автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса выпаривания паточных растворов

г 6 од

1 ^ АПР 1998

На правах рукописи УДК 664.15.048.52 (043.3)

ПРОКУШЕНКОВА Светлана Викторовна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫПАРИВАНИЯ ПАТОЧНЫХ РАСТВОРОВ

Специальность 05.18.12. - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском Государственном университете пищевых производств и АООТ крахмало-паточном заводе "Новлянский"

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор В.Д.Лазарев

Официальные оппоненты - академик Международной

академии информатизации, доктор технических наук, профессор А.П.Рысин

кандидат технических наук, профессор М.С.Жигалов

Ведущая организация - ВНИИ крахмалопродуктов

Защита диссертации состоится " 14 " мая_1998 г.

на заседании Диссертационного совета К.063.51.07 Московского Государственного университета пищевых производств по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11. Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, просим направлять в адрес Ученого совета университета.

Автореферат разослан " 0 " ОМр&лА 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат технических наук доцент

И.М.Савина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Процесс выпаривания является основным снологическим процессом при производстве патоки, влияющим на качество :ового продукта и на затраты для его проведения. В настоящее время в гхмало-паточной промышленности РФ для сгущения паточных растворов и производстве патоки используются циркуляционные вакуум-выпарные гановки, которые обладают рядом существенных недостатков, связанных с тыл им объемом наполнения корпусов раствором и значительной ерционностью процесса, что затрудняет использование этих аппаратов в :мах с периодически действующими аппаратами (конвертор и вакуум-тарат) и приводит к повышенным энергозатратам и снижению качества гового продукта.

Цель работы состоит в модернизации двухкорпусной пленочной вакуум-парной установки с четырьмя подогревателями и термокомпрессором для ее ¡толкования при совершенствовании процесса выпаривания паточных атворов.

Методы исследования. В работе использовались аналитические, 1фические и экспериментальные методы исследования. Экспериментальные: я определения коэффициентов расхода оросительного насадка; для ределения влажности сокового пара на выходе из сепаратора и его цравлического сопротивления. Анализ аналитических зависимостей оводился на ЭВМ Pentium-166 стандартными программами "Mathematic".

Научная новизна:

теоретически обоснован выбор типа оросительного устройства к еночному выпарному аппарату для сгущения патоки;

экспериментально определены коэффициенты расхода выбранного типа осительного устройства;

экспериментально установлено влияние на процесс центробежной тарации сокового пара в пленочном выпарном аппарате геометрических шеров сепаратора и режимных параметров процесса;

получены обобщенные зависимости для расчета величины влажности кового пара на выходе из завихрителя и сепаратора и его гидравлического противления при принятых геометрических и режимных параметрах работы таратора;

составлена математическая модель двухкорпусной пленочной вакуум-тарной установки с четырьмя подогревателями и термокомпрессором, торая реализована для практического использования;

определены оптимальные параметры работы пленочной выпарной тановки в стационарном режиме;

получена формула для расчета оптимального времени работы и средней оизводительности пленочной ВВУ между чистками от накипи.

Практическая ценность. На основании проведенных исследований был рассчитаны и изготовлены оросительные устройства и цилиндрическк сепараторы с лопастными тангенциальными заверителями, которые был установлены на корпусах выпарных аппаратов при модернизаци двухкорпусной пленочной вакуум-выпарной установки с четырь.\ подогревателями и термокомпрессором на Новлянском крахмало-паточно заводе. По результатам расчетов с использованием математической модел выбран и предложен для использования в производстве оптимальный режи работы пленочной вакуум-выпарной установки.

Ввод в эксплуатацию указанной установки позволил более чем в два ра: сократить расход пара, снизить расход охлаждающей воды на конденсатор электроэнергии на вакуум-насос в 1,5 раза при производстве патоки, а так» повысить качество готового продукта за счет снижения кислотности патоки I 20% и цветности - на 40%.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работ докладывались на Международной научно-технической конференци "Пищевая промышленность России на пороге XXI века. Научное и инженерш обеспечение пищевых и перерабатывающих отраслей АПК" (Москва, МГАП1 1996); на научно-технической конференции "Теоретические и практичеси аспекты основных положений расчета процессов и аппаратов пищевь производств" (Москва, МГУПБ, 1996); на II Международной научи-технической конференции "Пища. Экология. Человек" (Москва, МГУПБ, 199"/

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шест глав, библиографического списка использованной литературы (11 наименований), 10 приложений; изложена на 159 страницах машинописно; текста, содержит 4 таблицы, 34 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показано, что совершенствование процесса выпариват паточных растворов можно достичь путем ведения процесса выпаривания тонком слое. Этот способ выпаривания имеет ряд преимуществ по сравнении: широко применяемым в настоящее время в крахмало-паточт промышленности способом выпаривания в циркуляционном контуре. Одно главных преимуществ выпаривания в тонком слое состоит в значительш сокращении времени тепловой обработки продукта, что в свою очере значительно улучшает качество готового продукта. Поэто: совершенствование процесса выпаривания паточных растворов, основанно на последних достижениях науки и практики, и отвечающего современно уровню производства, составляет важную народно-хозяйственную проблему.

Исследований, посвященных вопросу выпаривания паточных растворов в -жом слое, в нашей стране очень мало, а в зарубежной литературе иводягся слишком ограниченные данные. За последние годы в Российской дерации все более широко начинают применять в молочной и консервной омышленностях ввозимые из-за границы пленочные выпарные аппараты, горые ввиду отсутствия опыта работы на них, а также необходимых )ретических и экспериментальных данных, не могут быть успешно пользованы в крахмало-паточной промышленности.

Данная работа посвящена теоретическому и экспериментальному следованию работы оросительного и сепарирующего устройств пленочного парного аппарата для сгущения патоки с целью получения необходимых иных для расчета и конструирования пленочных вакуум-выпарных гановок, а также научно обоснованного выбора оптимального режима их эоты. Кафедра "Процессы и аппараты пищевых производств" МГУПП имеет лыпой опыт по расчету, проектированию и оптимизации пленочных парных установок для сахарной и молочной промышленностей, который пользован при выполнении этой работы.

В первой главе изложен обзор научных публикаций и патентных териалов, на основании которого определены конкретные задачи данной боты, решение которых необходимо для достижения ее цели, ормулированной выше.

В настоящее время в крахмало-паточной промышленности РФ миологический процесс сгущения паточного раствора осуществляют двумя особами: одноступенчато при выпаривании в периодически работающем куум-аппарате и двухступенчато в многокорпусной выпарной установке с следующим увариванием патоки до стандартного значения сухих веществ в риодически действующих выкуум-аппаратах. В связи с тем, что в указанных особах при производстве патоки используются циркуляционные выпарные параты, эти способы выпаривания имеют ряд существенных недостатков, шовные из них - большой объем наполнения выпарных аппаратов раствором значительный унос раствора с соковым паром. Указанные недостатки, а кже высокие удельные расходы пара и охлаждающей воды показывают, что «меняемые на большинстве крахмало-паточных заводов вакуум-выпарные тановки циркуляционного типа не соответствуют уровню и масштабам временного производства патоки и дальнейшее их применение становится ономически невыгодным.

Достигнуть интенсификации процесса выпаривания паточного раствора жно путем ведения его в тонком слое в пленочном выпарном аппарате, зучение различных конструкций пленочных выпарных аппаратов позволило тановить, что наиболее целесообразно для сгущения паточных растворов шменение пленочных аппаратов с нисходящим потоком вторичного пара и атвора, у которых пленка раствора образуется при помощи оросительного

устройства. Исследование работы различных видов оросительных устройст показало, что его тип и конструктивное оформление в основном зависит о физических свойств подлежащего выпариванию раствора. По этой причин используемые в сахарной, молочной и консервной промышленностя: пленочные вакуум-выпарные установки не могут быть успешно применен! при производстве патоки без существенного изменения оросительнол устройства и режима работы установки. Опыт эксплуатации пленочны: вакуум-выпарных установок показал, что устойчивая работа этих установок ; значительной степени также зависит от условий сепарации сокового пара ] режима работы сепараторов.

Объектом исследования в данной работе выбрана двухкорпусна пленочная вакуум-выпарная установка с четырьмя подогревателями 1 термокомпрессором паспортной производительностью 2000 кг испаренно! влаги в час при сгущении цельного молока. Эта установка в виду плохо] работы оросительного устройства и сепаратора сокового пара был; демонтирована на молочном заводе и вновь смонтирована на Новлянскор крахмало-паточном заводе для ее дальнейшей модернизации на основ проведенного исследования в данной работе.

В целях получения необходимых данных для расчета оптимальны: конструктивных и режимных параметров работы оросительного устройства ] сепаратора сокового пара пленочной вакуум-выпарной установки ] оптимизации режима ее работы необходимо решить следующи взаимосвязанные задачи:

1) установить взаимосвязь между основными конструктивными ] режимными параметрами в пленочных выпарных аппаратах;

2) теоретически обосновать выбор типа оросительного устройства пленочному выпарному аппарату для сгущения патоки;

3) экспериментально определить коэффициент расхода выбранного тип оросительного устройства;

4) выбрать тип сепарирующего устройства к пленочному выпарном аппарату;

5) провести экспериментальное исследование выбранного тип сепаратора для получения необходимых данных для его расчета;

6) составить математическую модель модернизированной двухкорпусно пленочной вакуум-выпарной установки с четырьмя подогревателями термокомпрессором для ее реализации при оптимизации работы выпарно установки;

7) провести экспериментальное исследование модернизированно пленочной вакуум-выпарной установки;

8) сопоставить данные экспериментального и математическог исследований пленочной вакуум-выпарной установки для выявлени адекватности математической модели ее промышленному оригиналу;

9) выбрать оптимальный режим работы пленочной вакуум-выпарной тановки в условиях накипеобразования.

Вторая глава посвящена выбору и расчету оросительного устройства к еночному вакуум-выпарному аппарату для сгущения паточного раствора.

Для установления взаимосвязи между основными конструктивными и жимными параметрами в пленочном выпарном аппарате теоретически лучены зависимости, которые позволяют при известных геометрических змерах пленочного выпарного аппарата, плотности орошения выпарных труб физических свойствах раствора определить время пребывания раствора в парате. Полученные уравнения могут быть использованы при оптимизации нструктивных параметров оросительного устройства пленочного выпарного парата.

Наиболее простым способом орошения в пленочном выпарном аппарате ляется перелив жидкости через верхние кромки выпарных трубок. Нетрудно 1казать, что при плотностях орошения, имеющих место в пленочных тарных аппаратах, высота уровня жидкости над кромкой кольцевого дослива составляет 2,3-^2,5 мм. При уменьшении уровня всего на 0,5 мм (из-неточности монтажа и наличия градиента уровня на трубной решетке) :отность орошения уменьшится в 1,5 раза, что может привести к оголению сти выпарных труб.

При орошении выпарной трубки с помощью щелевого насадка над ним танавливается определенный уровень, достаточный для того, чтобы градиент овня, неточность изготовления и монтажа не оказывали существенного ияния на равномерность орошения. Высота столба жидкости на трубной шетке в пленочных аппаратах с такими насадками обычно колеблется в юделах 1 ОН 00 мм. В таком диапазоне изменения напора плотность юшения может плавно меняться в 3,2 раза, однако, сравнительно небольшая ярина щели (0,2ч-1,0 мм) заставляет подавать на выпаривание раствор с гсокой степенью очистки.

Как показало экспериментальное исследование, для того чтобы транить засорение щели оросительного насадка при выпаривании паточного створа необходимо увеличить ее ширину до 3 мм, при этом для сохранения »стоянной плотности орошения необходимо уменьшить напор в 9 раз. Чтобы :ключить влияние градиента уровня при малой высоте столба жидкости на убной решетке на равномерность ее орошения, необходимо создать ютиводавление в кольцевом зазоре между выпарной трубкой и щелевым гадком.

Выбранный нами тип щелевого оросительного устройства для геночного выпарного аппарата представлен на рис. 1. Работа оросительного :тройства происходит следующим образом. Подлежащий выпариванию точный раствор поступает в напорную камеру (1) пленочного выпарного тарата и попадает на распределительный диск (2). Под напором

установившегося столба жидкость через отверстия диаметром 8-10 мм в диск (2) распределяется на поверхности трубной решетки (4) и через кольцево] водослив шириной 3 мм стекает в кипятильные трубы (6). Для получения н, распределительном диске (2) столба жидкости высотой 15-4-30 мм числ< отверстий в нем делают в три раза меньше числа кипятильных труб, располага их в центре тяжести треугольника, соединяющего центры трех рядок расположенных кипятильных труб. После закипания жидкости до наступлени установившегося режима вторичный пар отводят одновременно из верхней ] нижней частей кипятильных труб (6). Вторичный пар, проходя через зазо] между кипятильной трубой (6) и закрытым снизу заглушкой (5) польи цилиндрическим насадком (3) за счет трения его о жидкость препятствуе' свободному стеканию жидкости в кольцевой зазор, способствуя этт накоплению жидкости на трубной решетке (4). Через отверстия в боково] поверхности цилиндрического насадка (3) вторичный пар поступает : напорную камеру (1) и через штуцер (8) отводится из аппарата. Сопротивлени на пути вторичного пара, уходящего из верхней части кипятильных труб (6 выбирают меньшим, чем при движении его через нижнюю часть труб (6) чере штуцер (7), поэтому в аппарате возникает разность давления пара кипятильных трубах (6) и напорной камере (1) над распределительным диско: (2). Эта разность давления уравновешивается давлением столба жидкостг скопившейся на трубной решетке (4). После наступления равновесия сюл жидкости на трубной решетке (4) препятствует прорыву пара в напор!^ камеру (1) и позволяет кольцевому водосливу работать в напорном режиме производительностью, которую он имеет при безнапорном движении жидкост через водослив до закипания ее в аппарате. Наличие столба жидкости н трубной решетке исключает неравномерность растекания жидкости по ней, неодинаковая чистота обработки кромок водослива и допустимое отклонени аппарата от вертикали при монтаже практически не влияют на равномерност орошения теплообменной поверхности.

Для расчета оросительного устройства необходимо знать значени коэффициента расхода оросительного насадка при различных режимах работ] выпарного аппарата. Коэффициент расхода выбранного цилиндрическог насадка определяли экспериментально на специально созданной для этог установке.

С целью нахождения функциональной зависимости д, = А-Яе'ж в явно виде были проведены опыты с паточным раствором при изменении чисе Рейнольдса от 5 до 800. В диапазоне изменений чисел Рейнольдса 5 < Яеж < б найденная эмпирическая зависимость имеет вид

ц, = 0,259-11е^1М, (1)

для чисел Рейнольдса 60 < Яеж < 800 получена зависимость

Я =0,435-^". (2)

Рис. 1. Схема пленочного выпарного аппарата

1 - напорная камера; 2 - распределительный диск; 3 - полый цилиндрический насадок; 4 - трубная решетка; 5 - заглушка; 6 - кипятильная трубка; 7 - нижний патрубок для вторичного пара; 8 - верхний патрубок для вторичного пара.

В третьей главе приведено описание опытной установки для исследования процесса сепарации сокового пара в пленочном выпарном аппарате, методики экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных. Опытная установка состоит из пленочногс выпарного аппарата, соединенного тангенциально лопастным завихрителем с цилиндрической частью центробежного сепаратора, подключенного к поверхностному конденсатору; двух сборников; трех насосов и паровогс коллектора. Пленочный выпарной аппарат имеет диаметр Б = 400 мм и поверхность нагрева 35 м2. Лопастной завихритель прямоугольной формы с шириной щели, равной половине ее высоты. В завихрителе предусмотрев замена числа лопастей, отличных по размеру и профилю. Цилиндрическая обечайка сепаратора диаметром И = 800 мм выполнена из четырех съемных секций с высотой каждой секции, равной ее диаметру. В цилиндрической части каждой секции предусмотрены смотровые окна с подсветкой для визуального наблюдения за процессом.

Измерение величины гидравлического сопротивления сепаратора осуществлялось с помощью дифманометра, заполненного подкрашенной жидкостью и подсоединенного к импульсным шгуцерам, расположенным на входе и выходе из сепаратора. В непосредственной близости от отверстия отбора устанавливался разделительный сосуд, который в случае попадания капель жидкости в систему отделял их.

Для обработки результатов эксперимента использовалась ЭВМ РепИиш-166 со стандартными программами "МаШетайс".

Изучение процесса сепарации капельного уноса с соковым паром в поле центробежных сил проводилось определением влияния основных факторов не эффективность процесса сепарации: скорости входа сокового пара гм начальной влажности пара (1-х)И, геометрии лопастного тангенциального завихрителя и цилиндрической части сепаратора. Выбор конструкции лопастного тангенциального завихрителя и геометрии цилиндрической частг сепаратора осуществлялся определением степени влияния числа лопастей I

У>

завихрителе, угла входа пара в канал аю, фактора п = "" , характеризующего

^кан

сепарацию капель из потока пара в завихрителе, фактора р =

характеризующего сепарацию капель в цилиндрической части сепаратора отношения высоты сепаратора к его диаметру на эффективность процесс: сепарации при наименьших гидравлических потерях.

Требования к очистке паров в сепараторе высоки: достичь вёличинь влажности пара 1-х = 1 (У5 +10~6, получить чистый конденсат со всех корпусо! выпарных аппаратов для его рационального использования по замкнуто! схеме.

Эксперименты по определению влияния па процесс сепарации числа попастей в завихрителе, угла входа потока в канал, соотношения диаметра О и высоты Н цилиндрической части сепаратора проводились при принятой из эбзора литературы прямоугольной форме канала завихрителя с лопастями, профилированными по дуге окружности, при геометрическом соотношении

у>

для завихрителя = 1, числе лопастей от 1 до 3 и огет=15°. Скорость входа

ных

сокового пара в завихритель изменялась от 10 м/с до 50 м/с, начальная влажность пара от 0,02 до 0,09, концентрация паточного раствора от 35% СВ да 65% СВ.

Исследование влияния конструктивных параметров завихрителя на величину влажности сокового пара после сепаратора показало, что увеличение числа лопастей приводит к снижению уноса из сепаратора и уменьшению гидравлического сопротивления. Эффективность работы сепаратора зависит гакже от правильного выбора зоны поперечной сепарации. Если высота цилиндрической зоны выбрана меньше оптимальной, то часть дисперсной фазы будет уноситься из сепаратора. В случае, если высота зоны сепарации зыбрана больше оптимальной, то с волновой поверхности пленки ^сепарированной жидкости потоком пара могут срываться капли, что приводит к образованию вторичного уноса. Из результатов проведенного исследования следует, что оптимальное соотношение диаметра с высотой

-О

цилиндрическом части сепаратора равно — = 0,5. Исследование по

эпределению влияния величины скорости входа пара на эффективность процесса сепарации проводилось в два этапа. Изучалось влияние на процесс :епарации сокового пара в лопастном тангенциштытом завихрителе ¡предварительная сепарация) и в цилиндрической части сепаратора [окончательная сепарация). Величина фактора п изменялась от 1 до 3, фактора о от 3,5 до 6. Увеличение скорости \'вх приводит к снижению величины влажности пара на выходе из завихрителя. Эффективность сепарации повышается и от роста фактора п, что объясняется увеличением поверхности сепарации в каналах завихрителя за счет установки дополнительных лопастей. Для второго этапа окончательной сепарации с увеличением скорости увх эффективность сепарации продолжает возрастать. Увеличение фактора р повышает эффективность процесса. Объясняется это возросшей величиной осевой скорости уос в сепараторе. При обработке экспериментальных данных получено, что для первого и второго этапов сепарации уменьшение влажности сокового пара 1-х ~ уех.

Результаты исследований показали, что значение влажности пара на выходе из лопастного тангенциального завихрителя и сепаратора возрастает с увеличением влажности пара на входе в завихритель (1-х),,. Существенное влияние на эффективность сепарации при высоких значениях начальной

влажности пара оказывает фактор п, увеличение которого за счет установления дополнительных лопастей в канале разгружает основную лопасть от нагрузки по количеству отсепарированной жидкости, уменьшая толщину образующейся пленки. С увеличением фактора р возрастают осевые скорости в сепараторе, что приводит к повышению эффективности сепарации в цилиндрической части. При аппроксимации полученных экспериментальных данных степенной зависимостью получили, что показатель степени зависимости влажности пара (1-х) после завихрителя и после сепаратора от начальной влажности сокового пара (1-х),, равен приблизительно 0,8.

Методом анализа размерностей получено безразмерное математическое описание процесса сепарации в центробежном сепараторе с лопастным тангенциальным завихрителем, которое с учетом всех принятых допущений и преобразований имеет вид

для завихрителя: 1-х=А ■Агм"(1-х)"п,

для сепаратора: 1-х=В-Агма(1-х)/рг.

Зависимость величины влажности сокового пара от критерия процесса центробежной сепарации Агм после завихрителя и сепаратора показана на рис. 2 и 3.

Для стадии предварительной сепарации в завихрителе в результате обработки экспериментальных данных на ЭВМ получено уравнение для расчета величины влажности пара (1-х) на выходе из завихрителя

1-х=2,76-Агм"'53(1-х)н°-8п0'3; 1500 <Агм<28000 (3)

Для определения величины влажности пара на выходе из центробежного сепаратора с лопастным тангенциальным завихрителем (окончательная сепарация) после обработки экспериментальных данных на ЭВМ получено уравнение:

1-х=6,3-10'2-Лг/17(I-х)„Г1У''5; 700 <Аги<8000 (4)

Исследование по определению величины гидравлических потерь в сепараторе показало, что величина гидравлического сопротивления в диапазоне изменения основного фактора процесса - скорости v^ от 10 до 45 м/с и начальной влажности сокового пара (1-х)н от 0,02 до 0,09 приводит к температурным потерям в сепараторе до 0,4°С, что можно признать вполне удовлетворительным. При обработке большого количества экспериментальных данных получена зависимость

р У2 "У, F D

Среднеквадратичное отклонение расчетных данных по уравнениям (3) (4) и (5) от экспериментальных не превышает 5%.

По результатам исследования можно сделать вывод, что центробежньп сепаратор с лопастным тангенциальным завихрителем обеспечивает высокую и

Рис.2. Зависимость влажности пара (1-х) на выходе из завнхрителя от критерия Агм, (1-х)н^0,05.

Рис. 3. Зависимость влажности пара (1-х) после сепаратора от критерия Лг (1-х)н=0.05.

надежную сепарацию соковых паров до содержания не более 0,01% СВ в соковом конденсате в указанном диапазоне изменения скорости ую и величины начальной влажности сокового пара (1-х),,.

Полученные зависимости для определения величины влажности пара (1-х) на выходе из сепаратора и его гидравлического сопротивления могут быть рекомендованы для расчета указанного типа сепаратора к пленочным выпарным аппаратам паточного производства.

Четвертая глава посвящена математическому описанию процессов в модернизированной пленочной двухкорпусной вакуум-выпарной установке (ВВУ), работающей с четырьмя подогревателями и термокомпрессором. На основании проведенных исследований были рассчитаны и изготовлены оросительные устройства и цилиндрические сепараторы с лопастными завихрителями к двухкорпусной пленочной ВВУ. Общая технологическая схема модернизированной двухкорпусной пленочной ВВУ представлена на рис. 4. После замены оросительных устройств, установки цилиндрических сепараторов с лопастными завихрителями на корпусах пленочных выпарных аппаратов и необходимых изменений в тепловой схеме установка была смонтирована в паточном цехе Новлянского крахмало-паточного завода. Установка предназначена для сгущения паточного раствора до концентрации 63-4-65% СВ с дальнейшим увариванием патоки до стандартной концентрации в вакуум-аппаратах.

Для исследования пленочной ВВУ аналитическими методами была составлена ее математическая модель. Исследуемую выпарную установку при составлении математической модели условно разделили на следующие элементы: 1) термокомпрессор; 2) греющие камеры I и II корпусов, четырех подогревателей и конденсатора; 3) поверхности нагрева I и II корпусов, четырех подогревателей и конденсатора; 4) парожидкостные пространства I и II корпусов; 5) жидкостные пространства четырех подогревателей и конденсатора. Математическая модель не составлялась на другие элементы выпарной установки (соединительные трубы, насосы, клапаны и др.), так как эти элементы составляют незначительную часть главных (по массе 3%, по объему менее 2%) и существенно не влияют на балансы массы и тепла.

При составлении математической модели уравнения записывались следующим образом: ым

<м

где: - скорость изменения вещества в определенном объеме, те;-приток

вещества в этом объеме, т2 - отток вещества из этого объема.

Для каждого элемента составлялись уравнения скорости изменения масс, внутренней энергии, массы сухих веществ (концентраций) и уровня жидкости на трубных решетках в парожидкостных пространствах I и II корпусов.

продукт

ДпЛ ^да

НЮ

Рис. 4. Технологическая схема модернизированной пленочной двухкорпусной ВВУ.

<=о стеклянные термометры, термометры сопротивления, ® водомер, 1— датчик давления к манометру, о индукционный расходомер, © дифманометр.

Процессы в термокомпрессоре описаны тремя алгебраическими уравнениями. Математическая модель состоит из 35 дифференциальных и трех алгебраических уравнений. Эту систему нельзя решить с помощью вычислительных машин, так как она содержит больше неизвестных, чем число независимых уравнений. Поэтому система уравнений была упрощена с учетом ее математических и физико-химических свойств, а также конструктивных особенностей. После упрощения вся пленочная ВВУ разделилась на следующее число элементов:

1) по каналам температур на 15 элементов,

2) по каналам концентраций на 2 элемента,

3) по каналам уровня на 2 элемента.

С учетом принятых упрощений, математическая модель пленочной ВВУ составляет замкнутую систему из 22 уравнений, в которой 18 - дифференциальные и 4 - алгебраические.

Полученная упрощенная математическая модель позволяет произвести расчет оптимальной производительности пленочной ВВУ при изменении отдельных конструктивных и технологических параметров.

В пятой главе представлены экспериментальные исследования на модернизированной пленочной двухкорпусной ВВУ с четырьмя подогревателями и термокомпрессором.

Во время проведения экспериментального исследования для измерения требуемых параметров модернизированная пленочная ВВУ кроме контрольных промышленных приборов была оборудована дополнительными приборами. Во время эксперимента проводились замеры 28 параметров.

Для определения каждой динамической характеристики опыты проводились не менее трех раз. Эксперименты были проведены в феврале-мае 1996 года в паточном цехе Новлянского крахмало-паточного завода при следующих условиях:

1) установка работала отдельно от других теплопотребителей и отсутствовали существенные колебания параметров на паровых и водоснабжающих линиях;

2) постоянно контролировалась чистота поверхности нагрева на трубах выпарных аппаратов, подогревателей и конденсатора путем определения коэффициента теплопередачи аппаратов, а также на основе визуального осмотра со стороны жидкости при периодических остановках пленочной ВВУ.

Сравнение зависимостей производительности пленочной ВВУ по испаренной влаге от расхода греющего пара, охлаждающей воды и

длительности непрерывной работы выпарной установки до очистки от накипи, полученных аналитически при моделировании математической модели и экспериментально на промышленной установке, показало их сходимость с погрешностью не более 8% (рис. 5, 6, 7). Достаточно малая разность расчетных и экспериментальных величин свидетельствует о правильности принятых допущений и адекватности математической модели ее промышленному объекту.

В шестой главе составлена математическая модель пленочной ВВУ, работающей в стационарном режиме. Решение системы уравнений статической модели позволило получить оптимальные значения расхода пара, охлаждающей воды и продолжительности работы выпарной установки до остановки ее на чистку от накипи.

Задача оптимизации в этом случае свелась к задаче линейного программирования. Она включает в себя уравнения статической математической модели, целевую функцию 2 = Щт). 1¥(т) -> шах при ограничениях Ош„ <О0 <йтах, £>„,,, <Втах.

Ограничение расхода пара связано с нарушением устойчивой работы термокомпрессора при малом расходе острого пара и образованием накипи и ухудшением качества продукта при повышенном расходе греющего пара.

Зависимость производительности пленочной ВВУ от расхода пара в ограниченных пределах изображена на рис. 5 и рассчитана из уравнений математической модели. Оптимальный расход пара, найденный из статической модели составил: Д>= 1027 кг/ч при г„=98°С.

Ограничение расхода охлаждающей воды учитывает необходимость создания надежного гидрозатвора в конденсаторе, а также максимальную пропускную способность трубопровода и регулирующего клапана. На рис. 6 представлена зависимость производительности выпарной установки от расхода охлаждающей воды в ограниченных пределах, рассчитанная по статической математической модели. Видно, что с увеличением расхода воды сразу возрастает и производительность, но начиная с некоторого предела производительность изменяется незначительно, что и определяет оптимальный расход воды Ц, = 20 м3/ч при г„„ = 15°С; Ов = 24 мЛ'ч при Кн = 20°С.

Зависимость производительности выпарной установки от уровня жидкости на трубной решетке была определена по опытным данным. По критерию производительности оптимальный уровень жидкости на трубной решетке выпарного аппарата составляет от 30 до 80 мм.

700 800 900 1000 1100 $)0, *ф

Рис. 5. Зависимость производительности пленочной ВВУ от расхода греющего пара:

1 - расчетная кривая; 2 - экспериментальная кривая.

Рис. 6. Зависимость производительности от подачи воды в конденсатор: 1,2 - при Г„„=15°С соответственно теоретическая и экспериментальная кривые; 3, 4 - при Г„„=20°С соответственно теоретическая и экспериментальная кривые.

3000 2900

2800 2700 2600

O 100 200 300 400 %4

Рис. 7. Зависимость общей производительности IV, средней производительности Wc, от непрерывной работы пленочной ВВУ между очистками:

1 - кривая, построенная по данным эксперимента,

2 - кривая, рассчитанная по уточненной формуле.

Рис. 8. Зависимость нарастания накипи на поверхности трубок

1 - I калоризатора, 2 - II калоризатора от непрерывной работы пленочной ВВУ.

Экспериментально установлено, что при длительной работе пленочной выпарной установки меняется состояние поверхности нагрева. Это происходит в результате отложения накипи на поверхности теплообмена, что влияет на коэффициент теплопередачи, а тем самым и на производительность выпарной установки. Из графика (рис. 7) видно, что при работе 350 часов оптимальная производительность пленочной ВВУ наблюдается в интервале 80-240 часов. При продолжительности работы ВВУ более 240 часов средняя производительность снижается на 10%. Это обстоятельство обусловило поиск оптимальной длительности цикла и его средней производительности. Получена зависимость:

где: тр - время непрерывной работы установки, тпс - время остановки для выгрузки и заполнения раствором, которое можно подсчитать для каждого конкретного случая; Ач = 0,012-4-0,015 - коэффициент пропорциональности времени очистки от продолжительности работы выпарной установки (рассчитан из данных эксперимента).

Оптимальное время работы выпарной установки до ее остановки на чистку от накипи химическим путем, рассчитанное по этому уравнению составляет тр = 210 часов.

Из анализа данных, полученных при моделировании производительности при непрерывной работе пленочной выпарной установки видно, что зависимость \¥ =/(Тр) имеет максимум (рис. 7).

Экспериментально получена зависимость роста толщины слоя накипи от времени непрерывной работы пленочной выпарной установки (рис. 8). Из данных этой зависимости были рассчитаны коэффициенты Рн, учитывающие термическое сопротивление слоя накипи. Численные значения коэффициентов Д, при выпаривании паточных растворов составляют: при среднем количестве сухих веществ 35-4-36%- Д, = 5,2-10"8 м2/Дж, при среднем количестве сухих веществ 604-65%-

1. Проведенный анализ существующих в настоящее время способов сгущения паточного раствора показал, что им присущи недостатки, связанные с периодичностью действия и несовершенством конструкции выпарных аппаратов, применяемых при производстве патоки.

(6)

-Д = 13,1-Ю"8 м2/Дж.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

2. Теоретически установлена взаимосвязь между основными конструктивными размерами и режимными параметрами работы пленочной ВВУ, что дало возможность рассчитать оптимальное время пребывания раствора в корпусах выпарных аппаратов. Экспериментальная проверка показала, что расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превышает 5%.

3. Получены зависимости для расчета выбранного типа оросительного устройства к пленочному выпарному аппарату.

4. Для выбранного типа центробежного сепаратора с лопастным тангенциальным завихрителем к пленочному выпарному аппарату получены зависимости, позволяющие рассчитать влажность сокового пара на выходе из завихрителя и сепаратора и его гидравлическое сопротивление при принятых геометрических и режимных параметрах работы сепаратора.

5. Разработанные конструкции оросительного и сепарирующего устройств установлены на корпусах пленочных выпарных аппаратов при модернизации двухкорпусной пленочной ВВУ с четырьмя подогревателями и термокомпрессором.

6. Производственные испытания пленочной ВВУ показали, что все трубы поверхности нагрева выпарных аппаратов орошаются равномерно и следов продукта в конденсате сокового пара с выпарной установки не обнаружено.

7. Составлена математическая модель двухкорпусной пленочной ВВУ с термокомпрессором и четырьмя подогревателями. Изложена методика получения упрощенной математической модели, составлена и реализована для практического использования статическая математическая модель пленочной ВВУ. Адекватность математической модели и ее промышленного оригинала обеспечивается небольшой разностью (5-8%) между расчетными и экспериментальными данными.

8. Получены оптимальные значения режимных параметров работы пленочной ВВУ в стационарном режиме: температура греющего пара ?„ = 98°С, расход греющего пара £)0= 1027 кг/ч; расход охлаждающей воды на конденсатор Ц, = 20 м3/ч при температуре охлаждающей воды на входе Г„ч= 15°С и Ц,= 24 м3/ч при /„„ = 20°С; время работы установки до остановки ее на чистку от накипи ^ = 210 ч; уровень раствора на трубной решетке пленочного выпарного аппарата 0,03 м < к < 0,08 м.

9. Получена формула для расчета оптимального времени работы и средней производительности пленочной выпарной установки между чистками от накипи.

10. Рассчитана величина коэффициента @н, учитывающего термическое сопротивление слоя накипи в зависимости от времени выпаривания паточных растворов различной концентрации.

11. Ввод в эксплуатацию модернизированной пленочной ВВУ на Новлянском крахмало-паточном заводе позволил более чем в два раза сократить расход пара в паточном цехе, снизить расход охлаждающей воды на конденсатор и электроэнергии на вакуум-насос в 1,5 раза, а также значительно повысить качество готового продукта за счет снижения кислотности патоки на 20% и цветности - на 40%.

СПИСОК ПЕЧАТНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лазарев В.Д., Прокушенкова C.B. О выборе рационального режима работы пленочной выпарной установки. Хранение и переработка сельхозсырья, 1996. - №2. - С. 22-23.

2. Лазарев В.Д., Старое В.М., Прокушенкова C.B. Обобщенная модель кинетики гидролиза крахмала. Хранение и переработка сельхозсырья, 1996. - №5. - С. 22-23.

3. Лазарев В.Д., Прокушенкова C.B., Воинов А.И., Грачев С.Г., Носов В.И. Пленочная вакуум-выпарная установка МГАПП. Пищевая промышленность, 1996. - №8. - С. 54-55.

4. Лазарев В .Д., Прокушенкова C.B. О результатах испытания пленочной вакуум-выпарной установки МГАПП // Тез. докл. Междунар. научн.-технич. конф. "Пищевая промышленность России на пороге XXI века. Научное и инженерное обеспечение пищевых и перерабатывающих отраслей АПК". - Москва, МГАПП, 1996. - С. 90-91.

5. Лазарев В .Д., Прокушенкова C.B. Определение времени пребывания раствора в пленочном выпарном аппарате. Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук, 1996. - №6. - С. 7778.

6. Лазарев В.Д., Прокушенкова C.B. Выбор оптимального режима работы пленочной вакуум-выпарной установки МГАПП // Тез. докл. конф. "Теоретические и практические аспекты основных положений расчета процессов и аппаратов пищевых производств". - Москва, МГУПБ, 1996. - С. 74-75.

7. Лазарев В.Д., Прокушенкова C.B. Сепарация сокового пара в пленочной вакуум-выпарной установке МГАПП. Хранение и переработка сельхозсырья, 1997. - №2. - С. 30-31.

8. Лазарев В.Д., Прокушенкова C.B. Совершенствование процесса сгущения паточных растворов II Тез. докл. H Международной научн.-технич. конф. "Пища. Экология. Человек."-Москва,МГУПБ, 1997.-С.117.

S. V.Prokouch enkova

Dissertation "The Improvement of evaporation process of glucose syrup solutions"

Speciality 05.18.12 - Processes and Apparatus of Food Production

ABSTRACT

The film-type vacuum evaporator for down glucose syrup solutions is presented in the given research work.

The irrigator and separator to this film-type vacuum evaporator are estimated and designed.

The mathematical model to optimaze the work of the film-type vacuum evaporator is prepared and experimentally.

The above film-type vacuum evaporator was put into operation at the Novlyansk starch-glucose syrup factory.

Заказ №20.Тираж 100 экз. Печать офсетная.

Издательский комплекс МГУПП. 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 11