Аппарат для концентрирования соков и экстрактов в вакууме

А. А. Емельянов, В.В. Долженков, К. А. Емельянов
Орловский государственный технический университет

Малогабаритная вакуумная выпарная установка предложена в [1]. Установка, использующая электрический нагрев, включает узел выпаривания с водяной рубашкой, кожухотрубчатый конденсатор, эжектор и приемную емкость. Однако данная установка предназначена только для концентрирования реологических жидкостей и обладает невысокой производительностью.

С целью повышения производительности при концентрировании и осуществления сушки реологических жидкостей разработан вакуумный дистиллятор [2] и исследованы режимы его работы.

Блок схема дистиллятора приведена на рис. 1.

Вакуумный дистиллятор включает испаритель 1 рабочим объемом 40 л, соединенный паропроводом 2 с горизонтальным кожухотрубчатым конденсатором 3. Паропровод содержит шесть параллельно включенных вакуумных шлангов длиной 750 мм с проходным диаметром 10 мм. Горизонтальный конденсатор, предназначенный для конденсации пара, оснащен камерами сбора пара 4 и конденсата 5 и подсоединен трубопроводом 6 к вертикальному конденсатору 7. Вертикальный конденсатор осуществляет охлаждение конденсата и соединен со сборником конденсата 8. Сборник конденсата подсоединен через вентиль 9 к форвакуумному насосу 10, обеспечивающему разрежение (6 – 10) Па. Камера испарителя оснащена окнами 11 для наблюдения за кипением выпариваемой жидкости. При сушке в камеру испарителя, помимо высушиваемого материала, загружают рабочие тела 12 в виде шаров из нержавеющей стали диаметром 25-50 мм. В рубашке испарителя установлено шесть трубчатых электронагревателей 13 мощностью 2,2 кВт каждый. Испаритель помещен в ячейку 14 с двумя осями вращения. С помощью рукоятки 15 изменяется положение оси симметрии ячейки. Привод 16 обеспечивает колебательное вращение ячейки на пол-оборота относительно оси симметрии и осуществляет перемешивание материала при сушке. Терморегулятор 17 позволяет поддерживать на заданном уровне температуру рабочей жидкости в рубашке испарителя. В дистилляторе использовано водяное охлаждение вертикального и горизонтального конденсаторов.

Учитывая, что производительность дистиллятора определяется температурами горячего (испаритель) и холодного (конденсатор) источников, измерены температуры   пара в испарителе, а также охлаждающей жидкости   в конденсаторе. Одновременно с температурами   и   измерялся объем   выпаренной влаги, рассчитывалась производительность установки и строилась кривая скорости дистилляции  .

Температурные зависимости и кривая скорости дистилляции представлены на рис. 2.

Из кривых   и   следует, что через время запаздывания   , характеризующее инерционность процессов нагрева, испарения, конденсации и движения пара и конденсата, в приемник начинает поступать дистиллят. Со временем температура в испарителе и скорость дистилляции растут, достигая за время разгона   максимального установившегося значения. В установившемся режиме температура в испарителе задана температурой кипения выпариваемой жидкости   и определяет давление p1 насыщенного пара. Остаточное давление в горизонтальном конденсаторе  Па задается форвакуумным насосом и существенно ниже давления p1 в испарителе. Перепад давлений между испарителем и горизонтальным конденсатором, определяющий интенсивность дистилляции, практически равен давлению в испарителе  .

Режимы работы дистиллятора исследованы на водопроводной воде. Объем загружаемой в испаритель воды составлял  л. При подведенной к испарителю мощности  кВт время запаздывания  мин составляло третью часть от времени разгона  мин (Рис. 2). В установившемся режиме дистилляция происходила при температуре  , когда давление насыщенного пара  кПа [3] на три порядка величины превосходило остаточное давление  Па в системе. Перепад температур в дистилляторе составлял  .

Неравновесные термодинамические условия дистилляции, обеспечивая испарение и конденсацию влаги, создавали перепад давлений  кПа между испарителем и конденсатором. Перепад давлений   определяет производительность дистиллятора, которая в установившемся режиме составила  л/час. Скорость дистилляции, приведенная к единице объема загруженной в испаритель воды, составила   %∙час-1. Удельная производительность, отнесенная к подведенной к испарителю мощности, оказалась равной  %∙(кВт∙час)-1.

Регулируя подведенную мощность, было получено семейство кривых   (Рис.3).

Из кривых   следует, что с ростом подведенной мощности уменьшаются времена запаздывания и разгона процесса дистилляции. В установившемся режиме скорость дистилляции возрастает с подведенной мощностью от 10 %∙час-1 при  кВт до 60 %∙час-1 при  кВт.

Зависимости временных характеристик и температуры кипения от подведенной мощности приведены на рис. 4.

Из кривых  ,   и   следует, что с увеличением мощности времена запаздывания (кривая 1) и разгона (2) процесса дистилляции уменьшаются, однако при этом наблюдается двукратный рост температуры кипения (3) от 32 ○С при  кВт до 59 ○С при  кВт.

На рис. 5 представлены зависимости удельной скорости дистилляции от температуры в испарителе при разных значениях мощности нагрева.

При   зависимости   характеризуют изменение производительности с температурой за время разгона процесса от начальных до конечных установившихся значений. Как следует из кривых  , начальная температура процесса Тн не зависит от мощности нагрева, определяется остаточным давлением в испарителе и составляет  ○С. По результатам измерения температуры с помощью известных термодинамических свойств воды и водяного пара [3] определено давление в испарителе. Начальное давление насыщенного пара составляло  кПа. Начальная производительность wн зависит от подведенной мощности и при ее шестикратном увеличении от 2,2 кВт до 13,2 кВт возрастала в 4,75 раза от      %∙час-1 до  %∙час-1.

В отличие от начальной, конечная температура, соответствующая установившемуся процессу удаления влаги, существенно зависит от мощности нагрева и изменяется в 1,8 раза от 32 ○С до 59 ○С при шестикратном изменении мощности от 2,2 кВт до 13,2 кВт. Превышение мощностью нагрева некоторого критического значения ( кВт) сопровождалось выходом кривых в область насыщения, причем ширина участка насыщения возрастала с увеличением мощности (кривые 4 – 6). Наличие участков насыщения кривых   указывает на то, что производительность установки ограничена пропускной способностью участка паропровод – горизонтальный конденсатор.

Пропускная способность паропровода оказывает существенное влияние на температуру и давление насыщенного пара в испарителе. Пропускную способность паропровода изменяли, перекрывая часть шлангов. Зависимости температуры и давления насыщенного пара от числа шлангов паропровода при неизменной мощности нагрева  кВт приведены на рис. 6.

Из кривых T(n) и p(n) следует, что с уменьшением пропускной способности паропровода температура и давление в камере испарителя повышаются. При шестикратном уменьшении числа шлангов температура кипения повышалась на 56 % от 37 ○С до  58 ○С, а давление – в 2,6 раза от   6,5 кПа до 17,2 кПа. В установившемся режиме производительность дистиллятора не зависит от числа шлангов паропровода и составляла  %∙час-1. Следовательно, участки насыщения кривых   можно объяснить ограниченной пропускной способностью горизонтального конденсатора.

В установившемся режиме производительность дистиллятора определяется мощностью нагрева. Как следует из рис. 5, при шестикратном увеличении мощности от 2,2 кВт до 13,2 кВт производительность также возрастает в шесть раз от 10 %∙час-1 до 60 %∙час-1. Однако производительность изменяется с мощностью немонотонно. Для сравнения эффективности установившихся режимов дистилляции из кривых   рассчитана удельная производительность  , отнесенная к единице подведенной мощности, и построена зависимость от мощности нагрева. Удельная производительность дистиллятора как функция мощности нагрева представлена  на рис. 7.

Из кривой   следует, что при 6-кратном изменении мощности удельная производительность, изменяясь, достигает максимума   при  кВт. Увеличение мощности нагрева от 2,2 кВт до   8 кВт сопровождается ростом производительности от   до   за счет более эффективного использования подведенной мощности, когда потери в окружающую среду малы. Дальнейшее увеличение мощности нагрева от 8 кВт до 13,2 кВт приводит к снижению удельной производительности на 11 % за счет возрастающих потерь в окружающую среду.

Таким образом, разработан вакуумный дистиллятор, предназначенный для концентрирования и сушки реологических жидкостей. Исследованы температурные режимы и производительность при дистилляции воды. Показано, что при изменении подведенной мощности в диапазоне  кВт производительность дистиллятора изменяется в шесть раз  %∙час-1. Шестикратное увеличение мощности уменьшает времена запаздывания  мин и разгона  мин процесса дистилляции, повышая температуру испарения  ○С. Обнаружены участки насыщения кривых  , указывающие на ограничение производительности дистиллятора. Установлено наличие оптимального режима дистилляции, обеспечивающего максимальную удельную производительность  %∙(кВт∙час)-1. Вакуумный дистиллятор может быть использован при концентрировании и сушке реологических жидкостей.

Литература
1.    Мерцалов Л.А., Гараев Р.А.,  Афонин Ю.Г. Патент 2106889 РФ // 1998.  БИ. N8. С. 329.
2.    Емельянов А.А., Емельянов К.А., Морозов Я.А. Патент 2276314 РФ // 2006. БИ. N13. С. 994.
3.    Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. – М.: Энергия, 1980.
4.    Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1971.

Статья опубликована в журнале "Приборы и техника эксперимента", 2008, N 5, С. 1-4