20.3. Вакуум-аппараты

Уваривание утфеля I кристаллизации осуществляется в периодически действующих вертикальных вакуум-аппаратах (кристаллизаторах) вместимостью 40, 60, 80 т. Полный цикл уваривания утфеля в вакуум-аппаратах состоит из четырех этапов: сгущение сиропа до заводки кристаллов, заводка кристаллов сахара, наращивание кристаллов сахара, сгущение и выгрузка утфеля.

Утфели увариваются при температурах 70…80 °С при остаточном давлении в надутфельном пространстве аппаратов около 0,015 МПа. Перепады температуры в вакуум-аппаратах составляют 30…50 °С при обогреве паровых камер вторичным паром выпарных установок и около 80 °С при обогреве свежим паром.

Вакуум-аппарат ПВА-400 (рис. 20.2, а) имеет цельносварной корпус 4, внутри которого подвешены греющая камера 3 на опоре 9 и кронштейне 10 и ловушка-сепаратор 7. В нижней части аппарата для спуска утфеля установлен клапан 1 с гидравлическим приводом 11, размещенных на днище 2. Под крышкой 6 установлена труба кольцевая 5 для пропарки аппарата. Пар в греющую камеру 3 поступает через штуцера 8 с мембранами 13, которые прикреплены коническими патрубками 14 к корпусу 12 греющей камеры.

Греющая камера (рис. 20.2, б) состоит из двух конических трубных решеток 3 и 8, в которые завальцованы трубы 5 и приварена циркуляционная труба 4. Штуцера с мембранным устройством присоединены к фланцам 2, а аммиачные газы отводятся при помощи оттяжек. Конденсат удаляется по трубе 1. Паровая камера в аппарате подвешивается при помощи кронштейнов 6. Между корпусом 7 греющей камеры и корпусом аппарата имеется кольцевое пространство для циркуляции утфеля.

Рис. 20.2. Вакуум-аппарат ПВА-400:

а – общий вид; б – греющая камера; в – спускное устройство

Рис. 20.2. (Продолжение)

Спускное устройство для утфеля представлено на рис. 20.2, в. Состоит оно из корпуса 6 с днищем 5, запорного клапана 13, штуцера 14, штока 9 с поршнем 2, гидроцилиндра 1 и привода для клинового стопора 16. Клапан установлен на штоке 3 при помощи шарообразной пяты 12 и втулки 11. Такое соединение способствует самоустановлению клапана и обеспечению плотности между проточенной частью буртика клапана и уплотнением 10. Для того чтобы шток 9 и поршень 2 гидропривода 11 не поворачивались вокруг вертикальной оси при подъеме и опускании клапана, направляющая втулка 7 имеет паз, а к штоку прикреплена длинная шпонка 8, которая перемещается в пазу направляющей втулки. В период уваривания утфеля в вакуум-аппарате рабочий цилиндр гидропривода не должен находиться под давлением, и клапан необходимо жестко стопорить. Для этого на штоке клапана установлена гайка 15 со скосом, под которую заходит клиновой стопор, который при помощи шарнира соединен со штоком 3, приводимым в движение поршнем, установленным в гидроцилиндре 4.

Техническая характеристика аппарата типа пва-400

Полезный объем аппарата, м³ 28

Масса утфеля, сваренного за одну варку, т 40

Диаметр аппарата (внутренний), мм 3800

Высота аппарата, мм 7565

Диаметр греющей камеры, мм 3434

Площадь поверхности нагрева греющей камеры, м² 200

Рабочее давление, МПа:

в вакуум-аппарате 0,093

в греющей камере 0,3

Давление в гидроцилиндрах спускного устройства, МПа 1,0

Масса, кг 19 697

Вакуум-аппараты типов ВАЦ, ЯВА и ВАР различаются лишь конструкцией греющей камеры. Греющая камера аппарата ВАЦ-600-700 изображена на рис. 20.3, а и состоит из двух частей – наружной 4 и внутренней 5. Продукт подводится в греющую камеру по трубе 3. Для подвода пара во внутреннюю камеру по штуцеру 10 в корпусе ее имеются отверстия 12 – окна. Верхняя трубная решетка паровой камеры имеет коническую двускатную форму: трубная решетка 1 наружной части камеры имеет уклон к корпусу аппарата, а решетка 2 внутренней части – к циркуляционной трубе. Такое устройство верхней трубной решетки, особенно при больших диаметрах аппаратов, значительно улучшает циркуляцию утфеля при уваривании. Нижние трубные решетки 9 и 10 обеих частей камер имеют уклон в одну сторону. Конденсат из обеих паровых камер собирается в кармане 8 и отводится по трубе 7.

Рис. 20.3. Греющие камеры вакуум-аппаратов: а – типа ВАЦ; б – типа ЯВА; в – типа ВАР

Таблица 20.1. Техническая характеристика вакуум-аппаратов

Показатель	ВАЦ-350	ВАЦ-500	ВАЦ-600-700	ЯВА	ВАР-75	ВАР-50
Масса утфеля, сваренного за одну варку, т	35	50	60 - 70	40	7,5	15
Площадь поверхности нагрева греющей камеры, м2	190	255	395	224	40	70
Диаметр греющих трубок, мм	102/98	102/98	102/98	102/98	102/98	102/98
Рабочее давление в греющей камере, Мпа	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3
Диметр корпуса аппарата, мм	–	4296	4930	2700	2000	2400
Общая высота, мм	–	9874	10775	7175	7100	7500
Масса аппарата, кг	19039	28650	38820	–	6450	8475

Штуцера 11 для подвода пара в греющую камеру имеют мембраны, воспринимающие температурные расширения.

Устройство для спуска утфеля 6 из аппарата по конструкции аналогично устройству, применяемому в аппаратах типа ПВА.

На рис. 20.3, б представлена греющая камера вакуум-аппаратов типа ЯВА. Греющая камера этого аппарата не имеет трубных решеток. Она выполнена из нагревательных трубок и состоит из трех частей – средней 6 и двух надставок 5, приваренных к средней части. Надставки отштампованы в виде шестигранников. Трубы устанавливаются ступенчато, и грани шестигранников свариваются между собой, образуя верхнюю и нижнюю трубные решетки с определенным углом наклона к горизонтальной плоскости. Греющая камера состоит из устройства для спуска утфеля 1, трубы для отвода конденсата 2, кармана 3 и штуцера для подвода пара 4.

Греющая камера вакуум-аппарата ВАР (рис. 20.3, в) состоит из трубных решеток 1 и 4, прикрепленных на кронштейне 2 к корпусу 3, кармана 5, уплотнения 6, трубы 7, устройства для спуска утфеля 8 и штуцера для подвода пара 9.

Техническая характеристика вакуум-аппаратов приведена в табл. 20.1.

Инженерные расчеты. Материальный баланс вакуум-аппарата (кристаллизатора) составляется в виде

,

где G_н, G_кр, G_м, U – соответственно количество начального раствора, кристаллов, маточного раствора и выпаренного растворителя, кг.

Материальный баланс по сухому растворенному веществу определяется как

,

где х_н и х_м – концентрация исходного и маточного раствора, массовые доли; а = М/М_кр – отношение молекулярных масс растворенного вещества и кристаллогидрата (при кристаллизации без присоединения молекул воды М = М_кр и а = 1).

Количество удаляемого растворителя U при а = 1 определяют по уравнению, аналогичному уравнению для выпаривания

.

Решая совместно эти уравнения, получим количество образовавшихся кристаллов G_кр (кг) в виде

.

Составим уравнение теплового баланса процесса кристаллизации, объединяющего этап выпаривания части растворителя при повышении концентрации до состояния насыщения и образования центров кристаллизации, а также этап охлаждения и роста кристаллов

,

где с_н, с_м, с_кр и с_а – соответственно удельная теплоемкость начального раствора, маточного раствора, кристаллов и охлаждающего агента, Дж/(кгК); t_н, t_м, t_кр, t_ан и t_ак – соответственно температура начального раствора, маточного раствора, кристаллов, начальная и конечная охлаждающего агента, С; q_кр – удельная теплота кристаллизации, Дж/кг; h – энтальпия паров растворителя, Дж/кг; Q_ос – потери теплоты в окружающую среду, Дж.

Объем кристаллизатора V (м³) рассчитываем по уравнению

,

где b – коэффициент полезного использования объема кристаллизатора (для большинства аппаратов b = 0,8…0,9);  – плотность начального раствора, кг/м³.

Я чту Аристотеля наравне со своим отцом, так как если отцу я обязан жизнью, то Аристотелю обязан всем, что дает ей цену. Александр Македонский (356–323 до н.э.), полководец, царь Македонии