Файл: Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник.pdf

или для любого п корпуса

а для установок с минимальной общей поверхностью нагрева

(216)

4.О РАБОТЕ ВЫПАРКИ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ НАКИПИ

Вусловиях образования накипи интенсивность выпаривания значительно уменьшается, что зачастую требует остановки аппа­ рата на чистку. Термическое сопротивление накипи зависит от состава веществ, отлагающихся на поверхности нагрева, струк­ туры и пористости накипи, а количество ее — от скорости цир­ куляции раствора и других факторов.

Процесс постепенного образования накипи на поверхности нагрева вызывает с течением времени изменение режима работы корпусов выпарки вследствие снижения коэффициентов теплопе­ редачи в результате роста термического сопротивления накипи

#н=6нАн. При этом производительность установки снижается и может оставаться прежней лишь при условии, когда имеется воз­ можность повышать разность температур между греющим па­ ром и кипящим соком.

При постоянных значениях тепловой нагрузки продолжитель­ ность работы выпарки до остановки ее на чистку зависит в ос­ новном от интенсивности отложения накипи. Одним из способов

уменьшения количества накипи, отлагающейся в трубах, явля­ ется повышение скорости циркуляции сока; для аппаратов с ес­ тественной циркуляцией ее можно повысить до 0,4—0,6 м/с, а для аппаратов с принудительной циркуляцией — до 2,0—2,5 м/с. При такой скорости циркуляции создаются условия для вынесе­ ния зоны кипения за пределы кипятильной трубы и, как установ­ лено опытами, именно отсутствие кипения жидкости в трубах играет главную роль в значительном ( ~ до 50%) снижении об­ разования накипи.

Увеличить скорость циркуляции в аппаратах с естественной циркуляцией можно повышением уровня выпариваемого сока до полной высоты кипятильных труб вместо существующих ре­

168

жимов, при которых уровень сока в аппарате составляет от 30 до 60% от высоты кипятильной трубы. Повышение уровня сока и снижение интенсивности образования накипи несколько улуч­ шит теплопередачу и увеличит период работы выпарки до оста­ новки на чистку примерно на 60—70% по сравнению с работой в обычном режиме.

5.ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ, ИХ ВИДЫ, УСТРОЙСТВО И РАБОТА

Выпарные аппараты делятся:

1) по расположению поверхности нагрева — на вертикальные, горизонтальные и наклонные;

2) по конфигурации поверхности нагрева — на аппараты со змеевиками, трубчаткой, подвесной камерой из кольцевых эле­ ментов и с рубашкой;

3)по компоновке поверхности нагрева — на аппараты с внут­ ренней и выносной поверхностями нагрева;

4)по кратности циркуляции — на аппараты с однократной циркуляцией (прямоточные), в которых раствор проходит через поверхность нагрева один раз, и с многократной циркуляцией, в которых раствор циркулирует несколько раз;

5)по режиму циркуляции — на аппараты с принудительным (от насоса) движением раствора, аппараты с организованной

естественной’циркуляцией, характеризующейся наличием опре­ деленного циркуляционного контура, и аппараты с неорганизо­ ванной естественной циркуляцией, когда раствор перемещается

ваппарате в неопределенном направлении.

Вотдельных случаях для перемешивания упариваемого раст­ вора аппарат оборудуют мешалкой.

Учитывая большое значение характера циркуляции, особен­ но при выпаривании концентрированных растворов, примем его

вкачестве определяющего признака при рассмотрении кон­ струкций выпарных аппаратов.

К аппаратам с организованной естественной циркуляцией от­ носятся, например, вертикальные выпарные аппараты с внут­ ренней циркуляционной трубой и аппараты с наклонной поверх­ ностью нагрева.

Выпарной аппарат, изображенный на рис. 89, а, состоит из корпуса 1, поверхности нагрева 2, центральной циркуляционной трубы 3, сепарационного пространства 4, брызгоуловителя 5 и смотровых стекол 6.

Поверхность нагрева аппарата представляет собой кипятиль­ ные трубы диаметром 33—57 мм и высотой 2—4 м, жестко за­ крепленные в двух трубных решетках; кипятильные трубы сна­ ружи обогреваются паром. Организованная циркуляция кипя­ щего раствора в аппарате обеспечивается разностью между плотностями парожидкостной смеси в кипятильных трубах и жидкости в центральной циркуляционной трубе.

169

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