Выпаривание
24-05-2017, 09:37
Очищенный сок содержит всего 12...15% сухих веществ. И чтобы из него выделить кристаллизацией сахарозу, его сгущают (концентрируют) путем выпаривания, т. е. удаляют часть воды.
Удаление воды на сахарном заводе проводят в два этапа: сначала на выпарной установке до содержания сухих веществ 60...65%, а затем в вакуум-аппаратах - до 92...94%.
Основное количество воды удаляется на выпарной установке при сгущении сока до сиропа с концентрацией сухих веществ 60...65%.
Количество очищенного сока, поступающего на выпаривание, составляет 130...135 кг (или 130...135% к массе свеклы). Оно приблизительно равно откачке (120...125 %) + 10 кг известкового молока.
При сгущении такого количества сока с СВ = 12%, получают 135•2/60 = 27 кг (или 27 % к массе свеклы) сиропа с концентрацией сухих веществ 60%.
Количество выпаренной воды составляет: 135 • 27 = 108 кг (или 108% к массе свеклы).
При нормативных показателях технологического процесса на выпарной установке необходимо выпарить воды порядка 100% к массе переработанной свеклы.
Теоретически для выпаривания 1 кг расходуется примерно 1 кг пара. На заводе, перерабатывающем 3 тыс. т свеклы в сутки, необходимо выпарить в сутки примерно 3 тыс. т воды.
Из приведенного выше видно, что в условиях сахарного производства необходимо выпарить большое количество воды.
При однократном использовании пара, считая что 1 кг пара выпаривает 1 кг воды, его расход был бы слишком большим, что экономически невыгодно, так как на получение пара затрачивается значительное количество топлива.
Уменьшение расхода пара (соответственно топлива) на выпаривание сока достигается за счет применения принципа многократного использования пара в нескольких последовательно установленных выпарных аппаратах.
На свеклосахарных заводах применяют 4-х или 5-кратное выпаривание сока на установке, состоящей из 4-х или 5-ти выпарных аппаратов. Такую установку называют 4-х или 5-ти корпусной выпарной установкой.
Выпарная установка совместно с вспомогательным оборудованием (сепараторы пара, конденсатные колонки, насосы и т. д.) образуют выпарную станцию.
Аппаратурно-технологическая схема четырехкорпусной (ступенчатой) выпарной установки с концентратором и с использованием пара на технологические нужды приведена на рис. 27.
Для снижения затрат тепла на выпаривание очищенный сок перед поступлением на выпарную установку подогревается в теплообменниках до кипения. Подогретый сок поступает в первый корпус и затем последовательно проходит все корпуса и концентратор выпарной установки, сгущаясь до требуемой концентрации.
Ретурный (свежий) пар поступает только в паровую камеру I корпуса, а каждый последующий корпус обогревается соковым паром предшествующего. Часть сокового пара отбирают на другие технологические нужды (см. рис. 27). Соковые пары, отбираемые из отдельных корпусов выпарной установки на технологические нужды, носят название экстра-паров.
Расход пара на выпарку определяет расход топлива на технологические нужды. На заводах РФ расход пара на технологические нужды составляет ~50%, а расход топлива - 6...7% (на отдельных заводах он меньше 5%) по массе свеклы.
Соковый пар из концентратора поступает в барометрический конденсатор, в котором он конденсируется за счет подаваемой холодной воды.
При конденсации пара его объем уменьшается примерно в 1000 раз и за счет этого в конденсаторе создается разрежение (вакуум) равное ~650мм рт. ст., что обеспечивает кипение сока в концентраторе при температуре 68°С.
Температура же ретурного пара, т. е. пара, подаваемого в I корпус, не должна превышать 135°С - более высокая температура приведет к значительному разложению сахарозы.
Разность температур 135 - 68 = 77°С обеспечивает 4-х ступенчатое выпаривание воды на выпарной установке и необходимую производительность выпарной установки.
Для нормальной работы выпарной установки конденсат, образующийся при конденсации пара в греющей камере выпарного аппарата, необходимо выводить из греющей камеры. Если этого не делать, то он заполнил бы греющую камеру, а это привело бы к снижению производительности установки.
Конденсат представляет собой весьма чистую воду, не содержащую солей, поэтому его используют для питания паровых котлов ТЭЦ и для экстрагирования сахара на диффузии.
Эффективность процесса выпаривания определяется совокупностью теплотехнических факторов. При этом выпаривание сахарного сока должно проводиться в условиях максимально высоких технологических и теплотехнических показателей работы выпарной установки, чтобы обеспечивались максимально возможные потери сахарозы, минимальное нарастание цветности и минимальный расход пара на выпаривание, определяющий расход пара на технологические нужды в целом.
Интенсивность процесса выпаривания зависит от интесивности процессов, составляющих в совокупности процесс теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему сахарному раствору.
Тепловая производительность выпарной установки Q (в кВт) определяется по формуле
где К - коэффициент теплопередачи, кВт/(м2 • К); F - поверхность теплообмена, м2; tп - температура греющего пара, °С; t0 - температура кипящего сока, °С.
Процесс передачи теплоты в выпарных аппаратах характеризуется коэффициентом теплопередачи К, показывающим количество тепла проходящее за 1 час через 1 м2 греющей поверхности при разности температур 1°С, определяемым из уравнения
где ?1 - коэффициент теплоотдачи от пара к стенке греющей поверхности, составляющий 8...15 кВт/(м2 • К);
?2 - коэффициент теплоотдачи от стенки к выпариваемому соку; ?ст и ?нак - толщина соответственно стенки трубки и слоя накипи, м; ?ст и ?нак - коэффициент теплопроводности соответственно стенки трубки и накипи, кВт/(м2 • К).
Величина а, зависит от параметров пара, его движения и материала трубки. Для не очень перегретого пара, который конденсируется, эта величина примерно такая же, как и для насыщенного пара. Для перегретого пара, который не конденсируется, величина ?1 в десять - сто раз ниже, чем для насыщенного пара.
Величина ?2 увеличивается с повышением скорости движения сока, с уменьшением вязкости.
Интенсивность теплопередачи через слой накипи невелика, теплопроводность накипи мала.
На производительность выпарной установки влияют: толщина накипи, наличие неконденсирующихся газов (воздух, аммиак, СО2) и количество конденсата в паровой камере. Наличие неконденсирующихся газов связано с тем, что в процессе выпаривания из сока удаляется не только водяной пар, но и аммиак, диоксид углерода, адсорбированный воздух или воздух, попадающий вследствие негерметичности коммуникаций. Поскольку эти газы не конденсируются, то они накапливаются в греющей камере, препятствуют поступлению пара и значительно снижают теплопередачу. Кроме того, аммиак и диоксид углерода вызывают коррозию металла. Поэтому неконденсирующиеся газы необходимо отводить из греющей камеры. Отвод их следует проводить из верхней части камеры, со стороны противоположной подводу пара.
Наибольшее количество неконденсирующихся газов образуется в первом корпусе, их отводят на следующую ступень или лучше - в атмосферу, чтобы они не проходили через всю выпарную установку и не снижали ее производительность.
Важным фактором, влияющим на производительность выпарной установки, является уровень сока на отдельных ступенях выпаривания.
Согласно экспериментальным данным Тобилевича, оптимальный уровень сока, выраженный в % длины трубок, в отдельных корпусах выпарной установки должен составлять:
Обычно при определении уровня сока в аппаратах исходят из эмпирического правила, согласно которому уровень сока (% к высоте кипятильных трубок аппарата) должен быть равен концентрации сухих веществ сока, находящегося в данном корпусе.
В процессе сгущения сока на выпарной установке из сока, кроме водяного пара, выделяются аммиак, СО2 и адсорбированный воздух. Так как эти газы не конденсируются, то они (неконденсирующиеся газы) накапливаются в греющих камерах, препятствуют доступу пара и значительно снижают теплопередачу. Кроме того, аммиак и СО2 вызывают коррозию металлов.
Неконденсирующиеся газы из верхней части паровых камер выпарных аппаратов по трубам (оттяжкам) выводятся в надсоковое пространство того же выпарного аппарата.
Образование аммиака и СО2 при выпаривании сока связано с протеканием химических процессов при выпаривании сока.
Удаление воды на сахарном заводе проводят в два этапа: сначала на выпарной установке до содержания сухих веществ 60...65%, а затем в вакуум-аппаратах - до 92...94%.
Основное количество воды удаляется на выпарной установке при сгущении сока до сиропа с концентрацией сухих веществ 60...65%.
Количество очищенного сока, поступающего на выпаривание, составляет 130...135 кг (или 130...135% к массе свеклы). Оно приблизительно равно откачке (120...125 %) + 10 кг известкового молока.
При сгущении такого количества сока с СВ = 12%, получают 135•2/60 = 27 кг (или 27 % к массе свеклы) сиропа с концентрацией сухих веществ 60%.
Количество выпаренной воды составляет: 135 • 27 = 108 кг (или 108% к массе свеклы).
При нормативных показателях технологического процесса на выпарной установке необходимо выпарить воды порядка 100% к массе переработанной свеклы.
Теоретически для выпаривания 1 кг расходуется примерно 1 кг пара. На заводе, перерабатывающем 3 тыс. т свеклы в сутки, необходимо выпарить в сутки примерно 3 тыс. т воды.
Из приведенного выше видно, что в условиях сахарного производства необходимо выпарить большое количество воды.
При однократном использовании пара, считая что 1 кг пара выпаривает 1 кг воды, его расход был бы слишком большим, что экономически невыгодно, так как на получение пара затрачивается значительное количество топлива.
Уменьшение расхода пара (соответственно топлива) на выпаривание сока достигается за счет применения принципа многократного использования пара в нескольких последовательно установленных выпарных аппаратах.
На свеклосахарных заводах применяют 4-х или 5-кратное выпаривание сока на установке, состоящей из 4-х или 5-ти выпарных аппаратов. Такую установку называют 4-х или 5-ти корпусной выпарной установкой.
Выпарная установка совместно с вспомогательным оборудованием (сепараторы пара, конденсатные колонки, насосы и т. д.) образуют выпарную станцию.
Аппаратурно-технологическая схема четырехкорпусной (ступенчатой) выпарной установки с концентратором и с использованием пара на технологические нужды приведена на рис. 27.
Для снижения затрат тепла на выпаривание очищенный сок перед поступлением на выпарную установку подогревается в теплообменниках до кипения. Подогретый сок поступает в первый корпус и затем последовательно проходит все корпуса и концентратор выпарной установки, сгущаясь до требуемой концентрации.
Ретурный (свежий) пар поступает только в паровую камеру I корпуса, а каждый последующий корпус обогревается соковым паром предшествующего. Часть сокового пара отбирают на другие технологические нужды (см. рис. 27). Соковые пары, отбираемые из отдельных корпусов выпарной установки на технологические нужды, носят название экстра-паров.
Расход пара на выпарку определяет расход топлива на технологические нужды. На заводах РФ расход пара на технологические нужды составляет ~50%, а расход топлива - 6...7% (на отдельных заводах он меньше 5%) по массе свеклы.
Соковый пар из концентратора поступает в барометрический конденсатор, в котором он конденсируется за счет подаваемой холодной воды.
При конденсации пара его объем уменьшается примерно в 1000 раз и за счет этого в конденсаторе создается разрежение (вакуум) равное ~650мм рт. ст., что обеспечивает кипение сока в концентраторе при температуре 68°С.
Температура же ретурного пара, т. е. пара, подаваемого в I корпус, не должна превышать 135°С - более высокая температура приведет к значительному разложению сахарозы.
Разность температур 135 - 68 = 77°С обеспечивает 4-х ступенчатое выпаривание воды на выпарной установке и необходимую производительность выпарной установки.
Для нормальной работы выпарной установки конденсат, образующийся при конденсации пара в греющей камере выпарного аппарата, необходимо выводить из греющей камеры. Если этого не делать, то он заполнил бы греющую камеру, а это привело бы к снижению производительности установки.
Конденсат представляет собой весьма чистую воду, не содержащую солей, поэтому его используют для питания паровых котлов ТЭЦ и для экстрагирования сахара на диффузии.
Эффективность процесса выпаривания определяется совокупностью теплотехнических факторов. При этом выпаривание сахарного сока должно проводиться в условиях максимально высоких технологических и теплотехнических показателей работы выпарной установки, чтобы обеспечивались максимально возможные потери сахарозы, минимальное нарастание цветности и минимальный расход пара на выпаривание, определяющий расход пара на технологические нужды в целом.
Интенсивность процесса выпаривания зависит от интесивности процессов, составляющих в совокупности процесс теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему сахарному раствору.
Тепловая производительность выпарной установки Q (в кВт) определяется по формуле
где К - коэффициент теплопередачи, кВт/(м2 • К); F - поверхность теплообмена, м2; tп - температура греющего пара, °С; t0 - температура кипящего сока, °С.
Процесс передачи теплоты в выпарных аппаратах характеризуется коэффициентом теплопередачи К, показывающим количество тепла проходящее за 1 час через 1 м2 греющей поверхности при разности температур 1°С, определяемым из уравнения
где ?1 - коэффициент теплоотдачи от пара к стенке греющей поверхности, составляющий 8...15 кВт/(м2 • К);
?2 - коэффициент теплоотдачи от стенки к выпариваемому соку; ?ст и ?нак - толщина соответственно стенки трубки и слоя накипи, м; ?ст и ?нак - коэффициент теплопроводности соответственно стенки трубки и накипи, кВт/(м2 • К).
Величина а, зависит от параметров пара, его движения и материала трубки. Для не очень перегретого пара, который конденсируется, эта величина примерно такая же, как и для насыщенного пара. Для перегретого пара, который не конденсируется, величина ?1 в десять - сто раз ниже, чем для насыщенного пара.
Величина ?2 увеличивается с повышением скорости движения сока, с уменьшением вязкости.
Интенсивность теплопередачи через слой накипи невелика, теплопроводность накипи мала.
На производительность выпарной установки влияют: толщина накипи, наличие неконденсирующихся газов (воздух, аммиак, СО2) и количество конденсата в паровой камере. Наличие неконденсирующихся газов связано с тем, что в процессе выпаривания из сока удаляется не только водяной пар, но и аммиак, диоксид углерода, адсорбированный воздух или воздух, попадающий вследствие негерметичности коммуникаций. Поскольку эти газы не конденсируются, то они накапливаются в греющей камере, препятствуют поступлению пара и значительно снижают теплопередачу. Кроме того, аммиак и диоксид углерода вызывают коррозию металла. Поэтому неконденсирующиеся газы необходимо отводить из греющей камеры. Отвод их следует проводить из верхней части камеры, со стороны противоположной подводу пара.
Наибольшее количество неконденсирующихся газов образуется в первом корпусе, их отводят на следующую ступень или лучше - в атмосферу, чтобы они не проходили через всю выпарную установку и не снижали ее производительность.
Важным фактором, влияющим на производительность выпарной установки, является уровень сока на отдельных ступенях выпаривания.
Согласно экспериментальным данным Тобилевича, оптимальный уровень сока, выраженный в % длины трубок, в отдельных корпусах выпарной установки должен составлять:
Обычно при определении уровня сока в аппаратах исходят из эмпирического правила, согласно которому уровень сока (% к высоте кипятильных трубок аппарата) должен быть равен концентрации сухих веществ сока, находящегося в данном корпусе.
В процессе сгущения сока на выпарной установке из сока, кроме водяного пара, выделяются аммиак, СО2 и адсорбированный воздух. Так как эти газы не конденсируются, то они (неконденсирующиеся газы) накапливаются в греющих камерах, препятствуют доступу пара и значительно снижают теплопередачу. Кроме того, аммиак и СО2 вызывают коррозию металлов.
Неконденсирующиеся газы из верхней части паровых камер выпарных аппаратов по трубам (оттяжкам) выводятся в надсоковое пространство того же выпарного аппарата.
Образование аммиака и СО2 при выпаривании сока связано с протеканием химических процессов при выпаривании сока.