Сгущение сока в выпарной установке

30-05-2017, 00:59

Технология и режим сгущения сока. От работы выпарной установки зависят производительность завода, расход топлива, потери сахарозы, качество товарного сахара.
Многокорпусные выпарные установки, применяемые на сахарных заводах, классифицируются по числу ступеней (корпусов) выпаривания на трех-, четырех- и пятикорпусные. В настоящее время в качестве типовой на сахарных заводах применяется тепловая схема с четырехкорпусной выпарной установкой и концентратором. Последний корпус работает под разрежением.
В XI пятилетке планируется внедрение более экономичной тепловой схемы с пяти корпусной выпарной установкой без концентратора с повышенным температурным режимом.
В выпарных аппаратах (рис. 57), которыми укомплектована такая выпарная установка, осуществляется многократная естественная циркуляция сока. Выпариваемый сок подается под нижнюю трубную решетку выпарного аппарата и частично заполняет кипятильные трубы греющей камеры 1. При кипении (в результате образования пузырьков пара) объем сока увеличивается, он заполняет кипятильные трубы полностью и выливается над верхней трубной решеткой, пузырьки лопаются, пар скапливается в надсоковом пространстве 7 корпуса 2, а сок по циркуляционной трубе 10 опускается вниз. Часть сгущенного сока вместе со свежим вновь поступает в кипятильные трубы, а часть выводится в следующий выпарной аппарат.
Сгущение сока в выпарной установке

Естественная циркуляция сока происходит вследствие разницы плотностей столба паросоковой смеси в кипятильных трубах и столба сока в циркуляционной трубе. Плотность паросоковой смеси всегда меньше плотности некипящего сока и зависит от содержания в ней пара.
Высота уровня сока в кипятильных трубах имеет важное значение для нормальной работы выпарных аппаратов и поддерживается на таком уровне, чтобы верхняя трубная решетка только омывалась кипящим соком. Оптимальный уровень некипящего сока в аппаратах четырехкорпусной выпарной установки должен быть (в % к общей высоте кипятильных труб): в I 30—35, во II 35—40, в III 40—45, в IV 45— 50, в концентраторе 50—55.
При меньшем уровне сока верхняя часть поверхности нагрева не будет омываться соком, что приведет к снижению производительности аппаратов и пригоранию сиропа на стенках. Если уровень сока в трубах превышает оптимальный, то снижается интенсивность теплопередачи, ухудшается циркуляция сока и становится возможным переброс продукта в греющую камеру следующего корпуса.
Вторичный пар из надсокового пространства отводится через щелевой сепаратор 5, а уловленные капли возвращаются в сок.
Выпарные аппараты работают непрерывно, т. е. в них непрерывно поступает жидкий сок на сгущение и непрерывно из них отводится сгущенный сироп.
Для контроля и регулирования режима работы выпарной аппарат снабжен термометром 3, предохранительным клапаном 4, смотровыми стеклами 6, указателем уровня сока 8, манометром 9. IV корпус установки и концентратор снабжены еще и мановакуумметрами.
Для снижения потерь тепла наружную поверхность выпарных аппаратов покрывают теплоизоляционным слоем.
На рис. 58 приведена схема четырехкорпусной выпарной установки с концентратором.

Перед сгущением сульфитированный сок нагревается под давлением в многоходовых теплообменниках 13 до кипения (126°С) и направляется в I корпус 6 выпарной установки, где из него выпаривается часть воды, образуя вторичный пар. Из I корпуса сок последовательно проходит в //, III, IV корпуса и концентратор К, сгущаясь до определенной плотности.
Отработавший в турбогенераторе пар подается только в паровую камеру I корпуса, следующий корпус обогревается вторичным паром предшествующего корпуса, предварительно освобождаясь в сепараторе 7 от капель сока. Концентратор не обогревается паром, в нем происходит только самоиспарение воды за счет перепада давления. При избытке вторичного пара в IV корпусе, по каким-либо причинам не израсходованного на другие технологические нужды, предусмотрена подача его в греющую камеру концентратора. Часть вторичного пара из I корпуса может возвращаться с помощью теплового насоса 4 в паросборник 5.
Многократное использование теплоты пара в выпарной установке возможно лишь при условии, что температура кипения сока, а следовательно, и давление в корпусах будут понижаться от первого до последнего. Для создания разности давления I корпус обогревается отработавшим паром с избыточным давлением около 0,3 МПа и температурой 132 °С, а концентратор через конденсаторы смешения соединяется с вакуум-компрессором.
В результате конденсации вторичного пара в конденсаторах смешения создается остаточное давление 0,017—0,021 МПа. что и обеспечивает кипение сока в IV корпусе выпарной установки при температуре 89°С и в концентраторе при 68,4°С.
Примерное распределение давления греющего пара и вторичного по корпусам выпарной установки и рекомендуемый температурный режим в них приведены в табл. 6.

Температура и давление в промежуточных корпусах этой установки не регулируются, они устанавливаются сами собой на определенном уровне в зависимости от соотношения размеров площади поверхности нагрева этих корпусов и пароотбора на технологические нужды.
Полезная разность температур в I и II корпусах принимается не менее 6°С, в последующих — 10—12°С. Увеличение полезной разности температур в последних корпусах вызвано повышением вязкости сгущаемого сока и уменьшением вследствие этого коэффициента теплопередачи. Чем больше в выпарном аппарате с многократной естественной циркуляцией температурный перепад между греющим паром и кипящим соком, тем выше скорость циркуляции сока и коэффициент теплопередачи, меньше накипеобразование и размеры аппарата, а также длительность пребывания в нем сока.
Однако во избежание интенсивного разложения сахарозы температура кипения сока в I корпусе ограничивается 126—128 °С, а температура кипения сока в последнем корпусе не может быть ниже 60 °С.
Конденсация вторичных паров. В комплекте с четырехкорпусной выпарной установкой с концентратором работает двухступенчатая вакуум-конденсационная установка (см. рис. 58). Она состоит из предконденсатора 8, основного конденсатора смешения 9, каплеловушки 10, сборника барометрической воды 11 и вакуум-компрессора.
На сахарных заводах используется противоточный полочный конденсатор смешения, представляющий собой вертикальный цилиндрический сосуд с горизонтальными полками. Снизу в него поступает вторичный пар, а на верхнюю полку — холодная вода. Переливаясь с полки на полку, вода каскадами стекает вниз навстречу пару. При контакте с водой пар конденсируется, создавая в аппарате сильное разрежение, так как 1 кг пара занимает объем, примерно в 1600 раз больший, чем 1 кг конденсата. Неконденсирующиеся газы освобождаются в каплеловушке от капель и непрерывно отсасываются вакуум-компрессором.
Смесь конденсата с охлаждающей водой (барометрическая вода) по вертикальной трубе стекает в сборник 11. В трубе поддерживается уровень воды, соответствующий остаточному давлению в конденсаторе 0,017—0,021 МПа. Излишняя против этой уравновешивающей высоты вода через открытый нижний конец трубы выливается в сборник. Высота барометрической трубы должна быть не менее 11 м, чтобы предотвратить попадание через нее воздуха в конденсатор.
Вторичный пар из концентратора выпарной установки подведен сначала к предконденсатору 8, куда холодная вода подается в недостаточном количестве, вследствие чего пар конденсируется не полностью, но зато в сборник 11 выводится горячая вода, пригодная для технологических целей. Несконденсировавшийся пар из предконденсатора переходит в основной конденсатор 9, где полностью конденсируется. Барометрическая вода выходит из него во второй отсек сборника 11 температурой 40—45 °С.
Кроме полочного конденсатора смешения применяются также поверхностные конденсаторы с площадью поверхности теплообмена 1000 м2. Для завода мощностью 3 тыс. т свеклы в сутки достаточно одного такого аппарата.
Кондиционирование отработавшего пара. Источником греющего пара для I корпуса выпарной установки и некоторых других потребителей является теплоэлектроцентраль (ТЭЦ). В котлах высокого давления образуется перегретый пар, называемый острым из-за своих высоких параметров. Например, из паровых котлов, эксплуатируемых на новых свеклосахарных заводах, выходит острый пар с избыточным давлением 3,5 или 4,0 МПа, температурой 435 или 450 °С, который нельзя использовать для технологических нужд непосредственно. Поэтому сначала острый пар, образовавшийся в паровом котле 1 (см. рис. 58), направляется для выработки электроэнергии в турбогенератор 2, работающий с противодавлением, откуда отработавший (ретурный) пар выходит с избыточным давлением 0,35 или 0,40 МПа и температурой до 143 °С.
В тепловой схеме предусмотрено, что во время наибольшего потребления пара, отработавшего в турбогенераторе, когда его не хватает на технологические нужды, к этому пару нужно добавлять острый пар из паровых котлов. Эта добавка пара называется регулирующей, величина ее (к общему расходу пара на технологические нужды по заводу) составляет 10—15%. При пропускании через дроссельный (редукционный) клапан 3 острого пара давление его снижается до давления отработавшего пара. Это редуцированный пар.
Отработавший пар и редуцированный перегреты и иена-сыщены, поэтому перед использованием в выпарной установке их охлаждают и насыщают водой в редукционно-охладительной установке (РОУ) до необходимых параметров и подают в паросборник 5 перед I корпусом выпарной установки. Охлаждение и насыщение пара, называемое кондиционированием, осуществляется автоматически.
Отвод конденсата. Образующийся в выпарных аппаратах и других теплообменниках конденсат препятствует доступу пара к поверхности нагрева, поэтому с помощью конденсатоотводчиков его систематически отводят в сборники. Конденсат отработавшего греющего пара используется для питания паровых котлов, а вторичных паров (аммиачный конденсат) — для нагревания различных промежуточных продуктов.
В качестве конденсатоотводчиков применяются гидравлические колонки 12 с наружным циркуляционным контуром (см. рис. 58), устанавливаемые по одной на каждом корпусе выпарной установки. Принцип их работы основан на создании гидравлического затвора в виде водяного столба достаточной высоты. Это позволяет непрерывно отводить из паровых камер конденсат, не допуская прорыва пара в сборники конденсатных вод. Столб конденсата в гидравлической колонке компенсирует разность давлений до и после нее.
Конденсат из выпарного аппарата, а также от других теплообменных аппаратов, обогреваемых паром с примерно одинаковой температурой, подводится в гидравлическую колонку, поднимается вверх и через воронку свободно выливается в сепаратор. В результате пониженного давления в сепараторе происходит самоиспарение конденсата и отделение прорвавшихся с ним пузырьков пара. Часть конденсата отводится через патрубок в сборник, а часть по циркуляционной трубе возвращается в сепаратор. Пар самоиспарения, огибая полки в сепараторе, освобождается от капель и выводится в паровую камеру следующего выпарного аппарата. Например, пар самоиспарения, выделенный из конденсата I корпуса выпарной установки, добавляется к вторичному пару этого же корпуса и используется для обогрева II корпуса.
Гидравлическая колонка снабжена термометром, манометром и водомерным стеклом.
Отвод неконденсирующихся газов. Из паровых камер выпарных аппаратов, теплообменников, вакуум-аппаратов, конденсатных колонок непрерывно отводятся неконденсирующиеся газы (аммиак, диоксид углерода и др.), содержащиеся во вторичных парах. Наличие газов в греющем паре сильно снижает теплоотдачу при конденсации, так как, накапливаясь в верхней части паровых камер, они препятствуют притоку пара к поверхности теплообмена.
Неконденсирующиеся газы выводятся из верхней части паровых камер по трубам (оттяжкам) в пространство с давлением пара на одну ступень ниже, чем давление греющего пара, т. е. из паровой камеры I корпуса в паровую камеру II, из паровой камеры II корпуса в паровую камеру III корпуса и т. д. до конденсатора смешения. При таких условиях отводимый с газами пар не теряется бесполезно, кроме того, вследствие разности давлений создается непрерывное движение газа от I корпуса к конденсатору смешения.
Из паровых камер теплообменников и вакуум-аппаратов газы выводятся в паровую камеру корпуса выпарной установки, следующего за тем корпусом, паром которого обогревается данная паровая камера. Газовые (аммиачные) оттяжки устанавливаются в самой верхней части паровых камер, где скапливаются некоденсирующиеся газы. На газовой оттяжке должен быть регулирующий вентиль. Дополнительно можно ставить диафрагму с отверстием диаметром 3—5 мм.
При нормальной работе вентили аммиачных оттяжек должны быть приоткрыты настолько, чтобы труба, отводящая газы, была теплой на ощупь. Тогда потери пара с газами будут минимальными.
Иногда неконденсирующиеся газы из паровых камер С избыточным давлением выпускаются в атмосферу, а из камер, где давление ниже атмосферного, отводятся в барометрический конденсатор. При этом конденсатор и вакуум-компрессор несколько разгружаются, но потери пара увеличиваются.
Неконденсирующиеся газы из паровых камер нельзя выводить в надсоковое пространство выпарных аппаратов, так как это приводит к разжижению сока конденсатом, прорывающимся вместе с газами, и к увеличению его цветности под действием аммиака, содержащегося в неконденсирующихся газах. Попадая из паровой камеры в надсоковое пространство, часть аммиака растворяется в каплях сока и конденсирующегося пара, возвращается в сок и интенсифицирует реакции образования красящих веществ.