книги из ГПНТБ / Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник

Тепловой баланс запишется в таком виде

Qi + Q2 = Q3 + Q4 + Qs + Qn <

или

Gcj_ h + D i i = ( G c 2 — I F c B) 12 + W i 2 - f D c K + Q n •

Отсюда расход греющего пара D (в кг) на выпаривание ра­ створа

Из формулы (187) видно, что общий расход пара на выпари­ вание раствора складывается из трех слагаемых: первое — рас­ ход парана нагревание раствора до точки кипения; второе—рас­ ход пара на испарение определенного количества воды; третьерасход пара на компенсацию потерь тепла в окружающую среду.

Первое слагаемое в уравнении (187) может быть отрицатель­ ным (когда поступающий на выпаривание раствор перегрет по отношению к давлению в аппарате), равным нулю (когда раст­ вор подогрет до температуры кипения в аппарате) и положи­ тельным (когда температура поступающего в аппарат раствора ниже температуры кипения).

Приняв, что при поступлении на выпаривание исходный ра­ створ имеет температуру, равную температуре кипения, и что не

Отсюда удельный расход пара, отнесенный к 1 кг выпаренной воды, d (в кг/кг)

На практике считают, что на образование 1 кг вторичного пара в однокорпусной выпарке расходуется 1,1—1,2 кг греющего пара.

Поверхность нагрева F выпарного аппарата определяется из основного уравнения теплопередачи (121)

Q — kF At.

Тепловая нагрузка выпарного аппарата

Q — D (ij — ск tK) = Dr.

Тогда

kFAt = Dr.

150

Вт/(м2-К);

Ы— полезная разность температур.

При определении величины действительной поверхности нагрева выпарного аппарата в формулу (189) подставляют рас­ ход пара, рассчитанный по уравнению (187).

в) Выпарные установки с тепловым насосом

При проектировании и эксплуатации одно- и многокорпусных выпарных установок стремятся к наиболее полному использова­ нию внутри самих установок тепла образующегося вторичного пара. В связи с этим значительный интерес представляют выпар-

Рис. 81. Выпарная установка с тепловым насосом:

а — схема установки, б — схема пароструйного инжектора.

ные установки с тепловыми насосами, в качестве которых приме­ няют пароструйные инжекторы (термокомпрессоры).

Пароструйными инжекторами снабжены однокорпусные ус­ тановки, применяемые в молочной и консервной промышленно­ сти и первые корпуса многокорпусных выпарных установок в са­ харной промышленности (рис. 81,а).

В инжекторе при помощи рабочего (острого) пара высокого давления (600—1500 кПа) повышают до параметров греющего пара давление, температуру и энтальпию вторичного пара, ухо­ дящего из I корпуса, после чего полученный пар используют для обогрева того же I корпуса; это позволяет сэкономить до 50% греющего пара.

Принципиальная схема пароструйного инжектора показана на рис. 81,6. Он состоит из трех основных частей: камеры вса­

151

около 50%, тогда как при переходе от четырехкорпусной к пяти­ корпусной установке экономия пара составляет всего лишь око­ ло 10%, а при большем числе корпусов она еще меньше. Кроме того, с увеличением числа корпусов возрастают температурные потери, уменьшается полезная разность температур между кор­ пусами, а также создаются условия, ухудшающие качество та­ ких чувствительных к продолжительному теп­ ловому воздействию продуктов, как молоко, фруктовые 'и томатные соки и др. Поэтому предельным должно быть такое число корпу­ сов, при котором сохраняются высокие каче­ ства пищевых продуктов и обеспечивается по­ лезная разность температур между корпуса­ ми не менее 6—7° С.

При упаривании молока и соков применя­ ют вакуум-выпарные установки, имеющие не более 2—3 корпусов, тогда как при сгущении сахарного сока работа в головных корпусах установки, состоящей из 4—5 корпусов, возмо­ жна даже при избыточном давлении, а для предотвращения карамелизации концентриро­ ванный сироп в хвостовом корпусе упаривает­ ся под вакуумом.

Оптимальное число корпусов в выпарной установке определяют на основании экономи­ ческих расчетов и технологических требова­

ний. Для этого может быть использован график, пред­ ставленный на рис. 82. На вертикальной оси отложены затраты в рублях, а на горизонтальной оси — число корпусов. Кривая CD характеризует затраты на греющий пар (с увеличением числа корпусов в установке эти затраты уменьшаются). Кривая АВ характеризует затраты на установку, ее обслуживание и ре­ монт. Кривая CN отражает общие расходы на выпаривание; ми­ нимум на этой кривой (точка О) соответствует оптимальному числу корпусов.

Рассмотрим наиболее характерные схемы прямоточных вы­ парных установок, применяемых на пищевых предприятиях. В них упариваемый продукт и греющий пар движутся в одном направлении; при этом в последнем корпусе, работающем под вакуумом, концентрированный продукт находится в наиболее благоприятных условиях, способствующих сохранению высоких качеств пищевого продукта. Первые корпуса рассматриваемых установок оборудованы термокомпрессорами, которые в допол­ нение к использованию тепла вторичного пара в последующих корпусах повышают эффективность работы всей установки.

Четырехкорпусная выпарная установка, применяемая в свек­ лосахарном производстве для упаривания сока от 14—15% до 65% сухих веществ показана на рис. 83. В ней корпуса работают

153

при температуре, уменьшающейся по корпусам примерно от 126° С в первом корпусе до 90° С в последнем корпусе, работаю­ щем под разрежением.

Как это видно из схемы, на установке не весь вторичный пар направляют на обогрев последующего корпуса; часть его (кроме забираемого термокомпрессором) из всех корпусов, за исключе-

ннем последнего, направляют для обогрева различных теплооб­ менных аппаратов, например подогревателя сока 2 в установке, а также других аппаратов. Вторичный пар, который направляют из выпарной установки на обогрев других аппаратов на заводе, называют экстрапаром.

Так как отдельные корпуса такой выпарной установки рабо­ тают под различным давлением, то экстрапары, отбираемые из них, имеют различные параметры. Таким образом, кроме сгу­ щения сока, выпарная установка подобно котельному агрегату снабжает заводские аппараты греющим паром необходимых параметров; это повышает эффективность использования тепла в производстве и упрощает эксплуатацию ряда теплообменных аппаратов, т. к. исключает дросселирование пара из котла.

Исходный сок в подогревателе 1 предварительно нагревается экстрапаром из / корпуса, а затем, проходя через подогреватель 2, нагревается в нем греющим паром до температуры кипения и направляется в сепарационное пространство / корпуса, обогре­ ваемого, как и подогреватель 2, греющим паром, поступающим из инжектора, а при пуске установки — паром из турбины. Вы­ паренная при этом из сока часть воды отводится из корпуса в виде вторичного пара на дальнейшее использование, а частично упаренный сок проходит последовательно через //, III и IV кор­ пуса и при заданной конечной концентрации непрерывно отка­ чивается насосом из последнего корпуса. Конденсат греющего

154

пара возвращают в котельную для питания котлов, а конденсат вторичного пара используют для технологических целей.

Так как нагревательные камеры последующих от первого корпусов работают под уменьшающимся давлением, практичес­ кий интерес представляет использование тепла конденсата при

каскадном отводе его из выпарных корпусов через расширитель­ ный сосуд, соединенный

своей верхней частью с паровой камерой после­ дующего корпуса; вслед­ ствие перепада давлений в нем происходит самовскипание части конден­ сата и полученный при этом вторичный пар ис­ пользуется в греющей ка­ мере с более низким дав­ лением.

Двухкорпусную ваку- ум-выпарную установку непрерывного действия (рис. 84) применяют для сгущения молока. В отли­ чие от рассмотренной вы­ ше корпуса этой установ­ ки выполнены в виде по­ лого сепаратора 2 и под­ ключенного к нему кипя­ тильника (калоризатора) 1. Вынос поверхности на­

грева за пределы корпуса выпарного аппарата обеспечивает ин­ тенсивную и более упорядоченную циркуляцию упариваемого в аппарате продукта. При этом поверхность нагрева легко до­ ступна для чистки и ремонта. Сепаратор за счет центробежного вращения в нем парожидкостной смеси обеспечивает хорошее разделение ее: вторичный пар, не содержащий капель жидкости, отводится из него на дальнейшее использование, а частично упаренное молоко — на второй корпус. Благодаря компактно­ сти, удобству эксплуатации и высокой теплопередаче такие ап­ параты получили широкое применение для сгущения томатных и фруктовых соков.

По этой схеме молоко температурой 75—80° С поступает в ка­ лоризатор 1, где, нагреваясь, вскипает и парожидкостная смесь поступает в сепаратор 2. С помощью трубопровода, соединяюще­ го сепаратор с нижней камерой калоризатора, происходит естест­ венная циркуляция молока благодаря разности плотностей ча­ стично упаренного молока и кипящей парожидкостной смеси в трубах калоризатора. Частично сгущенное молоко из сепаратора

155

2 самотеком непрерывно поступает во второй корпус установки и по достижении необходимой концентрации молоко непрерывно откачивается из второго корпуса насосом 3.

В связи с повышением концентрации и вязкости молока цир­ куляция, а следовательно, и процесс теплообмена ухудшаются. Поэтому для улучшения условий выпаривания во втором корпу-

1, 2 — подогреватели, 3, 5 — выпарные аппараты, 4, 6 — сепа­ раторы, 7 — инжектор, 3 — насос.

се циркуляцию делают принудительной, используя для этого тот же насос 3, который одновременно с откачкой продукта часть его возвращает из сепаратора через калоризатор во второй кор­ пус, как это показано на схеме.

Тепло самоиспарения конденсата, отходящего из калоризатора первого корпуса в сборник 6, используется в калоризаторе вто­ рого корпуса.

На рис. 85 представлена схема двухкорпусной вакуум-выпар- ной установки пленочного типа, применяемой для концентриро­ вания молока, растворов глюкозы, желатина, фруктовых соков и других тер'молабильных веществ. В этих аппаратах со стека­ ющей пленкой упариваемая жидкость и образующийся из нее вторичный пар движутся сверху вниз внутри вертикальных труб, причем жидкость в виде тонкой пленки движется по поверхности трубы, а вторичный пар с высокой скоростью движется по цент­ ру трубы, ускоряя движение пленки. В результате этого продол-

155

жительность контакта жидкости с поверхностью нагрева высо­ той около 7 м — менее одной минуты, что очень важно для сохранения высокого качества указанных веществ.

Распределение упариваемой жидкости по трубам достигает­ ся с помощью разбрызгивающих сопел. Парожидкостная смесь из нижней части аппарата к корпусу сепаратора подведена тан­ генциально.

Исходная жидкость сначала нагревается в подогреватела 1

паром из первого корпуса и подается в верхнюю часть его. Здесь жидкость равномерно распределяется по нагревательным тру­ бам и стекает вниз тонкой пленкой. Часть паров из нагреватель­ ной камеры второго корпуса всасывается инжектором 7, сжима­ ется в нем и направляется на обогрев первого корпуса и подо­ гревателя 2. Из сепаратора 6 второго корпуса вторичный пар ухо­ дит через подогреватель 1 на конденсатор, в котором создается необходимый на установке вакуум.

б) Материально-тепловые балансы многокорпусных выпарных установок

Материальные балансы

Общее количество воды W, выпариваемой на установке, оп­ ределяют из материального баланса сухих веществ, аналогично­ го балансу для однокорпусной выпарки

(G—W)— количество упаренного раствора, уходящего из последнего кор­ пуса, кг/с;

Вн и ВК[1— концентрация сухих веществ в исходном растворе, поступающем

в первый корпус, и в упаренном продукте, выходящем из по­ следнего корпуса, % масс.

Полученное общее количество выпаренной воды, очевидно, равно сумме количеств воды, выпаренной в отдельных корпусах:

W = Wi + W2 + -.-+Wn,

где Wl t W2 и... Wn— количество воды, выпаренной в /, // и в последнем кор­ пусах установки, кг/с.

Составим материальные балансы сухих веществ для уста­ новок.

157

-с

Если для однокорпусной установки материальный баланс за­ пишется в виде:

(G -W J 100 ’

то для двухкорпусной установки будет

(О- ■Wi1 — w2)/ —100 ,

где В К г и (G—W - l —W 2)—концентрация и количество упаренного раствора, уходящего из второго корпуса выпарки.

Тогда для выпарной установки, состоящей из п корпусов, справедлив баланс сухих веществ

Тепловые балансы

«

Расчет прямоточной многокорпусной установки для выпари­ вания некристаллизующихся растворов производят по методу И. А. Тищенко или методу Классена.

О с н о в ы м е т о д и к и р а с ч е т а в ы п а р н о й у с т а н о в к и по И. А. Т и щ е н к о

Метод расчета, предложенный И. А. Тищенко, является на­ иболее полным и точным. В основу этого метода положено сле­ дующее:

в расчете не учитывают потери тепла от лучеиспускания и тепла, отводимого с неконденсирующимися газами, а также не учитывают тепло пара, образующегося при самоиспарении кон­ денсата, переходящего в последующий корпус;

количество вторичного пара, образующегося в корпусах за

158

счет испарения и самоиспарения раствора, учитывают в расчете соответствующими коэффициентами.

Введем следующие обозначения, в которых индекс н соответ­ ствует начальному (исходному) раствору, а индексы 1, 2, ..., п — номерам корпусов установки:

Теплоемкость воды св, выпариваемой в корпусах, принимаем

постоянной.

Составим тепловые балансы для каждого из корпусов уста­ новки, имея в виду, что тепло раствора, приходящего во второй

Рис. 86. К расчету многокорпусной установки по методу И. А. Тищенко.

корпус, является теплом раствора, уходящего из первого корпу­ са, и т. д.

При установившемся процессе и отсутствии тепловых потерь запишем баланс тепла для / корпуса в соответствии со схемой, изображенной на рис. 86. В I корпус поступает тепло (в Вт):

1)с греющим паром D\i\\

2)с раствором GctH\

Из / корпуса уходит тепло (в Вт): 1) С вторичным паром ИРД'втГ,

2) с частично упаренным раствором GctPl—WcBtPl = (Gc—

—WlCs) tPl,

3)с конденсатом греющего пара D\CKltKl.

Тогда баланс тепла для / корпуса запишется в виде

Di Т + Gct» = ^ 1В Т , + (Gc - Wx съ) tPi + Dx cKi tKi.

С раствором, ушедшим из I корпуса во II корпус, поступает тепла

159