Выпарной аппарат
Изобретение относится к выпарной технике и может быть использовано в химической, атомной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности. Выпарной аппарат содержит греющую камеру с размещенными в ней вертикальными теплообменными трубками, закрепленными в трубных досках, сепаратор, верхнюю растворную камеру, устройство для ввода упариваемого продукта и равномерного его распределения в виде пленки по теплообменным трубкам, размещенное в верхней растворной камере, устройство для ввода пара и продукта в сепаратор, штуцер для ввода пара, патрубок для отвода из сепаратора отделенного упариваемого продукта, штуцера для отвода и ввода конденсата и неконденсирующихся газов. Верхняя трубная доска разделена вертикальной перегородкой на две части с равным числом теплообменных трубок, зеркально расположенных относительно вертикальной перегородки, и первая половина теплообменных трубок связана с устройством для ввода упариваемого продукта и равномерного его распределения в виде пленки, а нижние концы зеркально расположенных трубок соединены между собой каналами. Устройство для ввода пара и продукта в сепаратор выполнено в виде отдельных патрубков, каждый из которых закреплен одним концом на верхнем конце соответствующей теплообменной трубки второй половины этих трубок, а другим тангенциально соединен с сепаратором. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности выпарного аппарата за счет выпаривания растворов пенообразующих веществ путем разделенной на отдельные потоки тангенциальной подачи выпариваемого продукта в сепаратор. 2 ил.
Изобретение относится к выпарной технике и может быть использовано в химической, атомной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности.
Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для сгущения пенообразующих продуктов.
Выпаривание является одним из наиболее распространенных методов первоначального обезвоживания или концентрирования многих продуктов, производимых в химической, молочной и других отраслях промышленности.
В последнее время большое распространение как в зарубежной, так и в отечественной промышленности получили вакуум-выпарные установки, оснащенные выпарными аппаратами пленочного типа.
В этих установках сгущение осуществляется за один проход продукта через теплообменные трубки греющих камер выпарных аппаратов, что значительно сокращает продолжительность пребывания продукта в аппарате (по сравнению с циркуляционными аппаратами) и одновременно позволяет контролировать и регулировать продолжительность теплового воздействия на продукт. В связи с этим вакуум-выпарные установки данного типа являются наиболее эффективными для сгущения термолабильных растворов и считаются наиболее перспективными.
Выпарные аппараты пленочного типа имеют высокую производительность при относительно небольших объемах самого аппарата и занимаемой им производственной площади, а также характеризуются наиболее высокой интенсивностью теплопередачи.
Различают выпарные аппараты с поднимающейся и опускающейся пленкой. В промышленной практике наибольшее распространение получили выпарные аппараты с опускающейся пленкой, которые состоят из греющей камеры, выполненной в виде вертикального кожухотрубчатого теплообменника с паровым обогревом, сепаратора, верхней и нижней растворных камер.
Опыт эксплуатации выпарных аппаратов пленочного типа показал, что, обладая рядом несомненных достоинств, о которых было сказано выше, данные выпарные аппараты имеют также и следующие недостатки:
1. Выпарные аппараты пленочного типа, установленные на замыкающих ступенях в многокорпусных вакуум-выпарных установках, работают при низких значениях плотности орошения теплообменной поверхности. Это приводит к оголению теплообменных трубок, пригоранию продукта на трубках и, в результате, к снижению интенсивности теплообмена, уменьшению времени непрерывной работы, увеличению времени мойки и повышенному расходу моющих средств.
2. Выпарные аппараты данного типа не позволяют сгущать молочные продукты до высоких концентраций (более 50-55%) и не позволяют осуществлять сгущение пенообразующих продуктов.
Таким образом, совершенствование выпарных аппаратов с целью повышения эффективности их работы является актуальным.
В современной выпарной технике для молочной и пищевой промышленности эти недостатки не устраняются. Для доказательства этого рассмотрим известные современные технические решения.
Известен выпарной аппарат (Липатов Н.Н., Харитонов В.Д. Сухое молоко М.: Легкая и пищевая промышленность, с.64-65) пленочного типа с падающей пленкой. Аппарат состоит из греющей камеры, сепаратора, нижней и верхней растворных камер. Греющая камера включает кожух, теплообменные трубки, трубные доски, а также патрубки ввода греющего пара и вывода конденсата и неконденсирующихся газов. Верхняя растворная камера снабжена устройствами для ввода упариваемого продукта и равномерного распределения его по теплообменным трубкам. Нижняя растворная камера и сепаратор имеют патрубки для вывода упаренного продукта. Сепаратор, кроме этого, снабжен патрубком вывода вторичного пара.
Выпарной аппарат, несмотря на ряд достоинств, имеет и следующие недостатки:
1. Выпарные аппараты данного типа, установленные на замыкающих ступенях многокорпусных вакуум-выпорных установок, работают при низких значениях плотности орошения теплообменной поверхности. Это приводит к возможности оголения теплообменных трубок, пригорания продукта на трубках и в результате к снижению интенсивности теплообмена, уменьшению времени непрерывной работы, увеличению времени мойки и повышенному расходу моющих средств.
2. Опыт эксплуатации выпарных аппаратов данного типа и проведенные исследования показали, что на аппаратах не удалось получить сгущенные молочные продукты с повышенным содержанием массовой доли сухих веществ более 50-55%.
3. Кроме того, в выпарных аппаратах данного типа невозможно осуществлять процесс выпаривания пенообразующих веществ, таких как яичный меланж, моющие средства и т.п.
Некоторые недостатки устраняются в известном выпарном аппарате [Вакуумно-выпарная установка. Проспект фирмы "A-RV ANHUDRO" А/3 К-41SOV, 1986] пленочного типа с падающей пленкой. Аппарат состоит из греющей камеры, сепаратора, верхней и нижней растворных камер. Греющая камера включает кожух, теплообменные трубки, трубные доски, а также патрубки ввода греющего пара и вывода конденсата и неконденсирующихся газов. Верхняя растворная камера снабжена устройством для ввода упариваемого продукта, равномерного распределения его по теплообменным трубкам и вертикальной перегородкой, примыкающей к трубной доске греющей камеры.
Данный выпарной аппарат отличается от ранее рассмотренного тем, что он оснащен вертикальными перегородками, установленными в верхней и нижней растворных камерах. Перегородки делят аппарат на две части по ходу продукта и позволяют использовать его в качестве двухходового. В этом случае выпарной аппарат должен быть снабжен перекачивающим насосом. Эти конструктивные особенности позволяют за счет двойного прохода продукта по теплообменным трубкам повысить плотность орошения продуктом теплообменной поверхности и ликвидировать некоторые недостатки, характерные для выпарных аппаратов, рассмотренных выше.
Однако данный выпарной аппарат имеет следующие недостатки:
1. Наличие дополнительного насоса приводит к увеличению потребления электроэнергии и недостаточной надежности.
2. Опыт эксплуатации аппаратов данного типа и проведенные исследования также показали, что на аппаратах не удается получить сгущенные молочные продукты с повышенным содержанием массовой доли сухих веществ, т.е. более 50-55%.
3. В этом аппарате также невозможно осуществлять процесс выпаривания пенообразующих веществ, таких как яичный меланж, моющие средства и т.п., так как в данном случае создаются "хорошие" условия для пенообразования в нижней растворной камере и в сепараторе, что приводит к низкой чистоте вторичного пара в сепараторе, уносу продукта вместе с паром.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является выпарной аппарат [Патент РФ № 2039438, оп. 1995.07.20.], включающий греющую камеру с размещенными в ней вертикальными теплообменными трубками, закрепленными в трубных досках, сепаратор, верхнюю растворную камеру, разделенную установленной в ней вертикальной перегородкой на две изолированные части, нижнюю растворную камеру, устройство для ввода упариваемого продукта и равномерного его распределения в виде пленки по теплообменным трубкам, размещенное в одной части верхней растворной камеры устройство для ввода вторичного пара и продукта в сепаратор, размещенное в другой части верхней растворной камеры, штуцер для ввода пара, патрубок для отвода из сепаратора отделенного упариваемого продукта, штуцера для отвода и ввода конденсата и неконденсирующихся газов, при этом верхняя трубная доска разделена вертикальной перегородкой на две части с равным числом теплообменных трубок, зеркально расположенных относительно вертикальной перегородки, а нижние концы зеркально расположенных трубок соединены между собой каналами.
Разделение верхней растворной камеры установленной в ней вертикальной перегородкой на две изолированные части, в одной из которых размещено устройство для ввода упариваемого продукта и равномерного его распределения в виде пленки по теплообменным трубкам, а в другой - устройство для ввода пара и продукта в сепаратор, позволило интенсифицировать теплообмен на стенках трубок, а следовательно, повысить эффективность работы выпарного аппарата.
Создаваемое в аппарате постоянное орошение упариваемым продуктом стенок трубок исключает пригорание продукта к трубкам, повышая тем самым надежность работы аппарата при снижении капитальных затрат.
Однако конструкция и этого аппарата не позволяет осуществлять процесс выпаривания растворов пенообразующих веществ, таких как яичный меланж, моющие средства и т.п., так как в случае выпаривания пенообразующих растворов в левой части двухфазный поток, состоящий из вторичного пара и выпариваемого раствора и имеющий высокую скорость, ударяется о верхнюю стенку верхней растворной камеры, теряет скорость, турбулизируется, перемешивается и поэтому создаются благоприятные условия для повышенного пенообразования, в том числе и в сепараторе выпарного аппарата, что в конечном итоге препятствует сгущению пенообразующих веществ в выпарных аппаратах данного типа.
В основу изобретения положена задача расширения функциональных возможностей выпарного аппарата за счет выпаривания растворов пенообразующих веществ путем разделенной на отдельные потоки тангенциальной подачи выпариваемого продукта в сепаратор.
Поставленная задача решается тем, что в выпарном аппарате, включающем греющую камеру с размещенными в ней вертикальными теплообменными трубками, закрепленными в трубных досках, сепаратор, верхнюю растворную камеру, устройство для ввода упариваемого продукта и равномерного его распределения в виде пленки по теплообменным трубкам, размещенное в верхней растворной камере, устройство для ввода пара и продукта в сепаратор, штуцер для ввода пара, патрубок для отвода из сепаратора отделенного упариваемого продукта, штуцера для отвода и ввода конденсата и неконденсирующихся газов, при этом верхняя трубная доска разделена вертикальной перегородкой на две части с равным числом теплообменных трубок, зеркально расположенных относительно вертикальной перегородки, и первая половина теплообменных трубок связана с устройством для ввода упариваемого продукта и равномерного его распределения в виде пленки по теплообменным трубкам, а нижние концы зеркально расположенных трубок соединены между собой каналами, устройство для ввода пара и продукта в сепаратор выполнено в виде отдельных патрубков, каждый из которых закреплен одним концом на верхнем конце соответствующей теплообменной трубки второй половины этих трубок, а другим тангенциально соединен с сепаратором.
Выполнение устройства для ввода пара и продукта в сепаратор в виде отдельных патрубков, каждый из которых закреплен одним концом на верхнем (выходном) конце соответствующей теплообменной трубки, а другим тангенциально соединен с сепаратором, позволило:
1. Ликвидировать пенообразование в левой части верхней растворной камеры.
2. Сохранить состояние двухфазного потока, который имел место в теплообменных трубках до входа в сепаратор.
3. При тангенциальном входе в сепаратор паровая фаза потока, имеющая высокую скорость (80-240 м/с) прижимает жидкую фазу потока к стенке сепаратора и раствор в виде пленки стекает по внутренней поверхности сепаратора в его нижнюю часть и удаляется из сепаратора, тем самым не создаются условия для пенообразования в сепараторе и выпарном аппарате в целом.
На фиг.1 представлен общий вид заявляемого выпарного аппарата в разрезе; на фиг.2 - правая часть верхней растворной камеры в разрезе.
Выпарной аппарат состоит из греющей камеры 1, сепаратора 2, верхней растворной камеры 3 и нижней камеры 4. Греющая камера 1 включает верхнюю трубную доску 5 и нижнюю трубную доску 6, под которой расположена нижняя камера 4, кожух 7, в котором расположены вертикально теплообменные трубки 8, закрепленные в трубных досках 5 и 6. Кроме того, выпарной аппарат снабжен штуцером 9 для подвода греющего пара в камеру 1, штуцерами 10 и 11 для подвода и отвода конденсата соответственно, штуцерами 12 и 13 для отвода и подвода неконденсирующихся газов соответственно.
Верхняя растворная камера 3 снабжена устройством 14 для ввода упариваемого продукта, устройством 15 для равномерного распределения в виде пленки упариваемого продукта по теплообменным трубкам 8. Устройство 15 состоит из верхнего распределительного устройства 16 и нижнего распределительного устройства 17, каждое из которых выполнено в виде плоской тарелки с отверстиями 18 и 19 соответственно. В полости верхней растворной камеры 3 установлена форсунка 20. Верхняя трубная доска 5 разделена вертикальной перегородкой 21 на две части с равным числом теплообменных трубок 8, зеркально расположенных относительно перегородки 21. При этом первая половина теплообменных трубок 8 технологически связана с отверстиями 18 и 19 верхнего распределительного устройства 16 и нижнего распределительного устройства 17 соответственно. Нижние концы зеркально расположенных трубок 8 соединены между собой дугообразными каналами 22, а в нижней трубной доске 6 выполнено сквозное отверстие 23. На выходе каждой теплообменной трубки 8 второй половины теплообменных трубок укреплен одним концом патрубок 24 для ввода пара и продукта в сепаратор 2, другой конец которого тангенциально подсоединен к сепаратору 2. Сепаратор 2 снабжен патрубком 25 для вывода упариваемого продукта из сепаратора 2 и устройством 26 для отвода вторичного пара в конденсатор (на чертеже не показан).
Выпарной аппарат работает следующим образом. Исходный продукт - пенообразующий раствор, например яичная масса, раствор промывных вод направляется на сгущение и выпаривание в выпарной аппарат и непрерывно подается через устройство 14 на форсунку 20, расположенную в верхней части растворной камеры 3 выпарного аппарата. С помощью форсунки 20 продукт распределяется по верхней части растворной камеры 3 и попадает на верхнее распределительное устройство 16, в котором имеются равномерно расположенные по всей поверхности отверстия 18. Продукт через отверстия 18 стекает на нижнее распределительное устройство 17 и равномерно распределяется по его поверхности. Продукт через отверстия 19, расположенные соосно первой половине теплообменных трубок 8 греющей камеры 1, сливается в эти трубки 8, в которых он равномерно распределяется по периметру и в виде пленки стекает вниз.
Одновременно с этим через штуцер 9 в греющую камеру 1 подается греющий пар. Пар, двигаясь сверху вниз и отдавая тепло поверхности теплообменных трубок 8, конденсируется. Конденсат по наружной поверхности трубок 8 стекает вниз, собирается на нижней трубной доске 6 и через отверстие 23 стекает в камеру 4.
Неконденсирующиеся газы удаляются из греющей камеры 1 в камеру 4 также через отверстие 23. В дальнейшем конденсат удаляется из камеры 4 через штуцер 11, а неконденсирующиеся газы - через штуцер 12.
Пенообразующий раствор, стекая вниз в виде пленки по внутренней поверхности трубок 8 за счет тепла, отдаваемого паром, кипит и конденсируется. Вторичный пар, образующийся при кипении пенообразующего раствора, вместе с раствором перемещается вниз. Упариваемый раствор вместе с вторичным паром выходит из теплообменных трубок 8, проходит дугообразные каналы 22, изменяет направление движения и поступает в нижние концы второй половины теплообменных трубок 8. При входе в нижние концы трубок 8 частично сгущенный раствор за счет вторичного пара, двигающегося вверх с высокой скоростью, равномерно распределяется по периметру теплообменных трубок 8 и в виде пленки поднимается. За счет благоприятных гидродинамических условий (высокая скорость пара и пленки раствора) происходит интенсивное кипение раствора, дальнейшее образование вторичного пара, который в свою очередь еще более способствует увеличению скорости движения двухфазного потока и интенсификации теплообмена.
При выходе из теплообменных трубок 8 двухфазный поток (смесь вторичного пара и упаренного пенообразующего раствора) через патрубки 24, подсоединенные тангенциально к сепаратору 2, поступает непосредственно в сепаратор 2. В сепараторе 2 за счет центробежных сил происходит разделение вторичного пара и упаренного раствора. Упаренный раствор удаляется через патрубок 25, а вторичный пар - через устройство 26.
Упаренный продукт может быть направлен на дальнейшее сгущение или на сушку.
В предлагаемом выпарном аппарате обеспечивается возможность, помимо молока и других жидких продуктов, не образующих пены, осуществлять выпаривание пенообразующих растворов, таких как моющие средства, меланж и. т.п за счет разделенной на отдельные потоки тангенциальной подачи выпариваемого продукта в сепаратор.
Кроме того, в предлагаемом аппарате возможно осуществлять выпаривание растворов с высокой концентрацией.
Выпарной аппарат, содержащий греющую камеру с размещенными в ней вертикальными теплообменными трубками, закрепленными в трубных досках, сепаратор, верхнюю растворную камеру, устройство для ввода упариваемого продукта и равномерного его распределения в виде пленки по теплообменным трубкам, размещенное в верхней растворной камере, устройство для ввода пара и продукта в сепаратор, штуцер для ввода пара, патрубок для отвода из сепаратора отделенного упариваемого продукта, штуцера для отвода и ввода конденсата и неконденсирующихся газов, при этом верхняя трубная доска разделена вертикальной перегородкой на две части с равным числом теплообменных трубок, зеркально расположенных относительно вертикальной перегородки, и первая половина теплообменных трубок связана с устройством для ввода упариваемого продукта и равномерного его распределения в виде пленки, а нижние концы зеркально расположенных трубок соединены между собой каналами, отличающийся тем, что устройство для ввода пара и продукта в сепаратор выполнено в виде отдельных патрубков, каждый из которых закреплен одним концом на верхнем конце соответствующей теплообменной трубки второй половины этих трубок, а другим тангенциально соединен с сепаратором.
