Изучение работы однокорпусного выпарного аппарата периодического действия

Лабораторная работа №11

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ОДНОКОРПУСНОГО ВЫПАРНОГО АППАРАТА ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих или малолетучих веществ путем удаления летучего растворителя при температуре кипения раствора. Таким образом, в процессе выпаривания количество твердых (сухих) веществ в растворе остается постоянным, а удаляется растворитель (влага), т.е.:

, (31)

где - количество раствора в начале и конце процесса выпаривания;

- массовая доля сухих веществ в растворе вначале и конце процесса выпаривания.

Уравнение материального баланса по исходному раствору имеет вид:

, (32)

где W - количество удаляемого растворителя (влаги).

Совместное решение уравнений (31) и (32) позволяет установить: до какого содержания сухих веществ может быть сгущен продукт:

, (33)

или какое количество влаги удаляется в процессе сгущения раствора от

x_н до x_к:

(34)

1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляционная труба; 4 - греющие трубы; 5 - трубные доски; 6 - кожух; 9 - днище греющей камеры; 11 - ее крышка; 12 - соковая труба; 7, 8, 10, 13 – 15 - патрубки.

Рисунок 8 – схема выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой

Процесс выпаривания осуществляется в выпарных аппаратах.

На предприятиях пищевой и химической промышленности широко распространены аппараты циркуляционного типа как непрерывного, так и периодического действия.

Циркуляция выпариваемого раствора осуществляется либо естественным путем, либо с помощью насосов.

Аппарат с естественной циркуляцией (рисунок 8) состоит из греющей камеры 1, сепаратора 2, циркуляционный трубы 3.

Греющая камера 1 (калоризатор) образована пучком кипятильных труб 4, закрепленных в трубных решетках 5, снаружи закрытых кожухом 6 с патрубками 7 – подачи греющего агента и 8 – отвода отработанного теплоносителя. Снизу калоризатора 1 размещено днище аппарата 9 с патрубком отвода сгущенного раствора 10. Днище соединяется с циркуляционной трубой 3. Над калоризатором размещается крышка 11, которая соковой трубой 12 соединяется с сепаратором 2.

Сепаратор 2 имеет патрубки 13 и 14. По патрубку 13 из аппарата удаляются пары растворителя (соковые пары), а по патрубку 14 сгущенный раствор поступает в циркуляционную трубу 3. Циркуляционная труба снабжена патрубком 15 для подачи исходного раствора на выпаривание. Аппарат работает следующим образом. Исходный раствор по патрубку 15 подается в нижнюю часть греющей камеры 1, заполняя кипятильные трубы 4. По патрубку 7 в калоризатор подается греющий пар, который, конденсируясь на наружной поверхности кипятильных труб 4, отдает тепло исходному раствору, и в виде конденсата удаляется из греющей камеры по патрубку 8. Нагреваясь и закипая, исходный раствор поднимается по кипятильным трубкам и до крышки греющей камеры 2. По соковой трубе 12 поступает в сепаратор 2. В сепараторе раствор освобождается от паров растворителя и по циркуляционной трубе 3 опускается к низу кипятильных труб 4.

Естественная циркуляция раствора осуществляется в замкнутом объеме, состоящем из циркуляционной трубы 3, кипятильных труб 4 и сепаратора 2. В кипятильных трубах при кипении образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самого раствора, вследствие чего происходит упорядоченное движение (циркуляция) кипящей жидкости. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости, и ухудшаются условия для образования накипи на внутренней поверхности кипятильных труб.

Для осуществления естественной циркуляции требуется два условия:

1) достаточная высота уровня раствора в циркуляционной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубах и сообщить этой смеси необходимую скорость;

2) достаточная интенсивность парообразования в кипятильных труб­ках, чтобы парожидкостная смесь имела возможно малую плотность.

Расход греющего пара, необходимого для проведения процесса выпаривания, определяется из уравнения теплового баланса.

, (35)

где – тепло, отданное греющим паром, Дж;

– тепло, затраченное на нагрев раствора до температуры кипения, Дж;

– тепло, затраченное на испарение влаги из раствора, Дж;

– тепловые потери, Дж;

– тепловые потери на нагрев аппарата, Дж;

– потери в окружающую среду, Дж.

Для характеристики степени совершенства проведения процесса выпаривания вводят понятие удельного расхода греющего пара:

d=D/W,(36)

где D - расход греющего пара, кг/с;

W - количество выпариваемой влаги, кг/с.

В среднем теоретический расход греющего пара d_т (случай выпаривания продукта, нагретого до температуры кипения) составляет 1,04 кг пара на кг испаренной влаги. Действительный расход греющего пара несколько выше за счет:

¾ нагрева продукта до температуры кипения

¾ тепловых потерь ;

и для однокорпусного выпарного аппарата составляет в среднем 1,1 кг пара/кг исп. вл..

Снизить удельный расход греющего пара возможно в многокорпусных выпарных установках. Так, при сгущении продукта в двухкорпусной установке d_II = 0,57 кг/кг, в трехкорпусной - 0,4 кг/кг, в четырехкорпусной - 0,3 кг/кг, в пятикорпусной - 0,2 кг/кг.

Для установок циркуляционного типа, применяемых в пищевой промышленности, не рекомендуется применять более пяти корпусов. Это диктуется невозможностью увеличения температуры кипения в первом корпусе сверх допустимой, что влечет необратимые изменения в растворе (карамелизация сахара, денатурация белков, разложение витаминов, ферментов). Максимальная температура кипения в последнем корпусе зависит от экономически оправданной величины разряжения, которую можно достичь в конденсаторе. Обычно для пищевой промышленности температура греющего пара первого корпуса не превышает 140°С, а вторичного пара последнего корпуса 50°С. Принимая для аппаратов циркуляционного типа полезную разность температур в корпусе

∆t_п =10°С и учитывая температурные потери между корпусами, подучим, что при данном перепаде температур целесообразно установить лишь пять корпусов.

Вторичный пар, образующийся в каждом корпусе, можно частично отводить на сторону и использовать для предварительного подогрева раствора, поступающего на выпаривание, или на другие технологические цели. Отводимый, на сторону вторичный пар называется экстрапаром. Преимущество отбора заключается в том, что возрастание расхода греющего пара при отборе экстрапара меньше количества отбираемого экстрапара. Так, в четырехкорпусной выпарной установке на отбор из первого корпуса 1 кг экстрапара затрачивается 0,75 кг греющего пара, а на отбор из второго и третьего корпусов - соответственно 0,5 и 0,25 кг. Поэтому целесообразно отбирать экстрапар не из первого корпуса, а из последующих. Из последнего корпуса вторичный пар направляется в конденсатор.

Цель работы:

1. Практическое ознакомление с устройством и принципом работы выпарного аппарата циркуляционного типа;

2. Экспериментальное определение удельного расхода греющего пара и расчет составляющих теплового баланса аппарата;

3. Определение коэффициента теплопередачи в выпарном аппарате.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Однокорпусная выпарная установка (рисунок 9) включает в себя выпарной аппарат ВА, состоящий из греющей камеры (калоризатора) КВА и сепаратора СВА, конденсатор вторичных паров К, парогенератор ПГ и мерные сосуды MC₁ и МС₂ для замера количества полученного конденсата греющего и сокового пара. Кроме этого, на линии греющего пара установлен термометр для измерения температуры греющего пара. Калоризатор аппарата состоит из шести труб Ø 15 х 1,5 длиною 400 мм. Площадь теплопередающей поверхности калоризатора составляет 0,113 м.

Греющий пар из парогенератора ПГ по паропроводу подается в верхнюю часть калоризатора. Конденсируясь на наружной поверхности кипятильных труб в виде пленки конденсата, стекает по трубам и собирается в мерный сосуд МС.

Сгущаемый раствор через смотровое окно в сепараторе СВА заливается в аппарат. Заполняет кипятильные трубы, нагревается в них за счет тепла, выделенного конденсирующимся паром, вскипает, поднимается по трубам и поступает в сепаратор. В сепараторе из раствора выделяется вторичный пар, а раствор, свободный от пара, по циркуляционной трубе опускается в нижнюю часть выпарного аппарата и вновь заполняет кипятильные трубы.

КВА - калоризатор выпарного аппарата;

СВА - сепаратор выпарного аппарата;

ПГ - электрический парогенератор;

К - конденсатор вторичных паров;

МС - мерные сосуды;

В3 - вентили запорные.

Рисунок 9 – схема экспериментальной установки

Выделившийся вторичный пар поступает в конденсатор К. Отдавая свое тепло охлаждающей воде, движущейся в кольцевом зазоре конденсатора, пар конденсируется и его конденсат собирается в мерном сосуде МС1.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Перед началом проведения эксперимента установка прогревается, для чего проверяется уровень воды в парогенераторе и после этого включаются ТЭНы. Во время разогрева установки готовится раствор, подвергаемый сгущению (10% раствор NaCL в количестве 2-3 дм³). После выхода установки на режим (появление конденсата в мерном сосуде MС1) через смотровое окно в сепараторе, заливается подготовленный раствор, измеряется его температура и засекается время.

В процессе работы аппарате необходимо следить за температурой вторичных паров в сепараторе и, когда она достигнет 100-105°С _, это будет свидетельствовать о том, что процесс нагрева сгущаемого раствора завершился и начался процесс сгущения. Здесь же определяют время нагрева раствора и по уравнению:

(37)

рассчитывается количество тепла, затраченное на нагрев продукта,

где G - количество сгущаемого продукта, кг;

с - теплоемкость сгущаемого раствора, Дж/(кг∙°С);

- температуры кипения и начальная выпариваемого продукта, °С;

τ - время нагрева продукта, с.

Через 30 мин. после начала процесса кипения замеряется количество конденсата, находящегося в мерных сосудах MC1 и МС2.

И соответственно по уравнениям:

(38)

и

, (39)

раcсчитывается количество теплоты, затраченное на испарение продукта и отданное греющим паром. В приведенных уравнениях:

r - скрытая температура фазового перехода. Определяется по таблицам по температуре кипения раствора.

- энтальпии греющего пара и его конденсата. Находятся по таблицам по температуре греющего пара.

МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

По уравнениям (37), (38) и (39) рассчитываются основные составляющие баланса выпарного аппарата.

Из уравнения (35) определяется величина тепловых потерь выпарного аппарата, отнесенная к полезно затрачиваемому теплу, т.е. к Σ(Q_н⁺Q_uc).

Пользуясь уравнением (36), рассчитывается удельный расход греющего пара. По основному уравнению теплопередачи

Q_гп= КF∆t=Q_uc/τ рассчитывается общий, коэффициент теплопередачи. Средняя движущая сила процесса рассчитывается по известным соотношениям (10), (11) и рисунок 2.

Данные расчетов заносят в протокол испытаний (таблица 4).

Таблица 4 – протокол испытаний

Измеряемые величины
Масса раствора кг G	Температуры, ̊С	Длит. процесса, с	Кол-во конден. кг
Раствора,	Кипен. раств.	Конден. гр. пара, tгп	Нагре-вание раств. τн	Сгущение раств. τс	Втор. паров, W	Греющ. пара, D

Табличные данные	Всего выделено тепла, Qгп
Теплоем. раствора, Дж/(кг∙̊С) с	Удельн. теплота парообраз. Дж/кг r	Энтальпия
Греющ. пара, Дж/кг	Конден. греющ. пара, Дж/кг

Дата добавления: 2015-08-28