Изучение работы однокорпусного выпарного аппарата периодического действия Введение

Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих или малолетучих веществ путем удаления летучего растворителя при температуре кипения раствора. Таким образом, в процессе выпаривания количество твердых (сухих) веществ в растворе остается постоянным, а удаляется растворитель (влага), т.е.:

где и – количество раствора в начале и конце процесса выпаривания;

и - массовая доля сухих веществ в растворе в начале и конце процесса выпаривания.

Уравнение материального баланса по исходному раствору имеет вид:

где – количество удаляемого растворителя (влаги).

Совместное решение уравнений (1) и (2) позволяет установить: до какого содержания сухих веществ может быть сгущен продукт:

или какое количество влаги удаляется в процессе сгущения раствора от до

1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – циркуляционная труба; 4 – греющие трубы; 5 – трубные доски; 6 – кожух; 9 – днище греющей камеры; 11 – ее крышка; 12 – соковая труба; 7, 8, 10, 13 – 15 – патрубки.

Рисунок 1 – схема выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой

Процесс выпаривания осуществляется в выпарных аппаратах.

На предприятиях пищевой и химической промышленности широко распространены аппараты циркуляционного типа как непрерывного, так и периодического действия.

Циркуляция выпариваемого раствора осуществляется либо естественным путем, либо с помощью насосов.

Аппарат с естественной циркуляцией (рисунок 1) состоит из греющей камеры 1, сепаратора 2, циркуляционный трубы 3.

Греющая камера 1 (калоризатор) образована пучком кипятильных труб 4, закрепленных в трубных решетках 5, снаружи закрытых кожухом 6 с патрубками 7 - подачи греющего агента и 8 - отвода отработанного теплоносителя. Снизу калоризатора 1 размещено днище аппарата 9 с патрубком отвода сгущенного раствора 10. Днище соединяется с циркуляционной трубой 3. Над калоризатором размещается крышка 11, которая соковой трубой 12 соединяется с сепаратором 2.

Сепаратор 2 имеет патрубки 13 и 14. По патрубку 13 из аппарата удаляются пары растворителя (соковые пары), а по патрубку 14 сгущенный раствор поступает в циркуляционную трубу 3. Циркуляционная труба снабжена патрубком 15 для подачи исходного раствора на выпаривание. Аппарат работает следующим образом. Исходный раствор по патрубку 15 подастся в нижнюю часть греющей камеры 1, заполняя кипятильные трубы 4. По патрубку 7 в калоризатор подается греющий пар, который, конденсируясь на наружной поверхности кипятильных труб 4, отдает тепло исходному раствору, и в виде конденсата удаляется из греющей камеры по патрубку 8. Нагреваясь и закипая, исходный раствор поднимается по кипятильным трубкам и до крышки греющей камеры 2. По соковой трубе 12 поступает в сепаратор 2. В сепараторе раствор освобождается от паров растворителя и по циркуляционной трубе 3 опускается к низу кипятильных труб 4.

Естественная циркуляция раствора осуществляется в замкнутом объеме, состоящем из циркуляционной трубы 3, кипятильных труб 4 и сепаратора 2. В кипятильных трубах при кипении образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самого раствора, вследствие чего происходит упорядоченное движение (циркуляция) кипящей жидкости. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости, и ухудшаются условия для образования накипи на внутренней поверхности кипятильных труб.

Для осуществления естественной циркуляции требуется два условия:

1) достаточная высота уровня раствора в циркуляционной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубах и сообщить этой смеси необходимую скорость;

2) достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубках, чтобы парожидкостная смесь имела возможно малую плотность.

Расход греющего пара, необходимого для проведения процесса выпаривания, определяется из уравнения теплового баланса.

где – тепло, отданное греющим паром, Дж;

- тепло, затраченное на нагрев раствора до температуры кипения, Дж;

- тепло, затраченное на испарение влаги из раствора, Дж;

- тепловые потери, Дж;

– тепловые потери на нагрев аппарата, Дж;

– потери в окружающую среду, Дж.

Для характеристики степени совершенства проведения процесса выпаривания вводят понятие удельного расхода греющего пара:

где - расход греющего пара, кг/с;

– количество выпариваемой влаги, кг/с.

В среднем теоретический расход греющего пара (случай выпаривания продукта, нагретого до температуры кипения) составляет 1,04 кг пара на кг испаренной влаги. Действительный расход греющего пара несколько выше за счет:

- нагрева продукта до температуры кипения

- тепловых потерь ;

и для однокорпусного выпарного аппарата составляет в среднем 1,1 кг пара/кг исп. вл..

Снизить удельный расход греющего пара возможно в многокорпусных выпарных установках. Так, при сгущении продукта в двухкорпусной установке =0,57 кг/кг, в трехкорпусной – 0,4 кг/кг, в четырехкорпусной – 0,3 кг/кг, в пятикорпусной – 0,2 кг/кг.

Для установок циркуляционного типа, применяемых в пищевой промышленности, не рекомендуется применять более пяти корпусов. Это диктуется невозможностью увеличения температуры кипения в первом корпусе сверх допустимой, что влечет необратимые изменения в растворе (карамелизация сахара, денатурация белков, разложение витаминов, ферментов). Максимальная температура кипения в последнем корпусе зависит от экономически оправданной величины разряжения, которую можно достичь в конденсаторе. Обычно для пищевой промышленности температура греющего пара первого корпуса не превышает 140°С, а вторичного пара последнего корпуса 50°С. Принимая для аппаратов циркуляционного типа полезную разность температур в корпусе =10°С и учитывая температурные потери между корпусами, получим, что при данном перепаде температур целесообразно установить лишь пять корпусов.

Вторичный пар, образующийся в каждом корпусе, можно частично отводить на сторону и использовать для предварительного подогрева раствора, поступающего на выпаривание, или на другие технологические цели. Отводимый, на сторону вторичный пар называется экстрапаром. Преимущество отбора заключается в том, что возрастание расхода греющего пара при отборе экстрапара меньше количества отбираемого экстрапара. Так, в четырехкорпусной выпарной установке на отбор из первого корпуса 1 кг экстрапара затрачивается 0,75 кг греющего пара, а на отбор из второго и третьего корпусов – соответственно 0,5 и 0,25 кг. Поэтому целесообразно отбирать экстрапар не из первого корпуса, а из последующих. Из последнего корпуса вторичный пар направляется в конденсатор.

Цель работы:

1. Практическое ознакомление с устройством и принципом работы выпарного аппарата циркуляционного типа;

2. Экспериментальное определение удельного расхода греющего пара и расчет составляющих теплового баланса аппарата:

3. Определение коэффициента теплопередачи в выпарном аппарате.

Описание экспериментальной установки

Однокорпусная выпарная установка (рисунок 2) включает в себя выпарной аппарат ВА, состоящий из греющей камеры (калоризатора) КВА и сепаратора СВА, конденсатор вторичных паров К, парогенератор ПГ и мерные сосуды MC₁ и МС₂ для замера количества полученного конденсата греющего и сокового пара. Кроме этого, на линии греющего пара установлен термометр для измерения температуры греющего пара. Калоризатор аппарата состоит из шести труб 15 х 1,5 длиною 400 мм. Площадь теплопередающей поверхности калоризатора составляет 0,113 м.

Греющий пар из парогенератора ПГ по паропроводу подается в верхнюю часть калоризатора. Конденсируясь на наружной поверхности кипятильных труб в виде пленки конденсата, стекает по трубам и собирается в мерный сосуд МС.

Сгущаемый раствор через смотровое окно в сепараторе СВА заливается в аппарат. Заполняет кипятильные трупы, нагревается в них за счет тепла, выделенного конденсирующимся паром, вскипает, поднимается по трубам и поступает в сепаратор. К сепараторе из раствора выделяется вторичный пар, а раствор, свободный от пара, по циркуляционной трубе опускается в нижнюю часть выпарного аппарата и вновь заполняет кипятильные трубы.

КВА – калоризатор выпарного аппарата; СВА – сепаратор выпарного аппарата; ПГ – электрический парогенератор; К – конденсатор вторичных паров; МС – мерные сосуды; ВЗ – вентили запорные.

Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки

Выделившийся вторичный пар поступает в конденсатор К. Отдавая свое тепло охлаждающей воде, движущейся в кольцевом зазоре конденсатора, пар конденсируется и его конденсат собирается в мерном сосуде МС₁.

Методика проведения эксперимента

Перед началом проведения эксперимента установка прогревается, для чего проверяется уровень воды в парогенераторе и после этого включаются ТЭНы. Во время разогрева установки готовится раствор, подвергаемый сгущению (10% раствор NaCl в количестве 2-3 Дм³). После выхода установки на режим (появление конденсата в мерном сосуде MC₁) через смотровое окно в сепараторе, заливается подготовленный раствор, измеряется его температура и засекается время.

В процессе работы аппарата необходимо следить за температурой вторичных паров в сепараторе и, когда она достигнет 100-105ºС, это будет свидетельствовать о том, что процесс нагрева сгущаемого раствора завершился и начался процесс сгущения. Здесь же определяют время нагрева раствора и по уравнению:

рассчитывается количество тепла, затраченное на нагрев продукта,

где – количество сгущаемого продукта, кг;

– теплоемкость сгущаемого раствора, Дж/(кг∙ºС);

- температуры кипения и начальная выпариваемого продукта, ºС);

τ – время нагрева продукта, с.

Через 30 мин после начала процесса кипения замеряется количество конденсата, находящегося в мерных сосудах МС₁ и МС₂.

И соответственно по уравнениям:

и

рассчитывается количество теплоты, затраченное на испарение продукта и отданное греющим паром.

В приведенных уравнениях:

скрытая температура фазового перехода. Определяется по таблицам по температуре кипения раствора.

энтальпии греющего пара и его конденсата. Находятся по таблицам по температуре греющего пара.

Методика обработки результатов эксперимента

По уравнениям (7), (8) и (9) рассчитывается основные составляющие баланса выпарного аппарата.

Из уравнения (5) определяется величина тепловых потерь выпарного аппарата, отнесенная к полезно затрачиваемому теплу, т.е. к .

Пользуясь уравнением (6), рассчитывается удельный расход греющего пара. По основному уравнению теплопередачи рассчитывается общий коэффициент теплопередачи. Средняя движущая сила процесса рассчитывается по известным соотношениям.

Данные расчетов заносят в протокол испытаний (таблица 1).

Таблица 1 – Протокол испытаний

Измеряемые величины
Масса раствора, кг	Температуры, ºС			Длительность процесса, с		Количество конденсата, кг
	Раствора	Кипения раствора	Конденсации греющего пара	Нагревание	Сгущение	Вторичных паров	Греющего пара

Табличные данные				Всего выделено тепла, Дж
Теплоемкость раствора, Дж/(кг∙ºС)	Удельная теплота парообразования, Дж/кг	Энтальпия
		Греющего пара, Дж/кг	Конденсации греющего пара, Дж/кг

Расчетные величины
Расход тепла		Потери в окружающую среду			Средняя движущая сила процесса, ºС		Средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м∙ºС)
На нагревание продукта, Дж	На испарение влаги, Дж		Дж	%

Лабораторная работа №9