В различных процессах рафинации жиров (сушка, отбеливание, дезодорация и др.), широко используется работа без доступа воздуха и при давлении ниже атмосферного, или, как говорят, под разрежением (понятия «разрежение» и «вакуум» являются идентичными). Разрежение существенно влияет Ha ход технологических процессов и качество получаемых рафинированных жиров.

Физические основы разрежения. Земной шар окружен воздушной оболочкой - атмосферой. В соответствии с действием силы тяжести верхние слои воздуха сжимают нижние слои, создавая некоторое давление, которое передается воздухом на земную поверхность и на все тела, на ней находящиеся. Это давление называют атмосферным и его обозначают в технике несколькими условными единицами, между которыми существует следующая зависимость:

Метрическая система	Международная система
1 атмосфера (техническая) = 1 атм = 1 кгс/см2	98066 Па = 98,066 кПа =0,1 МПа (округленно)
1 мм рт. ст.	133,3 Па
1 мм вод. ст.	9,8 Па = 10 Па (округленно)

Атмосферное давление действует непосредственно у земной поверхности. Чем выше от поверхности земли, тем меньше воздух сжат, а следовательно, и меньше, давление, им оказываемое. На высоте 1 км над уровнем земли атмосферное давление составляет около 90 кПа, а на высоте 10 км - 26,7 кПа, или почти в 4 раза меньше, чем на поверхности земли. Воздух, давление которого ниже атмосферного, называют разреженным.

Разрежение можно создать искусственно. Для этого из аппарата или связанных между собой аппаратов необходимо откачивать находящийся в них воздух. Разрежение будет тем большим, а давление соответственно тем меньшим, чем больше откачано воздуха.

В процессах рафинации жиров для создания разрежения обычно приходится удалять из аппаратов смесь воздуха и водяного пара. При этом используется известный физический закон, согласно которому объем, занимаемый жидкостью, во много раз меньше объема, который занимает эта же масса вещества в парообразном состоянии.

Пример: 1 кг воды занимает объем, равный 0,001 м³. При испарении этой массы воды при 100° С получающийся пар будет занимать объем 1,7 м³, или в 1700 раз больше. Наоборот, при превращении 1 кг полученного при этих условиях водяного пара в воду (конденсация) объем, занимаемый им, уменьшается в 1700 раз.

Если конденсация проводится в замкнутой герметичной системе, куда не проникает атмосферный воздух, в системе создается пониженное давление - разрежение.

Таким образом, когда в системе кроме воздуха и газов находятся пары какого-либо вещества, в том числе водяные, то аппаратура, с помощью которой создается разрежение, состоит из двух частей - конденсаторов для сжижения паров и воздушного насоса для откачки несконденсировавшихся газов и воздуха.

В общем виде схема создания разрежения приведена ниже.

Смесь паров с воздухом и газами из аппаратов поступает в конденсатор, куда одновременно подается охлаждающая вода. Пары конденсируются и отводятся из конденсатора в смеси с охлаждающей водой, а несконденсировавшиеся газы и воздух откачиваются воздушным насосом и выбрасываются в атмосферу.

Оборудование для создания разрежения. В технике известно большое количество типов воздушных насосов для откачки воздуха и газов, они обычно называются вакуум-насосами. В рафинационных цехах применяют в основном 2 типа вакуум-насосов - поршневые и пароэжекторные.

Поршневой вакуум-насос. Основным рабочим органом этих насосов является цилиндр, закрытый крышкой. В цилиндре справа налево и обратно движется плотно пригнанный поршень.

При движении поршня вправо в цилиндре по его левую сторону создается разрежение. Вследствие этого клапан приподнимается на 3-4 мм и открывает вход в цилиндр газам и воздуху из патрубка, соединенного трубопроводом с аппаратурой, в которой создается разрежение. Когда поршень достигает своего крайнего правого положения, шток начинает его толкать в обратном направлении справа налево. В этот момент клапан прикрывается и одновременно открывается клапан, через который находящаяся в цилиндре воздушно-газовая смесь выталкивается в выхлопной патрубок, а из него наружу. Шток получает возвратно-поступательное движение от вращающегося маховика через шатун. Цилиндр снабжен водяной охлаждающей рубашкой и сальниковым уплотнением.

В насосе имеется по 2 пары клапанов как на стороне всасывания, так и на стороне выхлопа, благодаря этому одновременно по одну сторону поршня происходит цикл всасывания, а по другую - выталкивания. Когда поршень движется справа налево, клапан приоткрывается, а верхний, выталкивающий, клапан прикрывается. Таким образом, в правой части цилиндра происходит цикл всасывания.

При движении поршня слева направо левая часть цилиндра работает на цикле всасывания, а правая - на нагнетании. Циклы всасывания и нагнетания (выбрасывания) воздушно-газовой смеси повторяются столько раз, сколько ходов делает поршень. По такому же принципу работают и другие поршневые машины - поршневые насосы, поршневые компрессоры и др.

При помощи поршневых вакуум-насосов остаточное давление в аппаратах можно снизить до 2,7-5,3 кПа (20-40 мм рт. ст.). Такое разрежение недостаточно при проведении ряда технологических операций, например, при дезодорации. В этом случае устанавливают пароэжекторные вакуум-насосы, которые обеспечивают создание глубокого разрежения при экономном расходе энергетических ресурсов.

Пароэжекторные вакуум-насосы работают по следующему принципу. Если из какой-либо узкой щели с большой скоростью выходят жидкость, газ или пар, то у этой щели создается разрежение. Разрежение тем больше, чем выше скорость выходящего из щели вещества. Этот принцип широко используется в промышленности для создания различных типов вакуум-насосов.

Схема одноступенчатого пароэжекторного вакуум-насоса. Водяной пар (его называют рабочим паром), поступающий в эжектор по каналу под давлением, проходит в сопло сужающегося сечения. При этом скорость его повышается (до 1000 м/с) и в месте выхода пара из сопла создается разрежение. Благодаря этому через патрубок в камеру засасываются пары, газы и воздух из системы аппаратов, соединяющихся с пароэжекторным вакуум-насосом.

Смесь рабочего водяного пара с парогазовой смесью, отсасываемой из аппаратуры, через горловину переходит в расширяющуюся на конус часть аппарата - диффузор, а из него - через патрубок в конденсатор. При переходе в расширенную часть диффузора скорость этой смеси несколько снижается, соответственно уменьшается разрежение. Отношение разрежения в диффузоре на выходе из эжекторного аппарата к разрежению на стороне всасывания, называется степенью сжатия. От нее в большой мере зависят условия работы вакуум-насоса, в том числе расход рабочего пара, количество и температура охлаждающей воды.

Схема пароэжекторного вакуум-насоса, состоящего из двух эжекторов и одного конденсатора. Рабочий пар поступает в сопло первого эжектора и создает в нем разрежение. Благодаря этому через патрубок в эжектор засасывается парогазовая смесь из обслуживаемого вакуум-насосом аппарата. Вся смесь поступает в нижнюю часть конденсатора. Здесь пар, встречаясь с холодной водой, которая подается через патрубок, конденсируется. Смесь конденсата с охлаждающей водой уходит из конденсатора через патрубок и сливается в промежуточную коробку, которую называют барометрическим колодцем. Несконденсировавшиеся газы и воздух из верхней части конденсатора отсасываются вторым эжектором и выбрасываются в атмосферу через патрубок.

Агрегат, состоящий из двух паровых эжекторов и одного конденсатора, обычно обеспечивает остаточное давление порядка 4-5,3 кПа (30-40 мм рт. ст.). Такой вакуум-насос устанавливается у непрерывно действующих аппаратов для сушки жиров. В тех случаях, когда требуется создать в аппаратах более глубокое разрежение, увеличивают количество работающих паровых эжекторов и соединенных с ними конденсаторов. Количество тех и других выбирают с учетом давления водяного пара, которое может быть использовано для подачи в эжекторы, и температуры охлаждающей воды, поступающей в конденсаторы. Обычно на заводе заранее рассчитывают эти параметры для конкретных условий.

Для обслуживания современных дезодорационных установок непрерывного действия необходимо иметь вакуум-насосы, обеспечивающие остаточное давление в аппаратах не выше 0,13-0,4 кПа (1-3 мм рт. ст.). В этих установках применяют многоступенчатые пароэжекторные вакуум-насосы.

Схема пятиступенчатого пароэжекторного вакуум-насоса, состоящего из пяти эжекторов и трех водяных конденсаторов. В этом агрегате 2 первых эжектора соединены последовательно и работают на один общий конденсатор.

Работает пятиступенчатый вакуум-насос следующим образом. Через сопла во все эжекторы одновременно поступает водяной пар. Первый эжектор патрубком соединен трубопроводом с аппаратами, в которых создается разрежение. Через этот патрубок в первый эжектор засасывается парогазовая смесь, которая без конденсации передается во второй эжектора. Отсюда вся парогазовая смесь, как поступившая из аппаратов, так и поданная в сопла, поступает в нижнюю часть первого по ходу конденсатора. Через патрубки в конденсаторы, подается охлаждающая вода. Отработавшая вода, представляющая собой смесь со сконденсировавшимися парами, отводится из конденсаторов через патрубки. Несконденсировавшиеся пары, газы и воздух отсасываются следующим пароэжектором и передаются во второй конденсатор, а из него таким же образом с помощью эжектора в третий. Из третьего, последнего, конденсатора оставшиеся пары, газы и воздух пятым эжектором выбрасываются через патрубок в атмосферу.

Конденсаторы являются частью пароэжекторных вакуум-насосов. В них конденсируются пары, поступающие из эжекторов. В качестве охлаждающего агента чаще всего используют холодную воду.

Конденсаторы бывают двух типов - поверхностные и смешения. У поверхностных конденсаторов охлаждение и конденсация паров происходят в трубчатых холодильниках. В поверхностных конденсаторах пары не имеют непосредственного контакта с охлаждающей водой. Такие конденсаторы применяют в тех случаях, когда в парах находятся полезные продукты, которые нежелательно смешивать с водой. Они предупреждают также загрязнение охлаждающей воды, которая может циркулировать в системе без очистки.

Конденсаторы смешения охлаждают парогазовую смесь и конденсируют содержащиеся в ней пары в результате смешения их с холодной водой. Их обычно применяют в рафинационных цехах. Они работают достаточно надежно и с меньшим, чем поверхностные конденсаторы, расходом охлаждающей воды.

Конденсатор смешения состоит из цилиндрического вертикального корпуса с коническим днищем и сферической съемной крышкой. Во внутренней полости корпуса по высоте размещено несколько сегментных тарелок, с которых каскадно стекает охлаждающая вода. Вода подается на верхнюю тарелку через патрубок и, стекая вниз с тарелки на тарелку, создает водяную завесу. Парогазовая смесь поступает в нижнюю часть корпуса конденсатора через патрубок и, поднимаясь в конденсаторе кверху, встречается со стекающей с тарелок водой. Отработавшая вода, включающая сконденсировавшиеся пары, покидает аппарат через патрубок. Несконденсировавшиеся пары, газы и воздух отводятся из конденсатора через патрубок.

Конденсатор смешения должен быть расположен так, чтобы от выходного патрубка до барометрической коробки была высота не менее 10,5 м (барометрическая высота). В этом случае охлаждающая вода будет вытекать полностью. Если это условие не выдерживается, то паровые эжекторы могут засосать воду и захлебнуться. Кроме того, нижний выходной конец трубы, по которой вода стекает в барометрический колодец, должен быть опущен в воду. В результате создается гидравлический затвор и воздух из помещения не попадает в конденсатор, а из него в эжекторы.

Для пуска пароэжекторного вакуум-насоса открывают задвижки и вентили, подающие охлаждающую воду во все конденсаторы. Затем убеждаются, что отходящая вода свободно проходит через барометрический колодец в жироловушку и далее в очистную систему канализации.

Следующей операцией является продувка паровой магистрали для удаления скопившегося в ней конденсата. Продувку производят через специальные продувочные вентили, установленные на паропроводе. К моменту окончания продувки прекращается «потрескивание» конденсата в паровой магистрали. После этого приступают к последовательному включению эжекторов. Сначала пускают пар в последний по ходу эжектор, который выбрасывает несконденсировавшуюся парогазовую смесь через выхлопную трубу в атмосферу. Затем с интервалом в 1-2 минуты открывают вентиль, подающий пар в предпоследний эжектор, затем в следующий и, наконец, в первый по ходу эжектор вакуум-насоса. Паровые вентили следует открывать медленно и постепенно во избежание гидравлических ударов, которые могут вызвать разрушение паропровода.

По мере включения в работу эжекторов вакуумметр показывает увеличение разрежения и уменьшение остаточного давления. Затем медленно и постепенно открывают задвижку на линии, соединяющей аппараты с вакуум-насосом. Перед этим необходимо убедиться, что люки, краны и другая арматура, установленная на аппаратах, плотно закрыты.

Далее регулируют подачу пара в каждый из эжекторов и охлаждающей воды в конденсаторы. Наблюдая за показаниями вакуумметров, выводят их на параметры, установленные на данном предприятии. Это требует известных практических навыков, но в общем не очень сложно, и внимательный рабочий быстро овладевает техникой этой операции. При нормально отрегулированной подаче пара и охлаждающей воды вакуум-насос работает устойчиво, без резких колебаний в создаваемом им остаточном давлении.

Для остановки пароэжекторного вакуум-насоса закрывают задвижку на линии, соединяющей вакуум-насос с обслуживаемым им оборудованием. Закрывают подачу пара в форсунки эжекторов, сразу или последовательно от первого к последнему. Затем закрывают подачу воды в конденсаторы и, наконец, закрывают вентиль на выходе из последнего эжектора в выхлопную трубу.

Иногда пароэжекторные вакуум-насосы устанавливают на открытом воздухе. В этом случае в зимнее время необходимо выполнить дополнительные операции по обогреву эжекторов и конденсаторов для защиты их от размораживания.

Для надежной работы многоступенчатых пароэжекторных вакуум-насосов важное значение имеет правильное распределение нагрузки на каждую ступень. На предприятии в зависимости от конкретных условий работы, от давления водяного пара, поступающего из котельной, и температуры воды, используемой для охлаждения, устанавливают показатели давления на всасывающей и выбрасывающей сторонах каждого из эжекторов.

Регулируют подачу пара и воды на каждую из ступеней. При этом надо помнить, что принятые параметры пара и воды должны точно выдерживаться.

У первого эжектора степень сжатия равна 6, у второго - 5, у третьего - 4, у четвертого - 3 и последнего - 2,1. Степень сжатия зависит от конструкции эжектора и регулируется количеством рабочего пара, подаваемого в эжекторы.

Чтобы на работе пароэжекторного вакуум-насоса не отражались колебания в давлении пара, рекомендуется к ним подводить пар по отдельному паропроводу, не подключая к нему других потребителей с меняющейся нагрузкой.

Температура воды, отходящей из конденсаторов, увязана с остаточным давлением, которое создает тот или иной порядковый эжектор. Чем ниже остаточное давление в ступени эжектора, тем ниже должна быть температура воды поступающей в конденсатор и выходящей из него. Если температура охлаждающей воды поднимается до температуры кипения ее при данном давлении, то в верхней зоне конденсатора появится большое количество вторичного водяного пара, что нарушит работу всего вакуум-насоса, и давление в системе повысится.

Охлаждающая вода с наиболее низкой температурой требуется для первого по ходу конденсатора. Она должна быть не выше 25-27°С. Этот же конденсатор потребляет и наибольшее количество охлаждающей воды, так как в него попадает пар, отходящий из аппаратов, и соответственно большое количество рабочего пара, подаваемого в сопла первых двух эжекторов. Таким образом, температура воды, подаваемой в первый конденсатор, определяет собой режим работы всей конденсационной системы.

В целях экономии вода, подаваемая в конденсаторы, циркулирует многократно, охлаждаясь в градирне. Однако в летнее время года в южных районах страны в оборотную воду приходится добавлять некоторое количество свежей холодной воды.

Для надежности работы пароэжекторных вакуум-насосов они должны быть снабжены комплектом автоматических регулирующих приборов. Обычно эти приборы настраиваются так, что количество воды, поступающей в первый конденсатор, регулируется по температуре воды, уходящей из него.