Порядок выполнения работы. Цель работы: изучить устройство и принцип действия выпарных аппаратов различных конструкций

Лабораторная работа № 9

УСТРОЙСТВО ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

Цель работы: изучить устройство и принцип действия выпарных аппаратов различных конструкций.

Порядок выполнения работы

1. Изучить устройство трубчатых и пленочных выпарных аппаратов.

2. Ознакомиться с принципом действия выпарных аппаратов различной конструкции.

3. Составить отчет.

Наибольшее распространение в пищевых производствах получили трубчатые выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией с площадью поверхности нагрева 10 – 1800 м². Кроме перечисленных применяются различные конструкции пленочных выпарных аппаратов.

При выборе конструкции выпарного аппарата учитываются теплофизические свойства раствора, склонность к кристаллизации чувствительность к высоким температурам, полезная разность температур в каждом корпусе, площадь поверхности теплообменника, технологические особенности.

Выпарные аппараты изготавливаются из углеродистой, коррозиестойкой и двухслойной стали.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией просты по конструкции и применяются для выпаривания растворов с высокой вязкостью, не склонных к кристаллизации. Эти аппараты бывают с соосной и вынесенной греющими камерами (рис. 88).

Рис. 88. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора: а – с соосной греющей камерой; б – с вынесенной греющей камерой. 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – циркуляционная труба

Выпарной аппарат состоит из сепаратора, греющей камеры и циркуляционной трубы. Сепаратор представляет собой цилиндрическую емкость с эллиптической крышкой, присоединенную болтами к греющей камере. В нем для отделения капелек жидкости от вторичного пара устанавливают отбойники различной конструкции. Греющая камера выполнена в виде вертикального кожухотрубчатого теплообменника, в межтрубчатое пространство которого поступает греющий пар, а в греющих трубках кипит раствор. Нижние части сепаратора и греющей камеры соединены циркуляционной трубой.

Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной и кипятильных труб. Если жидкость в последних нагрета до кипения, то в результате выпаривания ее части там образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, вес столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в кипятильных, вследствие чего происходит циркуляция кипящей жидкости по системе кипятильные трубы – паровое пространство – циркуляционная труба – кипятильные трубы и т. д. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и снижается образование накипи на поверхности труб.

Для естественной циркуляции требуется выполнение двух условий: 1) достаточной высоты уровня жидкости в циркуляционной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси и создать необходимую скорость; 2) достаточной интенсивности парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела возможно малую плотность.

Представленные на рис. 88 аппараты выгодно отличаются от устаревших конструкций с обогреваемой центральной циркуляционной трубой, наличие которой приводило к снижению интенсивности циркуляции. Парообразование в кипятильных трубах определяется физическими свойствами раствора (главным образом вязкостью) и разностью температур между стенкой трубы и жидкостью. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и больше скорость циркуляции. Для создания интенсивной циркуляции разность температур между греющим паром и раствором должна быть не ниже 10 °С.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора позволяют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопередачи (рис. 89). Циркуляция жидкости в них осуществляется пропеллерным или центробежным насосом. Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система почти заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается лишь на преодоление гидравлических сопротивлений.

Давление в кипятильных трубах внизу больше, чем вверху на сумму величин давления столба жидкости в трубах и их гидравлического сопротивления. Ввиду этого на большей части высоты кипятильных труб жидкость не кипит, а подогревается. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды, поэтому отношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси, выходящей из кипятильных труб, очень велико.

Рис. 89. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора: а – с соосной греющей камерой; б – с вынесенной греющей камерой. 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – циркуляционная труба; 4 – насос

Скорость циркуляции жидкости в кипятильных трубах принимают равной 1,5 – 3,5 м/с, она определяется производительностью циркуляционного насоса, поэтому аппараты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур между греющим паром и раствором (до 3 – 5 °С) и при выпаривании растворов с большой вязкостью.

Достоинства аппаратов с принудительной циркуляцией – высокие коэффициенты теплопередачи (в 3 – 4 раза больше, чем при естественной), а, следовательно, значительно меньшие площади поверхности теплопередачи, а также отсутствие загрязнений поверхности теплопередачи при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при небольших разностях температур. Недостаток – затраты энергии на работу насоса. Применение принудительной циркуляции целесообразно при изготовлении аппарата из дорогого металла для выпаривания кристаллизующихся и вязких растворов.

Пленочные выпарные аппараты применяются для концентрирования растворов, чувствительных к высоким температурам. При необходимом времени пребывания в зоне высоких температур раствор не успевает перегреться и его качество не снижается. Выпаривание в пленочных аппаратах происходит за один проход раствора через трубы.

Пленочные аппараты бывают с восходящей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой и падающей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой.

Пленочные аппараты, как и описанные выше, состоят из греющей камеры и сепаратора. В камере расположены трубы длиной от 5 до 9 м, которые обогреваются паром.

В пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой и соосной греющей камерой (рис. 90, а) исходный раствор подается снизу. Причем уровень жидкости в трубах поддерживается в пределах 20 – 25 %высоты труб. Остальную часть труб занимает парожидкостная смесь. Раствор в виде пленки находится на поверхности труб, а пар движется по оси трубы с большой скоростью, увлекая за собой пленку. При движении пара и пленки жидкости за счет трения происходят турбулизация пленки и интенсивное обновление поверхности. В результате достигаются высокие коэффициенты теплопередачи и большая площадь поверхности испарения.

В аппарате с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой (рис. 90, б) исходный раствор поступает сверху в, камеру, а концентрированный выводится из нижней части сепаратора.

Рис. 90. Пленочные выпарные аппараты: а – с восходящей пленкой и соосной греющей камерой; б – спадающей пленкой и вынесенной греющей камерой. 1 – сепаратор; 2 – греющая камера

Недостатком пленочных аппаратов является неустойчивость работы при колебаниях давления греющего пара. При нарушении режима работы их можно перевести на работу с циркуляцией раствора.

Роторно-пленочный выпарной аппарат применяется для концентрирования пищевых растворов, а также суспензий. Он представляет собой цилиндрический или конический корпус с обогреваемой рубашкой (рис. 91), внутри которого вращается ротор, распределяющий раствор по цилиндрической поверхности корпуса в виде пленки, а иногда – в виде струй и капель. Роторно-пленочные аппараты выполнены, как правило, из стали (нержавеющей Х18Н10Т и углеродистой). Их высота достигает 12,5 м при диаметре 1,0 м, площадь поверхности теплообмена – от 0,8 до 16 м².

Рис. 91. Роторно-пленочный выпарной аппарат: 1 – привод; 2 – уплотнение; 3 – ротор; 4 – флажок; 5 – корпус; 6– рубашка

Роторно-пленочные аппараты бывают с жестким или размазывающим ротором. Жесткий ротор изготавливается пустотелым с лопастями. Зазор между лопастью и стенкой аппарата составляет от 0,4 до 1,5 мм. Исходный продукт подается в верхнюю часть и лопастями распределяется по цилиндрической стенке в виде пленки. Окружная скорость лопастей достигает 12 м/с. При работе под вакуумом (при давлении до 100 Па) вал ротора уплотняется специальным торцевым уплотнением. Нижний подшипник смазывается перерабатываемым материалом. Принципиальное отличие испарителя от размазывающего ротора заключается в применении ротора с шарнирно закрепленными на валу флажками. При вращении ротора флажки прижимаются центробежной силой к внутренней поверхности корпуса и размазывают по ней продукт в виде пленки. Такие аппараты применяются для проведения совмещенного процесса концентрирования и сушки. Их диаметр достигает 1 м, площадь – от 0,8 до 12,0 м², окружная скорость вращения ротора с флажками – 5 м/с.

Конструкция аппаратов позволяет благодаря осевому перемещению ротора регулировать толщину пленки и тем самым скорость процесса.

Роторно-пленочные аппараты имеют более высокие коэффициенты теплопередачи, чем аппараты с падающей пленкой, они достигают 2300 – 2700 Вт/ (м²·К), в то время как в аппаратах с падающей пленкой – 1500 – 1600 Вт/(м²·К).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие конструкции выпарных установок применяются в промышленности?

2.Дайте технико-экономическую оценку работы выпарных аппаратов с естественной и принудительной циркуляцией раствора.