В зависимости от режима работы (время эксплуатации) делятся на:

• Аппараты периодического действия;
• Аппараты непрерывного действия.

1-ая группа аппаратов используется при малой производительности установки или в лабораторных условиях. В промышленных условиях они не экономичны, т.к. при пуске их необходимо разогреть, а при остановке это тепло не используется.

2-ая группа используется в промышленных условиях и достаточно широко.

По давлению аппараты работают при: повышенном, атмосферном давлениях и при вакууме. Работа при вакууме используется, если раствор при повышенном давлении и температуре меняет свои свойства, ухудшается его качество и когда необходимо увеличить теплоперепад.

По расположению выпарного аппарата они делятся на:

• Вертикальные;
• Горизонтальные;
• Наклонные.

По конструктивным признакам делятся на:

• Аппараты с паровой рубашкой;
• Змеевикового типа;
• С прямыми трубами.

В качестве теплоносителей используются водяной пар и горячая вода.

Материал, из которого изготавливаются аппараты, может быть: сталь или цветные металлы.

Конструкции выпарных аппаратов

1. С внутренней циркуляционной трубой

Кратность циркуляции.

Высота кипятильных труб м.

Недостатки: нельзя выпаривать кристаллизующиеся растворы, вязкие растворы; циркуляционная труба обогревается паром и в результате получается менее надёжная циркуляция.

2. Для выпарки кристаллизующихся растворов

3. С вынесенной греющей камерой

4. С принудительной циркуляцией

Они предназначены для выпарки вязких растворов.

5. Аппарат плёночного типа со сползающей плёнкой

Предназначены для выпаривания пенящихся растворов.

6. Аппарат плёночного типа с всползающей плёнкой

7. Выпарной аппарат роторного типа

Для выпарки кристаллизующихся растворов.

Классификация выпарных аппаратов

Выпарной аппарат с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой, вынесенной зоной кипения и солеотделением

1 – греющая камера; 2 – труба вскипания; 3 – сепарационная камера; 4 – отбойник; 5 – брызгоотделитель; 6 – люк; 7 – смотровое окно; 8 – юбочная опора; 9 – линзовый компенсатор; 10 – циркуляционная труба; 11 – опорная лапа; 12 – узел солеотделения.

Схема паровых каналов в греющей камере

Конструкции узлов ввода греющего пара

1 – обечайка греющей камеры; 2 – греющие трубы; 3 – штуцер ввода пара; 4 – паровой пояс; 5 – отбойный щиток; 6 – отбойное кольцо; 7 – паровые окна

Конструкции узлов вывода конденсата

а – сифон-карман; б – коленообразный патрубок; в – канал в трубной решетке; г – штуцер приварен к трубной решетке

1 – корыто; 2 – бандаж; 3 – опорные ролики

1 – барабан; 2 – водяная рубашка; 3 – бобышки; 4 – бандаж; 5 – опорный ролик; 6 – упорные ролики; 7 – зубчатое колесо; 8 – штуцер для подачи раствора; 9 – распределительное устройство для ввода охлаждающей воды; 10 – кожух

1 – вентилятор; 2 – теплоизоляционный кожух; 3 – труба для парового обогрева

1 – корыто; 2 – водяная рубашка; 3 – ленточная мешалка; 4 – привод; 5, 6 – штуцеры для входа и выхода раствора; 7, 8 – штуцеры для входа и выхода охлаждающей воды; 9 – соединительное колено

1 – валец; 2 – охлаждающее устройство; 3, 10 – опоры; 4 – станция; 5 – шнек; 6 – штуцер для выгрузки продукта; 7 – привод шнека; 8 – ванна; 9 – привод; 11 – кожух; 12 – патрубок для вытяжки; 13 – смотровое окно; 14 – ножевое устройство; 15 – приемный бункер; 16 – труба для расплава

1 – конденсатор; 2 – штуцер для подачи раствора; 3 – корпус аппарата; 4 – барометрическая труба; 5 – гидравлический затвор; 6 – мешалка; 7 – штуцер для отвода суспензии; 8 – резиновый насадок на конце питающего штуцера

1 – корпус аппарата; 2, 5, 9 – циркуляционные трубы; 3 – сепаратор; 4 – штуцер сокового пара; 6 – отстойник мелкой соли; 7 – циркуляционный насос; 8 – штуцер для подачи раствора; 10 – узел вывода маточного раствора

Выпарной аппарат пленочного типа – тип 3 исполнение 1.

Поверхность теплообмена F = 280 м 2 .

Трубки диаметром 38х2 мм, длиной 5000 мм.

Диаметр греющей камеры 1400 мм.

Диаметр сепаратора 2800 мм.

• для входа греющего пара 400 мм;
• для выхода конденсата 65 мм;
• для входа раствора 100 мм;
• для выхода раствора 80 мм;
• для выхода вторичного пара 1000 мм;
• люк 600 мм.

Выпарные аппараты с центральной циркуляционной трубой (ЦЦТ).

Конструкция рассмотрена ранее.

Достоинства:

Наличие естественной циркуляции раствора, которая повышает коэффициент теплопередачи;

Распространенность в пищевой промышленности.

Недостатки:

Сложность ремонта и замены греющей камеры.

Выпарные аппараты с выносной циркуляционной трубой (ВЦТ).

В таком аппарате (рисунок 2.6) циркуляционная труба не обогревается, следовательно, раствор в ней дополнительно не нагревается и не кипит. Разность плотностей парожидкостной смеси в кипятильных трубах 2 и раствора в циркуляционной трубе больше, чем в аппаратах с ЦЦТ. Поэтому естественная циркуляция раствора более интенсивная и более высокий коэффициент теплопередачи.

Рисунок 2.5 - Выпарной аппарат с выносной циркуляционной трубой:

1 – греющая камера; 2 – кипятильные трубы; 3 – сепаратор; 4 – брызгоотбойник; 5 – выносная циркуляционная труба.

Если на выносную циркуляционную трубу поставить циркуляционный насос, обеспечивающий принудительную циркуляцию раствора, то достигаются его боле высокие скорости течения по трубам (2 – 2,5 м/с). Поэтому в аппаратах с принудительной циркуляцией раствора достигаются более высокие коэффициенты теплопередачи, чем в аппаратах с естественной циркуляцией.

Достоинства:

Греющая камера представляет собой обычный кожухотрубчатый теплообменник, что упрощает ее ремонт или замену.

Недостатки:

Большие размеры по сравнению с аппаратами с ЦЦТ.

Выпарные аппараты с выносной греющей камерой (ВГК).

В таких аппаратах греющая камера и сепаратор разнесены и соединяются с помощью труб (рисунок 2.6). Греющая камера представляет собой обычный кожухотрубчатый теплообменник. Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубкам греющей камеры 1, нагревается и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор 2, где происходит разделение жидкой и паровой фаз.

Рисунок 2.6 - Выпарной аппарат с выносной греющей камерой:

1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – циркуляционная труба; 4 – брызгоулавливатель.

Достоинства:

Легкость очистки труб, ремонта и замены греющей камеры, так как нет необходимости снимать громоздкий сепаратор;

Более интенсивная циркуляция раствора и более высокие коэффициенты теплопередачи, чем в аппаратах с ЦЦТ;

Возможность присоединения к одному сепаратору двух греющих камер, которые могут работать поочередно или одновременно.

Недостатки:

Большая занимаемая площадь помещения по сравнению с аппаратами с ЦЦТ и ВЦТ.

Выпарные аппараты с подвесной греющей камерой (ПГК).

Такие аппараты применяют для упаривания кристаллизующихся, агрессивных и вязких растворов (рисунок 2.7). В подвесную греющую камеру 1 пар подводится через трубу 3. Роль циркуляционной трубы выполняет кольцевой зазор между корпусом аппарата и подвесной греющей камерой.

Достоинства:

Повышенный коэффициент теплопередачи за счет хорошей циркуляции раствора;

Приспособленность для работы с вязкими и кристаллизующимися растворами;

Легкость выемки греющей камеры из аппарата для чистки, ремонта или замены;

Отсутствие термических деформаций труб греющей камеры.

Недостаток – больший диаметр корпуса по сравнению с аппаратами с ЦЦТ

Рисунок 2.7 - Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой:

1 – подвесная греющая камера; 2 – корпус; 3 – труба для подачи греющего пара; 4 – брызгоулавливатель; 5 – сливные трубы; 6 – перфорированная труба для промывки.

Пленочные выпарные аппараты

Их относят к группе аппаратов, работающих без циркуляции. Процесс выпаривания осуществляется за один проход жидкости по кипятильным трубам. Причем раствор движется в трубах в виде восходящей или нисходящей пленки жидкости (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 - Пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой жидкости:

1 –греющая камера; 2 – сепаратор; 4 – брызгоотбойник.

Достоинство – простота конструкции и невысокая стоимость.

Недостаток – низкий коэффициент теплопередачи из-за отсутствия циркуляции и 6невысокой скорости раствора в трубах.

Сушка – это процесс удаления влаги из твердых влажных, пастообразных и жидких материалов путем испарения влаги и отвода образовавшихся паров. Сушке подвергают пищевые материалы, находящиеся в различном агрегатном состоянии: гранулированные, формованные и зернистые материалы, пастообразные материалы, растворы и суспензии.

Сушка широко применяется в пищевой промышленности: сушка зерна, продуктов, производство макарон, изготовление конфет, обжаривание масличных семян и т.д.

Сушка бывает:

1. Конвективная (газовая) – путем передачи теплоты при контакте высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого используют нагретый воздух или топочные газы в смеси с воздухом.

2. Контактная сушка – путем передачи теплоты от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку.

3. Радиационная сушка – путем передачи теплоты инфракрасными лучами.

4. Диэлектрическая сушка – путем нагревания в поле токов высокой частоты.

5. Сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме.

Три последние вида сушки относят к специальным.

Аппараты со свободной неорганизованной циркуляцией раствора. Наиболее прост по конструкции выпарной аппарат с паровой рубашкой со свободной неорганизованной циркуляцией (рис. 11.1). Применяются такие аппараты в небольших производствах для упаривания водных растворов, склонных к отложениям и обладающих агрессивными свойствами. Аппараты такой конструкции появились одними из первых. Они отличаются простотой изготовления, доступностью поверхности теплопередачи для коррозионной защиты и очистки от отложений.

Рис. 11.1. Выпарной аппарат с паровой рубашкой

Однако аппаратам со свободной неорганизованной циркуляцией присущ низкий коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору. Это объясняется тем, что скорость движения раствора невелика и определяется свободной конвекцией. Низкие коэффициенты теплоотдачи и соответственно теплопередачи приводят к необходимости иметь большую поверхность теплопередачи, что влечет высокие капитальные затраты. Необходимость увеличения поверхности нагрева в единице объема аппарата привела к появлению змеевиковых и трубчатых выпарных аппаратов. На рис. 11.2, 11.3 показаны такие аппараты со свободной неорганизованной циркуляцией.

Аппараты со змеевиковой и горизонтальной трубчатой греющими камерами более компактны, чем аппараты с рубашкой, греющий пар в них движется по трубам, обеспечивая большую удельную поверхность теплопередачи, но сложность их очистки и защиты от коррозии, возможность образования паровых пробок, ремонт внутренних устройств (змеевиков, труб) значительно затрудняют их эксплуатацию. Змеевики в выпарных аппаратах выполняются обычно в виде нескольких секций, что облегчает удаление конденсата, а также представляет возможность последовательного их отключения при понижении уровня раствора в случае периодического процесса.

Рис. 11.2. Змеевиковый выпарной аппарат: 1 – корпус; 2 – секции змеевика; 3 – брызгоуловитель

Рис. 11.3. Выпарной аппарат с горизонтальной трубчатой греющей камерой и вертикальным цилиндри-ческим корпусом: 1 – корпус; 2 – трубчатая греющая камера; 3 – сепарационное пространство

Аппараты с естественной организованной циркуляцией раствора. Неэкономичность аппаратов со свободной неорганизованной циркуляцией привела к появлению аппаратов с естественной направленной циркуляцией раствора. С этой целью в аппарате с сосной греющей камерой и центральной циркуляционной трубой (рис. 11.4) в вертикальной греющей камере соосной с сепаратором установлена циркуляционная труба , имеющая больший диаметр, чем кипятильные трубы . Исходный раствор поступает в аппарат и через циркуляционную трубу опускается вниз. Поднимаясь вверх по кипятильным трубам, раствор нагревается и закипает. При этом вверх поднимается парожидкостная смесь. По мере выхода из кипятильных труб пар поступает в сепаратор, где отделяется от брызг раствора и удаляется из аппарата. Отделение капелек жидкого раствора от вторичного пара происходит в сепарационном пространстве 5 за счет осаждения под действием сил тяжести. Для улова мелких капель в верхней части сепаратора может устанавливаться брызгоуловитель, действующий за счет силы инерции, возникающей при изменении направления движения (см. рис. 11.4), или центробежной – при закручивании парожидкостного потока (рис.11.6). Упаренный раствор удаляется снизу аппарата. Направленная циркуляция обусловлена разностью плотностей среды в циркуляционной и кипятильных трубах. Это достигается за счет того, что поверхность теплопередачи каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объема выпариваемого раствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы. Поэтому теплообмен в кипятильных трубах проходит интенсивнее и плотность парожидкостной смеси будет значительно меньше плотности раствора в ц
иркуляционной трубе. Вследствие естественной конвекции среда с большей плотностью будет опускаться по циркуляционной трубе вниз, а с меньшей – подниматься по кипятильным трубам вверх. Скорость движения раствора в таком аппарате значительно выше, чем в аппаратах с неорганизованной циркуляцией. Увеличение скорости движения раствора приводит к повышению его коэффициента теплоотдачи, лимитирующего процесс теплопередачи, а также уменьшения образования накипи на стенках труб.

Рис. 11.4. Выпарной аппарат с соосной греющей камерой и центральной циркуляционной трубой: 1 – корпус; 2 – греющая камера; 3 – кипятильные трубы; 4 – циркуляционная труба; 5 – сепаратор; 6 – брызгоуловитель

В аппарате с подвесной греющей камерой её иногда помещают в собственную обечайку и свободно устанавливают в нижней части корпуса аппарата (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой: 1 – греющая камера; 2 – корпус; 3 – паровая труба; 4 – брызгоуловитель; 5 – сливные трубы; 6 – перфорированная труба для промывки

Роль циркуляционной трубы выполняет кольцевое пространство, образованное обечайкой греющей камеры и стенками выпарного аппарата. Раствор по нему опускается вниз, а затем поднимается вверх по кипятильным трубам, закипает и образует парожидкостную смесь.

В
аппарате с выносной циркуляционной трубой её располагают вне греющей камеры (рис. 11.6), что позволяет интенси-фицировать циркуляцию раствора за счет большей разности температур и плотностей в кипятильных и циркуляционной трубах, так как последняя в этом случае не обогревается греющим паром.

Рис. 11.6. Выпарной аппарат с соосной греющей камерой и выносной циркуляционной трубой: 1 – сепаратор; 2 – брызгоуловитель; 3 – греющая камера; 4 – циркуляционная труба

Для увеличения скорости циркуляции раствора применяют также выпарные аппараты с выносной греющей камерой . Применение выносной греющей камеры позволяет компактно сосредоточить большую поверхность н
агрева в одном аппарате при большой длине труб (5-7 м) (рис. 11.7).

Рис. 11.7 Выпарной аппарат с выносной греющей камерой: 1 – сепаратор; 2 – брызгоуловитель; 3 – греющая камера; 4 – циркуляционная труба

С
корость естественной циркуляции раствора редко превышает 1 м/с, что недостаточно для предотвращения отложений на поверхности нагрева при выпаривании кристаллизующихся раство-ров. Один из путей решения данной проблемы состоит в выносе зоны кипения за пределы греющей камеры. Раствор перегревается в греющей камере, а затем поступает в зону кипения. Ваппарате с вынесенной зоной кипения испарительную трубу размещают над греющей камерой (рис. 11.8).

Рис. 11.8. Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения: 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – испаритель-ная труба; 4 – циркуляц-ионная труба; 5 – каплеот-бойник; 6 – брызгоулови-тель

Высота испарительной зоны выбирается такой, чтобы за счет избыточного гидростатического давления раствор перегревался в греющей камере относи-тельно его температуры насыщения в сепараторе. Кипение раствора проходит в верхней части испарительной трубы. Однако производительность такого аппарата ограничена реальными возможностями по созданию гидростатического давления. Для создания большего перегрева раствора потребовалась бы значительная высота аппарата.

Аппараты с принудительной циркуляцией раствора. Отложения на стенках нагревательной камеры могут быть уменьшены, а коэффициенты теплоотдачи увеличены за счет роста скорости циркуляции раствора в нагревательных трубах до 2,5–3,5 м/с. Такой скорости можно достичь только принудительной циркуляцией раствора. Принудительная циркуляция организуется, как правило, насосами (рис. 11.9). Аппараты с принудительной циркуляцией могут использоваться при концентрировании растворов до предельной концентрации (состояние кристаллизации), а также сильно вязких растворов. Их устройство может быть подобно аппаратам, изображенным на рис. 11.6 – 11.8, с добавлением насоса, обеспечивающего циркуляцию раствора (рис. 11.9).

Рис. 11.9. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора: 1 – насос

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией могут эффективно работать при полезной разности температур не менее 10–12 градусов. Аппараты с принудительной циркуляцией могут работать при полезной разности темпера-тур – 3–5 градусов вследствие увеличения в них коэффици-ентов теплоотдачи от стенки к раствору, а также малой зависимостью интенсивности циркуляции от полезной разности температур. Недостат-ком таких аппаратов является значительный расход энергии на обеспечение вынужденной циркуляции раствора.

Аппараты без циркуляции раствора (прямоточные ) . В этих аппаратах раствор выпаривается за один проход и движется, как правило, в виде тонкой пленки. Гидродинамическая структура потока раствора в прямоточных аппаратах близка к модели идеального вытеснения, в то время как в аппаратах с циркуляцией – к модели идеального смешения. Для выпаривания термонестабильных и вспенивающихся растворов были разработаны пленочные аппараты. Полезная разность температур в таких аппаратах составляет 2–3 градуса. Пленочные выпарные аппараты могут быть горизонтальными; вертикальными с падающим (нисходящим) и восходящим движением пленки; роторными.

В
ертикальный пленочный аппарат с восходящей пленкой (рис. 11.10) состоит из длиннотрубной (6–7 м) вертикальной греющей камеры, заполненной раствором, занимающим около 1/4 высоты труб. Образующийся в этой зоне вторичный пар увлекает тонкую пленку раствора и перемещает ее вверх. При своем движении пленка раствора упаривается и на выходе из труб вместе с вторичным паром поступает в сепаратор. Такой аппарат применяется для выпаривания маловязких растворов.

Рис. 11.10. Вертикальный пленочный выпарной аппарат с восходящим движением пленки: 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – брызгоотбойник; 4 – брызгоуловитель

В пленочных аппаратах с нисходящей пленкой она формируется с помощью специальных пленкообразующих устройств. Пленкообразующие устройства могут быть в виде насадок (цилиндрических, конических, спиральных), сопел, параллельно расположенных над трубной решеткой сеток, решеток, дырчатых дисков и т.п. Раствор, стекая вниз по трубам в виде пленки, упаривается. Такие аппараты применяются при выпаривании более вязких растворов.

Преимуществами рассмотренных пленочных аппаратов являются кратковременный контакт раствора с поверхностью нагрева, низкая полезная разность температур, относительно высокий коэффициент теплопередачи.

При выпаривании термонестабильных и сильно вязких растворов применяются роторные пленочные аппараты . Пленка в таких аппаратах образуется при вращении ротора. Устройство роторного пленочного выпарного аппарата показано на рис. 11.11. Цилиндрический корпус снабжен нагревательной рубашкой и сепаратором. Внутри корпуса установлен приводимый во вращение ротор. Исходный раствор ротором распределяется в виде пленки по стенкам корпуса, стекает вниз и удаляется в виде упаренной жидкости. Сверху аппарата отводится вторичный пар.

Д
остоинства роторных пленочных аппаратов: кратковременный контакт раствора с теплопередающей поверхностью, высокий коэффициент теплопередачи, возможность использования для мало- и высоковязких растворов, для проведения процесса с выделением кристаллов, вплоть до получения сухого остатка (поверхность нагрева очищается специальными лопастями).

Рис. 11.11. Роторный пленочный выпарной аппарат: 1 – вращающийся ротор

Аппараты контактного типа. Степень концентрирования растворов может быть существенно повышена отсутствием контакта раствора с поверхностью нагрева. Это позволит исключить отложения, препятствующие теплопереносу. Такой подход реализован в аппаратах контактного типа. Перенос тепла осуществляется непосредственным контактом раствора и нагревающего агента, который может быть в газообразном, жидком или твердом состоянии. Наибольшее распространение получили контактные аппараты с теплоносителем в газообразном состоянии. В барботажном выпарном аппарате (рис. 11.12) при барботаже горячего газообразного теплоносителя образуется значительная межфазная поверхность, происходит перемешивание упариваемого раствора. В результате интенсифицируется теплообмен. Преимущество контактных аппаратов заключается также в возможности их использования для выпаривания химически агрессивных растворов. При этом корпус аппарата изготавливается из обычной углеродистой стали, футерованной изнутри стойкими, но малопрочными материалами (графит, керамика, пластмасса и т.д.). Недостатками барботажных выпарных аппаратов являются: большие габариты, что объясняется значительным расходом газовой фазы; необходимость разделять образующуюся парогазовую смесь (вторичный пар обычно конденсируют). Иногда образующуюся парогазовую смесь выбрасывают в атмосферу.

Р
ис. 11.12. Барботажный выпарной аппарат: 1 – барботер

Выбор конструкции выпарного аппарата основывается на конкретных данных для проектирования: физико-химических свойствах упариваемого раствора и имеющегося нагревающего агента, требуемой степени концентрирования, производительности установки, санитарных нормах и т.д. Такой выбор из всего имеющегося многообразия конструкций, возможен лишь на основе технико-экономических расчетов.

Конструкции выпарных аппаратов

В пищевой промышленности широко применяют трубчатые выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией с площадью поверхности нагрева от 10 до 1800 м 2 и различным расположением греющей камеры. В ряде случаев для интенсификации процесса выпаривания используют различные конструкции пленочных выпарных аппаратов.

При выборе конструкции выпарного аппарата учитываются теплофизические свойства раствора, склонность к кристаллизации, чувствительность к высоким температурам, полезная разность температур в каждом корпусе, площадь поверхности теплообменного аппарата, технологические особенности.

Выпарные аппараты изготавливаются из углеродистой, коррози-онностойкой и двухслойной стали.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией просты по конструкции и применяются для выпаривания растворов с невысокой вязкостью, не склонных к кристаллизации. Эти аппараты бывают с соосной и вынесенной греющей камерой (рис.2.7, а, б).

Выпарной аппарат состоит из сепаратора, греющей камеры и циркуляционной трубы. Сепаратор представляет собой цилиндрическую емкость с эллиптической крышкой, присоединенную с помощью болтов к греющей камере. В сепараторе для отделения капелек жидкости от вторичного пара устанавливают различной конструкции отбойники. Греющая камера выполнена в

виде вертикального кожухотрубчатого теплообменника, в межтрубчатое пространство которого поступает греющий пар, а в греющих трубках кипит раствор. Нижние части сепаратора и греющей камеры соединены циркуляционной трубой.

Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной трубы и кипятильных труб. Если жидкость в трубах нагрета до кипения, то в результате выпаривания части жидкости в этих трубах образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, вес столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в кипятильных трубах, вследствие чего происходит циркуляция кипящей жидкости по пути кипятильные трубы - паровое пространство - циркуляционная труба - трубы и т. д. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и снижается образование накипи на поверхности труб.

Рис.2.7. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора:

1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляционная труба

Для естественной циркуляции требуются два условия: 1 - достаточная высота уровня жидкости в циркуляционной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси и создать необходимую скорость; 2 - достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела возможно малую плотность.

Представленные на рис.2.7 аппараты выгодно отличаются от устаревших конструкций аппаратов с центральной циркуляционной трубой. Наличие обогреваемой центральной циркуляционной трубы приводило к снижению интенсивности циркуляции.

Выпарные аппараты, показанные на рис.2.7., имеют площадь поверхности теплопередачи от 10 до 1200 м 2 , длину кипятильных труб от 3 до 9 м в зависимости от их диаметра. Диаметр кипятильных труб составляет 25, 38 и 57 мм. Избыточное давление в греющей камере 0,3- 1,6МПа, а в сепараторе вакуум примерно 93,0 кПа. Соотношение площадей сечения циркуляционной трубы и греющей камеры составляет не менее 0,3.

Парообразование в кипятильных трубах определяется физическими свойствами раствора (главным образом вязкостью) и разностью температур между стенкой трубы и жидкостью. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и больше скорость циркуляции. Для создания интенсивной циркуляции разность температур между греющим паром и раствором должна быть не ниже 10 °С.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией отличаются простотой конструкции и легкодоступны для ремонта и очистки.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора позволяют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопередачи.

На рис.2.8. показаны такие аппараты с соосной и вынесенной греющей камерой.

Рис.2.8. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора:

а-с соосной греющей камерой; б-с вынесенной греющей камерой;

1-греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляционная труба; 4 - насос

Циркуляция жидкости производится пропеллерным или центробежным насосом. Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается лишь на преодоление гидравлических сопротивлений.

Давление внизу кипятильных труб больше, чем вверху, на величину давления столба жидкости в трубах плюс их гидравлическое сопротивление. Ввиду этого на большей части высоты кипятильных труб жидкость не кипит, а подогревается. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды, поэтому отношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси, выходящей из кипятильных труб, очень велико.

Скорость циркуляции жидкости в кипятильных трубах принимают равной 1,5-3,5 м/с. Скорость циркуляции жидкости определяется производительностью циркуляционного насоса, поэтому аппараты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур между греющим паром и раствором (3-5°С) и при выпаривании растворов с большой вязкостью.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией имеют площадь поверхности теплопередачи от 25 до 1200 м, длину кипятильных труб от 4 до 9 м в зависимости от их диаметров, которые составляют 25, 38, 57 мм. Избыточное давление в греющей камере от 0,3 до 1,0 МПа, а в сепараторе вакуум 93 кПа. Соотношение площадей сечения циркуляционной трубы и греющей камеры не менее 0,9.

Достоинствами аппаратов с принудительной циркуляцией являются высокие коэффициенты теплопередачи (в 3-4 раза больше, чем при естественной циркуляции), а следовательно, и значительно меньше площади поверхности теплопередачи, а также отсутствие загрязнений поверхности теплопередачи при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при небольших разностях температур.

Недостаток этих аппаратов - затраты энергии на работу насоса.

Применение принудительной циркуляции целесообразно при изготовлении аппарата из дорогого металла для выпаривания кристаллизующихся и вязких растворов.

Пленочные выпарные аппараты применяются для концентрирования растворов, чувствительных к высоким температурам. При необходимом времени пребывания в зоне высоких температур раствор не успевает перегреться и его качество не снижается. Выпаривание в пленочных аппаратах происходит за один приход раствора через трубы.

Плёночные аппараты бывают с восходящей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой и падающей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой.

Пленочные аппараты, как и описанные выше, состоят (рис.2.9.) из греющей камеры и сепаратора. В греющей камере расположены трубы длиной от 5 до 9 м, которые обогреваются греющим паром.

На рис.2.9,а показан пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой и соосной греющей камерой. Исходный раствор подается в трубы снизу, причем уровень жидкости в трубах поддерживается на уровне 20-25 % высоты труб. В остальной части труб находится парожидкостная смесь. Раствор в виде пленки находится на поверхности труб, а пар движется по оси трубы с большой скоростью, увлекая за собой пленку жидкости. При движении пара и пленки жидкости за счет трения происходят турбулизация пленки и интенсивное обновление поверхности. За счет этих факторов достигаются высокие коэффициенты теплопередачи и большая поверхность испарения.

На рис.2.9,б показан аппарат с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой. В таких аппаратах исходный раствор поступает сверху в греющую камеру, а концентрированный раствор выводится из нижней части сепаратора.

Рис.2.9. Пленочные выпарные аппараты:

а-с восходящей пленкой и соосной греющей камерой;

б-с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой;

1 - сепаратор; 2 - греющая камера

Пленочные выпарные аппараты изготавливаются с площадью поверхности теплопередачи от 63 до 2500 м 2 с диаметром труб 36 или 57 мм. Избыточное давление в греющей камере от 0,3 до 1,0 МПа, а в сепараторе вакуум 93 кПа.

Недостатком пленочных аппаратов является неустойчивость работы при колебаниях давления греющего пара. При нарушении режима работы аппарат можно перевести на работу с циркуляцией раствора, как в аппаратах с принудительной циркуляцией. Роторно-пленочные выпарные аппараты применяют для концентрирования пищевых растворов, а также суспензий. Роторно-пленочный аппарат представляет собой цилиндрический или конический корпус с обогреваемой рубашкой (рис.2.10.). внутри корпуса вращается ротор, распределяющий раствор по цилиндрической поверхности корпуса в виде пленки, а в некоторых случаях - в виде струй и капель. Роторно-пленочные аппараты выполнены, как правило, из нержавеющей углеродистой стали Х18Н10Т. Высота аппаратов достигает 12,5 м при 1аметре 10 м, площадь поверхности теплообмена от 0,8 до 16 м 2 .

Роторно-пленочные аппа-раты бывают с жестким или раз-мазывающим ротором. Жесткий ротор изготавливается пусто-телым с лопастями. Зазор между лопастью и стенкой аппарата сос-тавляет от 0,4 до 1,5 мм. Исход-ный продукт подается в верхнюю часть аппарата и лопастями распределяется по цилиндрической стенке в виде пленки. Окружная скорость лопастей достигает 12 м/с. При работе под вакуумом (при давлении до 100 Па) вал ротора уплотняется специальным торцевым уплотнением. Нижний подшипник смазывается перера-батываемым материалом. Прин-ципиальное отличие испарителя с размазывающим ротором зак-лючается 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 применяются 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.

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 2 -град), в то время как в аппаратах с падающей пленкой - 1500-1600 Вт/(м 2 -град).

Контрольные вопросы

1. Назначение и сущность процесса выпаривания. Его практическое использование в пищевой промышленности.

2. Как изменяются свойства раствора при выпаривании?

3. Какие методы выпаривания Вы знаете? Их преимущества и недостатки.

4. Что такое полезная разность температур и как она распределяется в процессе выпаривания?

5. Из чего складываются температурные потери при выпаривании?

6. Способы экономии греющего пара при выпаривании?

7. В чем заключается расчет выпарных установок и порядок его проведения?

8. Конструкции выпарных установок.Их преимущества и недостатки.