ВАКУУМ-ВЫПАРНОЙ АППАРАТ

Изобретение относится к пищевой промышленности для концентрирования жидких продуктов, например, молока, творожной сыворотки, фруктовых соков, производства этилового спирта, а также может применяться в химической промышленности для упаривания водных растворов щелочей и кислот, в том числе и радиоактивных, опреснения морской воды и получения воды высокой чистоты. Цель изобретения: повышение эффективности использования вторичного пара при одновременном снижении гидравлического сопротивления по пару и тем самым исключения тепловых потерь. Сущность изобретения: вакуум - выпарной аппарат, содержащий вакуумную камеру, трубопроводы, эжектор, насос для циркуляции воды, бак для воды, систему нагрева, отличающийся тем, что внутри вакуумной камеры под крышкой в зоне сепарации пара размещен эжектор циркуляционного контура воды, а в баке для воды соединенном с вакуумной системой, установлен реверсивный теплообменник, при этом вакуумная камера снабжена внешним контуром с принудительной циркуляцией сгущенного продукта, причем циркуляционный контур воды и циркуляционный контур сгущенного продукта соединены рекуператором.

1. Вакуум-выпарной аппарат, содержащий вакуумную камеру трубопроводы, эжектор, насос для циркуляции воды, бак для воды, систему нагрева, отличающийся тем, что внутри вакуумной камеры под крышкой в зоне сепарации пара размещен эжектор циркуляционного контура воды, а в баке для воды, соединенном с вакуумной системой, установлен реверсивный теплообменник, при этом вакуумная камера снабжена внешним контуром с принудительной циркуляцией сгущенного продукта, причем циркуляционный контур воды и циркуляционный контур сгущенного продукта соединены рекуператором.

2. Вакуум-выпарной аппарат по п.1, отличающийся тем, что внешний контур с принудительной циркуляцией сгущенного продукта снабжен разбрызгивающим устройством направленного действия, например, в виде форсунки, диска, капельного или струйного душа, размещенным под эжектором, а между разбрызгивающим устройством и эжектором установлен каплеотбойник, например, в виде диска или конуса.

3. Вакуум-выпарной аппарат по п.1, 2, отличающийся тем, что на циркуляционном контуре сгущенного продукта после рекуператора по ходу движения сгущенного продукта установлен реверсивный теплообменник.

Изобретение относится к пищевой промышленности для концентрирования жидких продуктов, например молока, творожной сыворотки, фруктовых соков, производства этилового спирта, а также может применяться в химической промышленности для упаривания водяных растворов щелочей и кислот, в том числе и радиоактивных, опреснения морской воды и получения воды высокой чистоты.

Известна однокорпусная выпарная установка [1] Однокорпусная выпарная установка включает в себя один выпарной аппарат. Аппарат состоит из теплообменного устройства нагревательной (греющей) камеры и сепаратора. Камера и сепаратор могут быть объединены в одном аппарате или камера может быть вынесена и соединена с сепаратором трубами. Камера обычно обогревается водяным насыщенным паром, поступающим в ее межтрубное пространство. Конденсат отводят снизу камеры. Поднимаясь по трубам, выпариваемый раствор нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора. Часть жидкости опускается по циркуляционной трубе под нижнюю трубную решетку греющей камеры. Вследствие разностей плотностей раствора в центральной трубе и парожидкостной составляющей в трубах жидкость циркулирует по замкнутому контуру. Упаренный раствор удаляется через штуцер в днище аппарата. В данном выпарном аппарате процесс выпаривания происходит при давлении выше атмосферного. Недостатком данной конструкции аппарата является большой расход энергии на выпаривание жидкости.

Известна установка для простого выпаривания под вакуумом, схема которой приведена в [2] Исходный раствор из хранилища нагнетается насосом в напорный бак и через измеритель расхода поступает в подогреватель расхода. Здесь раствор нагревается до кипения и направляется в выпарной аппарат, где и происходит выпаривание. В нижней части аппарата раствор воспринимает тепло греющего пара и растворитель испаряется. Образовавшийся вторичный пар и инертные газы освобождаются от брызг жидкости в верхний части выпарного аппарата и поступают в барометрический конденсатор. В нем конденсируется вторичный пар, а неконденсирующиеся инертные газы направляются через ловушку к вакуум-насосу. Конденсат вместе с охлаждающей водой удаляется через барометрическую трубу. Упаренный раствор перекачивается насосом в сборник готового продукта. Проведение процесса под вакуумом имеет свои преимущества в большинстве случаев, а именно: снижается температура кипения раствора, а это позволяет применять для нагревания выпарного аппарата пар низкого давления, являющийся тепловым отходом других производств. Недостатком данной конструкции выпарной установки является большой расход энергии на проведение процесса выпаривания.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является вакуум-выпарной аппарат для сгущения молочных продуктов [3] Вакуум-выпарной аппарат состоит из сообщенных трубопроводами калоризатора, пароотделителя и агрегата для откачивания паров продукта. Калоризатор включает в себя наружную и внутреннюю емкости, образующие контур жидкого теплоносителя, содержащий электронагреватели. Емкость с продуктом герметична и снабжена заправочной горловиной и сливным патрубком. Агрегат для откачивания паров продукта состоит из сообщенных между собой трубопроводами бака для воды, водяного насоса и эжектора. Пароотделитель сообщен через буферную емкость с всасывающим патрубком эжектора агрегата для откачивания паров продукта. Внутренняя емкость калоризатора содержит вертикально расположенные трубки, являющиеся частью контура для жидкого теплоносителя. Аппарат работает следующим образом. Емкость, в которой размещен калоризатор, заполняют водой. Калоризатор заливают молоком, после чего горловина калоризатора закрывается герметично. Подается электропитание на водяной насос и электронагреватели. С помощью эжектора внутри калоризатора создается разряжение, а с помощью электронагревателей подогревается промежуточный теплоноситель вода, циркулирующая за счет естественной конвекции по трубам калоризатора и подогревает молоко в калоризаторе. Образующиеся пары с помощью эжектора выводятся из калоризатора, а низкопотенциальная тепловая энергия паров расходуется на подогрев воды, циркулирующей с помощью насоса через эжектор. После окончания цикла работы аппарата снимается питание с электронагревателей и водяного насоса. Готовый продукт сливается через патрубок. Недостатком вакуум-выпарного аппарата является следующее:
применяются электрические нагреватели, что ненадежно и неэкономично;
нет экономии энергии вторичного пара;
на установке можно выпаривать только воду, т.е. она является узкопрофильной.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности использования вторичного пара при одновременном снижении гидравлического сопротивления по пару и, тем самым, исключения тепловых потерь.

Для достижения поставленной цели вакуум-выпарной аппарат содержит: вакуумную камеру, трубопроводы, эжектор, насос для циркуляции воды, систему нагрева, а внутри вакуумной камеры под крышкой в зоне сепарации пара размещен эжектор циркуляционного контура воды, а в баке для воды соединен с вакуумной системой и установлен реверсивный теплообменник, при этом вакуумная камера снабжена внешним контуром с принудительной циркуляцией сгущенного продукта, причем циркуляционный контур воды и циркуляционный контур сгущенного продукта соединены рекуператором. Внешний контур с принудительной циркуляцией сгущенного продукта снабжен разбрызгивающим устройством направленного действия, например, в виде распылительной форсунки, диска, капельного или струйного душа, размещенным под эжектором, а между разбрызгивающим устройством и эжектором установлен каплеотбойник, например, в виде диска или конуса. На циркуляционном контуре сгущенного продукта после рекуператора по ходу движения сгущенного продукта установлен реверсивный теплообменник.

Техническим результатом изобретения является создание вакуум-выпарного аппарата с повышенной эффективностью использования вторичного пара при одновременном снижении гидравлического сопротивления по пару и, тем самым, исключения тепловых потерь. Размещение внутри вакуумной камеры под крышкой в зоне сепарации пара эжектора циркуляционного контура воды позволяет резко снизить гидравлическое сопротивление по вторичному пару, a значит и снизить затраты энергии на транспорт пара в зону конденсации, которая осуществляется непосредственно на водяной струе эжектора. При конденсации вторичного пара выделяется скрытая теплота парообразования, идущая на нагревание циркулирующей воды. Для использования этой теплоты необходимо воду в баке подогреть до определенной величины. Подогретую воду прокачивают через рекуператор, где тепло передается (скрытая теплота парообразования и часть затраченной теплоты от внешнего источника) сгущенному продукту. Для увеличения площади испарения водной составляющей внутри вакуумной камеры внешний контур с принудительной циркуляцией сгущенного продукта снабжен разбрызгивающим устройством направленного действия. В качестве такого устройства могут быть:
распылительная форсунка;
вращающийся диск;
капельный или струйный душ.

Мелкодисперсные капли сгущаемого продукта получаемые с помощью таких устройств позволяют резко увеличить поверхность испарения в маленьком объеме камеры. Разбрызгивающее устройство направляет капли в сторону днища. Это в свою очередь позволяет отделять пар от жидкости. Кроме этого, между разбрызгивающим устройством и эжектором установлен каплеотбойник, выполненный, например, в виде диска или конуса, что увеличивает высокую вероятность исключения уноса капель в зону эжектора и, тем самым, позволяет повысить КПД вакуум-выпарной установки. Для компенсации тепловых потерь и одновременно создания компактной вакуум-выпарной установки на циркуляционном контуре сгущенного продукта после рекуператора по ходу движения сгущенного продукта установлен реверсивный теплообменник.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана принципиальная конструктивная схема вакуум-выпарного аппарата.

Вакуум-выпарной аппарат содержит: вакуумную камеру 1; эжектор 2; насос для циркуляции воды 3; бак для воды 4; крышку 5 вакуумной камеры; циркуляционный контур воды 6; вакуумную систему 7; реверсивный теплообменник 8; внешний контур с принудительной циркуляцией сгущенного продукта 9; рекуператор 10; реверсивный теплообменник 11 на контуре сгущенного продукта; разбрызгивающее устройство 12; каплеотбойник 13; вход 14 исходного продукта для сгущения; слив 15 сгущенного исходного продукта; трехходовой кран 16 для загрузки исходного сырья; трехходовой кран 17 для выгрузки сгущенного продукта; А уровень исходного продукта, залитого в вакуумную камеру 1; Б - уровень сгущенного продукта в вакуумной камере после проведения процесса сгущения.

Вакуум-выпарной аппарат работает следующим образом. Вакуумную камеру 1 заполняют исходным сырьем, например, обезжиренным молоком до уровня А. Для заполнения исходным сырьем открывают трехходовой кран 16 и через днище заполняют камеру. В работу включают вакуумную систему 7, состоящую из вакуум-насоса, ресивер. В баке для воды 4 создают разряжение и одновременно в вакуумной камере 1. Достигнув определенного вакуума в баке 4 и камере 1 в работу включают циркуляционный контур воды 6. Через эжектор 2, входящий в циркуляционный контур 6 прокачивают воду. В эжекторе 2 на водяной струе происходит конденсация паров воды, которые образовались при создании разряжения в вакуумной камере 1. Выделившееся при конденсации паров тепло нагревает циркуляционную воду, поступающую в бак 4. Затем в работу включают внешний контур с принудительной циркуляцией сгущенного продукта 9. Сгущаемый продукт с помощью насоса прокачивают через рекуператор 10, где происходит передача тепла от циркулирующей воды из бака 4. Подогретый продукт с помощью разбрызгивающего устройства 12 превращаются в капли определенной величины, которые разбрызгиваются в вакуумированное пространство камеры 1. В результате дробления струи на капли происходит резкое увеличение площади испарения водной составляющей из капли. При этом образуется пар с определенной температурой, устремляющийся под крышку 5 вакуумной камеры 1, и охлажденная капля сгущенного продукта, которая падает на зеркало исходного продукта. Для вывода вакуум-выпарного аппарата на номинальные параметры работы (температура, производительность) в работу дополнительно включают реверсивный теплообменник 8, который в режиме испарения дополнительно подогревает воду в баке 4, а также включают дополнительно (если это нужно по технологическому регламенту) реверсивный теплообменник 11 для увеличения температуры сгущаемого продукты. Образующиеся в процессе выпаривания неконденсирующиеся газы (воздух) удаляются из вакуумной камеры 1 с помощью эжектора 2 и далее из бака 4 с помощью вакуумной системы 7. В результате интенсификации процесса испарения водной составляющей из капли происходит унос вместе с паром и капель, то недопустимо. Для устранения уноса капель с паровой составляющей между эжектором 2 и разбрызгивающим устройством 12 установлен каплеотбойник 13. В процессе работы водная составляющая удаляется из сгущаемого продукта, при этом уровень сгущаемого продукта понижается в вакуумной камере 1 до отметки Б, что свидетельствует об окончании процесса сгущения, а водная составляющая собирается в баке 4 и часть воды удаляется из циркуляционного контура воды 6. Полученный сгущенный продукт необходимо охладить для надежного хранения. Для этого реверсивный теплообменник переключают на хладоагент, который охлаждает воду в баке 4. Охлажденная вода отбирает тепло в рекуператоре от сгущенного продукта и дополнительно в работу может быть включен теплообменник 11 с хладоагентом. Кроме этого, часть тепла отбирается при разбрызгивании в камере. Для слива сгущенного продукта вакуумную камеру 1 разгерметизовывают. Трехходовой кран 17 переводят в положение "слив продукта" и по тракту 15 сливают готовый продукт.

Пример конкретного конструктивного выполнения вакуум-выпарного аппарата. Предназначен для выпаривания влаги, содержащейся в молоке или продуктах переработки молока (обрат, пахта, сыворотка). Выпаривание водной составляющей из молока производится за счет впрыска в вакуум и последующего дробления на капли молока. Нагрев впрыскиваемого молока осуществляется за счет рекуперации тепла водной составляющей и дополнительного нагрева. Вакуум-выпарной аппарат позволяет получать сгущенные молочные продукты с сахаром и без сахара.

Техническая характеристика
производительность по выпаренной влаге, кг/ч 100
рабочее разряжение в вакуумной камере, МПа (мм рт.ст.) 0,01(76)
давление греющего пара, МПа (кГс/см) 0,01+0,-7(0,1+0,7)
расход греющего пара, кг/час 50.80
температура греющего пара, С 100
расход воды в эжекторе, кг/ч до 6000
максимальная температура воды охлаждения на входе в эжектор, С 20
полный объем вакуумной камеры, л 200
а) диаметр вакуумной камеры, мм 400
б) высота, мм 1600
в) загружаемый объем молока, л 150
полный объем бака для воды, л 150
а) диаметр бака, мм 400
б) высота бака, мм 1200
тип вакуумного насоса 3НВР-5
рекуператор типа "труба в трубе"
а) площадь рекуперации, м 2
режим работы периодический
габариты установки:
а) длина, мм 2000
б) ширина, мм 1500
в) высота, мм 1800
установленная мощность насосов, кВт ≈2,4
потребляемая мощность насосов, кВт <1,7
обслуживание один оператор
Итак, рассмотрим экономию тепла в данном вакуум-выпарном аппарате. Известно, что производительность установки составляет 100 кг/ч испаренной влаги. Количество тепла в этом случае будет составлять [4]
Q 560ккал/кг•100кг/ч 56000 ккал/ч
или:
Q 56000 / 860 65 кВт/ч
Как видно 65 кВт в час это дополнительная энергия для подоргева. Если ее не усчитывать, т.е. исключить процесс рекуперации, то для испарения водной составляющей нужно увеличить мощность на величину Q основных нагревателей сгущаемого продукта.

ЛИТЕРАТУРА
1. А.Г.Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. Издательство "Химия", Москва, 1971 г.

2. А. Н.Плановский, П.И.Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. Издательство "Химия", Москва, 1972 г.

3. В.В.Старцев, Ю.А.Никифоров. Вакуум-выпарной аппарат для сгущения молочных продуктов. А.С.СССР N 1. 766.237, А 23 C 1/00, заявл. 28.01.91 г. опубл. 30.09.92 г. Бюл. N 36.

4. д. Рей, Д.Макмайкл. Тепловые насосы. Перевод с английского д-ра технических наук Е.И.Янтовского, Москва, Энергоиздат, 1982 г.