• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Передмова

На харчових виробництвах чисельні технологічні процеси супровод­жу­ються підведенням і відведенням теплоти, тому досить широке застосування знаходять різноманітні теплообмінні апарати. Для збільшення потужності харчо­вих підприємств теплообмінні апарати повинні бути ефективними, компактними, мати невелику металоємність і не виявляти негативний вплив на якість про­дуктів, що обробляються.

Інтенсифікація теплообміну в багатьох випадках сприяє вирішенню озна­чених задач, що дає можливість збільшити продуктивність цих апаратів, змен­шити їхні розміри і металоємність, скоротити виробничі площі і розміри промис­лових будівель. Це приводить до зменшення експлуатаційних витрат, збільшення продуктивності праці на одного робітника і зростання фондовіддачі.

У більшості випадків інтенсифікація теплообміну супроводжується також скороченням витрат енергії, що дасть можливість використовувати для реалізації процесу теплоносіїв більш низького потенціалу; скорочення часу перебування харчових продуктів в зоні нагрівання, що призводить до зниження втрати продуктів, зберігання вітамінів і цінних летких речовин; зниження утворення накипу та стабілізацію температурного режиму роботи апаратів, що покращує якість технологічної обробки продуктів і тепловикористання.

Залежно від призначення серед теплообмінних процесів можна відзна­чити випарювання, конденсацію, низькотемпературну обробку, підігріван­ня, блан­ширування, жаріння та варіння, високочастотну та індуктивну обробку, обпалю­вання, шпарення та інші, рушійною силою при реалізації яких є наявність у технологічній системі різниці температур.

Лабораторна робота № 1 Загальна характеристика теплообмінних процесів та апаратів

1.1 Основи теплообміну та використання його в процесах переробки сільськогосподарської продукції

Теплообміном можна назвати незворотній самовільний процес перенесення теплоти при наявності в технологічному середовищі різниці температур. Можна відзначити такі основні способи перенесення теплоти: кондуктивний, коли передача теплоти здійснюється через спеціальну поверхню нагрівання; конвек­тив­ний, що реалізується внаслідок руху через масу продукції спеціального тепло­агента; індуктивний, який здійснюється за рахунок дії на продукцію електро­магнітних коливань високої та надвисокої частоти; радіаційний, коли поверхня продукції оброб­ляється в результаті дії інфрачервоних променів. У процесах вико­ристовується комбінований теплообмін, який передбачає сумісне перене­сення теп­ло­ти різними способами (конвективно-кондуктивний, конвек­тивно-радіаційний тощо).

Серед теплоагентів або теплоносіїв, що використовуються для перенесення теп­лоти в переробних апаратах, можна відзначити за структурою однофазне та багато­фазне середовище, за агрегатним станом – газоподібне, рідке та сипуче.

Залежно від технологічного призначення серед теплових процесів у пере­робній галузі сільськогосподарського виробництва виділяють процеси нагрі­вання та охолодження продукції, випарювання, конденсації, підігрівання, бланширування та інші.

1.2 Характеристика основних способів теплообміну

1.2.1 Особливості процесу кондуктивного теплообміну

Кондуктивний теплообмін відбувається при передачі теплоти від нагрітої по­верхні до матеріалу продукції. Нагрівання контактної поверхні здійснюється під дією електромагнітного поля або конвективним способом при використанні в якості теплоносія повітря, води або пари.

1.2.2 Особливості процесу радіаційного теплообміну

Радіаційний теплообмін являє собою обмін променевою енергією між ті­лами, що становить комплексний прояв процесів проходження через речовину, поглинання та відбиття. При цьому променеву енергію становить енергія електромагнітних коливань з різною довжиною хвилі (від долів мікрона до багатьох кілометрів), що відомі як рентгенівські, ультрафіо­летові, світлові, інфра­червоні промені, електромагнітні хвилі (зокрема, високої та надвисокої частоти).

Променева енергія, що потрапляє на поверхню тіла, частково поглинається, тобто переходить в теплоту, частково відбивається та частково проходить через тіло.

1.2.3 Особливості процесу конвективного теплообміну

За особливостями здійснення конвективного теплообміну можна відзначити теплообмін у разі вільного та вимушеного руху теплоносія. При вільній конвекції процес теплопередачі здійснюється за рахунок внутрішніх сил, що виникають внас­лідок різної щільності часток теплоагента, які мають різну температуру. Виму­шений рух тепло­аген­та відбувається в результаті дії спеціальних механізмів (насоса, вентилятора тощо).

У тепловій апаратурі переробного сільськогосподарського виробництва най­більш поширені такі способи теплообміну:

– конвективний теплообмін в однофазному середовищі при вільному русі ріди­ни в певному об’ємі, при вимушеному переміщенні рідини всередині або зовні трубопроводу;

– теплообмін при фазових перетвореннях у разі конденсації парів на зовнішніх поверхнях трубопроводів або у разі кипіння рідин всередині робочої ємності.

1.3 Особливості процесу теплообміну в апаратах для нагрівання та охолодження продукції

За особливостями реалізації технологічного процесу нагрівання (охолод­жен­ня) можна відзначити теплообмін у сорочкових, кожухотрубних та заглибних апа­ратах, що реалізується в умовах без зовнішнього масообміну або із зовнішньою дифузією.

У сорочкових теплообмінниках теплоагент (холодоагент) розташовується в спе­ціаль­них замкнених оболонках – сорочках та переміщується в ній або самовільно, або примусово за допомогою спеціальної мішалки. Теплообмін при цьому здійснюється завдяки конвекції та теплопровідності.

У кожухотрубних апаратах теплообмін відбувається в трубному та між­трубному просторах. У трубному просторі тепловіддача здійснюється примусово в ламі­нарному або турбулентному режимах. У міжтрубному режимі при паро­вому обігрі­ванні має місце конденсація на вертикальній поверхні або із-зовні горизон­тальних труб. У разі рідинного обігрівання або охолодження просте­жу­ється поздовжнє, поперечне або змішане обтікання теплоносієм (холодо­агентом) пучка труб (залежно від системи міжтрубних перетинок).

У заглибних теплообмінниках всередині труб при паровому обігріванні має міс­це конденсація, а при використанні рідинного робочого середовища – примусовий рух теплоносія (холодоагента) в різних режимах тепловіддачі з можливими різкими поворотами потоку (в апаратах зі змійовиком). Усередині труб відбувається або вільна конвекція, або примусовий рух теплоагента (холо­доагента) під дією мішалок.

Низка переробних процесів здійснюється в апаратах без поверхні тепло­від­дачі, що розділяє середовища, які приймають участь у теплообміні. При цьому процеси тепломасоперенесення відбуваються під час безпосереднього контакту теплоносія (холодоагента) та маси продукції. До числа процесів такої контактної обробки можна віднести стерилізацію консервів, нагрівання фаршу, що перемі­щується в трубі (процеси без зовнішнього масообміну); обжарювання, вар­ку, копчення харчової продукції, шпарку, опалювання туш тваринницької продукції, охолодження жирової сировини (процеси із зовнішнім масообміном) тощо.

При реалізації процесу нагрівання продукції використовується паровий або рідинний теплоносій. При паровому обігріванні найбільш розповсюджені насичена або перегріта водяна пара. У змішувальних апаратах пара, як пра­вило, барботується в рідину, а в поверхневих – пара конденсується на поверхні на­грі­­вання та конденсат видаляється окремо від продукта за допомогою спе­ціальних пристроїв. Останній спосіб не допускає контакту теплоносія з про­дук­том, характеризується легкістю транспортування та регулювання параметрів робочого режиму, високою інтен­сивністю тепловіддачі. При цьому можливе кількаразове використання пари, коли вода, що випаровується з продукції, спрямовується у вигляді гріючої пари в інші теплообмінні апарати.

1.4 Особливості процесу штучного охолодження продукції

Охолодження – це процес відведення теплоти від тіл та передачі її іншим тілам або в навколишнє середовище. При цьому теплоту, відведену від тіла в про­цесі штучного охолодження, називають холодом. Для реалізації цього техно­ло­гіч­ного процесу ви­ко­ристовують помірно-низькі температури (Т = 273…120 К), криогенні (Т = 120…0,5 К) та наднизькі (Т = 0,5…0 К). При цьо­му чим нижча температура, тим більші витрати енергії та матеріалів необ­хідні для отримання холоду.

Речовина, що використовується для передачі теплоти від об’єкта, який охо­лод­жується, до робочого тіла (тобто холодоагента), називається холодоносієм. В якості останнього застосовуються здебільшого рідини, що мають низькі температури твер­діння. Так, наприклад, водний розчин пропіленгліколя, що слугує для безпосереднього замо­рожування харчових продуктів, не володіє запахом, не викликає корозію металів та має температуру твердіння - 5…-52 °С залежно від концентрації пропі­ленг­ліко­ля; розчин NaCl використовується до температури - 16 °С, розчин етиленгліколя (HOCH₂CH₂OH) - до – 65 °С, розчин CaCl₂ - до - 50 °С, розчин фреона R-11 (CFCl₃) - до - 90… -100 °С.

Процес отримання холоду можна реалізувати в таких режимах:

– криостатирування, який полягає у підтриманні об’єкта в межах за­да­ного інтервалу низьких температур та здійснюється у робочій ємності, що нази­вається криостатом (при Т < 120 К) або холодильною камерою (при Т > 120 К);

– охолодження, коли відведення теплоти від об’єкта здійснюється в стаціо­нарних неізотермічних умовах;

– захолоджування, при якому відведення теплоти від об’єкта відбу­вається в нестаціонарних умовах з метою зниження його температури до заданої.

1.5 Структура та різновиди теплообмінних апаратів

Структуру теплових апаратів складають такі основні елементи: робоча камера або робочі поверхні, нагріваючий або теплогенеруючий пристрій, корпус апарату, теплоізоляція, кожух, арматура та контрольно-вимірювальні прилади. В робочій камері здійснюється обробка продукції.

Класифікація основних різновидів теплообмінних апаратів представлена в таб­лиці 1.1.

Таблиця 1.1

Класифікація теплообмінних апаратів

Продовження таблиці 1.1

Продовження таблиці 1.1

У процесі теплообміну суттєве значення має напрям потоку робочих або технологічних середовищ. У теплообмінних апаратах прямотечійного типу тех­но­логічні рідини рухаються в одному напрямі, а саме паралельними потоками. Апарат, в якому робочі середовища рухаються у різних напрямах, називається протитечійним. В апаратах з перехресними потоками технологічні потоки рідини спрямовані під кутом одна відносно одної.

У поверхневих апаратах найбільш розповсюджені сорочкові, кожухотрубні, змійовикові та ребристі теплообмінники (див. рис. 1.2).

б)

Рис. 1.2. Схеми елементних теплообмінників або апаратів “труба в трубі”: а – з паралельним по­то­ком, б – з протипотоком.

Сорочкові теплообмінники (див. рис. 1.3, а) являють собою ємкісні апарати ци­лін­дричної або прямокутної форми, в яких між зовнішньою поверхнею робочої камери та внутрішньою поверхнею корпуса створюється замкнений простір (сорочка), в якому циркулює теплоносій (насичена пара, паро-водяна суміш тощо). Сорочка апарату створює другу, зовнішню поверхню тепло­пере­дачі, яка часто є більшою за величиною, ніж внутрішня, або корисна поверхня тепло­передачі. За схемою технологічного циклу сорочкові теплооб­мін­ники являють собою апарати періодичної дії, в яких поверхня теплопередачі обме­жується геометричними розмірами машини та залежить від величини заван­та­ження продукту в апарат.

Рис.1.3. Класифікація теплообмінників: а – сорочкові, б – ко­жу­хо­трубні, в – елементні, г – елементні багатокорпусні, д – зовнішні, е – зрошуючі, є – трубчаті горизонтальні, ж – трубчаті вертикальні, з – змійовидні, і – ком­біновані, к – пластинчаті, л – ребристі, м – спіральні

З метою збільшення поверхні теплопередачі доцільно в низці випадків застосо­вувати теплообмінники із робочою поверхнею у вигляді змійовика (див. рис. 1.3, з). При цьому процес теплообміну може бути періодичним та безпе­рервним (здебільшого, в протитечійних апаратах).

Коли для реалізації процесу обробки необхідні значні поверхні тепло­обміну, то використовують переважно, трубчаті теплообмінники. Такі апа­рати є маши­нами безперервної дії з досконалою та компактною конструкцією, що зумовлює їхнє широке застосування для нагрівання та охолодження крапель­них та газових рідин, для конденсації пари. Конструктивно такі тепло­обмін­ники складаються з обечайки, двох кришок, двох трубних решіток та пучка труб, що закріплюються в решітках. Подібне виконання створює два робочих простори – трубне та міжтрубне. В трубний простір, як правило, спрямовують рідину, що має низький коефіцієнт тепловіддачі (так як підвищити коефіцієнт тепловіддачі при цьому конструктивно простіше за рахунок збільшення швидкості потоку при створенні ходів) або рідину, що створює додаткові термічні опори на поверхні теплопередачі через створення накипу, плівок масла, жиру тощо (так як очищати від подібних шарів внутрішню поверхню простіше, ніж зовнішню). При конструктивному оформленні труби та решітниці розташовують або по сторонах квадратів (для зручності очищення міжтрубного простору при витяганні пучка труб), або по концентричних колах, або по периметрах правильних шестикутників (див. рис. 1.5.). Остан­ній спосіб розташування труб набув найбільшого застосування внаслідок прос­тоти, компактності та техно­логічності пристрою. Для розвитку поверхні тепло­передачі доцільно додатково роз­мі­щувати труби на сегментах решітки (при­чому в шаховому порядку, як і основний пучок труб). Для інтенси­фікації тепловіддачі та створення більш компакт­них та високопро­дуктивних апаратів теплооб­мін­ники конструюють багатоходовими, для чого над трубними решітками в розподільній скриньці установлюють пере­тин­ки, що створює у трубному просторі ходи для послідовного руху рідини. При цьому у кожному ході необхідно мати однакову кількість труб, що забезпечує кращі гідродинамічні та термокі­не­тичні умови роботи теплообмінника.

Рис.1.4. Схеми змійовиків із труб спіралевидної форми: а – із постійним радіусом витків, б – із змінним радіусом витків по ширині, в – із змінним радіусом витків по висоті

Найпростішою конструкцією з трубчатих теплообмінників володіє кожухо­труб­ний апарат, до кожуха якого з обох сторін приварюють трубні решітки, в які входить пучок прямих трубок. Інший тип трубчатого теплообмінника, що умон­то­вується в резервуарі, наповненому рідиною, називається заглибним (див. рис. 1.5, а). Такий апарат виконується, як правило, із вигнутих труб, що ство­рюють змі­­йовик. Трубчатий теплообмінник, в якому одна з тех­но­логічних рідин орошує тру­би змійовика із-зовні, називається оро­шуваль­ним (див. рис. 1.6). Такий пристрій досить громізд­кий, проте знайшов ви­ко­ристання в якості конденсаторів для охолод­ження мо­лока, пива та інших рідин.

Рис. 1.5. Схема розташування теплообмінних трубок: а – в заглибному змійовиковому теплообміннику; б – ромбовидне розміщення трубок на ре­шітці; в – розміщення трубок на решітці концентричними колами

Рис. 1.6. Зрошувальний теплообмінник

Для створення більшої поверхні контакту стінки з теплоносієм робоча по­верхня теплообмінника зі сторони найменшого коефіцієнта тепловіддачі вико­ну­єть­ся реб­рис­­тою.

Пластинчаті теплообмінники (див. рис. 1.8) збирають з пакетів сталевих штампованих пластин, що мають послідовно з’єднані канали. Такі апарати характеризуються низькою металоємністю, проте відзначаються підвищеним гідравлічним опором та строгими вимогами до виготовлення та збирання.

Рис. 1.8. Схеми конструктивного виконання пластин теплообмінників

Найпростішим типом елементного теплообмінника є апарат “труба в трубі” (див. рис. 1.2, 1.3, б-д), кожний елемент якого складається з двох труб, що встав­ляються одна в одну. Подібні елементи можуть бути з’єднані в батарею послі­довно, паралельно або комбіновано. При цьому труби та кільцеві простори з’єд­нуються між собою. Такі апа­рати характеризуються порівняно високим викорис­танням теплоносія, але гро­мізд­кістю та значною металоємністю. Незважаючи на останні якості, еле­мен­тні тепло­обмінники знай­шли широке застосування у разі великих тисків та дорогому теплоносії, зокрема, в холодильній техніці.

Лабораторна робота № 2 Обладнання для випарювання продукції

3.1 Сутність та особливості реалізації процесу випарювання

Випарювання – це процес теплової обробки однорідної або неоднорідної сис­теми при температурі кипіння з метою збільшення в ній концентрації неле­ткого компоненту. В переробних виробництвах випарюють, як правило, розчини нелетких речовин у леткому розчиннику (соки, сироп, тощо) або неоднорідні системи, зокре­ма, кров, клеєві, кісткові та желатинові бульйони, молоко, витяжки з органів тварин, барду тощо. В процесі випаро­вування летка скла­дова частина системи видаляється у вигляді пари, а вміст неле­тких компо­нентів залишається незмінним (на відміну від перегонки, коли в пару переходять одночасно різні компоненти розчину, причому в різних кіль­костях).

Для технічної організації процесу необхідно дотримуватися двох умов: під­ведення теплоносія для надання системі необхідної кількості теплоти та відве­дення з неї пари. Для нагрівання використовують вогневий, водяний, паро­вий, газо­вий та електричний методи. При цьому теплоносій та система розділені поверхнею тепло­передачі, що має форму або стінки (в сорочкових апаратах), або трубки (в апаратах із змійовиком), або пучка труб, розташованих вертикально або горизонтально (в труб­чатих апаратах).

Процес випарювання здійснюється в апаратах, що називаються випарни­ка­ми, які виконуються або в одному корпусі (див. рис. 3.1, а) або мають декілька корпусів (див. рис. 3.1, б). Потік теплоти при цьому спрямовується пос­лі­довно через кожний з корпусів апарату. З цієї причини температура та тиск в корпусах різняться. Рідина до апарату подається прямотечійним, протитечій­ним та паралельним способами.

Рис. 3.1. Вакуум-випарні установки: а) однокорпусна; б) багатокорпусна

За прямотечійною схемою доцільно випаровувати системи, які у концентро­ваному вигляді не є стійкими за своїми вітамінозними та біохімічними властивостями, біологічною активністю при високих температурах.

У разі протитечійного руху потоків теплоти та рідини простежується зворотна картина: в ході руху технологічного середовища від останнього корпусу до першого концентрація системи, а відповідно і її в’язкість збіль­шуються, але при одночасному підвищенні температури, тому ефективність теп­лопередачі не погір­шується.

Паралельна подача технологічних середовищ до багатокорпусного апарату (див. рис. 3.4) дає можливість здійснювати обробку різних систем в одній установці. При цьому кожний апарат являє собою самостійну однокорпусну установку для реалізації певного технологічного режиму, що дає змогу підбирати оптимальні технологічні умови однокорпусного випарювання для кожної конкретної сис­теми. Крім того, подібна схема дає можливість раціонально використовувати теплоту вторинної пари, передбачити один загальний для всіх корпусів конденсаційний пристрій. Проте схема випаровування з паралельною подачею різних систем в корпусах апарату викорис­товується при малих продуктивностях машини та невеликих кількостях рідин, що випаровуються.

Рис. 3.4. Схема випарної установки з паралельною подачею в корпус

У випарному апараті для теплообміну використовують насичену водяну пару, теплота пароутворення якої при конденсації через поверхню теплопередачі надається киплячій системі, що призводить до створення вто­рин­ної пари. Таким чином, випарний апарат, з однієї сторони, є конденсатором гріючої пари, а, з іншої, – генератором вторинної пари; тобто його можна розглядати як паровий котел, а утворену пару використовують як теплоносій.

3.2 Аналіз основних схем випарних апаратів

До основних конструктивних елементів випарного апарату можна віднести поверхню нагрівання та камеру, куди находить гріюча або первинна пара, простір з киплячою рідиною та простір з вторинною парою. Серед допоміжних елементів відзна­чаються патрубки для підведення та відведення робочих середовищ; для відведення конденсату та газів, що не конденсуються; сепаратори та пастки для від­ділення піни від вторинної пари тощо. Поверхня нагрівання випарних елементів за конфігурацією виконується сорочковою, у вигляді підвісної камери з кільцевих еле­ментів, змієвиковою, трубчатою, пластинчатою або ребристою; а за розта­шу­ванням – вертикальною, горизонтальною або похилою. Також відомі рота­ційні випарні апа­рати з поверхнею нагрівання, що обертається.

Залежно від взаємного розташування робочих середовищ випарні агрегати можуть бути паротрубними, коли всередині трубок міститься пара, або рідин­нотруб­ними, коли всередині трубок кипить рідина.

За компонуванням поверхні нагрівання розрізняють апарати з ви­носними та внутрішніми, з горизонтальними та вертикальними паровими ка­ме­рами.

За характером циркуляції технологічних середовищ випарні апарати можна класифікувати за кратністю та режимом циркуляції.

Основні різновиди випарних апаратів представлені в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1

Класифікація основних різновидів випарних апаратів

Продовження таблиці 3.1

Лабораторна робота № 3 Обладнання для конденсації

4.1 Сутність та особливості процесу конденсації

Конденсація – це процес зрідження пари або газу. Цей процес у пере­робному виробництві використовується з метою створення розрідження у тепло­обмінних апа­ратах; використання теплоти конденсації для нагрівання рідин (у теплообмін­никах з паровим обігріванням); для розділення систем, структурні елементи яких мають різні температури зрідження. Це зумовлює їхнє широке розповсюдження у випарних, холодильних сушильних, паротрубних та інших теплообмінних апаратах.

Агрегат для конденсації пари (газів) в загальному випадку містить кон­денсатор та вакуум-насос. Робоча суміш, зазвичай складається з пари, повітря та газів: це повітря та гази, що виділяються з киплячого розчину при випарю­ванні та повітря, що міститься в апараті до початку процесу або підсмок­тується парою через нещільності при переміщенні технологічного середовища від апарату до конденсатора. При реалізації процесу робоча суміш кон­денсується у герметично закритому апараті – конденсаторі, в який подається холодна вода або інший холодильний агент. У воді, що надходить до кон­денсатора, міститься повітря, яке з неї при підвищенні температури частково адсорбує.

Конденсатори використовуються двох типів: поверхневі, в яких пара, що кон­ден­сується та холодоагент розділені поверхнею теплопередачі; та змішу­вальні, в яких поверхні теплопередачі немає, а конденсація пари відбувається при безпо­се­редньому контакті його з охолоджувальною речовиною.

4.2 Особливості технологічних та конструктивних схем поверхневих конденсаторів

Поверхневі конденсатори являють собою теплообмінники, здебільшого трубча­того типу, що мають низку спеціальних деталей, будова яких визначається способом охолодження пари. Робочий процес в цих апаратах містить, як пра­вило дві стадії: конденсацію пари та охолодження конденсату. Холодоносієм, як правило, слугує вода або повітря. Водяне охолодження може бути проти­течійним та випаро­ву­валь­ним. При цьому охолоджуюча вода подається у труб­ний простір (що виконується одно- або багатохідним), а пара та конденсат – у міжтрубний простір.

Поверхневі конденсатори використовуються у випадку, коли конденсат необхідно зберегти у чистому вигляді (в холодильних установках, при зрідженні спиртових парів, при випарюванні клеєвих та харчових бульйонів тощо).

У молочній промисловості вико­рис­­то­вується вертикальний кожухот­руб­ний кон­денсатор (див. рис. 4.1). При здійс­ненні техно­логічного процесу в цьому апараті вторинна пара з вакуум-апаратів надходить через патру­бок 7 у між­труб­ний простір, де конденсується. Кон­ден­сат із зовнішньої сто­рони трубок 4 сті­кає донизу, звідки відка­чується насосом через патрубок 3. Повітря, що міститься в парі, вида­ляється з кон­денсатора через патрубок 9 вакуум-насосом або ежек­тором. Охолод­жу­вальна вода ру­хається всередині багатохідного трубного пучка, входячи та виходячи через трубки 4. Цей пристрій забезпечує чистоту конденсату для його подальшого ви­ко­ристання, невеликі витрати енергії та від­ведення кон­денсату і повітря, проте харак­теризується знач­ними габаритними роз­мі­рами та масою.

Випаровувальний або орошу­валь­но-випа­рову­вальний конденсатор (див. рис. 4.3) скла­­дається з труб, в яких пара кон­денсується за рахунок нагрівання та випа­ровування охо­лоджуючої води, що зрошує зовнішню поверх­ню труб, а також унас­лідок нагрі­вання повітря, що циркулює між трубами. Охо­лод­жуюча вода вертається із збірного басейна у роз­подільчі жолоби. Втрати води, що випаро­ву­єть­ся, попов­нюється через збір­ний басейн. Циркуляція повітря (штучна або природна) забезпечує видалення пари від зовнішньої поверхні конденсатора. Такі конденсатори громіздкі, мають багато з’єднань та, як правило, монтуються поза вироб­ничими приміщеннями, що приво­дить до за­леж­ності їх режиму роботи від атмосферних умов.

Рис. 4.3. Схема пристрою орошувально-випарного

кон­­денсатора

4.3 Особливості конструкцій та принципу дії конденсаторів змішування

До конденсаторів змішування можна віднести прямотечійні та протитечійні, а також струменеві кон­денсатори (ежекторні конденсатори).

У цих апаратах відбувається безпосередня взаємодія парового потоку з охо­лоджуючою водою. По закінченні технологічного циклу конденсат (або суміш кон­денсату з охолоджуючою водою), повітря та інші гази, які не кон­денсуються та над­ходять з робочою сумішшю або через нещільності у системі, відводяться з апарату спеціальними насосами. При цьому з так званих “мокрих” конденсаторів відпрацьо­вані речовини відводяться мокроповітряним насосом, а з сухих конденсаторів повітря та гази відсмоктуються вакуум-насосом.

Змішувальний прямотечійний конденсатор монтується у зручному місці неза­лежно від розташування по вертикалі. Він оснащується також мокропо­вітряним насо­сом, який за конструктивним виконанням являє собою поршневий насос з гори­зон­тальним або вертикальним розташуванням циліндра, простої або подвійної дії. Най­більше розрідження, що створюється таким механізмом, залежить від темпе­ратури во­ди, що надходить до насоса та складає, як правило, 70–80 % від баро­метричного тиску.

Змішувальний протитечійний конденсатор має барометричну трубу (звідки назва конденсатора – барометричний), яку розташовують у стічній каналізаційній кришці на висоті від рівня рідини приблизно 10,5 м (що дорівнює висоті барометричної труби). Парогазова суміш з такого конденсатора вида­ляється сухоповітряним вакуум-насосом. Після конденсатора ця суміш проходить через спеціальну пастку для осу­шення, щоб запобігти попаданню до насосу крапель води, що захоплюються суміш­шю з конденсатора. Для інтен­сифікації роботи барометричного конденсатора потріб­но прагнути, щоб суміш води та конденсату, які надходять до барометричної труби, мали температуру, близьку до температури робочої пари. При цьому доцільно, щоб тем­пература повітря, що виходить з конденсатора, була близька до температури охолод­жуючої води.

Барометричні конденсатори використовують для установок середньої та високої продуктивності (у вакуум-горизонтальних котлах для витоплення жиру), а прямо­течійні – для вакуумних установок незначної продуктивності.

Серед барометричних конденсаторів можна відзначити одно- та багато­сту­пінчасті.

В одноступінчастому каскадному поличному конденсаторі (див. рис. 4.4) холодна вода через живильник, що згладжує пульсації, подається на верхню полицю та каска­дами стікає донизу (з полиці на полицю). Рівень води на полицях регулюється підпір­ними планками, що установлюються по рівню. Пара в цьому апараті підво­диться до нижньої полиці та рухається доверху, конденсуючись на водяних заслонах між полицями, відстань між якими знизу доверху змен­шується відповідно зменшенню кількості пари. Повітря відсмоктується зверху через пастку для відділення водяних бризок. Зливна барометрична труба, в якій вода знаходиться на рівні, що відповідає розрідженню в конденсаторі, слугує гідрав­лічним затвором та забезпечує безпо­середнє зливання охолоджуючої води в суміші з конденсатом без застосування насоса. Барометрична труба також з’єд­нується з ємністю, звідки вода видаляється також самоплинно або відкачується на­сосом (залежно від висоти установки).

За конструктивними особливостями використовуються конденсатори з сег­ментними полицями (див. рис. 4.4, а), що створюють плоскі струмені (заслони) води; з кільцевими та круглими (перфорованими або суцільними) тарілками (див. рис. 4.4, б), що чергуються по висоті конденсатора та створюють циліндричні водяні заслони або лінійні тонкі струмені.

З метою зменшення висоти установки обладнання до 1–3 м застосовуються напівбарометричні конденсатори (див. рис. 4.5).

При достатній кількості води конденсація завершується повністю в одному апа­раті. Для отримання більш гарячої води використовують двоступінчатий конден­сатор (див. рис. 4.6). До першого конденсатора (предконденсатора або форкон­ден­сатора) вода подається у недостатній кількості, внаслідок чого пара конденсується частково. Решта пари переходить в основний конденсатор для повної конденсації. Така обробка допомагає у першого відсіку збірника отримати гарячу воду, температура якої регулюється подачею охолоджуючої води.

Рис. 4.4. Барометричні конденсатори: а – з сегментними полицями: 1 – гідро­затвор; 2 – барометрична труба; 3 – люк; 4 – корпус конденсатора; 5 – розподільний циліндр для води; 6 – труба для вирівнювання тиску; 7 – труба для відведення повіт­ря; 8 – пастка для рідини; 9 – труба для відведення води. б – з круглими тарілками: 1 – штуцер для введення вторинної пари; 2 – труба для подачі холодної води; 3 – ви­пускний штуцер; 4 – штуцер для приєднання повітряної труби до вакуум-насосу; 5 – вставка з круглими тарілками

Конденсатори змішу­вання вико­рис­товуються для створення розрід­жен­ня в уста­новках, що працюють під вакуумом (у вакуум-апаратах, випар­них установках, ва­ку­ум-сушилках, ваку­ум-фільтрах то­що). У деяких ви­падках такі конденсатори засто­со­вуються з метою виробництва гарячої води (зокрема, на цукрових заводах).

Змішувальні кон­ден­са­тори порів­няно з поверх­не­вими харак­теризуються більш простою кон­струкцією, мен­шими габаритними розмірами та вар­тістю; відріз­няються простотою ре­мон­ту та обслуговування, можливістю використання для охолодження забрудненої води. У цих апаратах менші витрати охолоджуючої води, так як вони дають можливість отримати більш високу температуру суміші конденсату і води. Про­те у конденсаторах змішування неможливо використовувати конденсат, коли охо­лоджуюча вода містить шкідливі домішки. Крім того, при реалізації техноло­гічного процесу за допомогою цих конденсаторів необхідний вакуум-насос великої продуктивності, а також мають місце порівняно значні витрати кон­денсату.

Класифікацію основних типів конденсаторів наведено у таблиці 4.1.

Таблиця 4.1

Класифікація основних різновидів конденсаторів

Лабораторна робота №4 Загальна характеристика масообмінних процесів

1.1 Механізм процесу масоперенесення

Процесом масообміну або масопередачі називають перехід одної або декіль­кох речовин із однієї фази до іншої у напрямі досягнення рівноваги. Подібний пе­ре­хід являє собою явище дифузії, тому масообмінні процеси можна називати дифу­зій­ними.

1.4 Класифікація масообмінних процесів

До основних класифікаційних ознак масообмінних процесів можна віднести агрегатний стан, спосіб контакту та характер взаємодії фаз.

Як було зазначено вище, за агрегатним станом фаз масообмінні процеси мо­жуть здійснюватися в системах: газ – рідина, газ – тверде тіло, рідина – рідина, рі­ди­на – тверде тіло, газ – газ, тверде тіло – тверде тіло. При цьому останні два про­­цеси не знайшли широкого промислового розповсюдження у переробному виробництві.

За способом контакту між фазами можна відзначити масообмінні процеси, що здійснюються при безпосередньому контакті фаз, у разі контакту через мембрани та без границі розділу фаз.

Класифікація основних різновидів масообмінних процесів представлена у таб­лиці 1.3.

Таблиця 1.3.

Класифікація основних типів масообмінних процесів

Продовження таблиці 1.3.

Лабораторна робота № 5 Обладнання для перегонки рідин

2.1 Сутність та галузі використання процесу перегонки рідин

Перегонка рідин є дифузійний процес теплової обробки рідинних неод­но­рідних сис­тем, що здійснюється з метою повного або часткового розділу цих систем та отри­мання окремих компонентів у більш чистому або більш кон­центрованому стані. Та­кій обробці підлягають системи, компоненти яких летючі та мають різну пруж­ність парів за робочої температури.

Процес перегонки здійснюється при температурі кипіння компонентів сис­теми. При цьому легколеткий елемент переходить у газоподібний стан у більшій кількості, ніж важколеткий. Максимальна кількість виділеного у газоподібний стан компоненту обмежується рівноважним станом системи за цієї темпе­ратури. Після конденсації утворених при випаровуванні газів концентрація цього компоненту в отриманій рідині (дистиляті) виявляється більшою, ніж у по­чат­ковій рідкій системі. Так, послі­довно здійснюючи процеси випарювання та конденсації нових рівно­важних газів, можна отримати продукт із заданою кон­центрацією, розділити домішки від суміші.

Отже, перегонка є тепломасообмінним процесом, в якому чергу­ються процеси випарювання та конденсації, що можуть повторюватися бага­то­разово залежно від рівноважних параметрів системи після циклу обробки.

2.2 Способи здійснення процесу перегонки та класифікація машин для їх реалізації.

Залежно від кількості циклів процесу можна виділити два типи процесу перегонки: одноразову та багаторазову. При одноразовій зміні фа­зового стану неод­норідної рідини фаза, що утворюється у процесі, зали­шається у контакті з сис­темою до настання у ній рівноваги. Багаторазова перегонка характери­зується повто­рю­ванням одноразового процесу скінченне число разів з видаленням із сис­теми нової фази, що утворюється при кожному одно­разовому процесі перегонки.

На основі розглянутої ви­ще кла­си­фікації можна відзначити три основних способи реалізації процесу перегонки:

– просту або поступову перегонку (з дефлегмацією або без дефлег­ма­ції);

– одноразову перегонку;

– складну або багаторазову перегонку (ректифікацію).

Основні різновиди процесів перегонки представлені у таблиці 2.1.

Таблиця 2.1

Класифікація процесів перегони

Продовження табл. 2.1

Продовження табл. 2.1

2.3 Характеристика процесу простої перегонки

2.3.1 Особливості технологічної схеми процесу

Просту або поступову пере­гонку використовують у випадках, коли не потрібно повністю розді­лювати неод­норідну систему на чисті компоненти; ко­ли різниця темпе­ратур кипіння окремих компонентів настільки значна, що вміст легко­ле­тючого елементу у газовій фазі знач­но більший порівняно з його вмістом у рідині; для відокремлення від рід­кої суміші нелетючих домішок; для попе­реднього грубого розділення складних рідких неоднорідних сис­тем.

Технологічна схема простої пере­гонки (див. рис. 2.1) здійснюється в апараті, що називається одиночним кубом. Цикл обробки при цьому містить такі операції: наповнення робочої ємності, нагрівання технологічного середовища у кубі 1 до кипіння; згін та конденсація газу в апараті 2; спуск залишку та підготовка до подальшого циклу. У міру утворення нової фази різні фракції надходять до ємності 3. Таким чином вміст легколетючого компоненту у за­лишку, що знаходиться у кубі зменшується, а у в дистиляті поступово збіль­шується.

За допомогою простої перегонки неможливо отримати дистилят з високим середнім вмістом нижчекиплячого компоненту тому, що лише перші порції дистиляту містять значний його відсоток. Тому проста перегонка без дефлегмації використо­вується як правило у випадку, коли у конструктивному виконанні обладнання прий­няті заходи, що перешкоджають можливість дефлегмації (поси­лена ізоляція, обігрі­вання стінок куба та труб між кубом та холодильником).

Наявність дефлегмації збільшує укріплюючий ефект апарату для перегонки, тобто дистилят, отриманий у такому апараті, містить більше нижчекиплячого ком­поненту, ніж в апараті без дефлегмаційного пристрою. На рисунку 2.2. пред­став­лені де­флег­маційні пристрої у вигляді шолому або тарілчастого виконання.

Рис. 2.2.Прості кубові апарати з дефлегмаційними пристроя­ми: а – у вигляді шолому; б –тарілчастого виконання

При простій або поступовій дефлегмації газів конденсат, що утворюється в процесі (флегма), негайно виводиться із контакту з газом. Відношення об’єму флегми до об’єму газу, що залишився несконденсованим, називається флегмовим числом.

2.3.2 Особливості процесу перегонки з водяною парою

Багато рідин мають високу температуру кипіння, що створює труднощі при її тепловій обробці, так як при цьому необхідний теплоносій із ще вищою тем­пературою, що не завжди є доцільним або технічно досяжним. Серед методів, що допомагають понизити температуру перегонки, найбільш розповсюдже­ними є створення вакууму у робочому об’ємі, а також додавання до техно­ло­гіч­ного середо­вища компо­нента, що знижує середню температуру кипін­ня суміші та у будь-якому агрегатному стані не розчинюється у суміші. Часто в якості такого компоненту використовують воду. Процес, що відбу­вається за та­ких умов, нази­вається перегонкою з водяною парою.

2.3.3 Особливості молекулярної перегонки

Для перегонки, що протікає при нормальному тиску або при незначному розрідженні (вакуумі), молекули рідин, що випаровуються, мають незначну вели­чину вільного пробігу та частково вертаються до рідкої фази. У випадку, коли величина вільного пробігу молекули (в середньому 20…30мм [43, 47]) перевищує відстань між поверхнею випаровування та поверхнею конденсації, то перегонка називається молекулярною дистиляцією. Такий процес здійснюється в умовах глибокого вакууму (тиск у апараті складає 0,01…0,1 Па при різниці температур 100°С).

2.5 Характеристика процесу ректифікації

2.5.1 Особливості технологічної схеми процесу в апаратах періодичної дії

Ректифікація – це процес розділення рідинних неоднорідних систем на компо­ненти або групи компонентів в результаті багаторазового двосторонньо­го тепло­масообміну між парами та рідиною при чергуванні процесів випарювання та часткової кон­денсації. Цей процес широко використовується при виробництві етилового спирту у спиртовій та виноробній промисловості, є основним про­цесом при виробництві ефірних масел та іншої продукції. При цьому в якості сировини для переробки засто­совуються патока, цукровий буряк, дефектне зерно, дріжджевий осад, виноградна вичавка, квіткова та ефіромасляна сировина тощо.

Для здійснення процесу ректифікації використовуються апарати перервної та неперервної дії (див. рис. 2.5).

Основним елементами ректифікаційної установки перервної дії є куб 1 (див. рис.2.5, а) який містить поверхню теплопередачі; колону 2; дефлегматор 3; кон­денсатор 4; збірник дистиляту 5; трубопроводи і регулюючу та запірну ар­матуру. При роботі апарату пара, що утворюється у кубі в результаті теплової обробки надходить у колону. Колона збирається з однотипних елементів-царг (див. рис.2.6, а) циліндричної форми. У царгі міститься тарілка 2 з переливною трубою 3 та з патруб­ком 4, покритим ковпачком 5. Ковпак не доходить до тарілки та утворює щілину. Нижній кінець переливної труби занурений у рідину, чим забезпечується гідрав­лічний затвор. При кипінні рідини на тарілці, пари, що утворюються при цьому, мають для виходу тільки один шлях – під ковпак вищерозташованої тарілки та через щілину у ній. В ідеальному випадку вся пара, попадаючи у рідину, у ній конден­сується та завдяки теплоті конденсації утворюється нова пара, рів­новажна з ріди­ною на тарілці. Далі цикл тепломасообміну повторюється на вищерозташованій тарілці, в результаті якого утворюється якісно нова газоподібна фаза.

Рис.2.5. Апарати з колонами: а – періодичної дії; б – без­пе­рервної дії

При виході з колони пари проходять через дефлегматор (теплообмінник зде­більшого трубчастого типу), де частина їх конденсується до верхньої частини колони у рідкому вигляді, а інша частина парів спрямовується у конденсатор і далі у збірник. Отже, в результаті ректифікації відбувається взаємодія парів, що підні­маються у колоні, та стікаючої з тарілок їм назустріч флегми, яка отримується внаслідок часткової конденсації парів.

Рис.2.6.Схема пристрою царг колони: а – царга з тарілкою; б – царга з сіткою: 1 – тарілка; 2 – рідина (флегма); 3 – переливна трубка; 4 – патрубок; 5 – ковпачок

З метою збільшення поверхні контакту пари з рідиною здійснюють низку конструктивних заходів, серед яких збільшення кількості патрубків з ковпачками на одній тарілці; виконання патрубків не круглої, а щілинної форми; зміна суцільної тарілки з патрубком тарілкою сітчастою (див. рис. 2.6, б); розміщенням на сітчастій тарілці насадок певної форми. Другим напрямком інтенсифікації процесів, що відбу­ваються у ректифікаційній колоні, є застосування відцентрової сили та створення верти­кальних апаратів з тарілками, що обертаються на її валу; горизонтальних апа­ратів з обертальним спіральним ротором.

2.5.2 Особливості технологічної схеми процесу ректифікації в апаратах неперервної дії

Ректифікаційні непе­рерв­но діючі апарати (див. рис.2.6, б, див. рис.2.7) за тех­ноло­гічною схемою про­цесу відрізняються від ус­тановок періодичної дії тим, що в них куб за­мі­не­ний тепло­обмінником для піді­грі­вання початкової су­міші до тем­ператури кипін­ня, а пі­діг­рі­та маса про­дук­ції по­дається на прий­мальні та­рілки, роз­ташу­ван­ня та кількість яких залежить від концентрації легко­летю­чого компоненту у системі, що подається на розподіл (чим вище кон­цен­тра­ція, тим мен­ше тарі­лок розташо­ву­єть­ся вище прий­мальної). Приймальна та­рілка, яка може бути до­дат­ково оснащена по­верх­нею нагрівання для випарю­вання про­дукції, ділить колону на дві частини: верхню, що працює як колона періо­дичної дії та має дефлег­ма­ційний пристрій (тому її на­зивають укріплю­ючою); та нижню, яка слугує для розподілу стікаючої з прий­маль­ної тарілки су­міші та нази­вається вичерпу­ючою. На нижній тарілці розмі­щу­єть­ся та­кож поверхня тепло­передачі, з якої утворений при розділенні залишок відво­дить­ся у збірник.

При сталості складу сис­теми, що підлягає розділенню, ус­та­новка працює з пос­тійною кількістю флег­ми, тоб­то з пос­тійною про­дук­тив­ністю дефлег­матора та пос­тійним виходом гото­вої про­дукції.

Розглянуті вище ректи­фі­каційні апарати перервної та не­перервної дії викорис­то­вуються для розподілу бі­нар­них (дво­ком­понентних) сис­тем, тому їх на­зивають маши­нами з простою рек­ти­фі­ка­ційною колоною.

Лабораторна робота № 6 Сорбційні процеси та обладнання для їх реалізації

3.1 Сутність та основні різновиди сорбційних процесів

Сорбційним процесом можна називати поглинання певним тілом ком­по­нентів газів, пари або розчинених речовин з навколишнього середовища. Такі про­цеси, здебільшого, супроводжуються тепловими явищами.

Залежно від механізму здійснення можна відзначити три основних сорб­ційних процеси: абсорбцію, адсорбцію та хемосорбцію. Процес, зворотний сорб­ції – десорбція, полягає у виділенні речовини, що була поглинута рідиною або твердим тілом. Такий процес використовується, зокрема, для регенерації по­гли­начів.

Процес абсорбції полягає у поглинанні речовини усім об’ємом рідини погли­нача або абсорбенту. Цей процес використовують у виробництві куку­рудзяного крохмалю, у спиртовому та виноробному виробництві для промивання газів, що виділяються при бродінні; при виробництві сульфітованої води, суль­фітації вино­градного сусла та соку для запобігання бродіння, при сатурації буря­кового соку з утворенням нерозчинного вуглекислого кальцію тощо.

Адсорбція – це процес поглинання поверхнею твердого тіла того або іншого компонента з газу або рідини. Для забезпечення ефективності процесу поглинач або адсорбент повинен мати значну поверхню.

Поглинання газу поверхнею твердого тіла не супроводжується його кон­ден­сацією. Проте у капілярах сорбенту може відбуватися конденсація газу, що нази­вають явищем капілярної конденсації. Процес адсорбції широко розповсюд­жений при очищенні водно-спиртових розчинів, знебарвленні паток та цукрових розчинів, виділенні нецукрів при осадженні часток вуглекислого кальцію.

Поглинання газу, при якому відбувається хімічна взаємодія між сорбентом та газом, називається хемосорбцією. Цей процес розповсюджений у цук­ро­во­му виробництві.

Процес регенерації поглинача або десорбція протікає найбільш інтенсивно при нагріванні чи навіть прокалюванні сорбенту; при пропусканні через нього па­ри або інертного газу, що виносить сорбтив. Так, для регенерації активованого ву­гілля його обробляють водяною парою при температурі, що не перевищує 200 °С. Силікагель регенерується при нагріванні його до 300 °С. [35, 36].

3.2 Характеристика процесів та обладнання для реалізації абсорбції

Абсорбція або вибіркове поглинання речовини різними абсорбентами ви­ко­рис­­товується у переробному виробництві, коли із суміші газів необхідно вилу­чити певний компонент. При цьому, речовина з газу або пари переходить у рі­дину. Абсорбція особливо поширена при здійсненні сатураційних та сульфі­та­цій­них про­цесів.

До сатураційних процесів можна віднести очищення соку та сиропу від білко­вих ком­по­нентів. Так, при пропусканні че­рез сік вуглекислого газу від­бувається його поглинання з утворенням нерозчиненого вуг­ле­кислого кальцію. На поверх­ні час­ток цього осаду ад­сор­бується певна кількість не­цукрів, що містяться у розчині.

Сульфітація речовин (зо­кре­ма цукрового соку та си­ропу), проводиться з метою зни­щення їх забарвлення. При цьо­му через сік або сироп про­пус­кається сірчистий газ та у роз­чині утворюється сірчиста кис­ло­та, що є сильним віднов­лю­ва­чем. Сірчиста кислота пе­рет­во­рює органічні забарвлені речо­ви­ни у знебарвлені спо­лу­ки. Процес сульфітації з нас­туп­ною десульфітацією дає змогу запо­біг­ти бродінню фруктів та по­кращити умови їхнього збе­рі­гання.

Рис. 3.1. Класифікація основних типів абсорберів

Абсорбери за схемо

Читайте також:

1. І.Передмова
2. ПЕРЕДМОВА
3. ПЕРЕДМОВА
4. ПЕРЕДМОВА
5. ПЕРЕДМОВА
6. ПЕРЕДМОВА
7. Передмова
8. Передмова
9. ПЕРЕДМОВА
10. ПЕРЕДМОВА
11. ПЕРЕДМОВА
12. Передмова

Переглядів: 3956