Изменение свойств раствора при выпаривании

В процессе выпаривания увеличивается концентрация твердых веществ в растворе, что приводит к изменению его теплофизических свойств. Нa (рис.2.1 а) показано их изменение в процессе выпаривания при увеличении концентрации от начальной СВ_н до конечной СВ_к за время t при постоянном давлении пара над кипящим раствором

По мере сгущения раствора его концентрация ассимптотически приближается к теоретическому пределу СВ_теор=100%.

При достижении концентрации пересыщения СВ_п в кристаллизующихся растворах начинается выпадение избытка растворенного вещества в осадок и при дальнейшем выпаривании происходит рост массового содержания кристаллов в растворе К_р. Концентрация пересыщения СВ_п служит границей между областями ненасыщенных растворов I (для сгущения которых используются обычно выпарные аппараты) и пересыщенных кристаллизующихся растворов II (здесь применяются вакуумные аппараты).

Концентрация пересыщения СВ_п может изменяться в пределах заштрихованной площади в зависимости от конкретных условий (температуры, требуемой степени пересыщения и т.д.). В области пересыщения кривая концентрации расслаивается. Верхняя ее часть относится ко всей увариваемой массе, включая кристаллы, а нижняя показывает концентрацию твердого вещества в маточном растворе.

Из (рис.2.1 б) следует, что температура кипения раствора t_р увеличивается вследствие повышения значения физико-химической депрессии Δф (разность между температурами кипения раствора и растворителя). При этом значение t_р больше температуры вторичного пара t_вт, находящегося над раствором, на величину Δф.

Общая кривая вязкости ν раздваивается: верхняя характеризует эффективную вязкость всей суспензии, а нижняя - маточного раствора ν_м. В целом по мере роста концентрации, плотности и вязкости раствора уменьшаются его температуропроводность и теплоемкость. Это приводит к увеличению величины критерия Прандтля Pr = ν/a и, как следствие, ухудшению условий теплоотдачи от поверхности нагрева к кипящему раствору (уменьшается значение коэффициента теплоотдачи α₂).

В заключение отметим, что при выпаривании некристаллизующихся растворов (паточная барда) - область II на рис.2.1.б, отсутствует, и кривые концентрации и вязкости не раздваиваются.

Методы выпаривания

В пищевых отраслях широко используют однократное выпаривание, осуществляемое периодически или непрерывно в однокорпусных выпарных аппаратах, и многократное, проводимое непрерывно в многокорпусных выпарных установках, составленных из нескольких однокорпусных аппаратов.

Однокорпусная выпарная установка (рис.2.2) предназначена для однократного непрерывного выпаривания и применяется в малотоннажных производствах. Образующийся при выпаривании вторичный пар в этих установках не используется, а конденсируется в конденсаторе. Основные аппараты установки – выпарной аппарат, подогреватель, барометрический конденсатор и насосы.

Выпарной аппарат (рис.2.3) состоит из греющей камеры 1, пространство которой ограничено стенками аппарата 2 межтрубными решетками 6 и 7. В пространство греющей камеры подается насыщенный водяной пар, а конденсат отводится из ее нижней части. Выпариваемый раствор, поднимаясь снизу вверх по кипятильным трубкам 5, нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Часть жидкости опускается по центральной трубе 4 в нижнюю часть греющей камеры и направляется в кипятильные трубки. Таким образом происходит непрерывная цирку­ляция по замкнутому контуру вследствие разности плотностей раствора в центральной трубе и парожидкостной эмульсии в кипятильных трубках. Упаренный раствор удаляется через патрубок, расположенный в днище 8 аппарата.

Свежий раствор подаётся над верхней или нижней трубной решеткой. Вторичный пар заполняет надрастворный объем, откуда отводится через ловушки сепаратора 3, задерживающие брызги и капельки жидкости, через верхний патрубок в конденсатор.

В однокорпусной выпарной установке расход греющего пара составляет более I кг на I кг испаренной воды. Экономичность процесса может быть повышена только за счет рационального использования вторичного пара, как это происходит, например, в многокорпусных выпарных установках.

Многокорпусная выпарная установка(рис.2.4) состоит из нескольких последовательно соединенных однокорпусных выпарных аппаратов. Ее принцип действия заключается в многократном использовании тепла греющего пара, поступающего в первый корпус, для обогрева последующих. При этом в качестве греющего пара последующего корпуса используется вторичный пар предыдущего.

Исходный раствор, предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в I корпус, обогреваемый первичным паром. Вторичный пар, образующийся в I корпусе, направляется в качестве греющего во второй. Здесь давление более низкое. Поэтому раствор, упаренный в I корпусе, перемещается во второй самотеком. Пониженное давление обуславливает и более низкую температуру кипения раствора во II корпусе. Поэтому раствор, пришедший из Iкорпуса, частично охлаждается до температуры кипения во втором. При этом выделяется тепло, приводящее к образованию дополнительного количества вторичного пара. Это явление называется самоиспарением раствора и происходит во всех корпусах, кроме первого. Аналогичная картина происходит в III корпусе.

Вторичный пар из последнего корпуса поступает в барометрический конденсатор, где за счет его конденсации, создается требуемое разрежение. Несконденсировавшиеся газы и воздух отсасываются вакуум-насосом.

Преимущества данной схемы:

1. Движение раствора самотеком из корпуса в корпус за счет разности давлений;

2. Возможность выпаривания термически нестойких растворов, т.к. в последнем корпусе наиболее упаренный раствор находится в зоне наименьших температур.

Недостаток прямоточной схемы заключается в более низком среднем коэффициенте теплопередачи, по сравнению с противоточными установками Это объясняется тем, что от корпуса к корпусу увеличивается концентрация раствора и уменьшается его давление, что и снижает коэффициенты теплоотдачи.

В многокорпусную установку раствор может поступать противотоком. В этом случае схема движения пара осуществляется как при прямотоке, но исходный раствор поступает в последний корпус, а в концентрированном виде выходит из первого. Таким образом, выпариваемый раствор перемещается противотоком по отношению к вторичному пару. Его движение обеспечивается с помощью центробежных насосов, т.к. давление от последнего корпуса к первому постепенно возрастает. При противоточной схеме самоиспарение отсутствует. Обычно ее используют для выпаривания растворов до высоких конечных концентраций, когда в I корпусе возможно выпадение твердого вещества или вязкость раствора резко возрастает с увеличением его концентрации. Достоинством противоточных установок является более высокий средний по установке коэффициент теплопередачи, а ее серьезным недостатком - необходимость перекачивания выпариваемого раствора, что связано со значительными эксплуатационными расходами. В заключение отметим, что если расход греющего насыщенного водяного пара для однокорпусной установки составляет более 1 кг на 1 кг выпаренной воды, то для двухкорпусных установок он меньше в два, а для трехкорпусных в три раза.