Способы выпаривания

В пищевых производствах применяют однократное выпари­вание, которое проводится непрерывным способом или периоди­ческим, многократное выпаривание, проводимое непрерывно, и выпаривание с использованием теплового насоса.

Все указанные процессы проводят как под давлением, так и под вакуумом в зависимости от параметров теплоносителя и свойств выпариваемых растворов.

В качестве теплоносителя обычно используют насыщенный водяной пар. В редких случаях используют электрический обо­грев, а также нагревание промежуточными теплоносителями (перегретой водой, дифенильной смесью, маслом).

Нагревание выпариваемого раствора производится в боль­шинстве случаев путем передачи теплоты от теплоносителя через стенку, разделяющую их.

Однократное выпаривание проводится в установке, показан­ной на рис.1. Такие установки применяются в малотоннаж­ных производствах. Однократное выпаривание может проводиться непрерывно или периодически. Образующийся при выпаривании вторичный пар в этих установках не используется, а конденси­руется в конденсаторе.

Основными аппаратами установки являются выпарной аппа­рат, подогреватель, барометрический конденсатор и насосы.

Выпарной аппарат состоит из верхней части — сепаратора и нижней - греющей камеры, которая представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В трубчатом пространстве находит­ся кипящий раствор, а в межтрубчатое подается греющий пар. В сепараторе с отбойниками происходит отделение капелек от вторичного пара, которые затем конденсируются. Конденсат вместе с охлаждающей водой удаляется через барометрическую трубу в колодец. Концентрированный раствор с заданной концентрацией х_к непрерывно откачивается из нижней части выпар­ного аппарата в хранилище готового продукта.

Рис. 1. Установка однократного выпаривания непрерывного действия: 1, 8 — насосы; 2 — расходомер; 3 — теплообменник; 4 — выпарной аппарат; 5 — баро­метрический конденсатор; 6 — ловушка; 7 — барометрическая труба

Материальный баланс однократного выпаривания (рис. 12.2) выражается двумя уравнениями:

по всему веществу

G_н =G _к+W и по растворенному твердому веществу

G_н X_н = G_к X_к,

где G_н—количество поступающего раствора, кг/ч; G_к—количество упаренного раствора, кг/ч; W — количество выпариваемой воды, кг/ч; х_н и х_к — соответст­венно начальная и конечная концентрации раствора, мас. %.

Многократное выпаривание проводится в ряде последователь­но установленных выпарных аппаратов. Такие установки назы­вают многокорпусными. С целью экономии греющего пара в вы­парных установках многократного выпаривания в качестве греющего пара во всех корпусах, кроме первого, используется пар из предыдущего корпуса.

Удельный расход греющего насыщенного водяного пара со­ставляет: для однокорпусной установки 1,1 —1,2 кг пара на 1 кг выпаренной воды; для двухкорпусных установок около 0,55 для трехкорпусных — около 0,4, для четырехкорпусной установки около 0,3 кг пара на 1 кг выпаренной воды.

Многократное выпаривание возможно осуществить при ис­пользовании греющего пара высокого давления либо при приме­нении вакуума в выпарной установке.

Давление в корпусах установки должно поддерживаться та­ким образом, чтобы температура поступающего в корпус пара была выше, чем температура кипения раствора в этом корпусе. Оптимальное давление греющего пара в последнем корпусе опре­деляется технико-экономическим расчетом.

Выпаривание под избыточным давлением связано с повыше­нием температуры кипения раствора. Поэтому требуется грею­щий пар более высокого давления. Этот способ выпаривания применяется для концентрирования термически стойких рас­творов.

При выпаривании под избыточным давлением требуется авто­матическое регулирование давления пара и плотности упарен­ного раствора, но установка в целом несколько упрощается, так как отпадает

необходимость в постоянно действующем кон­денсаторе.

Многокорпусные выпарные установки делятся по взаимному направлению движения греющего пара и выпариваемого раство­ра на прямоточные, противоточные и комбинированные.

На рис. 2. показана схема прямоточной много­корпусной выпарной установки. Исходный раствор в количестве G_н кг/ч с концентрацией х_к мас. % из хранилища насосом подается в теплообменник, где подогревается до тем­пературы кипения (на схеме не показаны), и поступает на вы­паривание в первый корпус, в котором концентрируется до за­данной концентрации х_к1. При этом из первого аппарата удаля­ется W₁ кг/ч вторичного пара. Далее раствор поступает в по­следующие корпуса установки, где концентрируется во втором корпусе до концентрации х_к2, в третьем — до х_к3 и так до конеч­ной заданной концентрации. Соответственно из корпусов удаля­ется вторичного пара W₂, W₃,..., Wn кг/ч, где n — число кор­пусов. Из последнего корпуса вторичный пар поступает в баро­метрический конденсатор.

Как видно из схемы, выпариваемый раствор и вторичный пар движутся в одном направлении.

Преимуществом прямоточной схемы является то, что раствор самотеком перетекает из корпуса с более высоким давлением в корпус с меньшим давлением.

Недостатком прямоточных установок является более низкий

средний коэффициент теплопередачи, чем в противоточных уста­новках.

В первом корпусе слабый раствор получает теплоту от грею­щего пара наиболее высоких рабочих параметров, а в последнем корпусе концентрированный раствор выпаривается вторичным паром наиболее низкого давления. Увеличение концентрации раствора и падение давления от корпуса к корпусу уменьшают коэффициенты теплопередачи, в результате этого снижается об­щий коэффициент теплопередачи.

Концентрированный раствор

Рис. 2. Схема прямоточной многокорпусной установки

Схема противоточной выпарной установки показана на рис.3. Греющий пар из котельной поступает, как и в предыдущем случае, только в первый корпус, а вторичные пары обогревают все последующие корпуса. Выпариваемый рас­твор вводится в последний корпус и перемещается противотоком вторичному пару к первому корпусу. Вследствие того, что давле­ние от четвертого корпуса к первому постепенно возрастает, для перекачки раствора устанавливают центробежные насосы.

Противоточные установки в основном используются для вы­паривания растворов, вязкость которых резко увеличивается с увеличением концентрации, а также если возможно выпадение твердого вещества из раствора в последнем корпусе.

Ряд выпарных установок работает с отбором части вторич­ного пара для обогрева других технологических аппаратов, отопления цехов, теплиц, бань и т. д. Эта часть вторичного пара называется «экстрапаром».

Выпаривание с применением теплового насоса основано на использовании вторичного пара в качестве греющего в том же выпарном аппарате. Для этого температура вторичного пара должна быть повышена до температуры греющего пара. Повы­шение температуры вторичного пара достигается сжатием его в компрессоре или паровом инжекторе. В качестве компрессора обычно используется турбокомпрессор (рис.4). Вторичный пар с давлением рвт и энтальпией i, выходящий из выпарного аппарата, засасывается в турбокомпрессор, в котором сжимается до давления р₁. Энтальпия при этом возрастает до i _сж. Таким образом, за счет сжатия пар приобретает теплоту.

Рис. 3. Схема противоточной многокорпусной установки

Рис. 4. Выпарной аппарат (1) с Рис. 5. выпарной аппарат (1) с турбокомпрессором (2) инжекторным тепловым насосом (2) (2)

В установках с паровым инжектором (рис.5) греющий пар из котельной поступает в паровой инжектор. Паровой инжектор представляет собой несложное устройство типа сопла Вентури, не требующее значительных затрат металла. За счет создания вакуума в инжектор засасывается вторичный пар давлением р_вт и энтальпией (из выпарного аппарата. Каждая массовая едини­ца греющего пара засасывает m массовых единиц вторичного пара. В результате получают греющий пар в количестве D(1 +m) с давлением меньшим, чем давление греющего пара, но боль­шим, чем вторичного пара. Часть пара, равная W - mD, сбрасы­вается с установки на побочные нужды.

Выпарные установки с инжектором применяются для выпари­вания растворов с низкой температурной депрессией и высоким давлением вторичного пара. С уменьшением давления вторичного пара увеличивается адиабатический перепад теплоты при сжатии и соответственно уменьшается коэффициент инжекции. При этом расход греющего пара увеличивается и использование вы­парных установок с паровым инжектором становится нерацио­нальным.

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключается процесс выпаривания? Какие растворы концентри­руют выпариванием?

2. От чего зависит температурная депрессия и как она рассчитывается?

3. Какими методами в промышленности осуществляется процесс выпари­вания?

4. От чего зависит количество выпаренной воды?

5. Как определяется расход греющего пара при выпаривании? На что в основном расходуется греющий пар?

6. Чем отличается полезная разность температур от общей разности?

7. Из чего складывается сумма потерь общей разности температур (де­прессий)?

8. Какие имеются способы экономии греющего пара при выпаривании?

9. За счет чего происходит экономия греющего пара в многокорпусных выпарных установках?

10. В чем заключается расчет выпарных установок?

11. Какие конструкции выпарных установок применяются в промышлен­ности?

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