Как работает выпаривание с принудительной циркуляцией в выпарном аппарате? Циркуляционный насос, нагревательная камера и защита от накипи

Чем выпаривание с принудительной циркуляцией отличается от естественной циркуляции и плёночного?

Вывод в одном предложении: принудительная циркуляция с помощью насоса активно разгоняет жидкость, скорость и коэффициент теплопередачи в нагревательных трубках стабильны и управляемы — это лучше подходит для накипеобразующих и более вязких сред, чем естественная циркуляция.

Существует три распространённые формы выпарного сгущения. Естественная циркуляция использует разность плотностей, создаваемую нагревом, для движения жидкости; скорость низкая и колеблется. Плёночное выпаривание заставляет жидкость течь плёнкой по внутренней стенке трубок; коэффициент теплопередачи высокий, но при нестабильной плёнке легко возникают локальные сухие участки. Принудительная циркуляция добавляет циркуляционный насос перед нагревательной камерой и прогоняет жидкость через нагревательные трубки с относительно высокой скоростью. На практике скорость в трубках принудительной циркуляции обычно поддерживается на уровне 1.5–3 м/с; число Рейнольдса в трубках высокое, пограничный слой тонкий, коэффициент теплопередачи стабилен, а скоростное омывание подавляет отложение накипи. Плата за это — дополнительный циркуляционный насос и трубопровод, энергопотребление несколько выше, чем при естественной циркуляции, но взамен по проблемам накипи и вязкости получаются надёжность и стабильность.

Как работает выпаривание с принудительной циркуляцией?

Вывод в одном предложении: циркуляционный насос подаёт жидкость в нагревательную камеру для подогрева; жидкость, нагретая до близкой к кипению температуры, поступает в испарительную камеру и сбрасывает вторичный пар, остаток снова идёт в циркуляцию, и концентрация постепенно растёт.

Весь процесс можно разбить на четыре шага. Шаг первый: циркуляционный насос забирает жидкость из нижней части испарительной камеры и подаёт её с заданным расходом в нагревательную камеру. Шаг второй: в нагревательной камере пар или теплоноситель передаёт тепло через теплообменные трубки; жидкость нагревается до температуры, близкой к кипению, но из-за более высокого давления в трубках она не закипает в них. Шаг третий: нагретая жидкость поступает в испарительную камеру, давление резко падает, и перегретая часть немедленно сбрасывает вторичный пар, который поднимается в конденсационную систему. Шаг четвёртый: неиспарившаяся жидкость возвращается на дно испарительной камеры, смешивается со свежей подачей и снова входит в цикл. За каждый проход испаряется лишь небольшая часть жидкости; концентрация растёт за счёт многократной циркуляции. Поэтому выпаривание с принудительной циркуляцией отличается небольшим испарением за один проход, большим расходом циркуляции и стабильной работой.

Как выбрать циркуляционный насос?

Вывод в одном предложении: циркуляционный насос выбирается по расходу циркуляции и напору; расход обычно в 20–40 раз больше скорости испарения подачи, напор в основном преодолевает сопротивление нагревательной камеры и трубопровода, материал — по коррозионности среды.

Расход циркуляции определяет, сколько раз жидкость проходит через нагревательные трубки. На практике кратность циркуляции при выпаривании с принудительной циркуляцией обычно составляет 20–40, то есть расход циркуляции в 20–40 раз больше скорости испарения в единицу времени. При слишком низкой кратности растёт перегрев за один проход, и жидкость у стенки трубки склонна к накипеобразованию; при слишком высокой растут энергопотребление насоса и затраты на трубопровод. Напор рассчитывается по сопротивлению системы, включая сопротивление трубного пространства нагревательной камеры, клапаны и отводы; обычно он не должен быть большим, но обязан покрывать самый тяжёлый режим. Материал насоса выбирается по коррозионности среды; в пищевой и фармацевтической промышленности обычно применяется нержавеющая сталь 304 или 316L, для уплотнения вала предпочтительно торцевое уплотнение; для сред с частицами или высокой вязкостью нужно учитывать тип насоса и размер проходного канала. Мощность и скорость двигателя циркуляционного насоса важны не меньше: мощность на валу обычно рассчитывается по расходу и напору, при выборе закладывается запас 10–15% на колебания вязкости; скорость обычно используется четырёх- или шестиполюсного двигателя, а частотное регулирование позволяет менять расход циркуляции под изменение сопротивления на разных стадиях концентрации. Трубопровод между насосом и нагревательной камерой должен быть как можно короче и прямее: на одно колено или клапан меньше — на долю меньше сопротивление системы, и та же мощность двигателя даёт более высокую скорость циркуляции.

Почему нагревательная камера устойчива к накипи?

Вывод в одном предложении: высокая скорость утончает пограничный слой у стенки трубки, и накипь не может легко закрепиться; в сочетании с умеренной разностью температур скорость образования накипи значительно ниже, чем при естественной циркуляции.

Накипеобразование по сути означает, что жидкость у стенки перегревается, и растворённые вещества выпадают и осаждаются на стенке. Принудительная циркуляция на высокой скорости быстро уносит жидкость, нагретую у стенки, а разность между температурой стенки и температурой основной массы жидкости поддерживается небольшой, поэтому движущая сила осаждения слабеет. Опыт отрасли: скорость в трубках принудительной циркуляции обычно не ниже 1.5 м/с, а разность температур нагрева обычно поддерживается в диапазоне 5–15℃. Вместе эти два параметра заметно удлиняют период непрерывной работы на накипеобразующих средах, таких как сахарный сироп, фруктовый сок, аминокислотные растворы и соевый соус. Если накипь образовалась, применяется щелочная и кислотная CIP-промывка по регламенту; при сильной накипи теплообменные трубки можно вынуть и очистить отдельно. Если трубки спроектированы выдвижными, обслуживание не требует перемещения всей установки.

Как согласовать температуру выпаривания и вакуум?

Вывод в одном предложении: сгущение с принудительной циркуляцией обычно сочетается с вакуумной работой; вакуум определяет температуру кипения, и чем ниже температура кипения, тем лучше для термочувствительных сред. Вакуум и температура нагрева задаются вместе с предельной температурой среды.

После вакуумирования выпарного аппарата температура кипения жидкости падает с углублением вакуума. Термочувствительные среды (фруктовые соки, белковые растворы, экстракты лекарственных трав и т.п.) обычно поддерживают температуру выпаривания в диапазоне 60–80℃; соответствующий вакуум обычно составляет около −0.06…−0.09 МПа (избыточное), точное значение определяется максимально допустимой температурой среды. При использовании пара в нагревательной камере между давлением пара и температурой кипения жидкости нужно сохранять разумную разность температур: слишком большая вызывает локальный перегрев, слишком малая замедляет теплопередачу. Вторичный пар конденсируется в конденсаторе, неконденсируемые газы откачиваются вакуумным насосом. На практике три числа — температура выпаривания, вакуум и температура нагрева — часто записываются вместе в технологическую карту; оператор сначала стабилизирует вакуум, затем регулирует нагрев, чтобы избежать скачка температуры, повреждающего среду.

Каким средам и режимам подходит принудительная циркуляция?

Вывод в одном предложении: накипеобразующим, средневязким и термочувствительным средам принудительная циркуляция подходит лучше всего; она распространена в пищевом, фармацевтическом, биоферментационном и химическом сгущении, а сахарные и экстрактные растворы — самые типичные сценарии.

Со стороны среды выделим три категории. Первая — накипеобразующие среды: сахарный сироп, глюкозный сироп, фруктовый сок и некоторые аминокислотные растворы легко откладывают накипь на поверхности нагрева, и высокая скорость принудительной циркуляции — самый прямой способ борьбы. Вторая — средневязкие среды: системы с вязкостью от нескольких сотен до нескольких тысяч миллипаскаль-секунд, которые естественная циркуляция плохо прогоняет; принудительная циркуляция гарантирует скорость и теплопередачу. Третья — термочувствительные среды: в сочетании с вакуумным низкотемпературным выпариванием удаётся контролировать изменение цвета и потерю активных компонентов. Для чистой воды и простого выпаривания сред с очень низкой вязкостью естественная циркуляция или плёночное выпаривание экономит больше энергии, поэтому принудительная циркуляция не нужна. При выборе предоставьте изготовителю кривую вязкости среды, склонность к накипи, предельно допустимую температуру и требования по производительности, чтобы кратность циркуляции, площадь нагрева и вакуумная система соответствовали реальному режиму.

Как сочетать принудительную циркуляцию с плёночным и MVR?

Вывод в одном предложении: принудительная циркуляция может быть первой ступенью или сочетаться с плёночным выпариванием и MVR в многокорпусную систему: в передней части плёночная ступень быстро удаляет воду, а в поздней стадии сгущения принудительная циркуляция справляется с повышенной вязкостью и накипью.

Реальные линии часто сочетают формы: плёночный выпарной аппарат в передней части несёт основную массу испарения воды; после роста концентрации и вязкости поздняя стадия переходит на выпаривание с принудительной циркуляцией. Принудительная циркуляция может также быть циркуляционным телом механической рекомпрессии пара (MVR): сжатый вторичный пар служит источником тепла. Преимущество такой комбинации — низкое энергопотребление в передней части и отсутствие накипи в задней, баланс производительности и периода работы. Управление комбинированной системой сложнее, чем однокорпусной: расход циркуляции, вакуум и температура регулируются по корпусам, обычно проектируются единым поставщиком линии; пользователю главное — предусмотреть окна очистки и обслуживания.

Как измерить интенсивность выпаривания при принудительной циркуляции?

Вывод в одном предложении: интенсивность выпаривания обычно выражается количеством испарённого продукта на единицу площади нагрева; на практике для принудительной циркуляции она часто принимается равной 20–60 кг/м²·ч в зависимости от среды и вакуума.

Интенсивность выпаривания равна количеству испарённой воды в час, делённому на площадь нагрева. Чем глубже вакуум и больше разность температур, тем выше интенсивность; но термочувствительные среды требуют более низкой температуры, поэтому интенсивность соответственно падает. При выборе сначала задаётся производительность (сколько воды испаряется в час), затем по интенсивности оценивается площадь нагрева и наконец подбираются кратность циркуляции и насос. Когда три группы чисел сходятся, размер оборудования и энергопотребление разумны. В комбинированной системе площадь нагрева корпуса с принудительной циркуляцией обычно занимает большую долю в задней части, потому что вязкость и риск накипи на поздней стадии сгущения максимальны и нужен больший запас по теплопередаче.

Какие точки обслуживания?

Вывод в одном предложении: обслуживание смотрит на три места: торцевое уплотнение и подшипники циркуляционного насоса, накипь на теплообменных трубках и вакуумную систему; регулярная очистка и запись параметров работы заметно удлиняют непрерывный период работы.

Циркуляционный насос — сердце принудительной циркуляции: утечку торцевого уплотнения нужно устранять в первую очередь, подшипники смазываются по регламенту. По теплообменным трубкам главное — накипь: уменьшение разности температур на выходе и снижение расхода циркуляции указывают на утолщение накипи, проводится CIP-промывка по регламенту. По вакуумной системе проверяются конденсатор и вакуумный насос: аномальные неконденсируемые газы и температура охлаждающей воды напрямую снижают вакуум. Рекомендуется каждую смену записывать четыре числа: расход циркуляции, температуру нагрева, температуру выпаривания и вакуум; падение расхода и сужение разности температур — самые ранние признаки накипи. По запчастям: по одному комплекту вращающегося и неподвижного колец торцевого уплотнения и подшипников насоса, небольшой запас теплообменных трубок, а для режимов с сильной накипью — также моющие средства и специальное оборудование для очистки, чтобы при отказе не останавливать всю линию.

Резюме

Выпаривание с принудительной циркуляцией держится на трёх вещах: циркуляционный насос даёт скорость, нагревательная камера даёт тепло, испарительная камера собирает пар; контроль скорости и разности температур — ключ к защите от накипи. Накипеобразующие, высоковязкие и термочувствительные среды — его лучшая область применения, а сочетание с плёночным выпариванием и MVR балансирует энергопотребление и стабильность. Наши выпарные аппараты кастомизируются по свойствам среды: кратность циркуляции, площадь нагрева и вакуумная система; подбор для проектов с сахарными сиропами, фруктовыми соками и экстрактами приглашаем обсудить.

Похожие статьи: - Как сэкономить пар на выпарном аппарате с механической рекомпрессией пара (MVR)? - Как выбрать конденсатор для выпарного аппарата?

Статья подготовлена компанией Hyline Stenda Equipment Manufacturing Co., Ltd. (hyline.cn); основной ассортимент — реакторы из нержавеющей стали, смесительные ёмкости, резервуары, диссольверы, выпарные аппараты и комплектующие линии химического производства, поддерживается нестандартное изготовление.