна визначити всі інші параметри калоризатора.

При розрахунку б₂ для пластинчастих калоризаторів можна використати формулу:

(3.28)

р_к -- тиск, ири якому відбувається кипіння продукту, Па.

Інтенсивність теплообміну залежить від багатьох факторів і для суум-випарних установок не є постійною. З підвищенням концентрації продукту підвищується його теплопровідність, в'язкість та інші параметри, що призводить до зниження коефіцієнту б₂. Особливо це сутєво для вакуум-випарних пристроїв періодичної дії, коли кінематична в'язкість м змінюється, а це відповідно впливає на інтенсивність циркуляції і коефіцієнт теплопровідності. В процесі роботи установок відбувається забруднення поверхонь теплообміну, що також наводить до зменшення коефіцієнту теплопередачі.

Інтенсивність теплообміну зменшується при наявності повітря агрівальній парі. Бульбашки повітря осідають на трубах, знижують коефіцієнт теплопередачі в 2 ? 3 рази.

Важливим чинником при роботі вакуум-випарних установок є віділення крапель продукту від вторинної пари. Вторинна пара виристовується як нагрівальна в наступних корпусах установки або надходить в конденсатор. Краплі продукту, що надходять із вторинною парою, можуть утворювати пригар.

У вакуум-вапарних установках устаткування для відділення крапель продукту -- сепаратори -- встановлені окремо від калоризаторів (випарників), хоча розділення може відбуватись і в просторі над трубною граткою, і в багатьох конструкціях вакуум-випарних установок невеликої продуктивності вони суміщені.

Для розділення крапель продукту і пари необхідно, щоб швидкість витання частинок продукту була більша, ніж швидкість пари. Інакше пара буде забирати частинки продукту.

Швидкість витання крапель продукту визначають за формулою:

(3.29)

d_K--діаметр крапель, м;

с_1, с₂ -- густина продукту і пари, кг/м³.

ц ? коефіцієнт опору (при Rе < 500 , при Ке > 500 .

Значення критерію Рейнольдса розраховуємо за формулою:

(3.30)

н_п - швидкість руху пари, м/с;

v_п - кінематична в'язкість пари, м²/с.

Швидкість руху пари н_п в паровому просторі можна визначити формулою

(3.31)

V -- кількість пари;

d_с -- діаметр сепаратора.

При продуктивності вакуум-випарної установки V/ кг/год вторинної пари (випареної вологи) час її перебування в паровому просторі сепаратора:

(3.32)

V_с - об'єм парового простору сепаратора, м³;

V_в.п -- питомий об'єм вторинної пари, м³/кг.

Об'єм парового простору сепаратора визначається за формулою:

(3.33)

V_о -- об'єм вторинної пари, м³;

V_н -- напруженість парового простору, м³/(м^{3 ?} год) (V_н = 1000 ?1600 м³/(м^3? год).

Діаметр сепаратора знаходять із рівняння:

(3.34)

Н -- висота випарного простору, м.

Висоту випарного простору необхідно приймати з урахуванням висоти підкидання крапель, що складає 0,3 + 0,8 м, в окремих випадках краплі піднімаються на висоту 1,5 м.

Размещено на Allbest.ru