1.3. ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ ПЛЁНОЧНОГО ТИПА

Плёночные вакуум-выпарные аппараты характеризуются малым време-

нем пребывания продукта в аппарате и небольшим гидравлическим сопротив-

лением.

Указанные характеристики свидетельствуют о целесообразности исполь-

зования плёночных аппаратов для обрабатывания особо термочувствительных материалов под вакуумом.

В микробиологических производствах для упаривания используются плё-

ночные трубчатые, роторные и тарельчатые центробежные аппараты.

В трубчатых плёночных аппаратах раствор обрабатывается при плёноч-

ном течении жидкости по внутренней поверхности вертикальных труб трубчат-

ки. Такой гидродинамический режим оказывается не подходящим для обработ-

ки вязких растворов с высокой термолабильностью, а также растворов, содер-

жащих компоненты, пригорающие на поверхности нагрева. Для упаривания растворов с указанными свойствами используются плёночные выпарные аппа-

раты с активным воздействием на поток среды: роторно-плёночные и центро-

бежные плёночные аппараты.

Роторные плёночные выпарные аппараты. Роторно-плёночный аппарат

(рис. 1.3) представляет собой вертикальный корпус с секционированной ру-

башкой для подачи теплоносителя, внутри которого уставлен ротор.

Ротор представляет собой вал с дисками, между которыми закреплены лопасти. Крепление лопастей может быть либо жёстким, либо шарнирным. Ро-

тор уставлен в подшипниковых узлах и в верхней части над лопастной насад-

кой имеет устройство для распределения подаваемой жидкости.

Корпус в своей верхней части имеет сепарационную камеру для отделе-

ния брызг от пара перед выводом его через паровой патрубок.

Вал имеет верхний привод от электродвигателя через клиноременную пе-

редачу. Уплотнение вала двойное торцевое с использованием запирающей жидкости.

11

Достоинства:

− аппарат характеризуется малым временем пребывания среды (~15 с) и

небольшим гидравлическим сопротивлением, что создаёт благоприятные усло-

вия для упаривания термолабильных растворов с повышенной вязкостью под вакуумом;

− активное механическое воздействие на плёнку жидкости способствует снижению образования накипи и поддержанию высоких значений коэффициен-

та теплоотдачи.

Недостатком роторно-плёночных выпарных аппаратов является малая удельная поверхность нагрева, вследствие чего они имеют небольшую единич-

ную производительность, а также наличие ротора с высокими требованиями по точности его изготовления и центрирования в аппарате.

Центробежные плёночные вакуум-выпарные аппараты. Центробежные плёночные аппараты отечественного и зарубежного производства предназначе-

ны для обработки сред с высокой термочувствительностью компонентов. Это связано с чрезвычайно малым временем пребывания среды в рабочей зоне, со-

ставляющей всего 1…2 с, и высоким коэффициентом теплопередачи, достигающим 104 Вт м–2 ·К–1 .

На рисунке 1.4 представлена схема центробежного плёночного аппарата

«Центритерм» фирмы «Альфа-Лаваль». На полом приводном валу закреплён полый шпиндель 3, внутри которого установлены девять полых конусных таре-

лок – 6, наружная часть которых открыта для входа греющего пара и вывода конденсата.

Исходная среда подается насосом по неподвижной трубе 5, на конусные та-

релки 6. Под действием центробежной силы жидкость распределяется по нагре-

ваемой поверхности конусов в виде плёнки толщиной около 0,1 мм. В состоянии кипения время пробега жидкости поверхности конусных тарелок около 1 с.

Греющий пар подаётся в полый шпиндель через полый вал, откуда он по каналам поступает в полость тарелок, отдавая при конденсации тепло жидко-

сти, движущейся по наружной поверхности тарелок. Конденсат пара выбрасы-

13

производствах применяются, в основном, вакуумные выпарные установки,

то основным видом вспомогательного оборудования следует считать конденса-

торы смешивания и вакуумные насосы.

Вакуум-насосы. В вакуум-выпарных и других аппаратах для откачки воз-

духа и паров применяют различные вакуум-насосы. Наибольшее распростране-

ние имеют ротационные двухплунжерные вакуум-насосы, типа ВН, ротацион-

ные многопластинчатые насосы типа РВН и водокольцевые насосы типа ВВН Двухплунжерные насосы типа ВН могут длительное время работать

на откачку паров при остаточном давлении 13 кПа с производительностью

0,3 м3·с–1 .

Многопластинчатые насосы типа РВН имеют простую высоконадёжную конструкцию, которая обеспечивает остаточные давления до 2 кПа при произ-

водительности до 1,65 м3·с–1 .

Водокольцевые насосы типа ВВН являются мокровоздушными насосами и используются для совместного отсоса пара и конденсата с производительно-

стью до 0,6 м3·с–1 при вакууме, не менее 70%.

Конденсаторы. В микробиологических производствах применяются по-

верхностные конденсаторы и конденсаторы смешивания. В поверхностных конденсаторах пар и хладагент разделены перегородкой. Такие конденсаторы используются для конденсации паров веществ, смешивание которых с хлада-

гентом допустимо.

Охлаждение паров в конденсаторах смешивания осуществляется путём непосредственного смешивания паров с охлаждающей жидкостью. Конденса-

торы смешивания являются более дешёвыми, производительными и поэтому их целесообразно использовать в случаях, когда допускается смешивание веществ паровой фазы с хладагентом.

В качестве поверхностных конденсаторов могут быть использованы мно-

гие из рассмотренных в разделе «Теплообменные аппараты», работающих при контакте теплоносителей через разделительную перегородку.

15

В зависимости от способа отвода из конденсаторов смешивания жидкой фазы и неконденсирующихся компонентов различают конденсаторы смешива-

ния мокрого и сухого типа.

Из конденсаторов мокрого типа газожидкостная смесь отводится одним суховоздушным насосом (рис. 1.5, а).

В конденсаторах смешения сухого типа осуществляется разделённый вы-

вод смеси конденсата с хладагентом и неконденсирующихся газов. Обычно жидкость вводится самотёком, как, например в противоточном барометриче-

ском конденсаторе (рис. 1.5, б) через барометрическую трубу 3, соединённую с камерой смешивания 1. Газообразная фаза отсасывается суховоздушным ваку-

ум-насосом или эжектором после отделения от нее капель жидкости в брызго-

уловителе 2.

Сухие барометрические конденсаторы смешения широко используются в микробиологических производствах благодаря их простоте, надёжности и высо-

кой производительности. Противоточная камера смешения пара и хладагента 1

Рис. 1.5. Конденсаторы смешения мокрого (а) и сухого (б) типа

16

представляет собой вертикальный корпус, в котором по высоте установлены напротив друг друга с перекрытием перфорированные полки, имеющие пере-

ливные пороги. Охлаждающая вода подаётся на верхнюю полку и стекает на нижележащую полку через отверстия диаметром 3…5 мм и борта. Пар переме-

щается противотоком по зигзагообразному каналу между полками, интенсивно контактируя с жидкостью.

Производительность конденсатора до 15 т/ч по конденсату при остаточ-

ном давлении 0,008…0,02 мПа и расходе охлаждающей воды с температурой

10 °С в количестве 15…30 кг/кг.

1.5. ПРОЕКТНЫЙ РАСЧЁТ ТРЁХКОРПУСНОЙ ВАКУУМ-ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ С БАРОМЕТРИЧЕСКИМ КОНДЕНСАТОРОМ

Методика расчёта выпарной установки существенно зависит от конст-

рукций аппаратов, входящих в её состав. В наиболее полном объёме особенно-

сти расчёта выпарных установок можно рассмотреть на примере трёхкорпусной вакуум-выпарной установки с барометрическим конденсатором.

Исходными данными для расчёта являются: производительность по ис-

ходному раствору G, начальная Хн и конечная Хк концентрации раствора, тем-

пература греющего пара и исходного раствора в первом корпусе, теплофизиче-

ские, вязкостные свойства и данные о термостабильности раствора.

Технологический расчёт установки осуществляют в следующей последо-

вательности. Первоначально определяют общее количество испаряемой влаги W:

С учётом производительности и свойств раствора выбирают температур-

ный режим и тип аппарата (плёночный, с циркуляцией и т.д.), определяют зна-

чения коэффициентов теплопередачи в корпусах K1, K2, K3, геометрию трубок,

гидродинамический режим течения среды и излучения свойств по корпусам либо расчётным путём, либо на основе опытных данных.

17

При распределении полезной разности температур по корпусам обычно исходят из принципа равенства поверхностей нагрева по корпусам, предпочи-

тая последний принципу минимальной общей поверхности нагрева.

Распределение испаряемой влаги по корпусам определяют по формулам:

Вычисляют количество тепла, затрачиваемого на испарение по корпусам:

Q1 = W1r1; Q2 = W2r2; Q3 = W3r3 ,

где r1, r2, r3 – скрытая теплота парообразования по корпусам.

Определяют суммарную полезную разность температур:

tпол = tгр.п − tвт3 .п − ΣΔtпот,

где tгр.п – температура свежего греющего пара в первом корпусе; tвт3 .п – темпе-

ратура вторичного пара в третьем корпусе; ΣΔtпот – сумма потерь полезной разности температур, складывающаяся из потерь вследствие повышения темпе-

ратуры кипения раствора по корпусам по причине наличия гидравлического сопротивления, гидростатического давления и понижения упругости паров над раствором.

Вычисляют полезную разность температур в каждом корпусе:

tпол Qi

ti = ∑ QKi

i

Ki

и определяют площадь поверхностей нагрева по корпусам:

18

рают по каталогу выпарной аппарат с соответствующей поверхностью нагре-

ва Fф, с учётом фактической величины греющей поверхности определяют фак-

тическую производительность установки

На основании полученных результатов вычисляют расход греющего пара в установке и количество вторичного пара третьей ступени, подлежащего конденсации. Затем выполняют технологический расчёт теплообменника – подогревателя исходного раствора, используя известные методики расчёта теплообменных аппаратов.

Конструктивный расчёт выпарного аппарата сводится к определению числа трубок с выбранными геометрическими размерами, диаметра корпуса на-

гревательной камеры, толщины её стенки, диаметров штуцеров, циркуляцион-

ной трубы, а также размеров сепаратора.

Расчёт барометрического конденсатора. Диаметр камеры смешения оп-

ределяют с запасом производительности на 50%:

dк = 0,023 W3νп , wп

где W3 – количество поступающего вторичного пара из третьего корпуса, кг·ч; vп – удельный объём пара, м3/кг; wп – скорость пара в конденсаторе (при давле-

нии 0,01…0,02 МПа vп = 35…55 м/с).

Ширина полок определяется как функция dk: a = 0,5dk + 0,05 м.

19

Высота камеры принимается в пределах 2,3…2,7 м, расстояние между

полками 0,4…0,5 м.

Диаметр барометрической трубы рассчитывается по формуле

где Gв – расход охлаждающей воды, кг; wв – скорость воды в трубе (wв = 1,5… 2 м/с).

Расход охлаждающей воды равен

Gв = Gк(i − cвtк) , cв(tк − tн)

где i – теплосодержание пара, Дж/кг; св – теплоёмкость воды, Дж/(кг·К); tн, tк –

начальная и конечная температуры воды.

Высота барометрической трубы определяется в зависимости от давления p (кПа) в конденсаторе вычисляется как

H тр = 10,33(1 − 0,01p) + 1,15 м.

Диаметр штуцера ввода воды принимаем равным диаметру барометриче-

ской трубы.

Диаметр штуцера для ввода пара определяют исходя из скорости пара

40…50 м·с–1 .

20