Основные понятия о сгущении сока выпариванием
30-05-2017, 00:58
Цель сгущения сока. Очищенный сульфитированный сок представляет собой ненасыщенный раствор сахарозы и несахаров. Если сок сгустить до пересыщения сахарозы, то ее можно выделить кристаллизацией.
Сгущение сока осуществляется в два этапа: вначале сок сгущается в выпарной установке, а затем в вакуум-аппарате. При сгущении сиропа в вакуум-аппарате, когда наступает пересыщение, часть сахарозы выкристаллизовывается, образуя смесь кристаллов сахарозы н межкристальной жидкости, называемую утфелем. Всего из очищенного сока выпаривается 110—115% воды к массе свеклы.
Разделение процесса сгущения сока выпариванием на два этапа обусловлено тем, что на первом этапе вязкость сока еще небольшая и имеется возможность проводить сгущение его в многокорпусных выпарных установках, снабженных развитой теплообменной поверхностью. Это дает возможность снизить удельный расход топлива примерно в 2,5 раза по сравнению с однократным сгущением, отбирая при этом часть вторичного пара на технологические нужды. Кроме того, с увеличением концентрации сухих веществ в соке происходит уменьшение растворимости солей кальция и выпадение осадка, бикарбонаты кальция превращаются в карбонаты, нарастают цветность и содержание редуцирующих веществ. Поэтому перед подачей сиропа в вакуум-аппараты его необходимо сульфитировать и фильтровать, то возможно только при концентрации сухих веществ до 70 %, т. е. когда сироп обладает хорошей текучестью.
На втором этапе, когда сгущается вязкий сироп, проводится однократное выпаривание в вакуум-аппаратах.
Масса выпариваемой воды W. Величина W зависит от содержания сухих веществ в очищенном соке СВ1 и в сиропе СВ2. Ее можно вычислить, используя уравнение баланса сухих веществ.
Q1 определяется по уравнению баланса сахарозы в свекле и очищенном соке. Затем вычисляется Q2.
Принцип многократного использования пара и общие понятия о выпаривании сока. Сок сгущается в выпарных аппаратах, представляющих собой трубчатые теплообменники, обогреваемые водяным паром с более высокой температурой, чем кипящий сок, поэтому теплота пара через поверхность нагрева передается соку. Сок кипит, выделяя вторичный пар, а греющий пар конденсируется в воду. Здесь происходит как бы обмен теплотой за счет скрытой теплоты парообразования (количества теплоты, затрачиваемой при данной температуре на выпаривание единицы массы жидкости), т. е. греющий пар отдает свою скрытую теплоту парообразования и удаляется в виде конденсатной воды, а вода из сока, получив эту теплоту, выводится в виде пара.
Скрытая теплота парообразования для греющего и вторичного паров примерно одинаковая, поэтому 1 кг греющего пара, поступающего в выпарной аппарат, из сока выпаривает 1 кг воды (при условии, что сок заранее нагрет до кипения). Если выпаривать сок в одном аппарате, то на удаление 98,5 кг воды будет израсходовано столько же греющего пара и еще на нагревание промежуточных продуктов — около 50 кг пара, всего 148,5 кг на 100 кг переработанной свеклы.
При сжигании 1 кг условного топлива с теплотворной способностью 29310 кДж (7000 ккал) из воды образуется 8 кг пара. Следовательно, расход условного топлива составит 148,5/8=18,5 кг, или 18,5%. Это очень большая величина, и чтобы снизить ее, на заводах применяется принцип многократного использования теплоты греющего пара. Многократное испарение проводится в выпарной установке, состоящей из нескольких, чаще всего из четырех, последовательно соединенных между собой выпарных аппаратов (корпусов) и концентратора.
Сок поступает в I корпус, обогреваемый отработавшим в турбогенераторе паром. Здесь из сока выпаривается часть воды и образуется вторичный пар. Сгущенный сок перетекает во II корпус, где выпаривается из него еще часть воды, и так до последнего корпуса или концентратора, откуда выходит уже сироп. Вторичный пар, образовавшийся в I корпусе, направляется на обогрев II корпуса, вторичный пар из II корпуса — на обогрев III корпуса, из III — на обогрев IV. В четырехкорпусной выпарной установке без отбора вторичных паров теплом 1 кг отработавшего пара можно выпарить 4 кг воды (кратность испарения 4). При отборе вторичных паров на нагревание различных продуктов кратность испарения снижается до 2,5.
В результате многократного использования пара в выпарной установке и рационального потребления вторичного тепла (утфельных паров, конденсатов и др.) расход условного топлива на сахарном заводе снижается до 6—6,5 % к массе свеклы (на передовых заводах до 5—5,5 %).
Вторичные пары в выпарной установке образуются в кипящем соке, температура кипения которого всегда выше температуры кипения воды и зависит от концентрации в нем сухих веществ и доброкачественности, а также от давления в выпарных аппаратах.
Повышение температуры кипения сахарных растворов относительно температуры кипения воды называется температурной депрессией (от латинского depression — подавление).
Температурная депрессия снижает полезную разность температур между температурой пара, греющего данный корпус, и температурой кипения сока.
Суммарная полезная разность температур является основной движущей силой теплообмена в выпарной установке.
Существует еще и гидродинамическая температурная депрессия, которая представляет собой понижение температуры и давления в паропроводах, соединяющих смежные корпуса выпарной установки, и в сепарирующих устройствах вследствие гидродинамического сопротивления и потерь тепла в окружающее пространство. Величина ее на одну ступень выпаривания не превышает 1 °С.
В четырехкорпусной выпарной установке при температуре греющего пара в I корпусе 132 °С и температуре вторичного пара в последнем IV корпусе 85 °С суммарная полезная разность температур (?t) с учетом температурной и гидродинамической депрессии составит
где 0,5; 1; 2,5 и 4 — температурная депрессия соответственно в I, II, III и IV корпусах; (4—1) — гидродинамическая температурная депрессия.
Таким образом, при условии равномерного распределения температуры на каждую ступень выпарной установки приходится 9 °С полезно используемой теплоты. На практике суммарная полезная разность температур распределяется между ступенями выпаривания с учетом температуры вторичных паров, отбираемых на нагревание промежуточных продуктов в производстве. При этом для обеспечения устойчивого теплообмена температура вторичного пара должна быть выше конечной температуры продукта на 6—7 °С.
Сгущение сока осуществляется в два этапа: вначале сок сгущается в выпарной установке, а затем в вакуум-аппарате. При сгущении сиропа в вакуум-аппарате, когда наступает пересыщение, часть сахарозы выкристаллизовывается, образуя смесь кристаллов сахарозы н межкристальной жидкости, называемую утфелем. Всего из очищенного сока выпаривается 110—115% воды к массе свеклы.
Разделение процесса сгущения сока выпариванием на два этапа обусловлено тем, что на первом этапе вязкость сока еще небольшая и имеется возможность проводить сгущение его в многокорпусных выпарных установках, снабженных развитой теплообменной поверхностью. Это дает возможность снизить удельный расход топлива примерно в 2,5 раза по сравнению с однократным сгущением, отбирая при этом часть вторичного пара на технологические нужды. Кроме того, с увеличением концентрации сухих веществ в соке происходит уменьшение растворимости солей кальция и выпадение осадка, бикарбонаты кальция превращаются в карбонаты, нарастают цветность и содержание редуцирующих веществ. Поэтому перед подачей сиропа в вакуум-аппараты его необходимо сульфитировать и фильтровать, то возможно только при концентрации сухих веществ до 70 %, т. е. когда сироп обладает хорошей текучестью.
На втором этапе, когда сгущается вязкий сироп, проводится однократное выпаривание в вакуум-аппаратах.
Масса выпариваемой воды W. Величина W зависит от содержания сухих веществ в очищенном соке СВ1 и в сиропе СВ2. Ее можно вычислить, используя уравнение баланса сухих веществ.
Q1 определяется по уравнению баланса сахарозы в свекле и очищенном соке. Затем вычисляется Q2.
Принцип многократного использования пара и общие понятия о выпаривании сока. Сок сгущается в выпарных аппаратах, представляющих собой трубчатые теплообменники, обогреваемые водяным паром с более высокой температурой, чем кипящий сок, поэтому теплота пара через поверхность нагрева передается соку. Сок кипит, выделяя вторичный пар, а греющий пар конденсируется в воду. Здесь происходит как бы обмен теплотой за счет скрытой теплоты парообразования (количества теплоты, затрачиваемой при данной температуре на выпаривание единицы массы жидкости), т. е. греющий пар отдает свою скрытую теплоту парообразования и удаляется в виде конденсатной воды, а вода из сока, получив эту теплоту, выводится в виде пара.
Скрытая теплота парообразования для греющего и вторичного паров примерно одинаковая, поэтому 1 кг греющего пара, поступающего в выпарной аппарат, из сока выпаривает 1 кг воды (при условии, что сок заранее нагрет до кипения). Если выпаривать сок в одном аппарате, то на удаление 98,5 кг воды будет израсходовано столько же греющего пара и еще на нагревание промежуточных продуктов — около 50 кг пара, всего 148,5 кг на 100 кг переработанной свеклы.
При сжигании 1 кг условного топлива с теплотворной способностью 29310 кДж (7000 ккал) из воды образуется 8 кг пара. Следовательно, расход условного топлива составит 148,5/8=18,5 кг, или 18,5%. Это очень большая величина, и чтобы снизить ее, на заводах применяется принцип многократного использования теплоты греющего пара. Многократное испарение проводится в выпарной установке, состоящей из нескольких, чаще всего из четырех, последовательно соединенных между собой выпарных аппаратов (корпусов) и концентратора.
Сок поступает в I корпус, обогреваемый отработавшим в турбогенераторе паром. Здесь из сока выпаривается часть воды и образуется вторичный пар. Сгущенный сок перетекает во II корпус, где выпаривается из него еще часть воды, и так до последнего корпуса или концентратора, откуда выходит уже сироп. Вторичный пар, образовавшийся в I корпусе, направляется на обогрев II корпуса, вторичный пар из II корпуса — на обогрев III корпуса, из III — на обогрев IV. В четырехкорпусной выпарной установке без отбора вторичных паров теплом 1 кг отработавшего пара можно выпарить 4 кг воды (кратность испарения 4). При отборе вторичных паров на нагревание различных продуктов кратность испарения снижается до 2,5.
В результате многократного использования пара в выпарной установке и рационального потребления вторичного тепла (утфельных паров, конденсатов и др.) расход условного топлива на сахарном заводе снижается до 6—6,5 % к массе свеклы (на передовых заводах до 5—5,5 %).
Вторичные пары в выпарной установке образуются в кипящем соке, температура кипения которого всегда выше температуры кипения воды и зависит от концентрации в нем сухих веществ и доброкачественности, а также от давления в выпарных аппаратах.
Повышение температуры кипения сахарных растворов относительно температуры кипения воды называется температурной депрессией (от латинского depression — подавление).
Температурная депрессия снижает полезную разность температур между температурой пара, греющего данный корпус, и температурой кипения сока.
Суммарная полезная разность температур является основной движущей силой теплообмена в выпарной установке.
Существует еще и гидродинамическая температурная депрессия, которая представляет собой понижение температуры и давления в паропроводах, соединяющих смежные корпуса выпарной установки, и в сепарирующих устройствах вследствие гидродинамического сопротивления и потерь тепла в окружающее пространство. Величина ее на одну ступень выпаривания не превышает 1 °С.
В четырехкорпусной выпарной установке при температуре греющего пара в I корпусе 132 °С и температуре вторичного пара в последнем IV корпусе 85 °С суммарная полезная разность температур (?t) с учетом температурной и гидродинамической депрессии составит
?t=(132 - 85) - (0,5 + 1+ 2,5 + 4) - (4 - 1) = 36°С.
где 0,5; 1; 2,5 и 4 — температурная депрессия соответственно в I, II, III и IV корпусах; (4—1) — гидродинамическая температурная депрессия.
Таким образом, при условии равномерного распределения температуры на каждую ступень выпарной установки приходится 9 °С полезно используемой теплоты. На практике суммарная полезная разность температур распределяется между ступенями выпаривания с учетом температуры вторичных паров, отбираемых на нагревание промежуточных продуктов в производстве. При этом для обеспечения устойчивого теплообмена температура вторичного пара должна быть выше конечной температуры продукта на 6—7 °С.