По ходу процесса аппаратчику приходится нагревать или охлаждать обрабатываемые жиры и применяемые материалы, создавать в аппарате повышенное или пониженное против атмосферного давление. Эти операции оказывают существенное влияние на ход технологических процессов и качество получаемой продукции. Они влияют также на расход греющего пара, охлаждающей воды и электроэнергии.
Нагревание и охлаждение
Расход теплоты на нагревание. Расход теплоты на нагревание вещества зависит от его состава и температуры. Количество теплоты, затрачиваемое на нагревание 1 кг вещества, представляет собой его удельную теплоемкость. Удельная теплоемкость воды 4,19 кДж/(кг К), жиров 1,6-2,2 кДж/(кг К). Для приближенных расчетов принимают среднюю удельную теплоемкость жиров в интервале температур до 100°С сж = 2,1 кДж/(кг К) [0,5 ккал/(кг-град)].
Расход теплоты Q (в кДж) на нагревание вещества массой М и удельной теплоемкостью с от начальной температуры t1 до конечной t2 можно рассчитать по уравнению
Q = c М(t2 - t1).
Пример. Определить расход теплоты на нагревание 5000 кг подсолнечного масла от t1 = 20° С до t2 - 95° С. Удельная теплоемкость масла принимается 2,1 кДж/(кг К). При подстановке всех значений в уравнение получается, что Q = 2,1 5000 (95-20) = 787500 кДж.
По формуле получается теоретический расход теплоты. С учетом потерь теплоты аппаратурой практический расход примерно на 10% выше расчетного.
Свойства водяного пара. В производственной практике рафинационных цехов для нагревания жиров, воды и вспомогательных материалов, как правило, используют водяной пар. Применение водяного пара в качестве теплоносителя обусловлено следующим:
простотой получения в заводской котельной и доставкой по трубопроводам одновременно многим потребителям;
отсутствием агрессивности и возможностью использования для нагревания в обычной стальной аппаратуре;
относительно большим количеством теплоты, которое он может передать нагреваемому материалу.
Для испарения воды ей необходимо передать определенное количество теплоты, которое называется удельной теплотой испарения. При обратном процессе, когда пар превращается в жидкость (конденсат), выделяется такое же количество теплоты. Ее в основном используют для нагревания сырья и материалов.
Удельная теплота испарения воды зависит от ее температуры и давления. При 100°С и давлении 0,1 МПа (1 кгс/см2) удельная теплота испарения воды составляет 2260 кДж/кг (540 ккал/кг). При повышении температуры и давления удельная теплота испарения несколько снижается, в то же время общее теплосодержание водяного пара повышается. С учетом этого для нагревания выгодно применять водяной пар более высокого давления и соответственно более высокой температуры.
Общее теплосодержание - это теплосодержание жидкости при данной температуре плюс теплота испарения.
Чтобы теплота переходила от одного тела к другому, между нагреваемым и нагревающим телами должна быть некоторая разность температур. Чем она больше, тем интенсивнее идет передача теплоты. В практике рафинационных цехов разность температур между паром и жиром должна быть не менее 20-30° С. Большинство операций по рафинации проводится в пределах 100° С, поэтому для работы рафинационных цехов достаточно иметь водяной пар давлением на входе в цех в пределах 0,3-0,4 МПа (3-4 кгс/см2). Для работы дезодорационных линий непрерывного действия часто применяют водяной пар давлением 3,5 МПа (35 кгс/см2), что позволяет нагревать жир до 220-230° С.
Когда в котельной не вырабатывается пар нужного давления, иногда устанавливают местные парогенераторы специально для обслуживания дезодорационных установок.
Водяной пар называется сухим насыщенным. Состояние его является неустойчивым. Даже сравнительно небольшое снижение температуры, например, из-за тепловых потерь в паропроводе, вызывает конденсацию некоторого количества пара.
В результате конденсации образуется смесь пара с капельками воды. Такой пар называется влажным. Его полезная теплоотдача уменьшается, а передача по паропроводам затрудняется. Чтобы предупредить это явление, водяной пар в котельной дополнительно нагревают, поднимая его температуру выше той, которая необходима для испарения. Такой пар называется перегретым. Величина перегрева зависит от местных условий, в том числе от расстояния от котельной до производственных цехов. Обычно перегрев на 30-50° С обеспечивает поступление к теплопотребляющей аппаратуре достаточно сухого водяного пара.
Важным условием экономного использования водяного пара является его обязательная конденсация в рубашке или змеевике аппарата, в котором происходит нагревание. Если пар будет проходить, не конденсируясь, как говорят, напролет, то большая часть содержащейся в нем теплоты потеряется бесполезно. Для приближенных расчетов принимают, что в среднем 1 кг конденсирующего водяного пара передает нагреваемому материалу 2100 кДж (500 ккал) теплоты. Сопоставив эту теплоотдачу со средней удельной теплоемкостью жиров, можно установить, что 1 кг водяного пара в состоянии нагреть на 1° С до 1000 кг жиров.
Практически для испарения 1 кг воды, содержащейся в жире, надо затратить 1,1-1,2 кг греющего водяного пара.
Образующаяся в результате охлаждения водяного пара вода называется конденсатом. Его обычно спускают в сборный резервуар, из которого затем перекачивают для дальнейшего использования. В одних случаях его возвращают в котельную и добавляют к питательной воде, подаваемой в паровые котлы. В других случаях конденсат используют в рафинационном цехе для технологических целей (промывка жиров, растворение щелочи и соли и т. д.). Поскольку в конденсате нет солей жесткости, он относится к очень мягкой воде, применение которой повышает качество рафинированных жиров.
При сборе конденсата необходимо следить, чтобы из сборного резервуара непрерывно и свободно выходил образующийся водяной пар. Несоблюдение этого условия может вызвать аварию резервуара.
Сушка жиров. Вода в жирах не растворяется. Однако жиры способны удерживать в своем объеме некоторое количество воды, которая трудно отделяется даже при длительном отстаивании. Полностью удалить эту воду удается только испарением. Такую операцию обычно называют сушкой. Чтобы испарить воду, необходимо жир нагреть до температуры кипения воды и передать ему столько теплоты, сколько необходимо, чтобы вся содержащаяся в жире вода превратилась в пар.
Температура кипения воды тем ниже, чем меньше давление, при котором ведется сушка жира. Так, при давлении 9,8 кПа (0,1 кгс/см2) вода начинает кипеть при 45,6° С; при давлении 98 кПа (1 кгс/см2) температура кипения воды повышается до 100° С. На практике жир сушат при возможно меньшем остаточном давлении в аппарате, т. е. под разрежением.
Охлаждение жиров. Чтобы снизить температуру жиров, от них необходимо отвести такое же количество теплоты, которое требовалось для их нагревания. Как правило, жиры охлаждают проточной водой через теплопередающую стенку охлаждающей рубашки или змеевика.
В связи с проводимыми мероприятиями по охране окружающей среды необходимо экономить чистую воду, поэтому для охлаждения желательно применять оборотную воду. Нагретая вода охлаждается на градирне и снова подается в холодильники для жиров.
Когда жир нужно охладить до температуры более низкой, чем температура охлаждающей воды, применяют охлаждающий рассол, который готовят на холодильной установке. Он имеет достаточно низкую температуру (от 10 до -20° С) и может обеспечить необходимое охлаждение жира. Охлаждающий рассол циркулирует по замкнутой системе: пройдя холодильник и частично нагреваясь, он возвращается на холодильную установку.
Охлаждение рассолом всегда обходится дороже, чем водой. Поэтому во всех случаях рекомендуется предварительное охлаждение проводить водой, а затем уже охлаждать до конечной, более низкой температуры рассолом. Соответственно для охлаждения устанавливается два раздельных холодильника: один для охлаждения водой, а второй для охлаждения рассолом.
Оборудование для нагревания и охлаждения жиров. Теплота от более нагретого вещества менее нагретому может передаваться несколькими путями.
При использовании водяного пара наиболее часто теплота передается через поверхность глухой стенки, по одну сторону которой протекает греющий пар, а по другую нагреваемый жир.
Можно нагреть жир, пуская в него струю водяного пара, который, конденсируясь, отдает свое тепло жиру. Этот метод применяют редко, так как образующаяся при конденсации пара вода смешивается с жиром и ухудшает его качество, в частности повышает кислотность.
Для нагревания воды, водных растворов щелочи и соли и некоторых других материалов, где попадание влаги существенно не меняет их качественной характеристики, иногда используют острый пар. Пар, проходя через массу нагреваемого вещества, одновременно перемешивает его, что в ряде случаев представляет определенные удобства.
В рафинационных цехах для нагревания и охлаждения жиров и других материалов используют различное оборудование.
Трубчатый нагреватель предназначен для нагревания жиров или других жидких материалов или воды глухим паром. Нагреватель состоит из стального сварного цилиндрического корпуса, закрытого с двух сторон выпуклыми крышками, соединяющимися с корпусом на фланцах. Внутри корпуса помещена трубчатка, состоящая из пучка труб, ввальцованных или приваренных к трубным решеткам, которые плотно прикреплены к корпусу. По трубам пропускают обрабатываемые жиры, а в межтрубное пространство подают греющий пар. Для интенсификации процесса у больших нагревателей внутренняя полость разделяется перегородками на сектора. Устанавливают от одной до шести перегородок в зависимости от поверхности теплопередачи аппарата.
Обрабатываемый жир последовательно проходит через все сектора, каждый раз меняя свое направление. Благодаря этому интенсифицируется процесс теплопередачи и повышается производительность аппарата. Нагреваемый жир поступает через патрубок, а нагретый уходит через другой патрубок. Греющий пар подается через патрубок. Конденсат выпускается через расположенный в нижней точке аппарата патрубок.
Производительность (пропускная способность) нагревателя зависит от свойств обрабатываемого материала (жир, вода и др.). При всех условиях она тем выше, чем больше разность температур между греющим паром и нагреваемым материалом и чем больше скорости материала и пара. Она зависит также от толщины и состояния стенки, отделяющей обрабатываемый материал от пара. Особенно сильно снижают производительность нагревателей накипь и нагар на теплопередающих поверхностях. Поэтому работу надо вести таким образом, чтобы образовалось минимальное количество отложений, а в случае их появления своевременно их удалять.
Аппараты такой же конструкции могут быть использованы в качестве трубчатых холодильников. В этом случае через патрубок подается охлаждающая вода, которая отводится через патрубок.
Трубчатые нагреватели могут быть горизонтальными или вертикальными.
Пластинчатый нагреватель характеризуется высокой производительностью и маневренностью в работе. Его поверхность сравнительно легко доступна для осмотра и чистки. Нагреватель собирается из отдельных стальных штампованных пластин, монтируемых на раме. Пластины имеют одинаковые габариты, но отличаются расположением входных и выходных каналов. При сборке пластины чередуются и образуют ряд замкнутых камер, по одну сторону которых проходит нагреваемый жир, а по другую греющий пар. Пластины прижимаются друг к другу при помощи двух утолщенных плит - конечной и нажимной, стягиваемых натяжными болтами.
Чтобы пластинчатые нагреватели работали надежно, не давали течи и не парили, очень важна их правильная сборка. В местах соединения пластин друг с другом находится специальная профильная резиновая прокладка, которая должна располагаться точно в гнезде. Гайки при уплотнении нагревателя следует подтягивать постепенно и равномерно на всех болтах. Жир поступает в нагреватель через патрубок и выходит через другой патрубок. Греющий пар подводится через патрубок. Конденсат отводится также через патрубок.
Пластины могут собираться так, что ячейки будут работать параллельно или последовательно. В аппаратах некоторых конструкций часть пластин используется для нагревания, а другая часть - для охлаждения жира.
Для предупреждения отложения накипи пластинчатые нагреватели для жиров периодически, но не реже одного раза в неделю, необходимо промывать водным раствором каустической соды концентрацией 0,7-1,5% при температуре 60-65°С. Перед промывкой из аппарата выпускают жир и специальным насосом прогоняют через него раствор едкой щелочи в течение примерно 30 минут. Затем в аппарат пропускают чистую воду, пока она не начнет выходить из него совершенно прозрачной.
Пластинчатые нагреватели широко применяют в схемах непрерывной рафинации жиров.
Трубчатые и пластинчатые нагреватели и холодильники рассчитаны на непрерывную работу.
Аппарат с паровой рубашкой может выполнять разнообразные функции (нагревание, сушка, перемешивание и т. д.). Теплота от конденсирующегося пара к жиру передается при помощи паровой рубашки. Аппарат имеет вертикальный цилиндрический корпус с коническим днищем и сферической крышкой, на которой расположен плотно закрывающийся люк. У днища и у нижней части корпуса имеется паровая рубашка. Греющий пар вводится в рубашку сверху через патрубок. Конденсат выпускается через расположенный в нижней точке патрубок.
Если жир в аппарате перемешивается, то интенсивность теплопередачи увеличивается и соответственно время, потребное на нагревание, уменьшается. Поэтому аппарат снабжен механической мешалкой, насаженной на вертикальный вал, приводимый в движение электродвигателем через редуктор. Обрабатываемый жир поступает в аппарат через патрубок и выводится из него через другой патрубок.
Аппарат с паровой рубашкой используют для проведения нескольких операций. В нем можно промывать жир. Для этого под крышкой расположено кольцо с душами, через которое подается промывная вода. Спускается вода через нижний патрубок. В аппарате можно сушить жир под вакуумом. Для этого в крышке расположен патрубок, через который аппарат присоединяется к вакуумной системе.
Аппарат снабжен смотровыми стеклами для наблюдения за его работой и комплектом контрольно-измерительных приборов, в том числе термометром и предохранительным клапаном, устанавливаемым на патрубке паровой рубашки.
Аппарат приведенной конструкции с греющей паровой рубашкой является типовым. Разные аппараты отличаются между собой вместимостью, размерами, конфигурацией, поверхностью нагрева и другими деталями, но устройство и принцип действия паровой рубашки сохраняются общими. При отсутствии в аппарате механической мешалки в отдельных случаях применяется перемешивание с помощью острого водяного пара. Однако это нежелательно, так как сопровождается ухудшением качества жира в результате его расщепления. Такое перемешивание небезопасно, так как при неосторожном открывании парового вентиля жир может выплеснуться из аппарата. Недопустимо перемешивание пищевых жиров воздухом, так как это может вызвать их окисление.
Аппарат с паровым змеевиком - это аппарат, нагревающая поверхность которого образована паровыми змеевиками, помещенными внутри него. Конструкция реактора с внутренним греющим змеевиком. Змеевик представляет собой спирально изогнутую трубу различной длины и поверхности, помещенную вертикально параллельно стенкам аппарата. Для интенсификации нагревания аппарат снабжен механической мешалкой.
Паровой змеевик может иметь плоскую форму и располагаться у днища аппарата или резервуара. Работа аппарата осуществляется периодически.
Конденсатоотводчики необходимы для того, чтобы своевременно и непрерывно отводить из нагревающих аппаратов образующийся конденсат. Они устанавливаются непосредственно у аппаратов.
Конденсатоотводчик с шаровым поплавком работает следующим образом. Конденсат, вытекающий из рубашки или змеевика, поступает через патрубок в корпус. По мере его заполнения шаровой поплавок всплывает и поднимается, при этом открывает золотник. В освободившийся просвет устремляется конденсат, который через патрубок отводится в сборник. По удалении конденсата поплавок опускается и золотник закрывает выходное отверстие. После этого начинается новый цикл.
Другой тип конденсатоотводчика (конденсационный горшок). В чугунном литом корпусе находится поплавок, выполненный в форме пустотелого цилиндрического стакана. К крышке поплавка прикреплена труба, погруженная в конденсат, а днище его соединено со штоком, заканчивающимся наверху золотником.
Работает этот конденсатоотводчик следующим образом. Конденсат из аппарата поступает в корпус через патрубок и постепенно заполняет его. В это время поплавок всплывает, золотник закрывает выходной канал для конденсата. Заполнив корпус, конденсат переливается внутрь поплавка. Когда поплавок заполняется, то он под тяжестью конденсата опускается вместе со штоком и золотником. При этом выходной канал открывается и накопившийся конденсат под давлением выталкивается через патрубок как из корпуса конденсатоотводчика, так и из поплавка. После этого поплавок снова поднимается, закрывает выходной канал и процесс повторяется. Таким образом, и этот конденсатоотводчик работает пульсирующе, цикл накопления конденсата чередуется с циклом его выталкивания.
Конденсатоотводчики необходимо систематически проверять, чтобы золотник не заедало, чтобы он не задерживался, как в открытом, так и в закрытом состоянии. В первом случае пар будет проходить напролет, что сопряжено с большим перерасходом его. Во втором случае на греющих поверхностях будет накапливаться конденсат, что приостановит процесс нагревания. При уходе за конденсатоотводчиком аппаратчик должен соблюдать меры техники безопасности, чтобы прорывающийся при подъеме золотника пар не вызвал ожога.