Оборудование для выпаривания

Выпаривание в мясной промыш­ленности применяют для сгущения крови и мясных бульонов перед суш­кой, клеевых и желатиновых бульо­нов для получения заданной конеч­ной концентрации, а также для кон­центрирования экстрактов при выра­ботке медпрепаратов. Выпарные установки состоят из выпарного аппа­рата, системы подачи исходного и удаления сконцентрированного про­дукта, подачи и удаления теплоноси­теля и системы создания заданного давления (вакуумной системы). В со­ставе вакуум-выпарных установок для создания и поддержания давле­ния и соответственно температуры кипения, а также для удаления не­конденсирующихся газов и пара при­меняют конденсаторы и вакуум-насо­сы. В конденсаторах водяные и дру­гие пары конденсируются вследствие охлаждения холодной водой.

Выпарные аппараты. Различают объемные и пленочные выпарные ап­параты. В объемных аппаратах выпа­ривание происходит в больших объе­мах жидкости при ее многократной циркуляции, в пленочных выпаривае­мый продукт проходит через аппарат однократно в тонком слое.

Объемные выпарные аппараты по характеру циркуляции выпариваемо­го раствора подразделяют на аппара­ты со свободной неорганизованной циркуляцией, с направленной есте­ственной циркуляцией и с принуди­тельной циркуляцией. Пленочные ап­параты подразделяют на следующие группы: аппараты трубчатые с восхо­дящей и падающей пленкой; ротор­ные (лопастные и центробежные).

Конструкции аппаратов с направлен­ной и принудительной циркуляцией, а также трубчатых пленочных норма­лизованы ГОСТ 11987—81.

Выпарные объемные аппа­раты со свободной неорганизованной циркуляцией, работающие при атмос­ферном давлении, которые иногда на­зывают концентраторами, используют для выпаривания клеевых бульонов и водоспиртовых экстрактов и при про­изводстве медпрепаратов. Эти аппара­ты просты по устройству, они имеют цилиндрические открытые емкости, изготовленные из чугуна, покрытого эмалями, или из нержавеющих ста­лей. Для подвода теплоты используют рубашки на обечайке и дне, змеевики и диски, установленные в емкости. Процесс выпаривания в подобных ап­паратах периодический, он продолжи­телен и малоэффективен. Удельная испарительная способность (приведена к 1 м² нагревательной поверхности) не превышает 50 кг/(м² • ч).

Объемные аппараты со свободной неорганизованной циркуляцией при­меняют в настоящее время ограничен­но на предприятиях малой мощности.

Выпарные объемные аппараты с направленной естественной циркуля­цией бывают непрерывного и перио­дического действия. Циркуляция по­тока в таких аппаратах организуется центральной или выносной циркуля­ционной трубой, выносным нагревате­лем или выносной зоной нагрева. В основном эти аппараты работают при пониженной температуре кипения — под вакуумом.

Выпарной объемный аппарат с ес­тественной циркуляцией и цент­ральной циркуляционной трубой (рис. 9.127) периодического действия состоит из нагревательной камеры 2 и сепаратора-пароотделителя 5. К ци­линдрическому корпусу нагреватель­ной камеры 2 приварены две трубные решетки — верхняя 3 и нижняя 11, в которых завальцованы нагреватель­ные трубы 9 и центральная циркуля­ционная труба 8 большого диаметра. Снизу к корпусу нагревательной ка­меры прикреплена нижняя камера 13, а сверху — сепаратор-пароотделитель 5, в верхней части которого установ-

Рис. 9.127. Выпарной объемный аппарат

с естественной циркуляцией и центральной

циркуляционной трубой:

1, 7, 12 — патрубки для отвода конденсата, вторично­го пара, сконцентрированного продукта; 2 — нагрева­тельная камера; 3, 11 — верхняя и нижняя трубные решетки; 4 — патрубок для подачи свежего продукта; 5 — сепаратор-пароотделитель; 6 — брызгоуловитель; 8 — циркуляционная труба; 9 — нагревательные тру­бы; 10 — патрубок для подачи греющего пара; 13 — нижняя камера

лены брызгоуловитель 6 и патрубок 7 для отвода вторичного (сокового) пара. Через патрубок 4 в аппарат за­ливают свежий продукт, затем через патрубок 10 поступает пар. Продукт нагревается в трубах, кипит и подни­мается в сепаратор, где пар уходит вверх, а жидкость по центральной трубе опускается вниз. Циркуляция осуществляется за счет разности плотностей жидкости в циркуляцион­ной трубе, где жидкость не кипит, и парожидкостной смеси в нагреватель­ных трубах.

Вторичный пар с каплями жидко­сти входит тангенциально через про­рези в корпус брызгоуловителя, где вследствие вращательного движения потока капли отделяются и стекают в корпус сепаратора, а пар выходит че­рез патрубок 7. Сгущенный продукт выводят из аппарата через патрубок 12.

Центральная циркуляционная тру­ба обеспечивает кратность циркуля-

Рис. 9.128. Выпарной циркуляционный ап­парат с выносной трубчатой нагревательной камерой:

1, 5 — трубные решетки; 2 — патрубок для подачи греющего пара; 3 — нагревательная камера; 4 — на­гревательные трубы; 6 — труба для парожидкостной смеси; 7 — сепаратор; 8 — брызгоуловитель; 9, 10, 11 — патрубки для отвода вторичного пара, сконцент­рированного продукта, конденсата; 12 — циркуляци­онная труба; 13 — нижняя камера; 14 — патрубок для подачи свежего продукта

ции жидкости в несколько десятков раз, но продукт находится в аппарате значительное время из-за периодично­сти цикла. Для улучшения циркуля­ции изготовляют аппараты с вынос­ными циркуляционными трубами.

По ГОСТу предусматривают аппа­раты с естественной циркуляцией с греющей камерой диаметром D от 0,4 до 1,8 м, сепаратором диаметром D₁ от 0,6 до 3,8 м при длине нагрева­тельных трубок 3...4 м и площади поверхности теплопередачи от 10 до 400 м².

Для увеличения скорости есте­ственной циркуляции циркуляцион­ную трубу (или несколько труб) выно­сят за контур нагревательной каме­ры. При этом выпариваемая жид­кость, движущаяся из сепаратора в нагревательную камеру, лучше ох­лаждается, повышается скорость ее движения, что приводит к интенси­фикации теплопередачи. Уменьшает­ся и диаметр греющей камеры.

Выпарные аппараты с направлен­ной естественной циркуляцией и вы­носной нагревательной камерой быва­ют с трубчатыми и пластинчатыми нагревательными камерами. Эти ап­параты работают в периодическом или непрерывном режиме.

Выпарной аппарат с выносной трубчатой нагревательной камерой (рис. 9.128) работает с непрерывным отводом сконцентрированного продук­та. Нагревательная камера 3 имеет две трубные решетки 1 и 5, в кото­рых развальцованы нагревательные трубы 4, патрубки для подачи грею­щего пара 2 и отвода конденсата 11. Сверху нагревательная камера трубой 6 соединена с сепаратором 7, снаб­женным брызгоуловителем 8 и пат­рубком для отвода вторичного пара 9, а сепаратор соединен с нижней каме­рой 13 циркуляционной трубой 12.

Свежий продукт подают через пат­рубок 14 в нижнюю камеру, и он по­ступает во внутренние полости труб 4, а в межтрубное пространство через патрубок 2 подают пар. Продукт на­гревается, закипает, и парожидкост-ная смесь выбрасывается в сепаратор, где вследствие расширения происхо­дит ее разделение. Жидкость собира­ется на дне сепаратора и по трубе 12 возвращается в нижнюю камеру. Час­тично упаренную до заданной концен­трации жидкость отбирают через пат­рубок 10 и одновременно через патру­бок 14 осуществляют пропорциональ­ную подпитку свежим продуктом. Пар освобождается от капель жидко­сти в брызгоуловителе 8 и выходит из аппарата через патрубок 9. Ско­рость потока в трубках достигает 1,5 м/с. Подобные аппараты выполня­ют с нагревательной камерой диамет­ром D от 0,4 до 2,0 м, сепаратором диаметром Di от 0,6 до 5,6 м при длине греющих труб 4...5 м.

Выпарной аппарат с выносной пластинчатой нагревательной каме­рой (рис. 9.129, а) работает с непре­рывным отводом сконцентрированно­го продукта. Пластинчдтая нагрева­тельная камера аппарата состоит из неподвижной 6 и подвижной 3 плит, между которыми поочередно устанав­ливают пластины 4 для пара и про-

Рис. 9.129. Выпарной аппарат с выносной пластинчатой нагревательной камерой:

а — общий вид: I — канал для выхода продукта из нагревателя в испаритель; 2 — канал для греющего пара; 3 — подвижная плита; 4 — пластины; 5 — патрубок для подачи пара; 6 — неподвижная плита; 7 — патрубок для отвода вторичного пара; 8 — сепаратор-испаритель; 9 — ловушка; б — технологическая схема пластинча­того нагревателя: 1 — патрубок для выхода конденсата; 2 — патрубки для подачи свежего продукта; 3 — ка­нал для пара; 4 — пластины с каналами для пара; 5 — пластины для продукта; б — каналы для выхода про­дукта; 7 — неподвижная плита

дукта. Пластины имеют гофрирова­ние, которое образует каналы для прохождения пара 2 и продукта 1. Каналы и пластины герметизируют резиновыми прокладками, а весь па­кет стягивают винтами. Свежий про­дукт поступает через патрубки 2 (рис. 9.129, б) в передней неподвижной плите 7 и по каналам попадает в пла­стины 5 первой секции. Вакуумиро-ванный пар поступает через канал 3 в плите, распределяется по пластинам 4 и нагревает продукт, который дви­жется в первой секции снизу вверх. Продукт нагревается до температуры кипения и, закипая, переходит в пла­стины 5 второй секции, где продол­жается кипение при движении его сверху вниз. Парожидкостная пере­гретая смесь через канал 6 возвраща­ется к плите 7, соединенной с сепара­тором-испарителем.

В сепараторе-испарителе 8 (см. рис. 9.129, а) перегретая жидкость вски­пает, образовавшийся пар отделяется и выводится через патрубок 7, жид­кая фаза частично поступает на ре­циркуляцию в нагреватель, а частич­но выводится из аппарата.

Эти аппараты компактны, имеют небольшую высоту. В аппарате едино­временно находится незначительное количество продукта, который нагре-

вается в тонком слое при высокой скорости движения, что способствует значительному снижению продолжи­тельности выпаривания. Эти аппара­ты обеспечивают высокую конечную концентрацию и требуемое качество продукта.

Выпарные объемные аппараты с принудительной циркуляцией бывают с соосной или выносной (рис. 9.130) нагревательной камерой. Выпарной аппарат состоит из нагревательной камеры 3 и сепаратора 4, конструк­ции которых аналогичны описанным ранее. Циркуляционная труба 7 со­единена с насосом 1, который, в свою очередь, подсоединен к нагреватель­ной камере. Свежий продукт подают по патрубку 8 в циркуляционную трубу, откуда насосом перекачивают в трубы нагревательной камеры, где он нагревается и закипает. Жидкость в трубах движется со скоростью 2...3 м/с под давлением, поэтому ее температура выше, чем температура кипения, и закипает она только у верхнего конца трубок. Благодаря этому уменьшаются отложения на внутренних поверхностях трубок.

Парожидкостная смесь докипает и разделяется в сепараторе. Сконцент­рированный продукт отбирают или из нижней части сепаратора, или из

Рис. 9.130. Выпарной емкостный аппарат с принудительной циркуляцией:

/ — насос; 2 — патрубок для подачи греющего пара; 3 — нагревательная камера; 4 — сепаратор; 5, 6, 9 — патрубки для отвода вторичного пара, сконцентриро­ванного продукта и конденсата; 7 — циркуляционная труба; 8 — патрубок для подачи свежего продукта

циркуляционной трубы через патру­бок 6. В аппаратах с принудительной циркуляцией скорость циркуляции достигает 2,5 м/с. Аппараты могут быть с нагревательной камерой диа­метром от 0,4 до 2,2 м, сепаратором диаметром от 1,2 до 6,3 м при длине нагревательных трубок 6 м.

В циркуляционных аппаратах про­цесс выпаривания проходит при боль­шом одновременном объеме продукта, многократной его циркуляции и дос­таточно длительном пребывании при повышенных температурах, что не всегда допустимо при обработке тер­молабильных материалов.

Пленочные выпарные ап­параты характеризуются тем, что малый объем продукта сгущается до необходимой концентрации за один

проход через аппарат без рециркуля­ции и за короткий промежуток вре­мени. Это позволяет получать конеч­ный продукт высокого качества. Пле­ночные трубчатые аппараты бывают с падающей или восходящей пленкой жидкости. В первом случае жидкость движется под действием силы тяжес­ти, а во втором — пленка образуется под воздействием парового потока. Поэтому в испарителях с восходящей пленкой возможно лишь прямоточное движение вверх и жидкости, и пара. В испарителях с падающей пленкой применяют прямоточное (сверху вниз) движение жидкости и пара и проти-воточное: пленка жидкости — вниз, а пар — вверх.

Выпарной пленочный аппарат с восходящей пленкой показан на рис. 9.131. Свежую жидкость подают через патрубок 8 в нижнюю камеру 1, она заполняет объем нагревательных трубок нагревательной камеры 2 при-

Рис. 9.131. Выпарной пленочный аппарат с восходящей пленкой:

1 — нижняя камера; 2 — нагревательная камера; 3 — сепаратор; 4, 6, 7 — патрубки для отвода вторичного пара, сконцентрированного продукта и конденсата; 5 — отбойник; 8 — патрубок для подачи свежего про­дукта

мерно на 25 % и закипает, образуя большой объем паровых пузырьков. Пузырьки поднимаются, увлекая за собой жидкость, которая тонким сло­ем движется вверх по стенкам тру­бок. Во время движения жидкость продолжает кипеть. Скорость движе­ния жидкости достигает 20...25 м/с. Парожидкостная смесь выбрасывается в сепаратор 3, разделяется на вторич­ный пар и сконцентрированную жид­кость, которая удаляется через патру­бок 6. Вторичный пар уходит через брызгоуловитель и патрубок 4.

Процесс выпаривания происходит непрерывно, а продолжительность пребывания продукта в аппарате не­велика, что благоприятно сказывает­ся на качестве особенно термолабиль­ных веществ. Однако в этих аппара­тах трудно поддерживается постоян­ная толщина пленки жидкости по высоте, поверхность нагрева исполь­зуется неэффективно, невелики коэф­фициенты теплопередачи.

В аппаратах с восходящей пленкой предусматривают диаметр греющей камеры D от 0,4 до 3,4 м, сепаратора от 0,6 до 10 м, длину греющих тру­бок 5...7 м.

Выпарной аппарат с падающей пленкой показан на рис. 9.132. Дви­жение жидкости и пара прямоточ­ное. Аппарат состоит из нагреватель­ной камеры 3 и сепаратора 9. Све­жий продукт через патрубок 5 пода­ют в верхнюю камеру бис помощью специального устройства распределя­ют равномерно тонкой пленкой по внутренним периметрам нагреваю­щих труб. Он стекает вниз, кипит, и образовавшаяся     парожидкостная

смесь попадает в нижнюю камеру 1 и далее в сепаратор 9. Сконцентриро­ванный продукт удаляют через пат­рубок 8.

По ГОСТу предусмотрены аппара­ты с диаметром греющей камеры от 0,4 до 2,0 м, сепаратора от 0,6 до 5,6 м при длинах греющих трубок 4 и 6 м.

Пленочные роторные выпарные ап­параты по способу создания пленки выпариваемой жидкости разделяют на две группы. К первой относят ис­парители, в которых кипение проис-

Рис. 9.132. Выпарной пленочный аппарат с падающей пленкой:

1 — нижняя камера; 2 — патрубок для отвода кон­денсата; 3 — нагревательная камера; 4 — патрубок для подачи пара; 5 — патрубок для подачи свежего продукта; 6 — верхняя камера; 7,8 — патрубки для отвода вторичного пара и сконцентрированного про­дукта; 9 — сепаратор

ходит в тонком слое жидкости, созда­ваемом вращающимся ротором на не­подвижной цилиндрической или ко­нической стенке. В испарителях вто­рой группы пленка возникает под действием центробежных сил на внут­ренних поверхностях вращающихся конусов, цилиндров и дисков.

Пленочные роторные вакуум-вы­парные аппараты первой группы по­казаны на рис. 9.133. Роторы этих аппаратов снабжены или жесткими, или шарнирно закрепленными лопас­тями. Жесткие лопасти (рис. 9.133, а) применяют в аппарате фир­мы «Лува» (Швейцария), имеющем цилиндрический корпус 8 с рубашкой 9, причем внутри корпуса вращается полый многогранный ротор 7. Грани ротора образуют четыре или шесть жестких лопастей. Цапфы барабана установлены в нижнем радиально-

Рис. 9.133. Пленочные роторные вакуум-выпарные аппараты:

а — фирмы «Лува» (Швейцария) с жесткими лопастями: 1 — клиноременная передача; 2 — радиальный под­шипник; 3 — патрубок для отвода вторичного пара; 4 — сепаратор; 5 — патрубок для подачи свежего продук­та; 6 — патрубок для подачи пара; 7 — ротор; 8 — корпус; 9 — рубашка; 10 — радиально-упорный под­шипник; 11 — патрубок для отвода сконцентрированного продукта; 12 — патрубок для отвода конденсата; б — «Самбай» фирмы CMC (Германия) с шарнирно закрепленными лопастями; / — клиноременная передача; 2 — подшипниковая опора; 3 — патрубок для подачи свежего продукта; 4 — паровая рубашка; 5 — лопасть; 6, 10 — подшипники; 7 — патрубок для отвода сгущенного продукта; 8 — вал; 9 — кольцо; 11 — кольцо-распреде­литель; 12 — муфта; 13 — промежуточный вал

упорном 10 и верхнем радиальном 2 подшипниках. Вверху вал герметизи­рован сальниковым или торцевым уп­лотнением. Ротор приводится во вра­щение от электродвигателя через кли-ноременную передачу 1. Зазор между лопастями ротора и корпусом 0,3...3 мм, окружная скорость лопас­тей 8... 15 м/с.

Свежий продукт поступает в аппа-

рат через патрубок 5, распределяется вращающимся ротором тонким слоем по цилиндру, который обогревается паром, подаваемым через патрубок 6. Сконцентрированный продукт отво­дится через патрубок 11 в коническом днище, а вторичный пар проходит че­рез сепаратор 4 и удаляется через патрубок 3. Благодаря интенсивному перемешиванию пленки достигается

высокая напряженность поверхности теплопередачи. Так, при выпаривании воды напряженность достигает 190... 280 кг/(м^/ч) при потребляемой мощ­ности электродвигателя 1,6...3,2 кВт на 1 м² обогреваемой поверхности. В роторных аппаратах возможна сте­пень концентрирования 6:1. Изго­товляют роторные испарители с ци­линдром внутренним диаметром 0,05...1 м и длиной 0,5...6,3 м.

В роторных аппаратах с шарнирно закрепленными лопастями поверх­ность теплообмена непрерывно очи­щается, поэтому в этих аппаратах возможна переработка вязких и нали­пающих жидкостей при большой сте­пени концентрирования, вплоть до получения порошкообразного остатка. Подобный аппарат с шарнирно зак­репленными лопастями применен в выпарном аппарате «Самбай» фирмы CMC (Германия). Он имеет цилиндри­ческий корпус с паровой рубашкой 4 (рис. 9.133, б), внутри которого в подшипниках 6 я 10 вращается вал 8. На валу с помощью спиц крепят кольца 9 с отверстиями, в которые свободно входят оси лопастей 5, вы­полненных в виде прямоугольных пластин. Лопасти на соседних ярусах смещают одну относительно другой на полшага. При вращении вала ло­пасти центробежными силами прижи­маются к поверхности корпуса, рас­пределяя стекающую по ней жид­кость. Приводится ротор во вращение от электродвигателя через клиноре-менную передачу 1, промежуточный вал 13, установленный в подшипнико­вой опоре 2 с вакуумным уплотнени­ем, и муфту 12. Окружная скорость на лопастях 0,8...3 м/с. Свежий про­дукт поступает в испаритель через патрубок 3, попадает на кольцо-рас­пределитель 11, распределяется тон­ким слоем по корпусу и стекает плен­кой вниз. Вследствие вращения лопа­стей толщина пленки поддерживается равной 0,1...0,6 мм. Для обогрева корпус снабжен по высоте нескольки­ми паровыми разделенными рубашка­ми 4, что позволяет уменьшить тол­щину пленки конденсата, а также из­менять температуру нагрева в разных

зонах. Испарители изготовляют с кор­пусом диаметром 50...840 мм и дли­ной 1,3...7,2 м. В них достигается на­пряженность поверхности нагрева по испаренной воде 108... 180 кг/(м²/ч).

Пленочный центробежный ваку­ум-выпарной аппарат «Центри-терм» фирмы «Альфа-Лавалъ» (Шве­ция) показан на рис. 9.134. Такие аппараты используют для концентри­рования экстрактов из эндокринно-ферментного сырья. Он состоит из герметичного корпуса 6, ротора 9, ко­нических тарелок 5, системы подачи и отвода жидкой фазы, вторичного и обогревающего пара, а также конден­сата. Цилиндрический ротор закреп­лен на полом валу 1, который вра­щается в подшипниках качения. Ко­нические полые тарелки 5, имеющие две обечайки, соединенные по пери­ферии цилиндрическим кольцом, ус­тановлены во внутренней полости ротора. В кольце предусмотрены от­верстия для входа греющего пара и отвода конденсата и каналы 7 (верти­кальные пазы) для отвода сконцент­рированной жидкости и вторичного

Рис. 9.134. Пленочный центробежный ваку­ум-выпарной аппарат «Центритерм» фирмы «Альфа-Лаваль» (Швеция):

1 — вал; 2 — кольцевой сборник; 3 — напорная труб­ка; 4 — питающая трубка; 5 — конические тарелки; б — корпус; 7 — канал для отвода вторичного пара; 8 — патрубок для отвода вторичного пара; 9 — ротор; 10 — трубка для отвода конденсата

пара. Пакет тарелок зажат накидной гайкой.

Греющий пар подают через полый вал 1 в пространство под тарелками, через отверстия в кольцах он посту­пает во внутренние полости тарелок и, конденсируясь, отдает теплоту вы­париваемой жидкости. Конденсат че­рез те же отверстия выбрасывается в корпус, собирается в его нижней час­ти и центробежными силами выдав­ливается наружу через трубку 10. Ис­ходная жидкость, поступающая по питающей трубке 4, разбрызгивается форсунками и, попадая на нижние поверхности конусных тарелок, под действием центробежных сил распре­деляется на них тонким слоем, стека­ет к периферии, нагревается и заки­пает. Сгущенная жидкость по верти­кальным каналам поднимается в по­лость ротора, откуда выдавливается через напорную трубку 3. Вторичный пар уходит через центральные отвер­стия в тарелках и выводится из ап­парата через патрубок 8.

Аппараты с вращающимися конус­ными испарительными поверхностями имеют высокие показатели по удель­ной испаренной влаге. Например, при температуре кипения воды 50 °С удельная производительность достига­ет 330...340 кг/(м² ■ ч). Такая эффек­тивность объясняется тем, что созда­ется тонкая пленка жидкости, пере­мещающаяся с большой скоростью по поверхности нагрева, что обеспечива­ет высокий коэффициент теплоотда­чи. Кроме того, пространство между тарелками не создает сопротивления для выхода вторичного пара. При

конденсации греющего пара из-за центробежных сил не образуется сплошной пленки конденсата, что, в свою очередь, способствует эффектив­ному теплообмену.

Испарители изготовляют с шестью и девятью конусными тарелками, имеющими площадь поверхности теп­лообмена соответственно 2,4 и 7,1 м² и производительность 800 и 2400 кг/ч. Степень сгущения в аппарате от 1: 3 до 1: 8.

Выпарные установки. При выбо­ре типа выпарных установок ориен­тируются на их технико-экономичес­кие показатели. Технико-экономичес­кими показателями выпарных уста­новок являются расход греющего пара на 1 кг испаренной влаги (кг/кг) и так называемая напряженность по­верхности теплообмена по испарен­ной влаге [кг/(м² ■ ч)]. Так, в одно-корпусных циркуляционных установ­ках удельный расход пара составляет 1,1... 1,2 кг/кг. Для сокращения удельного расхода греющего пара ис­пользуют вторичный (соковый) пар и применяют многокорпусные выпар­ные установки. Если вторичный пар имеет температуру ниже, чем грею­щий, его сжимают термокомпрессо­рами-инжекторами или механически­ми компрессорами. Пароструйные инжекторы широко распространены в выпарных установках из-за просто­ты конструкции и несложного обслу­живания.

Пароструйный инжектор (рис. 9.135) состоит из камеры смешения 2 и диффузора 5, патрубка 4 для подачи рабочего пара и конического сопла 1.

Рис. 9.135. Схема пароструйного инжектора:

1 — коническое сопло; 2 — камера смешения; 3 — труба для подачи вторичного пара; 4 — патрубок для подачи рабочего пара; 5 — диффУ³⁰Р

По трубе 3 в инжектор поступает вто­ричный пар из аппарата. Рабочий пар, расширяясь в сопле 1, теряет давление до давления вторичного пара, но скорость его повышается примерно до 1000 м/с. Он смешивает­ся со вторичным паром, и в камере смешения 2 резко снижается скорость смеси, а в диффузоре 5 повышается ее давление. Из диффузора пар на­правляется в межтрубное простран­ство аппарата. Скорость пара при вы­ходе из диффузора составляет 50...70 м/с. При сжатии вторичного пара повышаются его температура и энтальпия, что создает возможность для использования его в качестве гре­ющего пара. Характеристикой термо­компрессии пара служит коэффици­ент инжекции (кг/кг)

где D_B — масса вторичного пара, кг; £)_у — масса острого пара, кг.

Обычно U = 0,8...1,0, при этом расход острого пара на выпаривание 1 кг влаги существенно снижается. Так, при выпаривании крови в одно-корпусном циркуляционном аппарате с частичной инжекцией вторичного пара расходуется 0,52 кг пара на 1 кг выпаренной влаги. В многокорпусных установках расход греющего пара снижают, используя для нагрева в последующих корпусах вторичный пар от предыдущих корпусов. Ориен­тировочно можно считать, что коли­чество пара, идущего на испарение 1 кг влаги в многокорпусной уста­новке, обратно пропорционально чис­лу последовательно работающих кор­пусов.

Трехкорпусная вакуум-выпарная установка фирмы «Вигонд» (Герма­ния) показана на рис. 9.136. Такие установки используют для выпарива­ния клеевых, желатиновых и кост­ных бульонов. Выпарные аппараты циркуляционного типа с выносным сепаратором. Они имеют (по корпу­сам) нагревательные камеры 3, 13, 15 и сепараторы 4, 9, 10. Свежий про­дукт из расходного бака 2, снабжен-

ного регулятором подачи, по трубе 1 поступает снизу в нагревательную ка­меру 3 первого корпуса, вскипает, и парожидкостная смесь попадает в се­паратор 4, где разделяется. Жидкая фаза частично по трубе 6 возвращает­ся в нагревательную камеру первого корпуса, а частично по трубе 7 посту­пает во второй корпус. Часть вторич­ного пара (~ 50 %) по трубе 8 подает­ся в инжектор 5, а остальная посту­пает в межтрубное пространство грею­щей камеры 13 второго корпуса. В инжекторе вторичный пар сжимается острым паром до давления греющего пара и подается в нагревательную ка­меру первого корпуса.

Жидкая фаза из сепаратора второ­го корпуса также разделяется на два потока: по трубе 14 на рециркуляцию в нагреватель и по трубе 12 в третий корпус, а вторичный пар по трубе 11 полностью поступает на нагрев про­дукта в греющей камере третьего кор­пуса. Из сепаратора третьего корпуса сконцентрированный продукт частич­но идет на рециркуляцию (труба 16), а частично по трубе 18 насосогд 19 удаляется из аппарата, поступая на дальнейшую обработку. Вторичный пар из сепаратора 10 попадает в меж­трубное пространство поверхностного конденсатора 17, где конденсируется холодной водой, проходящей через трубы. Конденсат и неконденсирую­щиеся пары отсасываются мокровоз-душным поршневым вакуумным насо­сом 20. Оба насоса (продуктовый и вакуумный) приводят в движение от одного электродвигателя.

Чтобы можно было использовать вторичный пар, температура кипения продукта должна снижаться от перво­го корпуса к последнему. В этом слу­чае появится разность между темпе­ратурой вторичного пара предыдуще­го корпуса и температурой кипения в последующем. В связи с этим темпе­ратура кипения жидкости в первом корпусе должна быть наибольшей, до­пустимой по требованиям технологии, т. е. не нарушающей качества про­дукта. Температура кипения в после­днем корпусе лимитируется техничес­кими возможностями создания необ­ходимого давления. Число корпусов

Рис. 9.136. Трехкорпусная вакуум-выпарная установка фирмы «Вигонд» (Германия):

а — общий вид; б — технологическая схема; / — труба для подачи свежего продукта; 2 — расходный бак; 3, IS, 15 — нагревательные камеры первого, второго и третьего корпусов; 4, 9, 10 — сепараторы первого, второго и третьего корпусов; 5 — инжектор; 6, 14, 16 — трубы для подачи продукта из сепараторов в рабочее простран­ство корпусов; 7, 12 — трубы для подачи продукта между корпусами; 8, 11 — трубы для подачи вторичного пара между корпусами; 17 — поверхностный конденсатор; 18 — труба для отвода сконцентрированного про­дукта; 19, 20 — продуктовый и вакуумный насосы; 21 — труба для несконденсировавшихся газов; 22, 23,

24 — линии отвода конденсата

(в первом приближении) определяют из отношения общей полезной разно­сти температур между всеми корпуса­ми ZAt_t к допустимой разности темпе­ратур в одном корпусе At_t. Исходя из того, что наименьшее значение At_t = 6...8 К, в мясной промышленно­сти применяют аппараты с числом корпусов от одного до трех, реже — до пяти.

В рассматриваемой установке при выпаривании бульонов температуры кипения (вторичных паров) по корпу­сам равны 95, 75 и 55 °С, а темпера­туры греющего пара — 105, 95 и 75 °С. Чтобы обеспечить перепад тем­ператур греющего пара в линиях от­вода конденсата 22, 23 и 24, уста­навливают подпорные (дросселирую­щие) шайбы с отверстиями диамет­ром соответственно 15, 17 и 19 мм. Суммарная площадь теплопередачи в установке 54 м², производительность ее по испаренной влаге 1500 кг/ч. Удельный расход пара 0,35...0,4 кг на 1 кг испаренной влаги. При выпа­ривании крови применяют преиму­щественно однокорпусные аппараты с инжекцией вторичного пара при температуре кипения от 26 до 40 °С и полезной разности температуры 15 К.

Двухкорпусная вакуум-выпарная установка с пластинчатыми нагре­вателями показана на рис. 9.137.

Продукт подают через автоматичес­кий регулятор 12 в пластинчатый на­греватель 1 первой ступени, где он нагревается свежим паром. Вторич­ный пар первой ступени после разде­ления в сепараторе-испарителе 2 по трубопроводу 3 направляется в паро­вые пластины нагревателя 10 второй ступени, а жидкая фаза частично по трубе 14 возвращается в нагреватель 1 и частично насосом 11 подается в про­дуктовые пластины нагревателя вто­рой ступени. Из сепаратора-испарите­ля 9 второй ступени пар поступает в конденсатор смешения 4, где конден­сируется холодной водой. В конденса­тор поступает и конденсат греющего пара из нагревателя второй ступени. Смесь конденсата и отработавшей воды отводится насосом 7. Конденсат из нагревателя первой ступени отка­чивается насосом 13. Сконцентриро­ванный продукт из сепаратора-испа­рителя 9 отводится насосом 8. Некон­денсирующиеся газы из конденсатора удаляют двухступенчатым паровым эжекторным вакуум-насосом 6, в ко­торый острый пар подают по трубо­проводам 5. Двухкорпусные установ­ки при выпаривании бульонов обеспе­чивают производительность по испа­ренной влаге до 6000 кг/ч при удельном расходе пара без инжектора 0,5 кг и с инжектором 0,4 кг на 1 кг испаренной влаги.

Рис. 9.137. Технологическая схема двухкорпусной вакуум-выпарной уста­новки с пластинчатыми нагревателями:

1, 10 — пластинчатые нагреватели первой и второй ступеней; 2, 9 — сепараторы-испари­тели первой и второй ступеней; 3 — трубопровод для вторичного пара; 4 — конденсатор смешения; 5 — трубопровод для острого пара; 6 — двухступенчатый эжекторный вакуум-насос; 7 — насос для отвода воды; 8, 11 — насосы для сгущенного продукта; 12 — автомати­ческий регулятор; 13 — насос; 14 — труба для возвращения жидкости

Конденсаторы. Применяют кон­денсаторы поверхностные и смеше­ния. В поверхностных конденсаторах нет прямого контакта пара и охлаж­дающей воды. Они представляют со­бой одно- или двухзаходные верти­кальные или горизонтальные трубча­тые теплообменники, в межтрубное пространство которых подается пар, а в трубах циркулирует охлаждающая вода. Поверхностные конденсаторы позволяют получить чистый дистил­лят, что особо важно при выпарива­нии или разделении спиртосодержа­щих экстрактов.

В конденсаторах смешения проис­ходит непосредственный контакт пара с холодной водой, что создает усло­вия для интенсивной конденсации. Подобные конденсаторы компактны, имеют простую конструкцию, удобны в ремонте и эксплуатации. В сравне­нии с поверхностными конденсатора­ми у них меньше удельный расход воды. Но при эксплуатации конденса­торов смешения требуется вакуумный насос большей производительности, так как с охлаждающей водой посту­пает и воздух. Не всегда возможно использование конденсата. Конденса­торы смешения делят на противоточные и прямоточные с барометричес­кой трубой или откачкой конденсата насосом.

Конденсатор смешения с баромет­рической трубой показан на рис. 9.138, а. Противоточный конденсатор 3 имеет барометрическую трубу 6 в качестве гидрозатвора, обеспечиваю­щего поддержание пониженного дав­ления в корпусе конденсатора. Длина барометрической трубы (м) должна соответствовать давлению р\ в кон­денсаторе:

где р_а, pi — давление атмосферное и в конден­саторе, Па.

Вторичный пар поступает в корпус конденсатора через патрубок 2, а ох­лаждающая вода — через патрубок 1. Конденсат в смеси с водой уходит че­рез барометрическую трубу в бак 7, а воздух через ловушку 4 отсасывается вакуум-насосом. Жидкость, отделив­шаяся в ловушке, поступает в баро­метрическую трубу.

Конденсатор смешения с откачкой конденсата насосом показан на рис. 9.138, б. В этой схеме смесь конденса­та и воды по укороченному трубопро­воду 9 откачивается насосом 8.

Рис. 9.138. Схема конденсаторов смешения:

а — с барометрической трубой; б — с откачкой кон­денсата насосом; / — патрубок для подачи холодной воды; 2 — патрубок для подачи вторичного пара; 3 — конденсатор; 4 — ловушка; 5 — труба к вакуум­ному насосу; 6 — барометрическая труба; 7 — бак; 8 — насос; 9 — трубопровод для конденсата

Конструкции конденсаторов с ба­рометрической трубой нормализова­ны. На рис. 9.139 показан конденса­тор с сегментными перфорирован­ными полками 2, приваренными к внутренней поверхности цилиндри­ческого корпуса 1. Расстояние меж­ду полками, наибольшее внизу, уменьшается кверху по пути движе­ния конденсирующегося пара, кото­рый подается снизу через патрубок 10. Холодная вода через питатель 3, сглаживающий пульсации, поступа­ет на верхнюю тарелку и далее кас­кадами стекает с полки на полку вниз, перемешиваясь с паром. Кон­денсат отводится через патрубок 11 в барометрическую трубу, а паровоз­душная смесь по трубе 6 — в ловуш­ку 7. Конденсаторы изготовляют с корпусом внутренним диаметром 0,8...2 м. Другая разновидность противоточных конденсаторов — конденсаторы с концентрическими пол­ками.В прямоточных конденсаторах пар и вода подаются в корпус сверху, причем вода разбрызгивается под дав­лением из форсунок. Смесь конденса­та и воды отсасывается насосом, а воздух — вакуум-насосом.

Рис. 9.139. Барометрический конденсатор с сегментными перфорированными полками:

1 — корпус; 2 — полки; 3 — питатель; 4 — патрубок для подачи воды; 5 — воздушник; 6 — труба для отво­да паровоздушной смеси; 7 — ловушка; 8, 9 — патруб­ки для отвода газа и жидкости; 10 — патрубок для подачи пара; 11 — патрубок для отвода конденсата

Вакуумные насосы. Вакуумные насосы по принципу работы делятся на объемные, струйные и комбиниро­ванные.

В объемных насосах удаляемый газ подвергается сжатию до давле­ния, соответствующего давлению на выходе из насоса. Они имеют посто­янную объемную производительность, т. е. за один цикл работы удаляют один и тот же объем газа. К объем­ным относятся поршневые и ротаци­онные насосы.

Поршневые насосы предназ­начены для отсасывания нейтральных газов (суховоздушные насосы) и парогазовых смесей (мокровоздушные на­сосы). Они обеспечивают давление: мокровоздушные до 10... 15 кПа и су­ховоздушные до 1,3 кПа, что дает возможность использовать их в лю­бых установках, применяемых в мяс­ной промышленности. Поршневые мокровоздушные насосы применяют для откачивания смеси конденсата, воды и воздуха после прямоточных конденсаторов смешения. Суховоз­душные насосы сжимают воздух, ко­торый отбирают из поверхностных конденсаторов, до атмосферного дав­ления. Поршневые насосы бывают одно- и двустороннего действия, с го­ризонтальным или вертикальным рас­положением цилиндра, с одной или двумя степенями сжатия, с клапан­ным или золотниковым распределени­ем. В мокровоздушных поршневых насосах используют клапанное рас­пределение. Смесь газа и жидкости засасывается через прорези в средней части цилиндра и выбрасывается че­рез пружинные клапаны в головке цилиндра. В некоторых конструкциях в насосе устанавливают конденсаци­онную камеру, расположенную непос­редственно на цилиндре, где конден­сируется пар вследствие разбрызгива­ния воды. Производительность мокровоздушных насосов от 30 до 210 м^/ч при мощности привода от 2,8 до 7,5 кВт.

Суховоздушный поршневой ваку­умный насос показан на рис. 9.140. Это горизонтальный одноступенчатый насос двойного действия с золотнико­вым распределением. Он состоит из цилиндра 2, поршня 1, приводимого в движение кривошипно-крейцкопфным механизмом, который включает ко­ленчатый вал 8, шатун 7 и шток 4. Шток герметизирован сальниковым уплотнением 5. На цапфе коленчатого вала закреплен эксцентрик 9, кото­рый через шатун и шток 10 переме­щает цилиндрический золотник 11. Газ всасывается через полость 13 зо­лотника и один из каналов 14, кото­рый соединяет ее с той частью цилин­дра, где происходит всасывание. В это время вторая полость другим ка­налом 14 соединяет зону нагнетания цилиндра с такой же зоной золотника. В конце хода поршня зона нагне­тания золотника перекрывается, газ в ней сжимается, и под действием дав­ления открывается самодействующий пластинчатый подпружиненный кла­пан 12, через который газ уходит из насоса.Для повышения объемного коэф­фициента полезного действия сжатый газ в мертвом подпоршневом про­странстве перепускается через каналы 3 в зону всасывания цилиндра. С обе­их сторон цилиндра имеется по четы­ре канала глубиной 4 мм. При обрат­ном ходе поршня цикл повторяется. Насос приводится в движение от электродвигателя через клиноременную передачу 6.

Суховоздушные поршневые насосы изготовляют с цилиндром диаметром 140...450 мм при ходе поршня 75... 300 мм. Производительность насосов 45...540 м³ при мощности привода 2,8...14 кВт.Поршневые насосы надежны в ра­боте и имеют высокий КПД, но они сложны по конструкции и в эксплуатации, имеют большую массу; для их установки требуются специальные фундаменты.

Рис. 9.140. Суховоздушный поршневой вакуумный насос:

1 — поршень; 2 — цилиндр; 3 — перепускные каналы; 4 — шток; 5 — уплотнение; 6 — шкив клиноременной передачи. 7 — шатун; 8 — колен­чатый вал; 9 — эксцентрик; 10 — шток; 11 — золотник; 12 — клапаны; 13 — полость всасывания; 14 — соединительные каналы; 15 — головка

цилиндра

 

Ротационные насосы, бо­лее компактные и простые по конст­рукции, широко применяют в мясной промышленности.

Наиболее распространены объем­ные мокровоздушные водокольцевые насосы, принцип работы которых ясен из рис. 9.141, а. В цилиндричес­ком корпусе 2 эксцентрично установ­лено вращающееся рабочее колесо 1. Диаметр колеса D_p меньше диаметра корпуса D_K. Вода, находящаяся в корпусе, лопастями колеса приводит­ся во вращение и центробежными си­лами распределяется в виде кольца. Концы лопастей все время погружены в воду, которая играет роль жидко­стного затвора. При этом образуется серповидный зазор, разделенный ло­пастями на отдельные секции. В зону 3, соединенную со всасывающим пат­рубком, поступает парогазовая смесь из аппарата. Она транспортируется лопастями, по мере уменьшения зазо-

ра сжимается в зоне 4 и выбрасыва­ется через нагнетательные отверстия 5. Вместе с газом выбрасывается час­тично вода, которая поступает в бак-расширитель.

Рис. 9.141. Водокольцевой вакуумный насос:

а — схема работы насоса: 1 — рабочее колесо; 2 — корпус; 3 — зона всасывания; 4 — зона нагнетания; 5 — нагнетательные от­верстия; б — общий вид насоса ВВН-6: 1 — электродвигатель; 2 — муфта; 3 — вакуумный насос; 4 — станина; 5 — всасываю­щий патрубок; б — нагнетательный патрубок; 7 — сливной пат­рубок; 8 — бак-водосборник; 9 — отражатель

Водоколъцевой вакуумный насос ВВН-6 показан на рис. 9.141, б. На­сос 3 приводится во вращение элект­родвигателем 1, соединенным с ним муфтой 2. Всасывающий 5 и нагнета­тельный 6 патрубки размещены на боковых крышках корпуса насоса. Воздух и вода из насоса нагнетаются в бак-водосборник 8, откуда вода сли­вается через патрубок 7, а воздух уходит через отражатель 9 в выхлоп­ной трубопровод. Наибольшая произ­водительность насоса 350 м³/ч при мощности электродвигателя 14 кВт и расходе воды 1 м³/ч.

Выпускают одноступенчатые водокольцевые вакуумные насосы произ­водительностью 60...720 м³/ч. Давле­ние, создаваемое насосами, зависит от температуры воды и может достигать 2...2,7 кПа. Для получения меньших давлений (до 250 Па) на всасываю­щем патрубке насоса последовательно устанавливают воздушный эжектор.

Суховоздушные масляные ротаци­онные вакуумные насосы создают давление: одноступенчатые до 6 Па, двухступенчатые до 0,7 Па. Внутрен­ние полости этих насосов залиты спе­циальным маслом с низкой упругостью паров, которое является хорошим уплотнителем. Масляные насосы бы­вают трех видов (рис. 9.142): плас­тинчато-роторные, пластинчато-ста-торные и с катящимся ротором.

В корпусе 1 (рис. 9.142, а) плас­тинчато-роторного насоса вращается эксцентрично установленный ротор 2, в прорезях которого скользят пласти­ны 3. Пластины, плотно прижатые к корпусу пружиной 4 и центробежны­ми силами, сжимают газ, поступив­ший через патрубок 6. Сжатый газ уходит через клапан 5.

В пластинчато-статорном насосе (рис. 9.142, б) пластина 3 скользит в прорези корпуса 1, внутри которого вращается ротор-эксцентрик 2. Плас­тина прижата к ротору пружиной 5. Воздух всасывается в полость корпуса через отверстие 4, при повороте рото­ра сжимается и выбрасывается через клапан 6. Пластина 3 разделяет поло­сти всасывания и нагнетания.

В насосе с катящимся ротором (рис. 9.142, б) в корпусе 1 на валу 5 вращается эксцентрик 6, на котором установлен ротор 7. На роторе зак­реплен плунжер-трубка, которая со­единяет внутреннюю полость насоса со всасывающим патрубком. При дви­жении плунжера вверх в нем пере­крывается боковое отверстие, проис­ходит сжатие газа, и он выбрасывает­ся из насоса через клапан 3.

Рис. 9.142. Схемы суховоздушных ротационных масляных вакуумных насосов:

а — пластинчато-роторный: 1 — корпус; 2 — ротор; 3 — пластина; 4 — пружина; 5 — клапан; 6 — всасываю­щий патрубок; б — пластинчато-статорный: 1 — корпус; 2 — ротор-эксцентрик; 3 — пластина; 4 — всасываю­щее отверстие; 5 — пружина; 6 — клапан; в — с катящимся ротором: / — корпус; 2 — направляющая; 3 — клапан; 4 — плунжер; 5 — вал; 6 — эксцентрик; 7 — ротор

Масляные вакуумные насосы могут откачивать только нейтральные сухие газы. К их недостаткам можно отнес­ти сложность конструкции и эксплуа­тации.

Струйные вакуумные на­сосы не имеют движущихся частей. Их рабочим элементом служат паро­вой, газовый или водяной эжектор. В промышленности применяют преиму­щественно паровые эжекторы, так как газовые и водяные имеют низкую производительность.

Пароструйный эжектор (рис. 9.143) состоит из рабочего сопла 1, всасывающего патрубка 2, камеры смешения 3, которая включает кон-фузор и цилиндрическую горловину, и диффузора 4. Пар начальным дав­лением р_п и скоростью v_p поступает в рабочее сопло, где расширяется до давления откачиваемой фазы р_г. При этом значительно возрастает его ско­рость, которая может быть даже сверхзвуковой. Струя пара захватыва­ет удаляемую среду во всасывающем патрубке, и в камере смешения уменьшается скорость потока и возра-

стает давление. Окончательное повы­шение давления до выходного р_см происходит в диффузоре. Рабочим со­плом в пароструйных эжекторах слу­жит расширяющееся сопло Лаваля, обеспечивающее получение сверхзву­ковой скорости.

Эжекторы не отличаются суще­ственно по принципу действия и уст­ройству от инжекторов, но назначе­ние этих пароструйных аппаратов различное. Одноступенчатый эжектор может обеспечить давление 16... 18 кПа. Для получения более низких давлений применяют двух-, трех-, че­тырех- и пятиступенчатые насосы. Двухступенчатые насосы могут быть без промежуточного конденсатора или с ним.

Рис. 9.143. Схема пароструйного эжектора:

1 — рабочее сопло; 2 — всасывающий патрубок; 3 — камера смешения; 4 — диффузор; р_п — давление пара; р_г — давление газа; р_с — давление парогазовой смеси; v_n — скорость пара; v_r — скорость газа; v_CM — скорость

парогазовой смеси

Двухступенчатый пароструйный эжекторный насос с промежуточ­ным конденсатором показан на рис. 9.144. Газ из системы удаляется паром в эжекторе первой ступени 1, и парогазовая смесь поступает в ниж­нюю часть противоточного полочного конденсатора смешения 3. Конденсат поступает в барометрическую трубу 4, а неконденсирующиеся газы — в паро­вой эжектор второй ступени 2. Паро­газовая смесь по трубе 5 отводится в барометрический колодец 6. Подоб­ный насос создает давление в системе 1,3...20 кПа. В многоступенчатых па­роструйных вакуумных насосах вмес­то барометрических могут применять­ся трубчатые и поверхностные кон­денсаторы.

Пароструйные вакуумные насосы обеспечивают производительность 1... 20 кг/ч при давлении рабочего пара 0,35...0,6 МПа и расходе пара на 1 кг удаляемого воздуха от 10 до 35 кг. Такие насосы могут отсасывать агрес­сивные и загрязненные среды, они легко регулируются и обслуживаются, просты по конструкции и компак­тны, но имеют низкий КПД и поэто­му повышенный расход пара.

Конденсатоотводчики и подпор­ные шайбы. Их применяют для уда­ления конденсата из нагревательных камер выпарных аппаратов, которые находятся под разрежением. Конден­сатоотводчики могут быть с герметич­ными и открытыми поплавками.

Рис. 9.144. Схема двухступенчатого паро­струйного эжекторного насоса с промежуточ­ным конденсатором:

/ — эжектор первой ступени; 2 — эжектор второй ступени; 3 — конденсатор смешения; 4 — барометри­ческая труба; 5 — выпускная труба; б — барометри­ческий колодец

Конденсатоотводчик с герметич­ным цилиндрическим поплавком (рис. 9.145) состоит из корпуса 8, к которому присоединяют патрубки с обратными клапанами для подачи 6 и отвода 9 конденсата. В исходном по­ложении поплавок 7 находится внизу и рычагом 1 открывает клапан 3, ко­торый уравнительной трубой соединя­ет конденсатоотводчик с вакуумным аппаратом. При этом в корпусе 8 со­здается вакуум, открывается обрат­ный клапан 6 и конденсат самотеком поступает в конденсатоотводчик. При повышении уровня жидкости попла­вок поднимается и рычаг 1 закрывает клапан 3 и открывает клапан 4, че­рез который поступает острый пар, выдавливающий конденсат через об­ратный клапан 9. Затем цикл повто­ряется. Конденсатоотводчики других конструкций работают по такому же принципу.

В качестве конденсатоотводчиков используют подпорные дросселирую­щие шайбы, устанавливаемые в разрыв магистрали. Они представляют собой стальной диск с отверстием, меньшим, чем диаметр трубы магист­рали. Принцип работы подпорной шайбы состоит в том, что при разно­сти давлений через отверстие прохо­дит в 35...45 раз больше жидкости, чем пара.

Рис. 9.145. Конденсатоотводчик с герметич­ным цилиндрическим поплавком:

1 — рычаг; 2 — пружина; 3, 4 — клапаны; 5 — пат­рубок для подачи конденсата; 6, 9 — обратные клапа­ны; 7 — поплавок; 8 — корпус

Основные расчеты. При расчетах выпарных установок задают произво­дительность аппарата по исходному продукту Gh (кг/ч) или испаренной влаге G (кг/ч). При этом устанавлива­ют начальную и конечную массовую долю сухих веществ в продукте, допу­стимую температуру кипения, физи­ческие и теплофизические константы. По этим показателям и на основании информации об аналогичных процес­сах формируют принципиальную схе­му аппарата, в которой определяют: способ выпаривания — в объеме (пе­риодический, непрерывный) или пле­ночный; вид нагревательной камеры (трубчатая, пластинчатая и т. д.); способы циркуляции жидкости и дру­гие показатели.

По допустимой начальной темпера­туре кипения и требуемой степени концентрирования ориентировочно ус­танавливают число корпусов.

Количество испаренной влаги за процесс (кг) или в единицу времени (кг/ч)

G = G_H - G_K,      (9.293)

где G,, и G_K — масса (кг) или расход (кг/ч) исходного и сгущенного продукта.

Количество нелетучего компонента в процессе выпаривания не изменяет­ся, поэтому

(9.294)

где Ь_л и 6_К — начальная и конечная массовые доли нелетучего компонента, %.

Тогда можно определить количе­ство испаренной влаги в одном корпу­се из соотношения

(9.295)

Расчет выпарных аппара­тов (однокорпусных). При уста­новившемся процессе и отсутствии потерь в окружающую среду тепловой баланс однокорпусного выпарного ап­парата состоит из прихода теплоты с выпариваемым продуктом G_Ht_Hc_H и греющим паром G_nii и расхода тепло­ты с отходящей выпаренной водой Gi₂, конечным сконцентрированным продуктом G_Kc_Kt_K и конденсатом грею­щего пара G_nc_K0HЈ_K0H. Тогда тепловой баланс запишется в виде

GJi + G_Hc_Ht_B = Gi₂ +

+ G_Kc_Kt_K + G_nc_K0Hi_K0H. (9.296)

Исходный раствор можно предста­вить как смесь упаренного раствора и испаренной влаги. Тепловой баланс смешения при постоянной температу­ре кипения t_K раствора в аппарате имеет вид

G_Kc_Kt_K = ^GhCh'k - Gt_Kc_s. (9.297)

С учетом этого из уравнения (9.293) находим количество выпарен­ной воды

(9.298)

В формулах (9.296...9.298):

G_n — масса греющего пара, кг; i_lt l₂ — удель­ная энтальпия греющего и вторичного пара, Дж/кг; с_кон, с_н, с_к — удельная теплоемкость конденсата, исходного (начального) и конечно­го продукта, Дж/(кг ■ К); t_K0H, t_n, t_K — темпе­ратуры конденсата, начальная и конечная (кипения) продукта, 'С; с„ — удельная тепло­емкость воды при t_K, Дж/(кг К); а — коэф­фициент испарения; р — коэффициент самоис­парения.

Коэффициент испарения а показы­вает эффективность использования 1 кг греющего пара на образование 1 кг вторичного пара. На практике а = 1. Коэффициент самоиспарения (3 определяет количество вторичного пара, образовавшегося из 1 кг про­дукта в результате его перегрева, от­носительно температуры кипения в

данном корпусе. При равенстве тем­ператур продукта и кипения р = 0. Если продукт поступает при более низкой температуре, чем температура кипения, то р < 1.

Из уравнения теплового баланса определяют необходимый массовый расход (кг/ч) греющего пара

(9.299)

где г| — коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду; п = 0,97...0,98.

Количество теплоты (Дж/кг), при­ходящей с греющим паром,

Qn = G_n (h - c_K0Hi_K0H). (9.300)

В периодически действующих од-нокорпусных аппаратах в баланс вхо­дит расход теплоты на нагрев аппара­та и на нагрев продукта до темпера­туры кипения, если его начальная температура ниже температуры кипе­ния (р < 1). Расчет ведут для двух пе­риодов: нагрев аппарата и продукта до температуры кипения и выпарива­ние продукта до конечной концентра­ции. При этом ориентировочно зада­ют площадь поверхности теплообмена и определяют продолжительность вы­паривания.

В однокорпусных аппаратах непре­рывного действия рассчитывают пло­щадь поверхности теплопередачи из общего уравнения

Q = kFAt_nn,        (9.301)

где Q — теплота, Дж/с; k — коэффициент теп­лопередачи, Вт/(м² к); F — площадь поверх­ности теплопередачи, м²; At_njt — полезная раз­ность температуры, К.

Из этого уравнения

Полезная разность температур (К)

Д'пл = t_n-h- ЕД_ПОТ, (9.302)

где t_u — температура греющего пара, °С; fj — температура кипения продукта, "С; 1Д£„от — температурные потери, К.

Температурные потери складыва­ются из потерь от физико-химической депрессии Д£ф, гидростатического дав­ления в кипятильных трубах At_r, по­терь в трубопроводах At_r:

(9.303)

Физико-химическую депрессию (К) для водных растворов находя; при любом давлении по формуле И. А. Тищенко:

(9.304)

где Д£_а — физико-химическая депрессия ра­створа при атмосферном давлении, К; t_K — температура кипения жидкости при данном давлении, "С; г — скрытая теплота парообразо­вания воды при данном давлении, Дж/кг.

Значение At_a находят по справоч­ным данным.

Потери температуры (К) от гидро­статического давления

At_T = t_r— t_B._n,      (9.305)

где At_r — температура кипения в среднем по высоте слое продукта при давлении р_вт + Ар_г; t_Bn — температура кипения воды при давле­нии р_вг в верхнем слое раствора.

Гидростатическое давление (Па)

(9.306)

где р — плотность продукта, кг/м³; g — уско­рение свободного падения, м/с²; Н — высота кипятильных труб аппарата, м; е — парона-полнение (объемная доля пара в кипящем про­дукте), м³/м³. При пузырьковом кипении е = 0,4...0,6.

Для определения Н необходимо ориентировочно определить площадь поверхности теплопередачи нагревате­ля. Для систем, содержащих в каче­стве растворителя воду, можно при­нять удельную тепловую нагрузку в аппарате с естественной циркуляцией q = 20...50 кВт/м², с искусственной циркуляцией q = 40...80 кВт/м². Тог­да площадь поверхности теплопереда­чи (м²) примерно равна

(9.307)

479

Зная F_ap, по нормалям выбирают тип аппарата и определяют высоту труб Я.

Потери в трубопроводах между от­дельными корпусами принимают рав­ными At_T = 1...1,5 К.

Коэффициент теплопередачи [Вт/ (м² ■ К)] для выпарного аппарата

(9.308)

где с*!, (*2 — коэффициенты теплоотдачи от пара к стенке и от стенки к продукту, Вт/(м² ■ К); Si, 8₂ — толщина стенки трубок и накипи, м; \_х, Х₂ — коэффициенты теплопроводности матери­алов трубки и накипи, Вт/(м ■ К).

При пленочной конденсации пара коэффициент теплоотдачи [Вт/(м² ■ К)]

(9.309)

где А — коэффициент; г — скрытая теплота парообразования, Дж/кг; р_к — плотность кон­денсата, кг/м³; Х_к — теплопроводность конден­сата, Вт/(м ■ К); ц_к — коэффициент динамичес­кой вязкости конденсата, Па ■ с; <„, £_ст — тем­пература греющего пара и стенки, "С.

Коэффициент А зависит от харак­тера течения пленки: при ламинар­ном течении А = 1,12, при турбулент­ном — А = 1,38. Режим течения плен­ки по вертикальной поверхности оп­ределяют по критерию Рейнольдса

(9.310)

где v_K — средняя скорость течения пленки кон­денсата, м/с; 5_К — толщина пленки, м; v_K — кинематическая вязкость конденсата, м²/с.

Средняя скорость (м/с) течения конденсата

(9.311)

где G_n — массовый расход конденсата (грею­щего пара), кг/с; d — их внешний диаметр ки­пятильных трубок, м; п — число кипятильных трубок.

Для определения коэффициента

теплоотдачи а₂ [Вт/(м² • К)] при кипе­нии жидкости в объеме и в процессе циркуляции существует несколько фор­мул. Используем формулу С. С. Кутате-ладзе

(9.312)

где р_к, р_п — плотность конденсата и вторично­го пара, кг/м³; а — поверхностное натяжение, Н/м; v — коэффициент кинематической вязко­сти жидкости, м²/с, а — температуропровод­ность жидкости, м²/с;? — плотность теплово­го потока; р — давление над поверхностью ки­пения, Па.

Коэффициент теплоотдачи сх₂ [Вт/ (м² ■ К)] в пластинчатых аппаратах определяют по эмпирической формуле

(9.313)

где g_n]1 — плотность орошения пластин, кг/ (м² • с); р_к — давление кипения, Па.

Формула справедлива при q < 45 кВт/ м²; g_np = 0,14...0,22 кг/(м² с) и р = = 12...25 кПа.

В пленочных аппаратах коэффици­ент теплоотдачи [Вт/(м² ■ К)]

(9.314)

Формула справедлива при g_np = = 0,056...0,167 кг/(м² • с), р_к =.10... 40 кПа и при q = 4,6...26,6 кВт/м².

Учитывая, что термическое сопро­тивление чистой стенки трубы мало, можно коэффициент теплопередачи определить по формуле

(9.315)

Для стенки, загрязненной наки­пью,

k = \\rk₀,

где \|/ < 1 — коэффициент, учитывающий сни­жение k₀ из-за загрязнений.

Коэффициент \|/ определяют по опытным данным. Для ориентировоч­ных расчетов можно принять \|/ = = 0,7...0,8.

Так как а_1; а₂ и k зависят от удельного теплового потока q, целесо­образно для трех-четырех значений q найти значения k, а затем перепад температур (К) из формулы

(9.316)

и построить график At = f(q). Из это­го графика, зная расчетную полезную разность температур At_n, находят ре­альный удельный тепловой поток в аппарате q и коэффициент теплопере­дачи [Вт/(м² ■ К)]

(9.317)

Тогда площадь поверхности тепло­передачи (м²) в аппарате

(9.318)

где Q — тепловая нагрузка, Вт.

После определения F уточняют конструктивные особенности аппара­та.

Количество острого пара в одно-корпусной установке с инжектором определяют по формуле

С_и = G_n(l + u),    (9.319)

где G_a — количество пара, посту