Выпаривание Лекция 9 l Выпариванием называют

Выпаривание Лекция № 9

l Выпариванием называют удаление части влаги из растворов в процессе кипения с целью повышения концентрации растворенных веществ. В пищевых производствах выпаривают свекловичные соки, молочные продукты, фруктовые соки, бульоны и др. l При выпаривании растворенное вещество остается в растворе в неизменном количестве (растворенное вещество не испаряется). Этим выпаривание отличается от перегонки, когда в пар одновременно переходят различные компоненты раствора в различных концентрациях.

l l Кипение происходит в объеме жидкости, в отличие от испарения, происходящего с поверхности. Кипение растворов возникает тогда, когда давление паров растворителя становится равным общему давлению паров в надрастворном пространстве. Для испарения достаточно превышения давления паров растворителя над парциальным давлением тех же паров в надрастворном пространстве. Давление паров растворителя зависит от температуры и концентрации растворенного вещества. Можно сказать иначе – температура кипения определяется давлением в надрастворном пространстве и концентрацией растворенного вещества. С целью снижения температуры кипения во избежание нежелательных изменений в продукте выпаривание часто проводят под вакуумом.

1. Явления, происходящие при выпаривании В процессе выпаривания при повышении концентрации растворенных веществ наблюдаются следующие явления: – температура кипения раствора при неизменном давлении в надрастворном пространстве повышается. Разность между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя при одном и том же давлении называют физикохимической температурной депрессией. Таким образом, физико-химическая депрессия при неизменном давлении в надрастворном пространстве по мере повышения концентрации растворенных веществ возрастает;

– коэффициенты тепло- и температуропроводности раствора уменьшаются, а динамический коэффициент вязкости возрастает. Это приводит к ухудшению условий теплоотдачи от греющей поверхности к раствору. Плотность раствора увеличивается, теплоемкость снижается; – при образовании пересыщенного раствора избыток растворенного вещества выпадает в виде кристаллов. В этом случае различают концентрацию сухих веществ во всей упариваемой массе и концентрацию сухих веществ в маточном (межкристальном) растворе, а также вязкость суспензии и маточного раствора; – процесс выпаривания сопровождается образованием накипи на греющей поверхности аппаратов. Повышение концентрации раствора, как правило, способствует образованию накипи.

2. Методы и аппаратура выпаривания Выпаривание осуществляется в выпарных установках, центральной частью которых являются выпарные аппараты. Конструкции выпарных аппаратов весьма разнообразны: с выносной греющей камерой, со встроенной греющей камерой, с паровой рубашкой и мешалкой, с пленочной зоной для выпаривания и др. Довольно широко распространены выпарные аппараты со встроенной греющей камерой и центральной циркуляционной трубой. Источником теплоты (теплоносителем) в выпарных аппаратах, как правило, является насыщенный водяной пар. В процессе теплоотдачи греющий пар конденсируется, конденсат отводится из аппарата через конденсатоотводчики. Удаляемый из аппарата пар растворителя называется вторичным паром.

По количеству корпусов (выпарных аппаратов) выпарные установки подразделяются на одно- и многокорпусные, по принципу действия – на периодические и непрерывные, по схемам питания – с параллельным и с последовательным питанием. В установках периодического действия раствор подается в выпарной аппарат и находится там до полного упаривания (достижения конечной концентрации). В дальнейшем упаренный (концентрированный) раствор выводят из аппарата. При этом возможно добавление свежего раствора к упаренному и последующее выпаривание до тех пор, пока аппарат полностью не будет заполнен раствором с конечной концентрацией. После вывода упаренного раствора цикл повторяется. Установки периодического действия, как правило, однокорпусные.

В установках непрерывного действия свежий раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный непрерывно отводится из аппарата. В аппарате наблюдается установившийся во времени процесс. Непрерывно действующие установки бывают как одно-, так и многокорпусные. Особенностью многокорпусных установок является то, что вторичный пар, образуемый в одних корпусах, используется в качестве греющего пара в других корпусах. Это существенно повышает энергетическую эффективность процесса, которая возрастает по мере увеличения числа корпусов. Необходимым условием использования вторичного пара в качестве греющего является более высокая температура его конденсации по отношению к температуре кипения раствора. То есть в каждом последующем корпусе температура кипения должна быть ниже, чем в предыдущем. Этого достигают путем снижения давления в каждом последующем корпусе. Энергоэффективность однокорпусных установок повышают применяя схемы с тепловым насосом – пароструйным компрессором (инжектором).

В многокорпусных установках применяют параллельное и последовательное питание корпусов. При последовательном питании раствор последовательно переходит из одного корпуса в другой. Концентрация растворенных веществ повышается по мере перехода от предыдущего к последующему корпусу. Если направления движения раствора и вторичного пара совпадают, то имеет место прямоточное питание; в противном случае – противоточное. При прямотоке концентрированные растворы находятся в области относительно низких температур, что важно для сохранения качества некоторых растворов (например сахарных). При противотоке концентрированный раствор оказывается в зоне относительно высоких температур. Это улучшает условия теплообмена, но ужесточает требования к термической стойкости раствора.

При параллельном питании свежий раствор одновременно (параллельно) подается во все корпуса установки. Упаренный раствор также одновременно отводится из всех корпусов. При последовательном питании концентрация упаренного раствора относительно высока при относительно низкой производительности. Обратная картина наблюдается при параллельном питании.

Избыток вторичного пара, образуемого в выпарных установках, может использоваться для различных технологических, технических или иных нужд предприятия. В вакуумных выпарных установках вторичный пар, образуемый в последнем корпусе, направляется в барометрический конденсатор, где в результате взаимодействия с холодной водой пар конденсируется. Поскольку объем конденсата во много раз меньше объема пара, то в процессе конденсации возникает разряжение, необходимое для создания вакуума в установке.

В барометрический конденсатор попадают неконденсирующиеся газы (например, попавшие в установку в результате подсоса воздуха), поэтому их необходимо непрерывно отводить. С этой целью за барометрическим конденсатором устанавливается вакуумный насос. Использование вакуумного насоса без барометрического конденсатора потребовало бы удаления большого объема парогазовой среды, то есть чрезмерно высокой производительности насоса. Это, в свою очередь, привело бы к возрастанию его массы, габаритов, расходу энергии, то есть было бы экономически неоправданным.

3. Основы расчета выпарных установок В основе расчета выпарных установок лежат уравнения материального баланса, теплового баланса, теплопередачи.

3. 1. Материальный баланс выпаривания Уравнение материального баланса для всего вещества: MH = MK + W Уравнение материального баланса для растворенного вещества: MH * x. H = MK * x. K Здесь М с соответствующими индексами – массовые расходы раствора на входе в выпарной аппарат (начальный) и на выходе (конечный); W – количество вторичного пара, образуемого в аппарате в единицу времени (производительность по вторичному пару); x – концентрации растворенных веществ (начальная и конечная).

Совместное решение уравнений материального баланса позволяет определить требуемую производительность по вторичному пару в зависимости от массового расхода раствора на входе, начальной и конечной концентраций раствора, или конечную концентрацию раствора в зависимости от его начального расхода, начальной концентрации и производительности по вторичному пару: W = MH ( 1 - x. H / x. K ) , CK = MH * x. H MH - W .

В случае многокорпусной выпарной установки уравнения материального баланса составляются для каждого корпуса, так как расчету подвергается каждый корпус выпарной установки. Вместе с тем полученные соотношения справедливы и для многокорпусной установки в целом, если под конечным расходом и конечной концентрацией понимать расход и конечную концентрацию раствора, выходящего из последнего корпуса, а под производительностью по вторичному пару понимать суммарную производительность по всем корпусам установки.

3. 2. Тепловой баланс выпаривания Приход теплоты в выпарной аппарат складывается из теплоты, вводимой с входящим раствором и с греющим паром. Расход теплоты складывается из теплоты, выводимой: с уходящим раствором; с вторичным паром; с конденсатом, образующимся при конденсации греющего пара.

Учитывая наличие потерь теплоты в окружающую среду, в результате получим следующее балансовое уравнение: MH * c. H * t. H + D * i`` = MK * c. K * t. K + W * i + D * i` + QП , где с - удельные теплоемкости с соответствующими индексами входящего и выходящего растворов; t - их температуры; D - расход греющего пара (конденсата); i``, i - удельные энтальпии греющего пара, конденсата и вторичного пара соответственно; QП - потери теплоты в окружающую среду.

Полученное уравнение позволяет определить расход греющего пара на проведение процесса выпаривания. i - c. B * t. K D=W t. K - t. H + MH * c. H i`` - i` QП + i`` - i` , i`` - i` где с. В – теплоемкость воды. При получении этого соотношения конечный расход раствора выражен через начальный расход и производительность по вторичному пару (использовано уравнение материального баланса). Отсюда следует, что греющий пар расходуется на образование вторичного пара (первое слагаемое в правой части уравнения), подогрев раствора до температуры кипения (второе слагаемое), компенсацию потерь теплоты в окружающую среду (третье слагаемое).

Из уравнения теплового баланса можно определить производительность выпарного аппарата по вторичному пару при заданном расходе греющего пара: i`` - i` W=D t. H - t. K + MH * c. H i - c. B * t. K QП - i - c. B * t. K Из этого уравнения следует, что вторичный пар образуется за счет теплоты греющего пара (первое слагаемое в правой части равенства), а также за счет теплоты входящего раствора (второе слагаемое) в том случае, если температура входящего раствора выше температуры кипения. При этом часть суммы первого и второго слагаемых идет на компенсацию тепловых потерь.

Уравнение для производительности по вторичному пару часто записывают в сокращенном виде: W = ( D * α + M * c * β ) * δ, где α – второй сомножитель первого слагаемого в правой части предыдущего уравнения (его называют коэффициент испарения – количество воды, выпаренной за счет теплоты греющего пара); β – третий сомножитель второго слагаемого (его называют коэффициент самоиспарения – количество воды, выпаренной за счет перегрева входящего раствора); δ<1 – коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду (δ = 0, 97 -0, 98). Индексы у теплоемкости и массового расхода опущены (речь идет о массовом расходе и теплоемкости входящего раствора). В приближенных расчетах α и δ принимают равными единице, а β нулю.

При расчете многокорпусной выпарной установки уравнения теплового баланса составляются для каждого корпуса. Это позволяет определить расход греющего пара в каждом корпусе и далее в установке в целом. Кроме того, это необходимо для расчета отдельных корпусов. Аналогично может быть определена производительность по вторичному пару для каждого корпуса и суммарная производительность по вторичному пару для установки в целом. Особенностью расчета многокорпусных выпарных установок является то, что в качестве греющего пара второго и последующих корпусов частично или полностью используется вторичный пар, полученный в предыдущих корпусах.

3. 3. Теплопередача при выпаривании Расчет теплопередачи от греющего пара к кипящему раствору производят с помощью уравнения теплопередачи: Q = k * S * Δtср , где Q – тепловой поток; S – поверхность теплообмена выпарного аппарата; Δtср – средний температурный напор между греющим паром и кипящим раствором. Тепловой поток здесь определяет производительность выпарной установки по вторичному пару. При заданной производительности уравнение теплопередачи позволяет найти необходимую поверхность теплообмена выпарного аппарата или при известной поверхности теплообмена – производительность по вторичному пару.

Особенности теплопередачи при выпаривании: – коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося греющего пара достаточно велик и существенно не отражается на коэффициенте теплопередачи; – коэффициент теплоотдачи со стороны кипящего раствора существенно изменяется вдоль вертикальной поверхности нагрева. Здесь сказываются условия орошения поверхности теплообмена кипящим раствором. При низком уровне раствора верхняя часть поверхности не орошается, что снижает эффективность теплообмена. Помимо этого, имеет место температурная депрессия, обусловленная изменением давления по высоте кипящего раствора (гидростатическая депрессия). При чрезмерно высоком уровне раствора у нижней части теплообменной поверхности кипения не происходит вследствие более высокого давления. Коэффициент теплоотдачи снижается.

Таким образом, уровень раствора должен быть оптимальным. В расчетах принимают средний коэффициент теплоотдачи по поверхности теплообмена; – термическое сопротивление теплопередаче возрастает с течением времени из-за образования накипи со стороны раствора. Эффективность теплообмена, а значит, и производительность по вторичному пару, при этом снижаются. Сохранить производительность на первоначальном уровне возможно путем постепенного повышения температурного напора. Слой накипи периодически удаляется путем химической очистки (выварки) выпарной установки.

Столь пристальное внимание вопросам теплопередачи при выпаривании уделяется потому, что тепловые потоки от пара к раствору в выпарных аппаратах весьма велики, то есть даже на небольшом термическом сопротивлении возникает значительный перепад температур. В то же время выпаривание происходит при относительно малых температурных напорах, соизмеримых как с этими температурными перепадами, так и с температурной депрессией. Таким образом, перечисленные факторы существенно влияют на теплообмен, а следовательно, и на производительность выпарной установки.

При расчете многокорпусных выпарных установок, помимо физико-химической и гидростатической депрессии, необходимо учитывать гидравлическую депрессию, вызванную гидравлическими потерями, в паропроводах вторичного пара, связывающих смежные корпуса установки. Многокорпусные установки чаще всего рассчитывают исходя из условия равенства поверхности теплообмена во всех корпусах. В некоторых случаях расчет ведется на минимальную суммарную поверхность теплообмена всех корпусов. При этом поверхности теплообмена отдельных корпусов установки различны.