Процеси і апарати харчових виробництв Електронний підручник
Головна Теоретичні відомості Лабораторні та практичні роботи Тести Додатки Список використаних джерел	Лабораторне заняття №5
	Тема роботи: Вивчення будови і принципу дії випарних установок Мета заняття: вивчити будову та принцип роботи випарних установок. Освоїти методику складання теплового і матеріального балансів багатокорпусних випарних установок. Матеріали та обладнання 1. Інструктивна картка виконання лабораторного заняття №5. 2. Моделі, макети або схеми випарних установок. Література Гулий У.С. та інші. Обладнання підприємств переробної і харчової промисловості. – Вінниця.:Нова книга, 2001. – с. 286-302. Малежик І.Ф., Циганков П.С. Процеси і апарати харчових виробництв. – К.: НУХТ, 2003. – с. 177-195. Поперечний А. М., Черевко О.І., Гаркуша В.Б., Кирпеченко Н.В., Ласкіна Н.А. Процеси і апарати харчових виробництв. – К.: Центр учбової літератури, 2007. – с. 194-203. Шалугін В.С., Шмандій В.М. Процеси та апарати промислових технологій. Навчальний посібник. – К.: Центр учбової літератури, 2008. – с. 141-156. Знати: призначення, класифікацію, будову та принцип роботи випарних установок. Вміти: складати тепловий і матеріальний баланси багатокорпусних випарних установок. Короткі відомості з теоретичної частини роботи. Будова і принцип дії багатокорпусних випарних установок безперервної дії За напрямком підведення і відведення розчину й пари багатокорпусні випарні установки можна поділити на прямотечійні (рис.1,а), протитечійні (рис.1,б) і з паралельним підведенням живлення (рис.1, в). Рис. 1. Схеми живлення випарних установок За найпоширенішою прямотечійною схемою розчин послідовно проходить через усі корпуси установки, з яких кожний наступний обігрівається вторинною парою попереднього корпусу; первинною парою обігрівається лише перший корпус. Перевагами прямотечійної БВУ є найчастіше непримусовий (без витрати зовнішньої енергії) рух розчину через усю установку і мінімальні тепловтрати з випареним розчином, що відводиться при температурі кипіння в останньому корпусі. Недоліком цієї схеми є несприятливі умови теплопередачі: найбільш концентрований розчин випарюється (кипить) при найнижчій температурі, коли в'язкість і концентрація СР максимальні, а теплоємність і теплопровідність мінімальні. Звідси випливає і мінімальне значення коефіцієнта тепловіддачі. За умовами теплопередачі вигідніші БВУ з протитечією розчину і пари. В них початковий розчин рухається в напрямку від останнього корпусу до першого, а первинна і вторинна пари — у протилежному напрямку, внаслідок чого розчин кінцевої концентрації (найбільш в'язкий) випарюється при найвищій температурі. Суттєвим недоліком протитечійної схеми є необхідність примусового переміщення розчину в напрямку зростання тиску, що потребує встановлення насосів між корпусами. Крім того, концентрований розчин, виходячи із першого корпусу (з високою температурою), виносить більшу кількість теплоти, ніж у прямотечійних установках. Недоліки прямотечійних схем менш суттєві, ніж протитечійних, тому вони стали найпоширенішими в харчовій промисловості. У ряді випадків (наприклад, у разі кристалізації розчинів) у БВУ використовують паралельне живлення корпусів розчином. При такому живленні концентрація розчину в кожному корпусі змінюється від початкової до кінцевої, а пара, як і в попередніх схемах, рухається послідовно від першого корпусу до останнього. В цьому самому напрямку знижуються робочий тиск і температури кипіння розчинів у корпусах. Паралельне живлення застосовують при випарюванні розчинів, із яких видаляється невелика кількість розчинника. Багатокорпусні випарні установки, як концентратори розчинів, одночасно можуть бути джерелом пари пониженого потенціалу для інших технологічних процесів. Вторинною парою, відібраною з одного або кількох корпусів, можна постачати інших споживачів, а також нагрівати початкові розчини перед подаванням їх у випарні апарати. Видалену із установки для сторонніх потреб вторинну пару називають екстрапарою. Доцільність відбирання екстрапари очевидна, оскільки її одержують після одно - або багаторазового використання теплоти первинної пари для досягнення основної мети - концентрування розчину. Економічність відбирання екстрапари зростає у міру збільшення номера корпусу, з якого відбирають екстрапару. Із різних корпусів відводиться екстрапара різного потенціалу; кількість і температура відбираної пари зумовлюються потребами її споживачів. На рис.2 показано схему чотирикорпусної установки з допоміжним обладнанням. Схемою передбачається відбирання екстрапари із першого і другого корпусів (Е1, і Е2) на нагрівання початкового розчину; із третього корпусу передбачається відбирання екстрапари Е3 на інші технологічні потреби. Рис. 2. Схема чотирикорпусної випарної установки: 1- насос; 2- підігрівник І ступеня; 3 - підігрівник П ступеня; 4 - випарні апарати; 5 - конденсатор; 6 - вакуум-насос; 7 - збірник барометричної води; В - вода; К - конденсат; НГ - гази, що не конденсуються; В' — барометрична вода Щоб створити розрідження, в останньому корпусі встановлюють конденсатор і вакуум-насос. Випарна установка плівкового типу Термолабільні розчини і ті, що піняться, випарюють у випарних апаратах, у нагрівальних камерах яких випаровування відбувається в основному в плівці розчину, що рухається по поверхні теплопередачі. Такі апарати дістали назву плівкових. Вони характеризуються високою інтенсивністю теплообміну при малих температурних напорах (можуть працювати при корисній різниці температур 2...З^о К). Плівкові апарати мають аросепарат (6…9 м) нагрівальні камери, співвісні з аро сепаратором. Залежно від напрямку руху плівки їх поділяють на апарати з висхідною і з спадною плівками. В апаратах з висхідною плівкою (3,а) нагрівальні труби заповнюють розчином, який подають знизу, звичайно на 25 % їхньої висоти. Утворена в цій зоні вторинна пара переміщується вгору зі швидкістю до 20 м/с, захоплюючи з собою плівку рідини. На шляху руху плівки розчин випарюється. При плівковому режимі гідростатичної депресії практично немає, а корисна різниця температур може бути зменшена до 2…3 К. Це дає можливість при заданих температурних напорах у БВУ збільшити кількість корпусів. В апаратах із спадною плівкою (рис. 3, б) початковий розчин подають зверху в нагрівальну камеру, де він розподіляється по трубах і, стікаючи у вигляді плівки, випарюється. Вторинна пара разом з рідиною рухається вниз, де в сепараторі відділяється від рідини. Застосування плівкових апаратів у молочній промисловості дало можливість ефективно експлуатувати БВУ з п’ятьма сімома корпусами в поєднанні з термокомпресією і досягти кратності випаровування W / D = 10 … 14. Рис. 3. Схеми випарних апаратів а – з висхідною плівкою; б – із спадною плівкою; в – з пластинчастою нагрівальною камерою; 1 – нагрівальна камера; 2 – паро сепаратор. Явища, які супроводжують процес випарювання розчинів У процесі випарювання розчинів можливі утворення накипу на поверхні труб, піноутворення та бризковиніс. Процес утворення накипу відчиняється загальним законам кристалізації із розчинів, які містять сілікати Са та Mg і сульфат Са. При температурі вище 70^0 С розчинність цих солей значно знижується і вони виділяються у вигляді кристалів на поверхні теплообміну, а потім до утвореного осаду прикипають взважені частки, які містяться у розчині. В умовах утворення накипу інтенсивність випарювання значно зменшується, через що виникає необхідність чищення апарату. Інша причина утворення накипу пояснюється термічним розкладанням гідрокарбонатів з утворенням карбонатів. Пониженню накипоутворення сприяє пом’якшення розчинів за допомогою катіоніта, електромагнітна і ультразвукова обробка розчинів і проведення процесів під вакуумом, коли температура кипіння розчинів менша 70^0 С. Простір сепаратора випарного апарата повинен забезпечувати достатньо повне відділення вторинної пари від крапель згущуваного розчину для запобігання втрат продукту і забруднення ним вторинної пари, яка поступає у наступний корпус. Висока в’язкість і низький поверхневий натяг розчину сприяє піноутворенню і , відповідно, бризко виносу, тоді як розчини з малою в’язкістю і високим поверхневим натягом не утворюють піни. При згущенні рідин, які не піняться, висоту сепараційного простору приймають близько 1,5 м і збільшують його до 3-4 м для пінних рідин. Таким чином, правильний вибір розмірів сепараційного простору повинен забезпечити запобігання виносу часток рідини із апарата. У якості допоміжного пристрою для отримання практично сухої пари застосовують бризковідділювачі. Матеріальний і тепловий баланс багатокорпусних випарних установок Матеріальний баланс БВУ в цілому складають за аналогією з випарюванням в однокорпусному апараті. Витрата випареної води в БВУ (див. рис.2 ), кг/с. W = W1 + W2 + W3 + …Wn Витрата розчину, що виходить із будь-якого корпусу, кг/с. Sі = Sі-1 - Wі Масова концентрація розчину, що виходить з і-го корпусу, хі = Sn xn / (Sn – W1 – W2 - …Wі) = Sn xn / Sі Якщо БВУ працює з паровідбиранням, то Wі = Еs + Wі +1, де Е — витрата екстрапари, відібраної на сторонні потреби (паровідбір), кг/с. Тоді для установки з n корпусами Dі = Wі + E1 + E2 + E3 + …En Сумарна витрата випареної води в такій установці (продуктивність установки), кг/с/ W = Е1 + 2E2 + 3E3 + nEn Рівняння дає можливість визначити витрату вторинної пари, що відводиться із останнього корпусу установки, кг/с/ En = {W – [E1 + 2E2 + 3E3 + … + ( n – 1) En – 1]} / n Якщо установка працює під розрідженням, то Е - витрата пари, що надходить у конденсатор. Тепловий баланс БВУ не може бути виражений однією формулою. При тепловому розрахунку БВУ він складається для кожного корпусу окремо наведеними в розрахунку однокорпусних випарних апаратів. Витрата нагрівної пари Dі що надходить в і-й корпус (див. рис. 2), кг/с. Dі = Wі – 1 - Е Якщо екстрапара не відбирається, то Dі = Wі – 1. Порядок виконання Завдання 1. Підпишіть назви випарних апаратів та основні їх складові частини згідно із номерами, вказаними на рисунках 5,6,7. Рис.4. Рис.5. Рис.6. Завдання 2. Підпишіть основні складові чотирикорпусної випарної установки згідно із номерами, вказаними на рисунку 13 та вкажіть напрям руху рідин. Рис.7. Схема чотирикорпусної випарної установки Завдання 3. Визначити концентрацію розчину після кожного корпусу трикорпусної випарної установки. Таблиця 8. Вихідні дані № варіанту Початкова концентрація розчину Х поч., % Початкова кількість розчину G поч., т/год Маса випареної вологи в першому корпусі W1, т/год Маса випареної вологи в другому корпусі W2, т/год Маса випареної вологи в третьому корпусі W3, т/год Визначити масові витрати випареної води Розрахунок масові витрати випареної води здійснюємо із рівняння матеріального балансу: Gпоч. = Gкін. + W Gпоч.Х поч. = Gкін Х кін. де: Gпоч. Gкін – масові витрати початкового розчину і кінцевого (упареного) розчину, кг/с; Х поч Х кін. – масові частки розчиненої речовини в початковому і кінцевому розчині. W – масові витрати випареної води, кг/с. W = Gпоч.(1- ) Розрахунок матеріального балансу трикорпусної випарної установки провести наступним чином: 1. Визначити кількість розчину, що переходить з першого в другий корпус: G1 = Gпоч. – W , кг/с з концентрацією Х 1 = = , % 2. Визначити кількість розчину, що переходить з другого в третій корпус: G2 = Gпоч. – W1 – W2 , кг/с з концентрацією Х 2 = , % 3. Визначити кількість розчину, що виходить з третього корпусу: Gкін. = Gпоч. – W1 – W2 - W3 = G2 - W3, кг/с з концентрацією Х 3 = , % 4. Визначити кількість води, що випаровується в трьох корпусах: W = Gпоч.(1- ),кг/с Завдання 4. Запишіть формули теплового балансу для трикорпусної випарної установки. Контрольні питання 1. Що таке випарювання? 2. Як класифікують випарні апарати? 3. Чим відрізняється однокорпусна випарна установка від багатокорпусної? 4. Поясніть будову і принцип дії однокорпусної випарної установки. 5. Поясніть будову і принцип дії багатокорпусної випарної установки. 6. Наведіть схему розрахунку матеріального балансу багатокорпусної випарної установки. 7. Наведіть схему розрахунку теплового балансу багатокорпусної випарної установки. 8. Які конструкції випарних апаратів найпоширеніші у промисловості?