Агрегатно-технологическая линия производства фруктово-овощных соков для детского питания с расчетом выпарной установки для концентрир

3. Устройство аппарата

Разнообразные конструкции выпарных аппаратов, применяемые в промышленности, можно классифицировать по типу поверхности  нагрева (паровые рубашки, змеевики, трубчатые различных видов) и  по ее расположению в пространстве (аппараты c вертикальной, горизонтальной, иногда с наклонной нагревательной камерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток| и др.), а также в зависимости от того, движется ли теплоносители снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.

Различают выпарные аппараты с неорганизованной, или свободной, направленной естественной и принудительной циркуляцией раствора.

Выпарные аппараты делят также  на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуляции раствора и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора.

В зависимости от организации процесса различают периодический и непрерывно действующие выпарные аппараты.

Аппараты со свободной  циркуляцией раствора. Простейшими аппаратами этого типа являются периодически действующие открытые выпарные чаши с паровыми рубашками (для работы при атмосферном давлением) и закрытые котлы с рубашками, работающие под вакуумом.

В выпарных аппаратах с рубашками происходит малоинтенсивная неупорядоченная циркуляция выпариваемого раствора вследствие разности плотностей более нагретых и менее нагретых частиц. Поэтому в аппаратах с рубашками коэффициенты теплопередачи низки.

Поверхности нагрева рубашек и  соответственно нагрузки этих аппаратов  очень невелики. Поэтому выпарные аппараты с рубашками лишь изредка  применяются в небольших производствах  при выпаривании сильно агрессивных и вязких, выделяющих твердые осадки, растворов, так как поверхность нагрева может быть относительно просто защищена от коррозии с помощью химически стойких покрытий и легко очищена. Для её очистки иногда используют мешалки, например якорные.'

Значительно большей поверхностью нагрева в единице объема обладают змеевиковые выпарные аппараты (рис. 6). В корпусе 1 такого аппарата размещены  паровые змеевики 2, а в паровом  пространстве установлен брызгоуловитель 3. При проходе через брызгоуловитель поток вторичного пара изменяет направление своего движения и из него, выделяются унесенные паром капли жидкости.

Змеевики выполняют из отдельных  секций, так как у длинных змеевиков, вследствие накопления конденсата, поверхность  нагрева плохо используется. Кроме  того, при секционировании змеевиков  можно последовательно отключать  отдельные секции по мере понижения  уровня раствора в периодически действующем  аппарате.

Змеевиковые аппараты более компактны, чем аппараты с рубашками и  отличаются несколько большей интенсивностью теплопередачи. Однако очистка и  ремонт змеевиков затруднены. В этих аппаратах также производят выпаривание небольших количеств химически агрессивных веществ.

К той же группе относятся выпарные аппараты с горизонтальной трубчатой нагревательной камерой и с вертикальным цилиндрическим корпусом (рис. 6). В нижней части корпуса таких аппаратов находится нагревательная камера 2, состоящая из пучка горизонтальных прямых труб, по которым движется греющий пар. Верхняя часть корпуса служит сепаратором 3, предназначенным для уменьшения механического уноса жидкости паром.

Известны также аналогичные  аппараты с горизонтальным корпусом (полуцилиндрической, или сундучной  формы). Они выгодно отличаются от вертикальных меньшей высотой слоя выпариваемого раствора, что значительно снижает температурные потери вследствие гидростатической депрессии. Кроме того, горизонтальные аппараты имеют больший объем парового пространства, что облегчает выпаривание в них сильно пенящихся растворов. Вместе с тем эти аппараты обладают и значительными недостатками по сравнению с вертикальными: более громоздки и металлоемки; непригодны для выпаривания  кристаллизующихся растворов из-за трудности механической очистки наружной поверхности труб; имеют невысокие коэффициенты теплоотдачи в горизонтальных  паровых  трубах (внутри которых накапливается слой конденсата).

Вследствие указанных недостатков  выпарные аппараты со свободной циркуляцией  раствора в настоящее время вытеснены  в большинстве производств выпарными  аппаратами более совершенных конструкций, в частности вертикальными трубчатыми аппаратами.

Вертикальные аппараты с направленной естественной циркуляцией. В аппаратах этого типа выпаривание осуществляется при естественной многократной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое распространение в промышленности.

Основным достоинством таких аппаратов  является улучшение теплоотдачи  к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом  контуре, уменьшающей скорость отложения  накипи на поверхности труб. Кроме  того, большинство этих аппаратов  компактны. Занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.

Развитие конструкции таких  аппарат происходит в направлении  усиления естественной циркуляции Последнее  возможно путем увеличения разности весов столбов жидкости в опускной трубе и парожидкостной смеси  в подъемной части контура. Это  достигается посредством: 1) увеличения высоты кипятильных (подъемных труб и повышения интенсивности парообразования  в них с целью уменьшения плотности  парожидкостной смеси, образующейся из кипящего раствора; 2) улучшения естественного  охлаждения циркуляционной трубы для  того, чтобы опускающаяся в ней  жидкость имела как возможно большую  плотность; 3) поддержания в опускной трубе определенного уровня жидкости, необходимого для уравновешивания  столба парожидкостной смеси в подъемных  трубах при заданной скорости ее движения.

Прямоточные (пленочные) аппараты. Принципиальное отличие этих аппаратов от аппаратов с естественной циркуляцией состоит в том, что выпаривание в них происходит при однократном прохождении выпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры. Таким образом, выпаривание осуществляется без циркуляции раствора. Кроме того, раствор выпаривается, перемещаясь (на большей части высоты кипятильных труб) в виде тонкой пленки по внутренней поверхности труб. В центральной части труб вдоль их оси движется вторичный пар. Это приводи к резкому снижению температурных потерь, обусловленных гидростатической депрессией.

Различают прямоточные выпарные аппараты с поднимающейся и опускающейся пленкой.

Аппарат с поднимающейся пленкой (рис. 84) состоит из нагревательной камеры, представляющей собой пучок труб небольшого диаметра (15—25мм) длиной 7—9м, и сепаратора 2.

Раствор на выпаривание поступает  снизу в трубы нагревательной камеры, межтрубное пространство которой  обогревается греющим паром. На уровне, соответствующем обычно          20 – 25 % высоты труб, наступает интенсивное  кипение. Пузырьки вторичного пара сливаются  и пар, быстро поднимаясь по трубам, за счет поверхностного трения увлекает за собой раствор. При этом жидкость перемещается в виде пленки, всползающей  по внутренней поверхности труб, и  выпаривание происходит в тонком слое.

Вторичный пар, выходящий из труб, содержит капли жидкости, которые  отделяются от пара с помощью отбойника 3 и центробежного брызгоуловитель 4. В брызгоуловитель влажный пар поступает тангенциально и ему сообщается вращательное движение. Под действием центробежной силы капли жидкости отбрасываются к периферии, жидкость стекает вниз, а пар удаляется сверху из аппарата.

Прямоточные выпарные аппараты ближе  к аппаратам идеального вытеснения, в то время как аппараты с многократной циркуляцией приближаются к аппаратам  идеального смешения. Вместе с тем  в прямоточных аппаратах раствор проходит по кипятильным трубкам однократно. Поэтому время пребывания его мало и аккумулирующая способность этих аппаратов низка, что важно при выпаривании термически нестойких веществ.

Прямоточные аппараты чувствительны  к изменению режима работы и требуют  для эффективного выпаривания поддерживания  некоторого оптимального «кажущегося» уровня раствора в кипятильных трубах. «Кажущийся» уровень соответствует  высоте столба холодного раствора, которым может быть уравновешен  столб парожидкостной смеси в  трубах. При «кажущемся» уровне ниже оптимального верхняя часть поверхности  труб не омывается жидкостью и  практически не участвует в теплообмене; «оголенная» часть поверхности  труб при испарении на ней брызг  жидкости покрывается накипью При «кажущемся» уровне выше оптимального на большей части поверхности труб раствор только нагревается; соответственно уменьшается высота зоны кипения, где теплопередача интенсивнее; это приводит к снижению средней величины коэффициента теплопередачи. Кроме того, для вертикальных прямоточных аппаратов необходимы высокие производственные помещения. Область применения аппаратов с поднимающейся пленкой - выпаривание маловязких растворов, в том числе пенящихся и чувствительных к высоким температурам. Эти аппараты не рекомендуются для выпаривания кристаллизующихся растворов ввиду возможности забивания труб кристаллами.

В прямоточных (пленочных) аппаратах  трудно обеспечить равномерную толщину  пленки выпариваемой жидкости (что  необходимо для, эффективной работы аппарата), кроме того, эти аппараты весьма чувствительны к неравномерной  подаче раствора, а чистка длинных  труб малого диаметра затруднительна. Поэтому пленочные аппараты вытесняются  вертикальными выпарными аппаратами с циркуляцией раствора.

Роторные прямоточные  аппараты. Для выпаривания нестойких к повышенным температурам вязких и листообразных растворов применяют роторные прямоточные аппараты (рис, 9). Внутри цилиндрического корпуса 1 аппарата, снабженного паровыми рубашками 2, вращается ротор 3, состоящий из вертикального вала (расположенного по оси аппарата) и шарнирно закрепленных на уем скребков 4.

Выпариваемый раствор поступает  в аппарат сверху, захватывается вращающимися скребками, под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам аппарата и перемещается по их внутренней поверхности в виде турбулентно движущейся пленки. Постепенно происходит полное выпаривание пленки, и на стенках аппарата образуется тонкий слой порошка или пасты, который снимается вращающимися скребками (зазор между наружной кромкой скребков и стенкой аппарата составляет менее 1 мм). Твердый или пастообразный продукт удаляется через специальный секторный затвор из днища аппарата.

В роторных прямоточных аппаратах  достигается интенсивный теплообмен при небольшом уносе жидкости вторичным паром. Вместе с тем  роторные аппараты сложны в изготовлении и отличаются относительно высокой  стоимостью эксплуатации, вследствие наличия вращающихся частей (ротора) Имеется несколько разновидностей роторных прямоточных выпарных аппаратов, в том числе аппараты с горизонтальным корпусом.

Аппараты с принудительной циркуляцией. Для того чтобы устранить. отложение накипи в трубах, особенно при выпаривании кристаллизующихся растворов, необходимы скорости циркуляции не менее 2—2,5 м/сек т.е. больше тех скоростей, при которых работают аппараты с естественной циркуляцией. В принципе такие высокие скорости достижимы и в условиях естественной циркуляции, но при этом необходимы очень большие полезные разности температур (между греющим паром и кипящим раствором).

В аппаратах с принудительной циркуляцией  скорость ее определяется производительностью  циркуляционного насоса и не зависит  от высоты уровня жидкости в трубах, а также от интенсивности парообразования Поэтому в аппаратах с принудительной циркуляцией выпаривание эффективно протекает при малых полезных разностях температур, не превышающих 3—5 °С и при значительных вязкостях растворов

Одна из конструкций выпарного  аппарата с принудительной циркуляцией  показана на рис 10. Аппарат имеет выносную вертикальную нагревательную камеру 1,  сепаратор 2 и не обогреваемую циркуляционную трубу 3, в которую подается исходный раствор. Циркуляция раствора производится насосом 4.

4. Процессы в аппарате

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая  производительность и интенсивность  теплопередачи при возможно меньших  объёме аппарата и расходе металла  на его изготовление, простота устройства, надёжность в эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Вместе с тем выбор конструкции  и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого  раствора (вязкость, температурная  депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.)

Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путём увеличения скорости циркуляции раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание  и уменьшается полезная разность температур, т. к. при постоянной температуре  греющего пара с возрастанием гидравлического  сопротивления увеличивается температура  кипения раствора. Противоречивое влияние  этих факторов должно учитываться при  технико-экономическом сравнении  аппаратов и выборе оптимальной  конструкции.

Ниже приводятся области преимущественного  использования выпарных аппаратов  различных типов.

Для выпаривания растворов небольшой  вязкости ~8 10-3 Па с, без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными необогреваемыми  циркуляционными трубами.