Выпарной аппарат с центральной трубой

Схема наиболее распространенного в сахарной промышленности выпарного аппарата с вертикальными кипятильными трубами и внутренней центральной циркуляционной трубой приведена на рис. 7.53.

Раствор подается в трубки, внутри которых кипит, выбрасывается над верхней трубной решеткой и, отделившись от вторичного пара, опускается по циркуляционной трубе ко входу в кипятильные трубки.

Сгущенный раствор отводится снизу аппарата. Для нагрева раствора в межтрубное пространство подается первичный греющий пар, который, отдавая теплоту, конденсируется и конденсат отводится снизу.

Вторичный пар отводится через ловушки, задерживающие брызги раствора. Вторичный пар переходит в конденсатор, охлаждается водой и конденсируется.

Рис. 7.53. Схема выпарного аппарата.

Несконденсированные газы, выделяемые из продукта, и воздух, попадающий в продукт через микрощели уплотнений аппарата, отводятся вакуум-насосом.

При выпаривании под вакуумом, применяют выпарные аппараты, которые называют вакуум-аппаратами. Они предназначены для уваривания растворов лабильных (неустойчивых) веществ. Выпаривание под вакуумом позволяет проводить процесс при более низких температурах и применяется для концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при высоких температурах.

Применение вакуума имеет и другое преимущество – возможность использования низкопотенциальных носителей, большой температурный напор.

Однако при выпаривании под вакуумом увеличиваются расходы на установку и эксплуатацию дополнительного оборудования (вакуум-насосы, конденсаторы).

В процессе кипения продукта и отвода образовавшихся вторичных паров он постепенно сгущается, т.е. концентрация в нем сухих веществ повышается.

Температура кипения зависит от давления, при котором осуществляется процесс выпаривания. Чем ниже давление, тем ниже температура кипения жидкого продукта. В современных вакуум-выпарных установках температура кипения колеблется от 20 до 85 ºC.

Вакуум в установке создается при превращении пара в воду за счет резкого уменьшения его объема.

Чтобы получить 1 кг воды при атмосферном давлении необходимо сконденсировать 1,7 м³ паров. При давлении равном половине атмосферного требуется сконденсировать 3,3 м³ паров. Это значит, что объем занимаемый паром, при его конденсации уменьшается соответственно в 1700 и в 3300 раз.

Классификация вакуум-выпарных установок осуществляется по следующим признакам:

- по ритму работы подразделяют на установки периодического и непрерывного действия;

- по принципу использования вторичных паров их подразделяют на установки с использованием и установки без использования вторичных паров. Их также подразделяют на одно- и многокорпусные установки;

- по типу поверхностей нагрева вакуум-выпарные установки подразделяют на установки с трубчатыми, пластинчатыми, змеевиковыми кипятильниками, а также двустенные, выполненные в виде паровой рубашки;

- по виду теплоносителя, применяемого для сгущения продукта, их делят на установки с нагревом водяным паром, жидкими теплоносителями и с электрообогревом;

- по давлению вторичного пара в последнем корпусе подразделяют на работающие под избыточным давлением и под разреженным;

- по движению теплоносителя: аппараты с подачей греющего пара в трубки и подачею пара в межтрубный простор;

- по движению кипящей жидкости на аппараты: с естественной и принудительной циркуляцией.

Наиболее простым по конструкции является выпарные аппараты двустенные (с паровой рубашкой).

Их используют в маломощных производствах преимущественно как аппараты периодического действия.

В кондитерской промышленности для уваривания начинок, а также конфетных, мармеладных и других кондитерских масс применяют вакуум-аппараты периодического действия.

Сферический вакуум-аппарат 31-А периодического действия емкостью 150 л (рис.7.54), представляет собой неопрокидывающийся двухтелый варочный котел, внутри которого смонтирована двухлопастная горизонтальная мешалка.

Медная чаша 1 помещена в стальную паровую рубашку 2, на которой с правой стороны находится пароподводящий патрубок с вентилем 16, нанометром 13 и предохранительным клапаном 14. С другой стороны паровой рубашки имеется воздушный кран 3 для продувки парового пространства и вентиль 19 для присоединения конденсатоотводчика.

Чаша котла закрыта медным колпаком 6, на котором смонтированы термометр 7, вакуумметр 11 и воздушный кран 20 с воронкой. Колпак заканчивается патрубком 10, внутри колпака имеется отбойник для предотвращения уноса массы в вакуум-линию.

К патрубку 10 накидной гайкой 8 крепится трубопровод 9, соединяющий вакуум-аппарат с конденсатором смешения мокровоздушного поршневого вакуум-насоса для создания и поддержания разрежения в вакуум-аппарате.

Загрузка вакуум-аппарата увариваемой рецептурной смесью производится через штуцер 5 путем засасывания смеси с помощью вакуум-насоса и гибкого шланга, один конец которого присоединяют к штуцеру 5, а с другой опускают в емкость со смесью. Разгрузка производится через нижний спускной штуцер с затвором 18, для взятия проб предусмотрен кран 12. Для наблюдения за процессом загрузки и уваривания предусмотрены 2 смотровых окна 21.

Рис. 7.54. Вакуум-аппарат 31-А периодического действия: 1 – медная чаша; 2 – стальная паровая рубашка; 3 - воздушный продувочный кран; 4- зубчатые колеса; 5- штуцер для загрузки; 6 – медный колпак; 7 – термометр; 8 - накидная гайка; 9 – трубопровод; 10 - патрубок; 11 – вакуумметр; 12 - кран для взятия проб; 13 – нанометр; 14- предохранительный клапан; 15 – электродвигатель; 16 – вентиль пароподводящего патрубка; 17 - мешалка18 – затвор; 19 – вентиль конденсатоотводчика; 20 – воздушный кран с воронкой; 21 – смотровое окно; 22- червячный редуктор.

Мешалка 17 приводится во вращение от электродвигателя 15 через червячный редуктор 22 и пару зубчатых колес 4.

Унифицированный змеевиковый вакуум-аппарат 33-А (рис.7.55), применяется в кондитерской промышленности для непрерывного уваривания карамельной массы. Он имеет нагревательную часть I и вакуум-выпарную камеру II. змеевиковая поверхность теплообмена части нагрева аппарата смонтирована внутри корпуса 1 с приваренным дном 8 и крышкой 2 и выполненная в виде двух змеевиков 3, расположенных один внутри второго и соединенных последовательно с помощью трубы 9. Через штуцер 4, расположенный в верхней части обечайки, подаётся греющий пар под давлением 0,7-0,8 МПа, а через штуцер 6 отводится конденсат. На крышке корпуса греющей части аппарата смонтирован манометр, предохранительный клапан и кран для выпуска воздуха, в днище – кран для продувки аппарата 5.

Рис.7.55 Змеевиковый выпарной вакуум-аппарат 33-А: 1 – корпус; 2 – крышка; 3 – змеевик; 4 – штуцер подачи греющего пара; 5- кран для продувки аппарата; 6 – штуцер для подачи сиропа; 7 – штуцер отвода конденсата; 9 – соединительная труба; 10 – загрузочный клапан; 11 – паровая рубашка; 12 – нижний сборник; 13 – клапан; 14 – окно для наблюдения; 15 - вакуум камера; 16 змеевик для обогрева; 17 – конический сборник; 18 –отбойник; 19 – патрубок отвода вторичного пара; 20 – сопло.

Карамельный сироп движется внутри змеевика снизу вверх и нагревается до кипения. Затем кипящая масса через сопло 20 подается в испарительную вакуум-камеру и собирается в коническом сборнике 17. Вторичный пар через патрубок 19 отводится через сепаратор-ловушку (на рисунке не показано) к конденсатору. Отбойник 18 препятствует выносу массы из вакуум-камеры. Если уваривание карамельной массы происходит непрерывно, то выгрузка аппарата осуществляется периодически. Для этого нижний сборник 12 соединяют с вакуумной линией, выравнивают давление в нижнем и верхнем сборниках. После этого клапан 13 открывают, и карамельная масса перетекает в нижний сборник. После полного опорожнения верхнего сборника клапан 13 закрывают, соединяют нижний сборник с атмосферой и открывают разгрузочный клапан 10. Дно конических сборников подогревается змеевиком 16 и рубашкой 11. За увариванием массы наблюдаем через смотровое окно 14.

Трубчатые выпарные аппараты с кожухотрубной камерой нагрева работают в пищевых производствах как аппараты периодического и непрерывного действия. Они могут быть циркуляционными, однопроходными и прямоточнопленочыми.

Унифицированые циркуляционные аппараты типа ПВВ, которые используют в сахарном производстве, имеют площадь поверхности нагревания 1000, 1100, 1500, 1800, 2120 и 2360 м². Аппарат ПВВ-2360 (рис.7.56) имеет стальной цилиндровый корпус 1, к которому крепится сферическая крышка 6 и дно 5.

Рис.7.56. Унифицированый циркуляционный аппарат ПВВ-2360: 1 – стальной цилиндрический корпус; 2 - обзорные окошки; 3 – кольца жесткости; 4 - опорные лапы; 5 – дно; 6 – сферическая крышка; 7 – вальцованные трубы; 8 - трубные решетки; 9 - циркуляционная труба; 10 - сепаратор; 11 - труба;12 – патрубок подвода греющего пара; 13 - патрубок для отвода конденсата;14 - патрубок для подачи сока; 15 - отбойный щиток; 16 - патрубок для отвода сока из аппарата; 17 – патрубок для отвода вторичного пара; 18 – патрубок для выхода воздуха; 19 – патрубок для отвода сока.

Паровая камера расположена в нижней части цилиндрического корпуса и ограниченна плоскими горизонтальными трубными решетками 8, приваренными к корпусу, имеет вальцованные трубы 7 диаметром 33 × 1,5 мм. В центре паровой камеры размещена циркуляционная труба 9. Патрубок 12, предназначен для подвода греющего пара, патрубок 13 для отвода конденсата.Аппарат оборудован указателем уровня конденсата.

Над паровой камерой размещена сепарирующая камера. Для обеспечения работы аппарата под давлением или при разжижении сепарирующая камера имеет кольца жесткости 3. В верхней части сепарирующей камеры закреплен сепаратор 10 для улучшения отделения капель сока и пены от вторичного пара, которые отводятся из сепаратора по трубе 11 в циркуляционную трубу. Для визуального наблюдения за уровнем сока в аппарате установлены обзорные окошки и наклонный патрубок с вмонтированной лампой для освещения сепарирующей камеры. Аппарат имеет сигнальные предохранительные клапаны на паровой и сепарирующей камерах, а также термометр и манометры для контроля за температурой и давлением в этих камерах.

Патрубок 14 предназначен для подачи сока в аппарат. На пути входа стоят отбойные щитки 15 для предотвращения смешивания соков, которые поступают и выходят из аппарата. С этой целью патрубок 19 отвода сока из аппарата входит верхним краем в циркуляционную трубу. Сок подается в аппарат по патрубкам 14 в подтрубное пространство. Циркуляция паросоковой смеси происходит благодаря разнице плотности паросоковой смеси в кипятильных трубках и сока в циркуляционной трубе. Патрубок 17 предназначен для выхода вторичного пара, 18 - для выхода воздуха, 16 - для слива сока при опорожнении аппарата.

Аппарат имеет лаз и опорные лапы 4. Для гашения пены предусмотрена масленка, которая соединена трубками с паровой и соковой камерами.

Существенным недостатком циркуляционных выпарных аппаратов является достаточно длительное время пребывание раствора (20-30 минут) в трубах камеры нагрева, что вызывает снижение качества концентрированного раствора, особенно при его высокой термочувствительности. Уменьшение времени пребывания раствора в трубах поверхности нагрева выпарного аппарата достигается при пленочном режиме течения и при однопроходных режимах выпаривания.

Для получения готового продукта высокого качества, сохранившего натуральный цвет, вкус, аромат и витамины, уваривание пищевых продуктов проводят в вакуум-выпарных установках.

Наиболее простой является однокорпусная вакуум-выпарная установка (рис.7.57), которая независимо от конструкции состоит из камеры 2, паропровода 3, конденсатора 4, вакуум-насоса 5 и каплеуловителя 6.

Однокорпусная вакуум-выпарная установка работает следующим образом.

Корпус аппарата заполняется увариваемой массой, уровень которой выше уровня паровой камеры на 150-200 мм. Увариваемая масса всасывается под действием разрежения внутри аппарата, установившегося при работе вакуум-насоса, из резервуара, установленного на некоторой высоте.

Увариваемая масса в нагревательной камере нагревается до температуры кипения и начинается выпаривание. Выделившиеся вторичные пары отводятся по паропроводу в конденсатор, в котором они конденсируются, отдавая тепло охлаждающей воде.

Рис.7.57. Схема однокорпусной выпарной установки: 1 – выпарная вакуум камера; 2 – нагревательная камера; 3 – паропровод; 4 – конденсатор; 5 – вакуум насос; 6 - каплеуловитель.

Воздух из конденсатора удаляется вакуум-насосом.

По окончанию уваривания концентрированная масса продукта выгружается из аппарата через разгрузочный штуцер, расположенный по оси днища аппарата.

Вакуум-выпарные аппараты с двустенной нагревательной камерой применяют для уваривания томатных продуктов, а также для варки повидла и джема рис. 7.58.

Рис. 7.58. Вакуум-аппарат с двустенной нагревательной камерой: 1 – стальной наружный корпус; 2 – внутренняя медная сферическая чаша; 3 – медный корпус; 4 – сухопарник; 5 – каплеуловитель; 6 – мешалка; 7 – патрубок для подвода пара; 8 – патрубок для отвода конденсата; 9 – разгрузочный патрубок.

Вакуум-аппарат имеет сферическую поверхность нагрева объемом 0,75 - 0,8 м³ лопастной мешалкой, приводимой в движение через червячный редуктор от электродвигателя.

В паровую рубашку подается пар давлением 0,3-0,4 МПа.

Для экономии расхода пара, воды и электроэнергии применяют многокорпусные выпарные установки, в которых легче осуществить непрерывный процесс выпаривания. Такие установки обычно состоят из отдельных корпусов – вакуум-аппаратов.

Количество корпусов в выпарной установке зависит от экономически выгодного перепада температур при теплообмене и свойств выпариваемого продукта.