130879

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»

Технологический факультет

Кафедра технологического оборудования

Пленочный вакуум-выпарной аппарат

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

для студентов технологического факультета по специальностям:

260601 – машины и аппараты пищевых производств

260303 – технология молока и молочных продуктов по направлениям подготовки бакалавров:

151000 – технологические машины и оборудование

260200 – продукты питания животного происхождения

Вологда – Молочное 2011

УДК 637.1.026 ББК 36.95

П381

Составители:

д-р техн. наук, профессор А.И. Гнездилова, доц. Е.В. Данилова, доц. В.С. Кузнецова

Рецензент –

д-р техн. наук, профессор Е.А. Фиалкова

П381 Плёночный вакуум-выпарной аппарат: учебно-методическое пособие/ Сост. А.И. Гнездилова, Е.В. Данилова, В.С. Кузнецова. – Вологда – Молочное: ИЦ ВГМХА, 2011. – 22 с.

Учебно-методическое пособие составлено в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования к минимуму содержания и уровню подготовки специалистов и бакалавров.

Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов.

В учебно-методическом пособии приведены устройство, правила санитарной обработки и расчет на примере четырехкорпусного вакуум-выпарного аппарата TVR-4500 с падающей пленкой.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Вологодской государственной молочнохозяйственной академии имени Н.В. Верещагина.

УДК 637.1.026 ББК 36.95

©Гнездилова А.И., Данилова Е.В., Кузнецова В.С., 2011

©ИЦ ВГМХА, 2011

2

Из промежуточной емкости сырье центробежным насосом подается последовательно в пять унифицированных вертикальных кожухотрубных многоходовых подогревателей (прилож. 1).

Внутри каждого подогревателя расположены четыре трубы, последовательно соединенные отводами. В межтрубное пространство первого подогревателя поступает вторичный пар из пароотделителя (сепаратора) IV корпуса, имеющий наиболее низкую температуру. Часть пара при отдаче тепла конденсируется, конденсат отводится снизу из теплообменной рубашки подогревателя в межтрубное пространство конденсатора. Оставшийся пар по соединительной трубе из верхней части подогревателя переходит в межтрубное пространство вертикального кожухотрубного конденсатора для создания в вакуум-выпарной установке глубокого вакуума и снижения температуры кипения продукта. В трубки конденсатора подается вода; конденсат из межтрубного пространства откачивается водокольцевым насосом.

Сырье последовательно проходит через подогреватели II, III и IV, где нагревается вторичным паром соответственно из калоризаторов IV, III и II корпусов. Температура сырья при этом постепенно повышается. В подогревателе V нагрев сырья происходит за счёт подачи в верхнюю часть теплообменной рубашки подогревателя греющего пара из верхней части межтрубного пространства калоризатора I корпуса.

Для получения более высокой температуры нагрева сырья в I корпусе вакуум-выпарной установки при одновременной экономии расхода пара применяется термокомпрессия вторичного пара. Часть вторичного пара из пароотделителя II корпуса смешивается в термокомпрессоре с острым паром и поступает в калоризатор I корпуса. Конденсат из подогревателей удаляется через калоризаторы и через общую линию для удаления конденсата с помощь центробежного насоса.

Для окончательного нагрева до 95°С сырье центробежным насосом через пластинчатый рекуператор подается в вертикальный кожухотрубный пастеризатор. Устройство пастеризатора и подогревателей аналогично. В межтрубное пространство пастеризатора подается острый пар с температурой до 120°С.

Пар барботирует через небольшой слой конденсата, для этого патрубок подвода пара расположен ниже патрубка отвода кон-

4

денсата. Конденсат из пастеризатора и 1 калоризатора удаляется в бойлер (в котельную).

Нагретое до температуры пастеризации (95°С) сырье через рекуператор поступает в верхнюю часть калоризатора I корпуса. В рекуператоре его температура снижается до 92…93°С. Подающая вертикальная труба размещена внутри калоризатора для предупреждения дальнейшего понижения температуры на входе сырья в аппарат.

В верхней части калоризатора находится распределяющая решетка, которая разбивает поток сырья на отдельные тонкие струйки. Они попадают на верхнюю трубную решетку, в которую ввальцованы вертикальные кипятильные трубы калоризатора, обогреваемые греющим (I корпус) или вторичным (II, III и IV корпуса) паром. Сырье стекает вниз тонкой пленкой по внутренней поверхности кипятильных трубок, кипит при пониженной температуре в условиях вакуума и попадает в пароотделитель (сепаратор). Сепаратор каждого корпуса расположен соосно с соответствующим калоризатором и находится под ним. Длина труб в установке составляет 10 м, а общая высота установки 14 м.

Вторичный пар поднимается в пароотделителе вверх и удаляется по трубе в межтрубное пространство калоризатора следующего корпуса, где температура кипения продукта более низкая. Отдавая тепло, пар конденсируется, а конденсат отводится через подпорную шайбу в общую линию для удаления конденсата, на которой установлен центробежный насос для удаления конденсата из всех корпусов и конденсатора.

Подсгущенное сырье из нижней части пароотделителя центробежным насосом подается в верхнюю часть калоризатора следующего корпуса.

Устройство всех корпусов вакуум-выпарной установки аналогично, за исключением того, что в верхней части калоризаторов II, III и IV корпусов между верхней крышкой калоризатора и распределяющей решеткой установлены вертикальные сплошные перегородки, которые делят калоризаторы соответственно на две, четыре и две части (ступени).

Пароотделители каждого корпуса также имеют соответствующие вертикальные перегородки, в которых сверху имеются окна для удаления вторичного пара из каждой секции калориза-

5

тора. Такое устройство позволяет получить более высокую концентрацию продукта на выходе из каждого корпуса за счет того, что продукт в каждой секции находится изолированно, не смешивается, и концентрация его повышается при одинаковой температуре кипения в секциях одного корпуса.

Из нижней части каждой секции подсгущенный продукт центробежным насосом перекачивается в верхнюю часть следующей секции, а из последней секции каждого корпуса – в следующий корпус. Продукт движется из II корпуса сначала в IV, а затем в III корпус, поскольку в IV корпусе температура кипения самая низкая, а вязкость наиболее высокая. При одновременном повышении концентрации и вязкости продукта при его сгущении выводить готовый сгущенный продукт из IV корпуса более затруднительно, чем из III корпуса.

Для перекачивания продукта применяются центробежные насосы герметичного исполнения. Для их герметизации из магистрали через фильтр и промежуточный бачок центробежным насосом дополнительно подается вода. Кроме того, вода подается для герметизации вакуумного жидкостно-кольцевого насоса для удаления конденсата.

На выходе из последней (четвертой) секции пароотделителя III корпуса установлен датчик концентрации продукта, который позволяет направлять продукт, не достигший заданной концентрации, через клапан в промежуточную емкость. Процесс заполнения вакуум-аппарата продуктом до подачи острого пара в трубчатый пастеризатор и на термокомпрессор занимает 10–15 минут, продолжительность интервала от начала подачи сырья в вакуум-аппарат до выхода первых порций готового продукта составляет приблизительно 25 минут. При достижении заданной концентрации клапан направляет сгущенный продукт в промежуточную емкость для производства сухого продукта.

Санитарная обработка пленочного вакуум-выпарного аппарата

Мойку и очистку пленочных вакуум-выпарных аппаратов проводят механизированным способом непосредственно после прекращения подачи молока в аппарат, но не реже чем через 20 часов непрерывной работы. Для мойки вакуум-выпарной уста-

6

новки вода и моющие растворы подаются из станции циркуляционной мойки (CIP) в промежуточную емкость, из которой они движутся по той же траектории, что и сырье. Дополнительно для более качественной циркуляционной мойки промежуточного резервуара и пароотделителей в них установлены моющие форсунки, в которые раствор подается по ответвлениям на участке трубопровода между подающим насосом и первым подогревателем для продукта (линии A–A, B–B, C–C, D–D и E–E, прилож. 1). После окончания циркуляции использованные растворы и вода удаляются в емкость для нейтрализации или в дренаж.

Рекомендуемые щелочные и кислотные моющие средства: каустическая сода (в пересчете на 100% вещество) 2,0...2,5%; азотная кислота (в пересчете на 100% вещество) 1,0...1,5%.

Последовательность и продолжительность санитарной обработки:

•ополоснуть водой в течение 15..20 минут, снижая при этом разрежение настолько, чтобы температура воды в последнем корпусе аппарата поднялась до 75...80°С;

•промыть щелочным раствором путем рециркуляции его в течение 30...35 минут;

•ополоснуть водой от остатков щелочи в течение 20...25 минут;

•промыть кислотным раствором путем рециркуляции его в течение 20..30 минут;

•после рециркуляции кислотного раствора прекратить доступ пара в вакуум-аппараты;

•промыть водой от остатков кислоты, а также для охлаждения аппарата в течение 25... 30 минут.

Во время санитарной обработки вакуум-выпарного аппарата конденсатную линию необходимо переключать на возврат конденсата в балансировочный бак установки для предотвращения повышения концентрации моющих растворов.

2ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ АППАРАТА

2.1Расчет концентраций упариваемого раствора

Материальный баланс по продуктам:

7

mн=mк+W, W=W1+W2+W3+W4,

где mн – масса исходного продукта; mк – конечная масса продукта, кг/с;

W – количество выпаренной влаги, кг/с;

W1 – влага, выпаренная в первом корпусе, кг/с; W2 – влага, выпаренная во втором корпусе, кг/с; W3 – влага, выпаренная в третьем корпусе, кг/с; W4 – влага, выпаренная в четвёртом корпусе, кг/с.

Материальный баланс по сухим веществам:

b1, b2 и b3 – массовая доля сухих веществ в первом, втором и третьем корпусах соответственно.

Распределение концентраций по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпаренной воде в каждом аппарате.

При условии, что пароотбор на инжектор осуществляется после 1 корпуса, принимаем, что производительность по выпаренной воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:

w1 : w2 : w3 : w4=2 : 2 : 1 : 1.

Тогда рассчитываем массовую долю сухих веществ растворов по корпусам:

Концентрация раствора в последнем корпусе должна соответствовать заданной концентрации упаренного раствора bк

8

2.2 Определение температур кипения растворов

Определяем общий перепад давлений:

ΔP=Pгп1 – Pвтп4.

Делаем приближение, что общий перепад давлений распределяется между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах составят:

Pгп2=Pгп1 – ΔP/4;

Pгп3=Pгп2 – ΔP/4;

Pгп4=Pгп3 – ΔP/4.

По давлению паров находим их температуры и энтальпии. Определяем депрессии по корпусам

Физико-химическая депрессия при P=1 ат в I корпусе:

где T – температура в аппарате, К;

r – теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг. Гидравлическую депрессию принимаем г=1ºС на каждый

корпус.

Тогда суммарная депрессия составит:

Средняя температура кипения: tк1=(tкbн + tкb1)/2.

Полная разность температур для I корпуса:

Δtп1=tгп1 – tвтп1 .

Полная полезная разность температур:

Δtпп1=tгп1 – tк1.

Аналогично рассчитываются температуры кипения по другим корпусам.

9

2.3 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи определяется по уравнению:

где α1 – коэффициент теплоотдачи от насыщенного пара к стенке, Вт/(м2·К);

α2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к свободно стекающей пленке при кипении, Вт/(м2·К).

Суммарное термическое сопротивление:

∑δ = δст + δн ,

λ λст λн

где δ, δст, δн – толщина суммарная, стенки и накипи, м; λ, λст, λн – теплопроводность суммарная, стенки и накипи, Вт/(м·К).

Выбираем материал сталь 1Х18Н9Т (20х2); δст=0,002 м; λст=17,5 Вт/м·К. Для накипи δн/λн=1,1·10–4 м2·К/Вт.

Тогда суммарное термическое сопротивление составит:

Коэффициент теплоотдачи от насыщенного пара к стенке:

где Δt – разность между температурой пара и стенки; Н – высота труб, м;

µ, ρ, λ – теплофизические свойства конденсата;

r – теплота конденсации насыщенного пара, Дж/(кг К). Коэффициент теплоотдачи от стенки к свободно стекающей

пленке при кипении:

При q > 20 кВт/м2: С = 2,6; n = 0,2; m = 0,32; при q1<20 кВт/м2: С=163,5; n= –0,26; m=0,69.

10