Устройство и принцип работы вакуум-выпарных аппаратов

 

Наиболее простым является однокорпусной вакуум-выпарной аппарат. Он состоит из емкости 1 (цилиндрической или шаровидной формы), нагревательной камеры 2 (в зависимости от свойств выпариваемых продуктов используют трубчатые или двутельные нагревательные камеры), конденсатора 3 и вакуум-насоса 4. Конденсатор и вакуум-насос служат для создания первичного вакуума и поддержания его в процессе работы.

 

Рисунок 2 – Однокорпусной вакуум-выпарной аппарат.

Сырье загружают в емкость и включают вакуум-насос. При достижении требуемого давления в нагревательную камеру подают пар и в результате теплообмена, происходит нагрев продукта до температуры кипения, и испарение влаги. Образующийся вторичный пар непрерывно удаляется из емкости вакуум-насосом, предварительно проходя охлаждение и осушение в конденсаторе. Использование конденсатора обусловлено тем, что удельный объем вторичного пара низкого давления очень велик и для его удаления потребовался бы насос больших размеров. При достижении требуемой концентрации сухих веществ, согласно технологии производства, процесс выпаривания прекращают: отключат подачу пара, отключат вакуум-насос, выравнивают давление в емкости до атмосферного и производят выгрузку продукта.

В многокорпусных вакуум-выпарных аппаратах концентрация продукта осуществляется последовательно в нескольких емкостях. Работа происходит следующим образом. Продукт непрерывно подается в первый аппарат и последовательно проходит все аппараты. Процентное содержание сухих веществ в продукте для каждого аппарата имеет свое определенное постоянное значение и увеличивается от первого аппарата к последующему (n₁ > n₂ >…>n_i,%).

 

 

Рисунок 3 – Многокорпусные вакуум-выпарные аппараты.

 

Перемещение продукта из одного аппарата в другой осуществляется за счет разности давлений, то есть давление в последующем аппарате меньше давления в предыдущем (р₁ > р₂ > >p_i). Так как происходит уменьшение давления, следовательно, и температура кипения массы понижается от первого корпуса к последующему (t₁ > t₂ >…>t_i). Это позволяет использовать для нагрева продукта теплоноситель с более низкой температурой, а именно вторичный пар из предыдущего аппарата. Такая схема дает значительную экономию в расходе пара, так как он используется для нагрева продукта только в первом аппарате.

Как уже говорилось ранее, использование теплоносителя с низким температурным потенциалом снижает интенсивность испарения влаги, но при данной схеме работы температура массы продукта поступающей в последующий аппарат более высокая, чем температура кипения в нем, поэтому происходит бурное испарение влаги.

Удаление конденсата из нагревательной камеры первого аппарата происходит при помощи обычных конденсатоотводчиков, так как давление греющего пара больше атмосферного. В последующих аппаратах давление вторичного пара меньше атмосферного и отвод конденсата производят либо с помощью специальных конденсатоотводчиков, либо при помощи вакуум-насосов.

Увеличение числа корпусов уменьшает расход пара, однако экономия постепенно убывает, и при некотором числе корпусов она становится настолько мала, что не оправдывает расходов. Практическое применение нашли двух- и трехкорпусные установки.

 

Тепловые насосы.

 

При концентрации продуктов в однокорпусных вакуум-выпарных аппаратах расходуется большое количество пара (1,2-1,3 кг/кг выпаренной воды), при этом около 75% затраченной тепловой энергии содержится во вторичном паре и выбрасывается в атмосферу. Однако использование вторичного пара ограничивается его низкой температурой и как правило не превышает 50-60⁰С.

Для возможности использования вторичного пара при нагреве продукта в однокорпусных аппаратах необходимо чтобы его температура была выше температуры кипения минимум на 8-12⁰С. Это достигается путем сжатия вторичного пара в результате чего давление и температура повышаются.

Устройства, служащие для сжатия вторичного пара, называются тепловыми насосами. В этом качестве чаще всего выступают пароструйные инжекторы, реже холодильные компрессоры и турбокомпрессоры.

Пароструйный инжектор состоит из головки 1 соединенной трубопроводом с вакуум-выпарным аппаратом. В головке установлено сопло расширения 2 (сопло Лаваля), через которое подается острый пар под давлением 8-11 ата в камеру смешения 3. Проходя через сопло, пар расширяется до давления вторичного пара (примерно 0,125-0,136 ата). При расширении пара скорость его увеличивается и достигает 1000 м/с. В результате движения пара в головке создается разряжение, под действием которого вторичный пар поступает в камеру смешения.

 

Рисунок 4 – пароструйный инжектор.

 

В камере смешения происходит перемешивание паров, при этом часть кинетической энергии предается от острого пара вторичному пару. Образованная смесь имеет скорость движения большую, чем скорость вторичного пара, и меньшую, чем скорость острого пара. Однако давление смешанного пара равно давлению вторичного пара. Смешанный пар поступает в камеру сжатия 4, представляющую собой два усеченных конуса, соединенных меньшими основаниями. При проходе смешанного пара через сужающийся участок скорость пара уменьшается (возрастает сопротивление движению) и за счет этого увеличивается давление до 0,25-0,30 ата и температура с 52-58⁰С до 65-70⁰С. Далее смешанный пар поступает в нагревательную камеру вакуум-выпарного аппарата.

При применении пароструйного инжектора используется только часть вторичных паров, другая часть, иногда достигающая 50%, не используется и направляется на конденсацию.

Недостатком данного устройства является загрязнение пара и нагревательной камеры частицами продукта уносимые вторичным паром.

Если конденсат вторичных паров имеет определенную ценность, а температура кипения продукта не должна превышать 25⁰С, то в качестве теплового насоса применяют компрессорные холодильные установки (аммиачные или фреоновые).

Установка состоит из компрессора 1, подогревателя продукта 2 (конденсатора хладоагента), переохладителя 3, терморегулирующего вентиля 4, отделителя жидкого хладоагента 5, поверхностного конденсатора 6 для вторичного пара (испаритель хладоагента), циркуляционного насоса 7, насоса отвода конденсата вторичного пара 8, вакуум-насоса 9 и сепаратора 10.

 

 

Рисунок 5 – Выпарная установки с компрессорным тепловым насосом.

 

В процессе выпаривания продукт циркулирует при помощи циркуляционного насоса между подогревателем и сепаратором. В подогревателе происходит нагрев продукта до температуры кипения, а в сепараторе отделение вторичного пара. Процесс продолжается до достижения продуктом требуемой концентрации. Выгрузка концентрата осуществляется циркуляционным насосом. Вторичный пар, выделенный сепаратором, поступает в поверхностный конденсатор охлаждается образуя конденсат и сухой воздух. Конденсат отводится насосом 8, а воздух насосом 9.

Компрессор сжимает аммиак до давления 15,8 ата, повышая температуру до 40⁰С, и направляет его в подогреватель продукта. В подогревателе, за счет теплообмена, аммиак конденсируется и переходит из газообразного состояния в жидкое, а продукт нагревается до температуры кипения 25⁰С (при давлении 0,032 ата) и выпаривается. Жидкий аммиак проходит через переохладитель снижая температуру с 40⁰С до 35⁰С (за счет теплообмена с холодной водой) и с помощью ТРВ дросселируется от давления 15,8 ата до 4,7 ата с одновременным понижением температуры до 2⁰С. Охлажденный аммиак чрез отделитель 5 поступает в конденсатор вторичного пара. В результате теплообмена аммиак закипает и переходит в газообразное состояние, а вторичный пар конденсируется. Газообразный аммиак с температурой 2⁰С и давлением 4,7 ата направляется вновь в отделитель, где происходит отделение не испарившегося аммиака, а затем поступает в компрессор для сжатия. Далее цикл повторяется.