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

Капельная жидкость выделяется в брызгоуловителе (ловуш­ ке) благодаря изменению скорости и направления движения вторичного пара; выделившаяся при этом жидкость снова воз­ вращается к кипящему раствору.

Аппарат может работать как периодически, таки непрерывно, под разрежением или под избыточным давлением. Эти аппараты

Вт оричный пар

Рис. 89. Выпарные аппараты с внутренней циркуляционной трубой:

а аппарат с центральной циркуляционной трубой, б — аппарат с инжектором, в — аппарат с наклонной поверхностью нагрева.

отличаются простотой конструкции, однако расположение по­ верхности нагрева внутри аппарата затрудняет ремонт и чистку ее. Технологическим недостатком аппаратов этой конструкции является длительное пребывание раствора в них, что отрица­ тельно сказывается на качестве получаемых пищевых продуктов, особенно на их цветности.

Вакуум-выпарной аппарат с пароструйным инжектором и эксцентрично расположенной циркуляционной трубой, показан­ ный на рис. 89, б, широко применяется в консервном производ­ стве для упаривания томатопродуктов от 4—5 до 15—18% су­ хих веществ.

Аппарат состоит из корпуса 1 с коническим днищем и бферической крышкой, ловушки 2, вертикальной трубчатой поверхно­ сти нагрева 3 с циркуляционной трубой 4 и пароструйного ин­ жектора 5. Поверхность нагрева выполнена из медных труб ди­ аметром 30/33 мм и высотой 600 мм.

На рис. 89, в показан аппарат с наклонной нагревательной камерой. В нем трубки расположены наклонно для уменьшения гидростатической депрессии, а также для увеличения коэффици­ ента теплоотдачи со за счет лучшего освобождения наружной поверхности труб от пленки конденсата.

170

Скорость движения парожидкостной смеси в кипятильных трубах аппаратов с многократной естественной циркуляцией при данной высоте и данном диаметре кипятильных труб зависит от разности между плотностями раствора в опускном и подъемном участках циркуляционного контура. Поэтому обогрев жидкости

Вторичный пар

'< г4 г Г

в опускном участке контура нежелателен, так как он ухудшает

циркуляцию.

Этого недостатка лишен выпарной аппарат с выносными цир­ куляционными трубами (рис. 90). Так как в этом аппарате опускной участок циркуляционного контура находится за преде­ лами греющей камеры, то в аппарате можно более компактно разместить поверхность нагрева и при данном диаметре корпуса увеличить ее. Таким образом, аппараты с выносными циркуля­ ционными трубами, являясь более компактными по сравнению с аппаратами с внутренними циркуляционными трубами, обеспе­ чивают более высокую скорость циркуляции, что приводит к ин­ тенсификации процесса теплообмена и уменьшению загорания поверхности нагрева.

Выпарной аппарате выносной поверхностью нагрева (рис. 91) состоит из сепаратора 1 и подключенной к нему поверхности на­ грева (кипятильника или калоризатора) 2. Так как поверхность нагрева находится вне аппарата, то он имеет небольшие разме­ ры, а эффективность его работы более высокая, эти аппараты работают при интенсивной естественной циркуляции. Выносная, поверхность нагрева легко доступна для чистки и ремонта. Бла­ годаря компактности, удобству эксплуатации и высокой теплопе­ редаче эти аппараты получили широкое применение для сгуще­ ния молока, томатной массы, паточной барды и др.

171

Впоследнее время в качестве выносной поверхности нагрева

вряде выпарных установок используют пластинчатые теплооб­ менники.

Аппараты с принудительной циркуляцией применяют для упаривания вязких жидкостей. В циркуляционный контур тако-

ющейся пленкой.

го аппарата (рис. 92) включен насос, который нагнетает жид­ кость через трубы кипятильника со скоростью 1,5—2,5 м/с. Дви­ жущаяся в трубах жидкость находится под избыточным давле­ нием относительно пространства сепаратора; в трубах она пере­ гревается и, быстро пройдя через кипятильник, вскипает только в сепараторе. За счет большой скорости движения жидкости уменьшается отложение накипи в трубах и увеличивается коэф­ фициент теплоотдачи к жидкости. Движение жидкости со скоро­ стью меньшей 1,5 м/с нецелесообразно, так как при этом раствор вскипает в трубах и процесс выпаривания происходит примерно так же, как и при естественной циркуляции. При более высоких скоростях работать неэкономично, так как расход энергии на насос не окупается получаемым тепловым эффектом.

Прямоточные выпарные аппараты с однократным прохож­ дением раствора по кипятильным трубам применяют для упари­ вания сахарных, паточных и других растворов, склонных к пенообразованию и кристаллизации.

Греющие камеры этих аппаратов состоят из пучка длинных (обычно 6—9 м) кипятильных труб, обогреваемых снаружи па­ ром.

172

Различают прямоточные аппараты с поднимающейся и опу­ скающейся пленкой.

В выпарном аппарате с поднимающейся пленкой (рис. 93, а) выпариваемый раствор подается в кипятильные трубы снизу. При этом образующийся вторичный пар заполняет почти все-се­ чение труб и движется по ним с большой скоростью (до 20 м/с), увлекая раствор, находящийся у стенок труб в виде тонкой пленки. Упаренный раствор после паросепарадии отводится из сепаратора. При нарушении нормального течения процесса часть упаренного раствора по циркуляционной трубе 4 направляют снова на выпаривание.

Недостатками этих аппаратов являются: большая чувстви­ тельность их к неравномерной подаче раствора 'и колебаниям давления греющего пара, затруднительность чистки длинных труб, термическая деформация труб в местах крепления. В этих аппаратах на отдельных участках кипятильных труб возможен также срыв и высыхание пленки, что вызывает загорание труб и ухудшение теплообмена.

Этот недостаток отсутствует в аппарате с падающей пленкой (рис. 93,6). В нем раствор подается на верхнюю трубную решет­ ку, откуда в виде пленки стекает по стенкам кипятильных труб. Упаренный раствор поступает в паросепаратор, а из него — в сборник. Для обеспечения тонкой и устойчивой пленки жидкос­ ти, стекающей по внутренней поверхности трубок, создают зиг­ загообразный поток при помощи специальных насадок, вставля­ емых в верхнюю часть трубок.

6. СЕПАРАЦИЯ ВТОРИЧНОГО ПАРА В ВЫПАРНЫХ АППАРАТАХ

Сепарационное пространство выпарного аппарата должно обеспечить достаточно полное отделение вторичного пара от ка­ пелек упариваемого раствора во избежание потерь продукта и загрязнения им вторичного пара, поступающего в последующий корпус.

Влажность вторичного пара зависит от величины зеркала ис­ парения, объема и высоты сепарационного пространства и физи­ ко-химических свойств упариваемого раствора. Опытами уста­ новлено, что высокая вязкость и низкое поверхностное натяже­ ние раствора способствуют обильному пенообразованию, а сле­ довательно, и брызгоуносу, тогда как растворы с относительно малой вязкостью и высоким поверхностным натяжением не об­ разуют устойчивой пены.

Механизм брызгоуноса можно объяснить следующим обра­ зом. В процессе выпаривания пар, проходящий с большой ско­ ростью через слой жидкости, увлекает за собой в сепарационное пространство ее капли различной величины; крупные капли, имеющие большую массу, при небольших напряжениях сепара­ ционного пространства (определяемых количеством вторичного

173

пара (в м3/ч), приходящегося на 1 м3 сепарационного простран­ ства), когда подъемная сила парового потока ничтожно мала, могут за счет начальной кинетической энергии пара подняться в сепарационное пространство относительно высоко и увеличить тем самым брызгоунос, тогда как мелкие капли теряют свою энергию даже на небольшой высоте.

С повышением напряжения сепарационного пространства увеличивается подъемная сила пара и унос жидкости, причем чем меньше размер капли и чем больше скорость и плотность пара, тем больше высота подъема капли за счет воздействия па­ рового потока. Когда скорость пара больше скорости витания капли, последняя движется вверх и уносится при любой высоте парового пространства, поэтому уменьшение скорости пара (уве­ личение длительности пребывания его в сепарационном прост­ ранстве) уменьшают размер капель, которые могут быть уне­ сены.

Скорость витания капли w (в м/с) можно определить по фор­ муле (54):

После подстановки принятых значений величин g и \ приве­ денная выше формула примет вид

Необходимый объем сепарационного пространства Va (в м3), обеспечивающий получение сухого вторичного пара, определяют по формуле

где W — количество воды, выпаренной в корпусе, кг/с;

о— удельный объем вторичного пара при рабочем давлении в аппарате, м3/кг;

ОД— предельное объемное напряжение сепарационного пространства, обеспечивающее получение сухого пара, м3/(м 3-с).

Для упариваемых пищевых сред с умеренным ценообразова­ нием принимают а п = 0,36-7-0,42 м3/(м 3-с), при этом меньшее значение оп принимают для корпусов, работающих под ваку­ умом, а большое — для корпусов, работающих под избыточным давлением.

Зная объем сепарационного пространства и приняв диаметр его равным диаметру корпуса аппарата, находим высоту его Дп (в м)

174

(219)

При выпаривании непенящихся жидкостей высоту сепарационного пространства обычно принимают около 1,5 м и увеличи­ вают ее до 3—4 м для пенящихся жидкостей.

Таким образом, правильный выбор размеров сепарадионного пространства должен обеспечить предотвращение уноса частиц жидкости из аппарата. В случае обильного пенообразования в сепарационное пространство аппарата вводят пеногасящие ве­ щества.

В качестве дополнительного устройства для получения прак­ тически сухого пара применяют брызгоотделители, установка которых особенно целесообразна при форсированной работе ап­ парата. Брызгоотделители, смонтированные в корпусе выпарно­ го аппарата или вынесенные за пределы его, бывают трех ти­ пов — инерционные, центробежные и поверхностные.

7. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

При конструктивном расчете выпарного аппарата с цирку­ ляционной трубой определяют число кипятильных трубок, раз­ мер циркуляционной трубы, диаметр корпуса, размер сепарационного пространства и диаметры патрубков.

Число кипятильных труб п определяют на основании тепло­ вого расчета и в соответствии с уравнением (155).

Рекомендуется применять тонкостенные латунные трубки размером 33X1 >5 мм или из нержавеющей стали марки Х18Н10Т и лишь в исключительных случаях применять трубки из углеродистой стали Ст. 20 улучшенного качества (с понижен­ ным содержанием фосфора и серы). Длину труб принимают рав­ ной 2—4 м.

Площадь сечения ццркуляционной трубы должна составлять не менее 25—30% от общей площади сечения всех кипятильных труб.

Отверстия для труб на трубной решетке размещают обычно по вершинам правильных треугольников с шагом ( = (1,3-1-1,5) (1Я (в м) при уплотнении труб развальцовкой.

те использования тру£шой решетки ф= 0,8-^0,9 внутренний диа­ метр корпуса D (в м) выпарного аппарата рассчитывают по формуле

(220)

Объем и высоту сепарационного пространства аппарата рас­ считывают по формулам (218) и (219).

175

»

Распределим перепад давлений между корпусами поровну, т. е. на каждый корпус примем

щенных паров воды и теплоту парообразования г для приня­ тых давлений в корпусах:

примем равными 1,5 град на каждый корпус. Тогда для двух корпусов Дгс = 1,5-2 = 3 град;

в) температурные потери от гидравлической депрессии при­ мем равными 1 град на 'каждый корпус. Тогда для двух кор­ пусов Дг= 1-2 = 2 град.

Сумма всех температурных потерь на установке Д = Дф.х + Дгс + Дг = 1,52 + 3,0 + 2,0 = 6,52 град.

6. Определение полезной разности температур на установке. Полная разность температур

Д /полн = 'п , - ^вТ2 = 107,1 — 49,4 = 57,7 град.

Полезная разность температур на установке

Д # = Д #ПОлн — Д = 57,7 — 6,52 = 51,2 град.

7. Определение температур кипения массы в корпусах по уравнению (210)

Учитывая, что для принятых медных труб размером 33X1.5 мм величина 6/Я очень мала, коэффициент теплопередачи опреде­ ляют по формуле (190); рассчитаем коэффициент k для I кор­

а расчетный коэффициент теплопередачи

kn = 1 2 2 0 - 0 , 9 = 1100 В т /( м 2 -К ).