Для чего нужно выпаривание

главная > справочник > химическая энциклопедия:

Выпаривание

Выпаривание, осуществляют для концентрирования растворов, выделения растворенного вещества или получения чистого растворителя. Выпариванию подвергают преимущественно водные растворы нелетучих или малолетучих веществ.

Для проведения процесса применяют выпарные аппараты (выпарные аппараты), работающие под атмосферным и избыточным (до 0,6 МПа) давлением или разрежением (до 0,008 МПа). При работе под избыточным давлением повышается температура кипения раствора, поэтому возможности данного способа ограничены свойствами раствора и температурой теплоносителя. Разрежение в выпаривании а. создается в результате конденсации вторичного пара в специальных конденсаторах, охлаждаемых водой или исходным раствором, и удаления неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса. Выпаривание в условиях разрежения позволяет снизить температуру кипения раствора; применяется для концентрирования термочувствительных растворов, например лизина. послеспиртовых бард гидролизных производств, а также высококипящих растворов, например H₂SO₄.

В зависимости от способа нагревания концентрируемого раствора выпаривания делят на поверхностные (теплота передается от теплоносителя к раствору через стенку) и контактные, в которых происходит непосредственное соприкосновение теплоносителя с раствором.

Пленочные выпарные аппараты применяют для сильно пенящихся и термочувствительных продуктов, например в производстве дрожжей, ферментов, антибиотиков, фруктовых соков, растворимого кофе. Концентрирование происходит в результате однократного движения тонкого слоя (пленки) раствора вместе с вторичным паром вдоль труб длиной 6-8 м (поверхность нагрева до 2200 м 2 ). Различают: аппараты с прямоточным восходящим движением раствора за счет силы трения на границе между жидкостью и паром, который движется снизу вверх с достаточно большой скоростью (рис. 1, ж); с нисходящим движением жидкости, свободно стекающей по поверхности нагрева (рис. 1, з); роторные, в которых раствор перемещается («размазывается») скребками ротора по поверхности теплообмена (рис. 1, и). В роторных аппаратах концентрируют очень вязкие ( до 20 Па*с) термочувствительные вещества, например карбамид, желатину, капролактам, глицерин; в результате получают пасто- или порошкообразные продукты. Достоинства пленочных аппаратов: отсутствие гидростатической депрессии, малое гидравлическое сопротивление, высокий коэффициент теплопередачи [до 2500 кВт/(м*К)], большая производительность при относительно небольших объемах аппаратов и занимаемых ими площадях, малая продолжительность контакта раствора с поверхностью теплообмена. Недостатки: чувствительность к неравномерности подачи исходного раствора, трудоемкость очистки поверхности нагрева. Важное значение для эффективной работы выпарные аппараты имеет происходящее в его паровом пространстве, или сепараторе, отделение вторичного пара от капель концентрируемого раствора. Последние загрязняют пар, затрудняя использование его конденсата для питания паровых котлов ТЭЦ, а также служат причиной инкрустации (иногда значительной) поверхности нагрева и источником безвозвратных потерь концентрируемого раствора. Степень сепарации вторичного пара зависит от свойств раствора и интенсивности образования пены (обильное пенообразование повышает унос раствора паром). Низкое поверхностное натяжение и высокая вязкость раствора способствуют появлению пены. Присутствие в растворе взвешенных частиц сообщает пене устойчивость. Для уменьшения пенообразования к раствору иногда добавляют вещества, которые повышают поверхностное натяжение (например, растительные масла, высшие спирты, керосин) или удаляют взвешенные вещества перед выпаривание путем фильтрования раствора.

Интенсивность работы выпарных аппаратов, особенно при переработке растворов веществ, которые образуют отложения на поверхности нагрева, в значительной степени зависит от своевременного удаления накипи. Последняя сильно уменьшает коэффициент теплопередачи и, следовательно, производительность аппаратов, нарушает циркуляцию раствора, может быть причиной коррозии в сварных швах. Снижение коэффициента теплопередачи компенсируют увеличением . Это достигается повышением давления греющего пара при постоянном давлении в аппарате или уменьшением, давления в аппарате при постоянных температуре и давлении первичного пара. Для сохранения неизменной производительности выпарные аппараты (при условии постоянства состава выпариваемого раствора и давления) температура греющего пара должна возрастать пропорционально продолжительности работы аппаратов. Последняя определяется кол-вом отложений на поверхности нагрева. Накипь удаляют путем периодической промывки или механической очистки выпарных аппаратов.

Для получения небольших масс продукта (несколько грамм или килограмм) в лабораторных условиях обычно применяют стеклянные колбы, снабженные внутренними или внешними конденсаторами.

Выпарные установки. Одноступенчатые установки могут быть непрерывного и периодического действия. Последние отличаются более высокими коэффициентами теплопередачи, но сложнее в обслуживании, поскольку их нельзя полностью автоматизировать. В одиночных аппаратах выпаривают сравнительно небольшие количества растворов, например в производствах особо чистой NaCl, а также Na₂S, томатных паст, сгущенного молока. Образующийся вторичный пар для выпаривания не используют. Упомянутый недостаток устранен в аппаратах с тепловым насосом. В них вторичный пар сжимают турбокомпрессором или паровым инжектором, повышая таким образом его температуру до температуры греющего пара. В первом случае используется практически полностью вторичный пар, расходуется только электроэнергия, однако возрастают стоимость оборудования и затраты на его эксплуатацию. Во втором случае вследствие добавления в систему первичного пара часть вторичного пара удаляется из цикла. Аппараты с тепловым насосом целесообразно применять для растворов, характеризующихся небольшими температурными депрессиями, при разрежениях в паровом пространстве 0,02-0,08 МПа и малых степенях сжатия вторичного пара (не более 2).

В зависимости от направления относительного движения раствора и пара многоступенчатые установки делятся на прямоточные, противоточные, смешанного типа и с параллельным питанием ступеней. В наиболее простой по аппаратурному оформлению прямоточной установке раствор подается в первый аппарат и, перемещаясь последовательно через остальные под действием перепада давлений между ступенями, удаляется из последней. Достоинства этих установок: возможность переработки термолабильных растворов (например, электролитических щелоков, алюминатных и содово-поташных растворов в производстве кальцинированной соды, пониженный износ аппаратуры, небольшие потери теплоты с выпаренным раствором. Недостаток: переток раствора по мере его концентрирования в аппарат, находящийся под меньшим давлением; при этом снижается температура кипения раствора, но возрастает его вязкость, что приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи.

В противоточной установке выпариваемый раствор (например, MgCl₂ или оборотный рассол в производстве калийных солей подается в последнюю ступень и удаляется из первой. При этом увеличение концентрации раствора сопровождается повышением температуры, вследствие чего коэффициента теплопередачи по ступеням выше, чем при прямотоке. Недостатки такой установки: применение насосов между ступенями для подачи раствора из аппарата, работающего при меньшем давлении, в аппарат, находящийся под более высоким давлением; необходимость автоматического регулирования уровня раствора в каждом выпарные аппараты

В установке с параллельным питанием раствор подают одновременно в каждую ступень, а сконцентрированный раствор последовательно отбирают из всех ступеней. Эти установки служат главным образом для выпаривания растворов, состав которых мало изменяется в ходе процесса, а также для насыщенных кристаллизующихся растворов (например, рассолов в производстве пищевой NaCl). В каждой ступени раствор выпаривается при постоянной концентрации с выделением соли в результате испарения части растворителя. Вторичный пар, получаемый в предыдущей ступени, обогревает последующую. Достоинство параллельного питания: наиб. простая система коммуникаций для подачи исходного и отбора конечного растворов. Недостаток: сравнительно низкие коэффициентов теплопередачи по ступеням, поскольку в каждой из них находится раствор с макс. конечной концентрацией растворенного вещества.

Тепловая нагрузка на одиночный выпарной аппарат в общем виде составляет:

Поверхность нагрева аппарата и расход греющего пара соответственно составляют:

При расчете многоступенчатой установки кол-во воды, выпариваемой в любой i-той ступени, составляет:

Тепловая нагрузка на i-тую ступень и поверхность нагрева этой ступени соответственно составляют:

Общую и полезную разность температур определяют из уравнений:

где n_к-число ступеней, -потери температурного напора между ними.

Источник

Выпаривание

11.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Выпаривание — процесс концентрирования растворов твердых нелетучих или малолетучих веществ путем испарения летучего растворителя и отвода образовавшихся паров.

В промышленности выпаривание обычно проводят при кипении раствора.

При выпаривании растворов твердых веществ в ряде пищевых производств достигают насыщения раствора; при дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, в результате которой выделяется растворенное вещество.

Выпаривание применяют для повышения концентрации разбавленных растворов или выделения из них растворенного вещества путем кристаллизации.

Процесс выпаривания широко используют в сахарном и консервном производствах при концентрировании сахарных и томатных соков, молока и др.

В пищевой технологии выпаривают, как правило, водные растворы.

Выпаривание проводят в выпарных аппаратах. Процесс выпаривания может проводиться непрерывно и периодически. Аппараты периодического действия используют в основном в производствах малого масштаба.

В крупнотоннажных производствах применяют непрерывнодействующие выпарные установки, площадь поверхности нагрева которых достигает 6000…10000 м2. При таких поверхностях нагрева решающим фактором, который определяет экономичность установки, является расход греющего пара и воды.

Выпаривание осуществляют как под вакуумом, так и при атмосферном и избыточном давлениях.

При выпаривании под вакуумом в аппарате создается вакуум путем конденсации вторичного (сокового) пара в специальном конденсаторе и отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса.

Выпаривание под вакуумом позволяет снизить температуру кипения раствора, что особенно важно при выпаривании пищевых растворов, которые особенно чувствительны к высоким температурам. Применение вакуума позволяет увеличить движущую силу теплопередачи и, как следствие, уменьшить площадь поверхности выпарных аппаратов, а следовательно, их материалоемкость.

При выпаривании под атмосферным давлением образующийся вторичный пар сбрасывается в атмосферу. При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как нагревающий агент в подогревателях, для отопления теплиц и т. п. Выпаривание под давлением связано с повышением температуры кипения раствора, поэтому применение данного способа в пищевой технологии ограничено свойствами растворов и температурой теплоносителя.

11.2 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫПАРИВАНИЯ

В процессе выпаривания увеличивается концентрация раствора и, как следствие, изменяются его теплофизические свойства.

Рассмотрим некоторые свойства растворов, представляющих особый интерес для расчета, конструирования и эксплуатации выпарных установок.

Температурная депрессия — разность между температурами кипения раствора и растворителя . Из теории растворов известно, что при одной и той же температуре T давление паров над чистым растворителем больше, чем давление паров над раствором , и соответственно при одном и том же давлении температура кипения чистого растворителя ниже температуры кипения раствора.

Температурная депрессия зависит от свойств растворенного вещества и растворителя; она повышается с увеличением концентраций раствора и давления. Определяется температурная депрессия экспериментальным путем.

Если известна температурная депрессия при атмосферном давлении , депрессию при других давлениях можно определить по приближенной формуле Тищенко

(11.1)

где: и — соответственно абсолютная температура кипения (в К) и теплота испарения (в Дж/кг) для воды при данном давлении,

,

где .

Значения К в зависимости от давления приведены ниже.

Абсолютное давление, кПа

Абсолютное давление, кПа

Теплоемкость растворов — функция температуры и концентрации растворенного вещества. Для большинства растворов теплоемкость не имеет аддитивных свойств и не может быть вычислена по теплоемкости растворенных веществ и растворителей. Отклонение от свойств аддитивности тем больше, чем больше концентрация растворенного вещества.

При выполнении расчетов пользуются опытными данными, которые в виде графиков и таблиц помещены в справочниках физико-химических величин.

Теплота растворения зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, а также от концентрации раствора. При растворении твердых веществ во многих случаях разрушается кристаллическая решетка, что связано с необходимостью затраты энергии, при этом наблюдается охлаждение раствора. Если же растворяемое вещество вступает в химическое взаимодействие с растворителем, образуя гидраты, то выделяется теплота. Теплота растворения, таким образом, представляет собой сумму теплот плавления и химического взаимодействия.

Вещества, легко образующие гидраты, имеют положительные теплоты растворения; вещества, не образующие гидратов, имеют отрицательные теплоты растворения в воде.

Интегральной теплотой растворения называют количество теплоты, поглощающейся или выделяющейся при растворении 1 кг твердого вещества (или раствора, в котором содержится 1 кг твердого вещества) в большом количестве растворителя.

Если известны интегральная теплота растворения раствора концентрацией х1 и интегральная теплота растворения раствора концентрацией х2, то на основании закона Гесса (который устанавливает, что тепловой эффект процесса зависит только от начального и конечного состояния системы, но не зависит от пути, по которому протекает процесс) можно записать

Тепловой эффект положителен при разбавлении раствора от концентрации до , отрицателен при повышении концентрации раствора от до .

При выпаривании пищевых растворов теплота растворения мала и может не учитываться при расчете выпарных установок.

11.3 СПОСОБЫ ВЫПАРИВАНИЯ

В пищевых производствах применяют однократное выпаривание, которое проводят непрерывным способом или периодически, 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).

Выпариваемый раствор нагревают в большинстве случаев путем передачи теплоты от теплоносителя через стенку, разделяющую их.

Однократное выпаривание проводят в установке, показанной на рис. 11.1. Такие установки применяют в малотоннажных производствах. Однократное выпаривание можно проводить непрерывно или периодически. Образующийся при выпаривании вторичный пар в этих установках не используется, а конденсируется в конденсаторе.

Основные аппараты установки — выпарной аппарат, подогреватель, барометрический конденсатор и насосы.

Выпарной аппарат состоит из верхней части — сепаратора и нижней — греющей камеры, которая представляет собой кожухотрубный теплообменник. В трубном пространстве находится кипящий раствор, а в межтрубное подается греющий пар.

Рис. 11.1 Установка однократного выпаривания непрерывного действия:

В сепараторе с отбойниками капельки отделяются от вторичного пара, которые затем конденсируются. Конденсат вместе с охлаждающей водой удаляется через барометрическую трубу в колодец. Концентрированный раствор с заданной концентрацией хк непрерывно откачивается из нижней части выпарного аппарата в хранилище готового продукта.

Материальный баланс однократного выпаривания (рис. 11.2) выражается двумя уравнениями:

и по растворенному твердому веществу

, (11.4)

Рис. 11.2. К составлению материального и теплового балансов однократного выпаривания

Из сопоставления уравнений (11.3) и (11.4) найдем количество выпаренной воды при изменении концентрации раствора от до или конечную концентрацию раствора, если количество выпаренной воды задано технологическим регламентом:

; (11.5)

(11.6)

Тепловой баланс однократного выпаривания согласно схеме тепловых потоков, показанных на рис. 11.2, выразится уравнением

(11.7)

Заменив в последнем равенстве на , имеем

(11.8)

Из уравнения (11.8) находят массовый расход греющего пара

(11.9)

Из равенства (11.9) следует, что расход пара определяется тремя слагаемыми правой части: расходом пара на изменение энтальпии выпариваемого раствора, расходом пара на собственно выпаривание растворителя и расходом пара на компенсацию потерь теплоты в окружающую среду.

Расчеты показывают, что расход пара на выпаривание определяется вторым слагаемым в уравнении (11.9). Первое и третье слагаемые невелики по сравнению со вторым, следовательно,

. (11.10)

Надо иметь в виду, что . Отсюда следует, что для испарения 1 кг воды требуется затратить 1,1. 1,2 кг греющего насыщенного водяного пара.

Площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата определяют из основного уравнения теплопередачи , где — полезная разность температур, равная разности температур конденсации греющего насыщенного водяного пара и кипящего раствора.

Полезную разность температур находят по общей разности температур и температурным депрессиям.

Общей разностью температур называется разность между температурой греющего пара, подаваемого в греющую камеру выпарного аппарата, и температурой вторичного пара в конце паропровода, отводящего пар из выпарного аппарата (или на входе в конденсатор, если такой имеется):

(11.11)

где: — температура греющего пара, °С; — температура вторичного пара в конце отводящего паропровода или на входе в конденсатор, °С.

Полезная разность температур

(11.12)

где: — сумма потерь общей разности температур (депрессий), °С.

, (11.13)

где: — гидростатическая потеря разности температур — депрессия (представляет собой разность между температурами кипения раствора посередине греющих труб в выпарном аппарате и на поверхности, °С; — гидродинамическая потеря разности температур (учитывает снижение температуры вторичного пара на входе в барометрический конденсатор по сравнению с температурой на выходе из выпарного аппарата в трубопроводе), °С.

Гидродинамическая потеря разности температур невелика и принимается при расчетах выпарных установок равной 1. 1,5 °С. Гидростатическая потеря разности температур

, (11.14)

где: — температура кипения раствора посередине греющих труб при давлении ,°С; — давление раствора у середины греющих труб; — давление в выпарном аппарате; — температура кипения раствора на поверхности выпариваемого раствора, т. е. при давлении , °С.

; (11.15)

,

где: — плотность парожидкостной эмульсии в греющих трубах; кг/м3; ; — плотность раствора, кг/м3; — расстояние от уровня раствора в аппарате до трубной решетки, м; — длина греющих труб, м.

При периодическом выпаривании коэффициент теплопередачи К и потери общей разности температур являются величинами переменными, зависящими от концентрации.

При расчете поверхности нагрева периодически действующего выпарного аппарата по основному уравнению теплопередачи величины К и надлежит определять как средние, пользуясь приемами графического интегрирования:

; (11.16)

. (11.17)

Многократное выпаривание проводят 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 двухкорпусной установки около 0,55, для трехкорпусной — около 0,4, для четырехкорпусной установки около 0,3 кг пара на 1 кг выпаренной воды.

Многократное выпаривание можно 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 применяют при концентрировании термически стойких растворов.

При выпаривании под избыточным давлением требуется автоматическое регулирование 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. 11.3 показана схема прямоточной многокорпусной выпарной установки. Исходный раствор в количестве кг/ч с концентрацией 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 хк1. При этом из первого аппарата удаляется кг/ч вторичного пара. Далее раствор поступает в последующие корпуса установки, где концентрируется во втором корпусе до концентрации хк2, в третьем — до хк3 и так до конечной заданной концентрации. Соответственно из корпусов удаляется вторичного пара , ,…, кг/ч, где п — число корпусов. Из последнего корпуса вторичный пар поступает в барометрический конденсатор.

Рис. 11.3. Схема прямоточной многокорпусной установки

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. С увеличением концентрации раствора и падением давления от корпуса к корпусу уменьшаются коэффициенты теплопередачи, в результате чего снижается общий коэффициент теплопередачи.

Схема противоточной выпарной установки показана на рис. 11.4. 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.

Рис. 11.4. Схема противоточной многокорпусной установки

Противоточные установки используют в основном для выпаривания растворов, вязкость которых резко возрастает 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.

Количество выпаренной воды в многокорпусной выпарной установке (МВУ) при заданных начальной и конечной хк концентрациях находят по уравнению (11.5), конечную концентрацию на выходе из каждого корпуса — по уравнению

, (11.18)

где: — количество воды, выпаренное в данном и предыдущих корпусах; п –число корпусов.

Очевидно, что общее количество выпаренной воды

(11.19)

Если в каждом корпусе выпаривается одинаковое количество воды, то

(11.20)

Конечная концентрация раствора на выходе из — го (последнего) корпуса

(11.21)

Для любого — го корпуса расход греющего пара определяется по уравнению, аналогичному (11.9):

(11.22)

(11.23)

Если установка работает с отбором экстрапара, то , где— количество экстрапара, отбираемого в (—1)-м корпусе.

Приведенные уравнения позволяют рассчитать МВУ методом итераций.

Общую разность температур вычисляют так же, как и в однокорпусных установках, по уравнению (11.11).

Общая потеря разности температур в МВУ складывается из суммы потерь (депрессий) в каждом корпусе.

Суммарная разность температур

(11.24)

где: — общая полезная разность температур, °С; , — температуры греющего и вторичного пара в конце отводящего пар паропровода или на входе в конденсатор, °С; , , — суммы депрессий (потерь полезной разности температур) во всех корпусах за счет температурной депрессии, гидростатического эффекта и гидродинамических потерь, °С.

Суммарная полезная разность температур наиболее часто распределяется по корпусам так, чтобы все корпуса имели равные площади поверхности нагрева, т. е. чтобы аппараты были взаимозаменяемыми:

(11.25)

Определив площади поверхности теплопередачи каждого корпуса по основному уравнению теплопередачи (3.1.1), получим

(11.26)

где: , ,…, — коэффициенты теплопередачи в 1, 2. -м корпусах.

Из соотношения (11.26) получим

; ;.

Суммируя левые и правые части последних равенств, находим

. (11.27)

Аналогично полезная разность температур для 2-го корпуса ;

для любого — го корпуса

. (11.28)

В данном случае суммарная полезная разность температур распределяется по корпусам пропорционально отношениям тепловых нагрузок к коэффициентам теплопередачи.

Другим способом распределения полезной разности температур по корпусам является такой, который обеспечивает минимальную площадь поверхности теплопередачи установки.

Площадь поверхности теплопередачи, например, двухкорпусной выпарной установки

(11.29)

где .

. (11.30)

Для определения минимальной площади поверхности теплопередачи выпарной установки продифференцируем (11.30) по и производную приравняем нулю.

Тогда соотношение полезных разностей температур в корпусах

(11.31)

и на основании свойств получим:

.

Из последнего выражения получим

(11.32)

Аналогично для второго корпуса

. (11.33)

Для многокорпусной выпарной установки распределение полезной разности температур по корпусам, обеспечивающее минимальную суммарную площадь поверхности нагрева всех корпусов, определяется уравнением

(11.34)

В данном случае суммарная полезная разность температур распределяется по корпусам пропорционально квадратным корням из отношений тепловых нагрузок к коэффициентам теплопередачи.

Определим рациональное количество корпусов в многокорпусных выпарных установках. Увеличение ограничено потерями полезной разности температур, которые возрастают с увеличением количества корпусов.

Многокорпусная установка может работать при условии

. (11.35)

Предельное количество корпусов в МВУ определяется положительным значением полезной разности температур, т. е. .

На практике количество корпусов находят путем технико-экономического расчета, т. е. в зависимости от суммарных затрат на проведение процесса выпаривания. Суммарные затраты включают капитальные и амортизационные расходы, затраты на ремонт, энергозатраты, затраты на эксплуатацию.

С увеличением количества корпусов растет металлоемкость установки, но понижается ее энергоемкость. Затраты на обслуживание с введением системы автоматического управления почти не зависят от количества корпусов. Капитальные и амортизационные затраты пропорциональны количеству корпусов.

Каждый корпус многокорпусной установки имеет нагрузку , а общая полезная разность температур составляет для одного корпуса. Следовательно, площадь поверхности теплопередачи каждого корпуса многокорпусной установки при той же производительности равна площади поверхности теплопередачи однокорпусной установки:

.

Тогда общая площадь поверхности теплопередачи МВУ в п раз больше площади поверхности теплопередачи однокорпусной установки: .

Минимум суммарных затрат на проведение процесса выпаривания определяется на основании результатов расчетов для различного количества корпусов МВУ.

На рис. 11.5 показано, как изменяются различные статьи расходов с изменением числа корпусов.

Минимальные суммарные затраты, соответствующие минимуму кривой 1 на рис. 11.5, определяют рациональное количество корпусов МВУ. Обычно промышленные установки многократного выпаривания включают 3, 4 или более корпуса. При проектировании МВУ определяют производительность и площадь поверхности нагрева отдельных аппаратов, режимные параметры, коэффициенты теплопередачи, тепловые схемы количество выпарных аппаратов, а также выполняют технико-экономические расчеты.

Основная задача поверочных расчетов заключается в проверке возможности использования имеющихся аппаратов в заданных условиях, определении фактической производительности и режимов работы установки. При поверочных расчетах обычно решают задачи, возникающие в ходе эксплуатации выпарных установок.

При проектных расчетах площади поверхности нагрева выпарных аппаратов являются определяемыми величинами, а при поверочных — заданными.

Рис. 11.5. К определению оптимального количества корпусов выпаривания n:

Этот метод основан на допущении, что . Необходимость предварительного задания температурного режима, распределения полезной разности температур по корпусам является недостатком этого метода и вызвана тем, что система уравнений материального и теплового балансов не является полной и для ее замыкания необходимо использовать уравнение теплопередачи для всех аппаратов. Расчет проводят методом итераций (последовательных приближений). Метод итераций заключается в том, что неизвестными величинами предварительно задаются, а затем уточняют их по ходу расчета.

Расчет МВУ заключается в определении тепловых нагрузок у поверхностей теплопередачи корпусов установки и суммарной площади поверхности теплопередачи. Расчет начинают с вычисления количества воды, выпариваемой всей установкой, затем в первом приближении принимают, что в каждом корпусе выпаривается одинаковое количество воды, т. е. . Зная количество воды, выпариваемой в каждом корпусе, определяют концентрации растворов в этих корпусах по уравнению (11.6) и потери общей разности температур вследствие гидростатического эффекта и температурной депрессии.

Определив потери общей разности температур, рассчитывают полезную разность температур и распределяют ее по корпусам согласно уравнениям (11.24), (11.28), (11.35). Затем определяют параметры температуры растворов и паров и соответственно их тепловые параметры.

Далее по уравнению (11.21) находят расход греющего пара для корпуса, в котором раствор имеет наибольшую концентрацию.

На основании равенства (11.22) вычисляют количество выпаренной воды в (п—1)-м корпусе. Продолжая последовательные расчеты, определяют количество выпаренной воды и расход пара в каждом корпусе. Находят коэффициент теплопередачи по (9.47) на основании коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и загрязнений аппарата и определяют площадь поверхности теплопередачи каждого корпуса. Если площади поверхностей теплопередачи корпусов сильно различаются, проводят второй уточненный расчет, принимая за исходные данные результаты первого приближения — количество выпаренной воды.

Режим работы МВУ определяется системой взаимосвязанных параметров, рассчитываемых на основе замкнутых систем уравнений. При уточненных расчетах необходимо решать более сложные уравнения и использовать численные методы. Большинство уравнений, описывающих МВУ, нелинейно, и решение их в аналитической форме невозможно. Поэтому возникает необходимость применения методов математического моделирования с использованием ЭВМ.

Уточненный расчет МВУ основан на решении системы уравнений статики. Эта система решается итерационными методами. При разработке алгоритмов возможно два варианта: совместное решение замкнутой системы уравнений, описывающих МВУ, и решение системы уравнений для одного аппарата с последующим использованием этого алгоритма для определения параметров работы других аппаратов.

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. 11.6). Вторичный пар давлением рвт и энтальпией , выходящий из выпарного аппарата, засасывается в турбокомпрессор, в котором сжимается до давления . Энтальпия при этом возрастает до . Таким образом, за счет сжатия пар приобретает теплоту . Сжатый пар поступает из турбокомпрессора в греющую камеру выпарного аппарата.

Рис. 11.6 Выпарной аппарат (1) с турбокомпрессором (2)

Тепловой баланс процесса

, (11.36)

откуда расход греющего пара

(11.37)

где: — удельная энтальпия вторичного пара после сжатия в турбокомпрессоре, кДж/кг.

Из сравнения уравнений (11.9) и (11.37) видно, что при выпаривании с использованием теплового насоса расход греющего пара снижается за счет повышения энтальпии вторичного пара на величину :

(11.38)

Однако наряду с экономией греющего пара необходимы затраты электроэнергии на приведение в действие турбокомпрессора.

, (11.39)

где: — адиабатический КПД турбокомпрессора; — механический КПД электродвигателя и привода.

Установка удорожается также на стоимость турбокомпрессора. В установках с паровым инжектором (рис. 11.7) греющий пар из котельной поступает в паровой инжектор. Паровой инжектор представляет собой несложное устройство типа сопла Вентури, при изготовлении которого не требуется значительных затрат металла. В результате создания вакуума в инжектор засасывается из выпарного аппарата вторичный пар давлением и энтальпией .

Рис. 11.7. Выпарной аппарат (1) с инжекторным тепловым насосом (2)

Каждая массовая единица греющего пара засасывает массовых единиц вторичного пара. В результате получают греющий пар в количестве с давлением меньшим, чем давление греющего пара, но большим, чем вторичного пара. Часть пара, равная , сбрасывается с установки на побочные нужды.

Тепловой баланс процесса описывается равенствами

(11.40)

(11.41)

Сопоставление равенств (11.40) и (11.41) с уравнением теплового баланса выпаривания (11.9) показывает, что в этом процессе расход греющего пара уменьшается в раз по сравнению с процессом простого выпаривания.

Обычно коэффициент инжекции m составляет 0,5. 1,0.

Выпарные установки с инжектором применяют 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.

11.4 УСТРОЙСТВО ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

Наибольшее распространение в пищевых производствах получили трубные выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией при площади поверхности нагрева 10. 1800. В зависимости от расположения греющей камеры аппараты бывают с соосной или с вынесенной греющими камерами.

Кроме перечисленных аппаратов применяют различные конструкции пленочных выпарных аппаратов.

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

Выпарные аппараты изготовляют из углеродистой, коррозиестойкой и двухслойной стали.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией просты по конструкции и применяются для выпаривания растворов невысокой вязкости, не склонных к кристаллизации. Эти аппараты бывают с соосной и вынесенной греющими камерами (рис. 11.8, а, б).

Рис.11.8 Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора:

Выпарной аппарат состоит из сепаратора, греющей камеры и циркуляционной трубы. Сепаратор представляет собой цилиндрическую емкость с эллиптической крышкой, присоединенную с помощью болтов к греющей камере. В сепараторе для отделения капелек жидкости от вторичного пара устанавливают отбойники различной конструкции. Греющая камера выполнена в виде вертикального кожухотрубного теплообменника, в межтрубное 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 трубы и кипятильных труб. Если жидкость в трубах нагрета до кипения, то в результате выпаривания части жидкости в этих трубах образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, масса столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в кипятильных трубах, вследствие чего происходит циркуляция кипящей жидкости по пути кипятильные трубы — паровое пространство — циркуляционная труба — трубы и т. д. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и снижается образование накипи на поверхности труб.

Для естественной циркуляции требуются два условия: 1) достаточная высота уровня жидкости в циркуляционной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси и создать необходимую скорость; 2) достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела возможно малую плотность.

Представленные на рис. 11.8 аппараты выгодно отличаются от устаревших конструкций аппаратов с центральной циркуляционной трубой. Наличие обогреваемой центральной циркуляционной трубы 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 .

На рис. 11.9 показано размещение кипятильных труб в трубной решетке.

Рис. 11.9. Размещение кипятильных труб в распределительной решетке греющей камеры

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией характеризуются простотой конструкции и легкодоступны для ремонта и очистки.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора позволяют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопередачи.

На рис. 11.10 показаны такие аппараты с соосной и вынесенной греющими камерами.

Рис. 11.10. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора:

Циркуляция жидкости производится пропеллерным или центробежным насосом. Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается лишь на преодоление гидравлических сопротивлений.

Давление в низу кипятильных труб больше, чем в верху, на величину давления столба жидкости в трубах плюс их гидравлическое сопротивление. Из-за 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.

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 (3. 5 °С) и при выпаривании растворов большой вязкости.

Преимущества аппаратов с принудительной циркуляцией: высокие коэффициенты теплопередачи (в раза больше, чем при естественной циркуляции), а следовательно, и значительно меньшие площади поверхности теплопередачи, а также отсутствие загрязнений поверхности теплопередачи при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при небольших разностях температур.

Недостаток этих аппаратов — затраты энергии на работу насоса.

Применение принудительной циркуляции целесообразно при изготовлении аппарата из дорогого металла для выпаривания кристаллизующихся и вязких растворов.

Пленочные выпарные аппараты применяют при концентрировании 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.

Рис 11.11 Пленочные выпарные аппараты:

Пленочные аппараты, как и описанные выше, состоят из греющей камеры и сепаратора (рис. 11.11). В греющей камере расположены трубы длиной от 5 до 9 м, которые обогреваются греющим паром.

На рис. 11.11, а показан пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой и соосной греющей камерой. Исходный раствор подается в трубы снизу, причем уровень жидкости в трубах поддерживается на уровне 20. 25% высоты труб. В остальной части труб находится парожидкостная смесь. Раствор в виде пленки находится на поверхности труб, а пар движется по оси трубы с большой скоростью, увлекая за собой пленку жидкости. При движении пара и пленки жидкости за счет трения происходят турбулизация пленки и интенсивное обновление поверхности. За счет этих факторов достигаются высокие коэффициенты теплопередачи и большая поверхность испарения.

На рис. 11.11, б показан аппарат с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой. В таких аппаратах исходный раствор поступает сверху в греющую камеру, а концентрированный раствор выводится из нижней части сепаратора.

Пленочные выпарные аппараты изготовляют с площадью поверхности теплопередачи от 01.01.01 с диаметром труб 36 и 57 мм. Избыточное давление в греющей камере от 0,3 до 1,0 МПа, а вакуум в сепараторе 93 кПа.

Недостаток пленочных аппаратов — неустойчивость работы при колебаниях давления греющего пара. При нарушении режима работы аппарат можно перевести на работу с циркуляцией раствора, как в аппаратах с принудительной циркуляцией.

Роторно-пленочные выпарные аппараты применяют при концентрировании пищевых растворов, а также суспензий.

Роторно-пленочный аппарат представляет собой цилиндрический или конический корпус с обогреваемой рубашкой (рис. 11.12). Внутри корпуса вращается ротор, распределяющий раствор по цилиндрической поверхности корпуса в виде пленки, а в некоторых случаях — в виде струй и капель. Роторно-пленочные аппараты выполнены, как правило, из нержавеющей стали Х18Н10Т и углеродистой стали. Высота аппаратов достигает 12,5 м при диаметре 1,0 м, площадь поверхности теплообмена от 0,8 до 16 .

Рис.11.12 Роторно-пленочный выпарной аппарат:

Для расчета коэффициентов теплоотдачи предложено уравнение

,

где: — частота вращения ротора; — динамическая вязкость; — теплопроводность среды.

Коэффициент теплоотдачи может быть определен и по другой зависимости:

,

где: ; — число лопастей ротора.

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

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 темпера тур от общей разности? 7. Из чего складывается сумма потерь общей разности температур (депрессий)? 8. Перечислите 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 применяют в промышленности? 12. Дайте технико-экономическую оценку работы выпарных установок с естественной и принудительной циркуляцией раствора.

Источник