Выпарная двухкорпусная установка для концентрирования сахарного раствора

В зависимости  от свойств раствора она может  составлять от 5 до 25 с. Недостатки —  небольшая производительность, сложность  конструкции и относительно высокая  стоимость. Высота аппарата достигает 12.5 м при диаметре 1.0 м, площадь поверхности теплообмена от 0.8 до 16 м.².

Жёсткий ротор  изготовляют пустотелым с лопастями. Зазор между лопастью и стенкой  аппарата составляет 0.4 - 1.5 мм.

Принципиальное отличие  испарителя с размазывающим ротором  заключается в применении ротора с шарнирно закрепленными на валу флажками.

При вращении ротора флажки прижимаются центробежной силой  к внутренней поверхности корпуса  и размазывают по ней продукт  в виде пленки.

Такие аппараты применяют также для проведения совмещенного процесса концентрирования и сушки. Диаметр аппаратов достигает 1 м, площадь — от 0,8 до 12 м, окружная скорость вращения ротора с флажками — 5 м/с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4. Плёночный  роторный выпарной аппарат

А - общий вид; Б - сечение с жестко закрепленными лопатками; В - сечение с отклоняющимися лопатками; 1 - корпус с нагревательными рубашками; 2 - лопатки; 3 - паровые рубашки; 4 - патрубок для выхода упаренного раствора; 5 - вал; 6 - электродвигатель привода вала; 7- клиноременная передача; 8 - сепаратор; 9 - патрубки для подачи раствора на выпаривание; 10 - патрубки для подачи греющего пара и отвода конденсата.

Конструкция аппаратов  позволяет благодаря осевому  перемещению ротора регулировать толщину  пленки и тем самым скорость процесса.

Роторно-пленочные аппараты имеют более высокие коэффициенты теплопередачи, чем аппараты с падающей пленкой, они достигают значений, равных 2300 - 2700 Вт/(м -К), в то время как в аппаратах с падающей пленкой: 1500- 1600 Вт/(м²-К).

1.4 Многокорпусные выпарные аппараты

Многокорпусные выпарные установки делятся по взаимному  направлению движения греющего пара и выпариваемого раствора на прямоточные, противоточные и комбинированные. Схемы с прямоточным и противоточным  движением греющего пара относительно выпариваемого раствора представлены на рисунке 5.

 

Рисунок 5. Схемы прямоточной и противоточной установок

Многократное  выпаривание проводят в ряде последовательно  установленных выпарных аппаратов. С целью экономии греющего пара в  выпарных установках многократного  выпаривания в качестве греющего пара во всех корпусах, кроме первого, используется пар из предыдущего корпуса.

Многократное  выпаривание можно осуществить  при использовании греющего пара высокого давления либо при применении вакуума в выпарной установке.

Давление в корпусах установок должно поддерживаться таким образом, чтобы температура поступающего в корпус пара была выше, чем температура кипения раствора в этом корпусе.

Выпаривание под  избыточным давлением связано с  повышением температуры кипения  раствора. Поэтому требуется греющий пар более высокого давления. Этот способ выпаривания применяют при концентрировании термически стойких растворов.

Преимуществом прямоточной схемы является то, что  раствор самотеком перетекает из корпуса с более высоким давлением в корпус с меньшим давлением. Недостатком прямоточных установок является более низкий средний коэффициент теплопередачи, чем в противоточных установках.

В противоточной  выпарной установке, греющий пар  поступает, как и в предыдущем случае, только в первый корпус, а вторичные пары обогревают все последующие корпуса. Выпариваемый раствор вводится в последний корпус и перемещается противотоком вторичному пару к первому корпусу. Вследствие того, что давление от последнего корпуса к первому постепенно возрастает, для перекачки раствора устанавливают центробежные насосы.

Противоточные установки используют в основном для выпаривания растворов, вязкость которых резко возрастает с увеличением  концентрации, а также, если возможно выпадение твердого вещества из раствора в последнем

случае.

2. Описание установки

 

Установка состоит  из: выпарного аппарата первого корпуса, выпарного аппарата второго корпуса, регенеративного подогревателя, конденсатора, бака конденсата греющего пара, бака готового продукта, бака исходного продукта, бака конденсата вторичного пара, насос отвода конденсата греющего пара, насоса отвода готового продукта, насоса подачи исходного  продукта, насоса отвода конденсата вторичного пара, вакуумного насоса.

В двухкорпусной  выпарной установке подвергают выпариванию сахарный раствор.

Исходный раствор – 12% концентрацией из емкости 7 центробежным насосом подачи исходного продукта подается в регенеративный подогреватель (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем — в первый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при  концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса.

Самопроизвольный  перетек раствора и вторичного пара в последующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся во втором корпусе концентрированный раствор центробежным насосом II подается в промежуточную емкость упаренного раствора.

Технологический расчет включает в себя составление  и расчет тепловых балансов регенеративного подогревателя, выпарного аппарата первого корпуса, выпарного аппарата второго корпуса, конденсатора.

 

3. Тепловой баланс аппарата

Выпарная установка  для концентрирования сахарного раствора включает в себя следующие аппараты, для которых необходимо написание тепловых балансов: выпарной аппарат первого корпуса, выпарной аппарат второго корпуса, подогревателя, конденсатора.

 

 

 

 

 

Рис.6 к составлению теплового баланса подогревателя.

 

Тепловой баланс подогревателя составляется в виде:

 

где    D – количество пара, кг/с;

 – количество подогреваемого  пара, кг/с;

 – количество подогреваемого  концентрированного пара, кг/с;

 – производительность  по исходному раствору, кг/с;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7 к составлению теплового баланса выпарного аппарата первого корпуса

 

Тепловой баланс выпарного аппарата первого корпуса  составляется в виде:

 

D

 

D (

D =

+

 

D

где D – количество пара, кг/с;

 – производительность  по исходному раствору, кг/с;

W- количество выпаренной воды, кг/с;

 температура аппарата,

                 

Температура подогревателя  принимается на 2-3 градуса ниже температуры в аппарате т.е.:

= - =       Теплоемкость С = 4100, Дж/кг

Тепловой  баланс выпарного аппарата 2 корпуса  составляется в виде

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8 к составлению теплового баланса выпарного аппарата второго корпуса

 

Тепловой баланс выпарного аппарата второго корпуса  составляется в виде:

 

                                               (                               

где D – количество пара, кг/с;

 – производительность  по исходному раствору, кг/с;

W- количество выпаренной воды, кг/с;

 – количество выпаренной  воды из первого и второго  корпусов, кг/с;

 температура первого  и второго аппарата,

 

Тепловой  баланс конденсатора составляется в  виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9 Тепловой баланс конденсатора

 

 

Определение количества выпаренной воды и расхода пара

 

Материальный  баланс по концентрации

 

Где

- начальный и конечный  расход раствора соответственно, кг/с;

- начальная и конечная концентрация раствора соответственно, %.

 

W =

W= 0.168 (1-

)= 0.12 кг/с

 

4. Технологический расчёт выпарной установки

Данный расчёт включает в себя: написание тепловых балансов аппаратов; определения количества выпариваемой воды и расхода пара; определение расхода охлаждающей воды для конденсатора.

4.1. Тепловые балансы аппаратов

Выпарная установка  для концентрирования свекольного  сока включает в себя следующие аппараты, для которых необходимо написание  тепловых балансов: выпарной аппарат; подогреватель исходного сока; конденсатор; парогенератор.

Тепловой баланс выпарного аппарата

                    

Рисунок 10. К составлению теплового баланса выпарного аппарата

На  основании рис. 10 составляется тепловой баланс выпарного аппарата

                                           

где  S₀=0,027 кг/с – расход по исходному раствору;

                  D – количество пара, кг/с;

                 W – количество выпаренной воды, кг/с;

                 Т_п – температура подогревателя, С;

               Т_а – температура аппарата, С;

     Т_к – температура конденсата, С;

                 С_р, С_к  – теплоёмкость раствора и конденсата соответственно, Дж/кгК;

                 i , i , i – теплосодержание греющего пара, вторичного пара и конденсата соответственно, кДж ,  i = 2579,4 10 кДж; i = 2574 10 кДж; i = 179,99 10 кДж.

 

Температура подогревателя Т_п, С, принимается на 2 – 3 градуса ниже температуры в аппарате Т_а, т.е.:

        

                                                                              Теплоёмкость сока С_р = 4000, Дж/кгК.

Теплоёмкость  конденсата при 43 С - С_к = 4174, Дж/кгК.

4.2. Тепловой баланс подогревателя

 

          

Рисунок 11. К составлению теплового баланса подогревателя

                                 

          где  S₀=0,027 кг/с – расход по исходному раствору;

                 W – количество выпаренной воды, кг/с;

                 Т_пр – начальная температура раствора, С;

                 Т_а – температура раствора на выходе из аппарата, С;

                  Т_к – температура конденсата, С;

Ср, Ск – теплоёмкость раствора и конденсата соответственно, Ср = 4000, Дж/кгК, [10, с. 10], теплоёмкость конденсата при 42 С, Ск = 4174, Дж/кгК;

       i , i – вторичного пара и конденсата соответственно, кДж , i = 2574 10 кДж; i = 179,99 10 кДж.

 

4.3. Тепловой баланс конденсатора

                                  

Рисунок 12. К составлению теплового баланса конденсатора

 

                                                                           

          где  W – количество выпаренной воды, кг/с;

                  Т_вн – начальная температура охлаждающей воды, 15 С;

                  Т_к – температура охлаждающей воды на выходе из аппарата, 20 С;

                  С_в – теплоёмкость охлаждающей воды С_в = 4190, Дж/кгК;

                  i , i – вторичного пара и конденсата соответственно, кДж , i = 2574 10 кДж; i = 179,99 10 кДж.

4.4. Определение количества выпаренной воды и расхода пара

Материальный  баланс по концентрации

                                                                                               

 

где   S₀, S₁ – начальный и конечный расходы раствора соответственно, кг/с;

        a_нач,a_кон –начальная и конечная концентрации раствора соответственно, %.

 

                                                             

        ,                            

где W – количество выпаренной воды, кг/с.

 

.                                                         

           кг/с.

 

Из теплового  баланса следует, что расход пара определяется по формуле

                                                          

Данное количество пара, необходимо затратить на начальной  стадии работы аппарата для разогрева  аппарата и получения вторичного пара.