Явища, супроводжуючі випарювання розчинів

В процесі випарювання розчинів можливі утворення накипу на поверхні труб, піноутворення і бризовіднесення.

За сучасними уявленнями процес утворення накипу підкоряється загальним законам кристалізації з розчинів, що містять силікати Са і Mg і сульфат Са. При температурі вище 70ºС розчинність цих солей в розчині значно знижується і вони виділяються у вигляді кристалів на поверхні теплообміну, а потім до осаду, що утворився, прикипають зважені частки, що містяться в розчині.

В умовах утворення накипу інтенсивність випарювання значно зменшується, що частенько вимагає зупинки апарату на чищення. Термічний опір накипу залежить від складу речовин, що відкладаються на поверхні нагріву, структури і пористості накипу, а кількість її, – від швидкості циркуляції розчину і інших чинників.

При цьому продуктивність установки знижується і може залишитися колишньою лише за умови, коли є можливість підвищувати різницю температур між гріючою парою і киплячим соком.

Одним із способів зменшення кількості накипу, що відкладається на трубах, являється підвищення швидкості циркуляції соку. Для апарату з природною циркуляцією її можна підвищити до 0,6...0,8 м/с, а для апаратів з примусовою циркуляцією – до 2,0...2,5 м/с. При такій швидкості циркуляції створюються умови для винесення зони кипіння за межі кип'ятильної труби, і, як встановлено дослідами, саме відсутність кипіння рідини в трубах грає головну роль в значному (до 50 %) зниженні утворення накипу. Збільшити швидкість циркуляції в апаратах з природною циркуляцією можна підвищенням рівня випаровуваного соку до повної висоти кип'ятильних труб замість існуючих режимів, при яких рівень соку в апараті складає від 30 до 60 % від висоти кип'ятильної труби. Підвищення рівня соку і зниження інтенсивності утворення накипу дещо покращує теплопередачу і збільшує період роботи установки до зупинки на чищення приблизно на 60...70 % в порівнянні з роботою в звичайному режимі.

Інша причина утворення накипу пояснюється термічним розкладанням гідрокарбонатів з утворенням карбонатів.

Зниженню накипеобразования в теплообмінниках і випарних апаратах сприяє попереднє зм'якшування розчинів за допомогою катіоніту КУ-2, електромагнітна і ультразвукова обробка розчинів і проведення процесів під вакуумом, коли температура кипіння розчинів нижче 70°С.

Для відвертання відкладення солей на робочих поверхнях теплообмінників, що охолоджуються водою з підвищеною жорсткістю, рекомендують у воду, що поступає в теплообмінник, щодоби впродовж 6...8 ч вводити вуглекислий газ під тиском 0,25...0,3 МПа з розрахунку 30...40 мг/м³. Такий зміст СО₂ у воді запобігає кристалізації солей на поверхнях теплообміну.

Простір сепарації випарного апарату повинен забезпечити досить повне відділення вторинної пари від крапельок згущуваного розчину щоб уникнути втрат продукту і забруднення їм вторинної пари, що поступає в подальший корпус. Вологість вторинної пари залежить від величини дзеркала випару, об'єму і висоти простору сепарації і фізико-хімічних властивостей згущуваного розчину. Дослідами встановлено, що висока в'язкість і низьке поверхневе натягнення розчину сприяє щедрому піноутворенню, а отже, і брызгоуносу, тоді як розчини з відносно малою в'язкістю і високим поверхневим натягненням не утворюють стійкої піни.

Механізм брызгоуноса можна пояснити таким чином. В процесі випарювання пара, що проходить з великою швидкістю через шар рідини, захоплює за собою в простір сепарації її краплі різної величини. Великі краплі, що мають велику масу, при невеликій напрузі простору (визначуваних кількістю вторинної пари в м³/ч, простору сепарації, що доводиться на 1 м³) сепарації, коли підйомна сила парового потоку нікчемно мала, можуть за рахунок початкової кінетичної енергії пари піднятися в простір сепарації відносно високо і збільшити тим самим брызгоунос, тоді як дрібні краплі втрачають свою енергію навіть на невеликій висоті. З підвищенням напруги простору сепарації збільшується підйомна сила пари і віднесення рідини, причому чим менше розміру краплі і чим більше швидкості і щільність пари, тим більше висоти підйому краплі за рахунок дії парового потоку. Коли швидкість пари більше швидкості витання краплі, остання рухається вгору і відноситься при будь-якій висоті парового простору, тому зменшення швидкості пари (збільшення тривалості перебування його в просторі сепарації) зменшує розмір крапель, які можуть бути понесені.

Швидкість витання краплі w (в м/с) можна визначити по формулі

 

w = √ 4g d _К (ρ _к – ρ _п) / (3 ξ ρ _п)

 

де d _К – діаметр краплі, мм;

ρ _к і ρ _п – щільність краплі й пари, кг/м³;

ξ – коефіцієнт опору, рівний 0,44 при Re > 500.

Після підстановки прийнятих значень величин g і ξ наведена вище формула прийме вид

w = 5,45 √ d _К (ρ _к – ρ _п) / ρ _п (4.45)

 

Необхідний об'єм простору сепарації V _П (в м³), що забезпечує одержання сухої вторинної пари, визначають по формулі

 

V _П = W v / σ _П (4.46)

 

де W – кількість води, випареної в корпусі, кг/с;

v – питомий обсяг вторинної пари при робочому тиску в апарату, м³/кг;

σ _П – гранична об'ємна напруга простору сепарації, отримання сухої пари, що забезпечує, м³/(м³·с).

Для згущуваних харчових середовищ з помірним піноутворенням приймають σ _П = 0,36...0,42 м³/(м³·с), при цьому меншого значення σ _П набувають для корпусів, працюючих під вакуумом, а більше – для корпусів, працюючих під надмірним тиском.

Знаючи об'єм простору сепарації і прийнявши діаметр його рівним діаметру корпусу апарату, знаходять висоту його Н _П (в м)

 

Н _П = 4 V _П / (π D ²) (4.47)

 

При згущуванні непінистих рідин висоту простору сепарації зазвичай приймають близько 1,5 м і збільшують її до 3...4 м для пінистих рідин. Таким чином, правильний вибір розмірів простору сепарації повинен забезпечити відвертання віднесення часток рідини з апарату.

В якості додаткового пристрою для отримання практично сухої пари застосовують брызгоотделители установка яких особливо доцільна при форсованій роботі апарату. Брызгоотделители, змонтовані в корпусі випарного апарату або винесені за межі його, бувають трьох типів: інерційні, відцентрові і поверхневі.