УСТРОЙСТВО МЕМБРАННЫХ АППАРАТОВ

Цель работы: ознакомиться с назначением, изучить устройство и принцип действия аппаратов для обратного осмоса и ультрафильтрации.

Порядок выполнения работы

1. Изучить устройство мембранных аппаратов с фильтрующими элементами.

2. Ознакомиться с работой фильтрующих мембранных аппаратов.

3. Составить отчет.

Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации бывают периодического и непрерывного действия. Аппараты периодического действия применяются, как правило, только в лабораторной практике. В промышленности используются проточные аппараты непрерывного действия.

Мембранные аппараты имеют большую удельную площадь поверхности разделения, просты в сборке и монтаже, надежны в работе. Перепад давления в них небольшой. Их недостаток – высокое рабочее давление, что требует специальных уплотнений у трубопроводов и арматуры.

По способу расположения мембран аппараты бывают с плоскокамерными фильтрующими элементами (типа фильтра-пресса), с цилиндрическими и рулонными элементами и с мембранами в виде полых волокон. Перечисленные аппараты состоят из отдельных секций или модулей, что позволяет собирать их с различной площадью поверхности разделения.

Фильтр-пресс, по конструкции напоминающий фильтр для обычного фильтрования, является наиболее простым (рис. 70).

Рис. 70. Мембранный фильтр-пресс (а) и «подложка» (б): 1 – плита; 2 – стяжной болт; 3 – «подложка»; 4 – мембрана; 5 – отверстие

Его основа – фильтрующий элемент, состоящий из двух мембран, уложенных по обе стороны листов «подложки» из пористого материала (например, полимерного). Листы «подложки» имеют отверстия для прохода жидкости и расположены на расстоянии от 0,5 до 5,0 мм друг от друга. Пакет фильтрующих элементов зажимается между двумя плитами и стягивается болтами. Фильтруемый раствор последовательно проходит через все фильтрующие элементы и концентрируется на них. Концентрат и фильтрат непрерывно удаляются из аппарата.

Фильтры-прессы применяются в установках для выделения белков из подсырной сыворотки, а также для ультрафильтрации обезжиренного молока и творожной сыворотки. Производительность аппарата по сыворотке составляет 5,0 – 6,8 м³/ч, а по концентрату – 0,16 – 0,3 м³/ч.

Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами собирается из отдельных цилиндрических фильтрующих модулей (рис. 71).

Рис. 71. Мембранный аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами

Цилиндрический фильтрующий элемент представляет собой сменный узел, собранный из полупроницаемой мембраны и дре нажного каркаса. Дренажный каркас состоит из трубы и пористой «подложки», исключающей вдавливание мембраны в дренажные каналы трубы. Цилиндрические фильтрующие элементы изготавливаются трех типов (рис. 72).

Рис. 72. Цилиндрические фильтрующие элементы с различным расположением мембраны: а – на внутренней поверхности дренажного каркаса; б – на внешней; в – комбинированное. 1 –труба; 2 – мембрана; 3 – «подложка»

Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами с мембраной, расположенной на внутренней поверхности дренажного каркаса (см. рис. 72, а), имеет следующие преимущества: малая материалоемкость из-за отсутствия напорного корпуса, небольшое гидравлическое сопротивление, возможность механической очистки фильтрующих элементов от осадка без разборки, надежность конструкции. Недостатки – низкая удельная рабочая площадь поверхности фильтрации мембран, высокие требования к сборке элементов.

Конструкции фильтрующих элементов с наружным расположением мембраны (см. рис. 72, б) имеют большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации. Однако они металлоемки и не позволяют осуществлять механическую очистку фильтрующих элементов.

Цилиндрические фильтрующие элементы с комбинированным расположением мембран (см. рис. 72, в) имеют примерно в 2 раза большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации, чем предыдущие. Однако такие конструкции обладают значительными гидравлическими сопротивлениями из-за большой длины каналов для отвода фильтрата.

Ультрафильтрационные установки с цилиндрическими фильтрующими элементами широко применяются для осветления фруктовых соков. От сока отделяются вещества, вызывающие его помутнение (протеин, крахмал, пектин, дубильные вещества большой молекулярной массы, частицы целлюлозы и др.). В осветленном соке содержатся все вещества в натуральном составе.

Рис. 73. Аппарат (а), заряженный рулонными фильтрующими элементами (б). 1 – труба; 2 – мембрана; 3 – «подложка»; 4 – сетка-сепаратор

Аппараты с рулонными фильтрующими элементами (рис. 73) выполняются в виде трубы, в которую последовательно вставлено несколько (плотность упаковки мембран составляет 300 – 800 м²/м³) рулонных фильтрующих элементов. Каждый элемент состоит из накрученного на отводящую трубу пакета из двух мембран и «подложки». Для создания межмембранного пространства между мембранами устанавливается сетка-сепаратор. Исходный раствор движется по межмембранным каналам в продольном направлении (см. рис. 73, а), а фильтрат По спиральному дренажному слою поступает в трубу и выводится из аппарата. Увеличение рабочей площади мембран в этих аппаратах повышает плотность упаковки, а также снижает стоимость изготовления. Увеличение площади мембран может достигаться за счет увеличения длины и ширины навиваемого пакета. Но длина пакета ограничивается гидравлическим сопротивлением дренажного слоя потоку фильтрата и обычно не пресыщает 2 м, а ширина – размерами мембран и дренажного слоя и максимально достигает 0,9 м.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем сущность процессов обратного осмоса и ультрафильтрации? В чем сходство и различие этих процессов?

2. Для каких целей применяются обратный осмос и ультрафильтрация в пищевой технологии?

3.Какой процесс лежит в основе обратного осмоса? Что является движущей силой процессов обратного осмоса и ультрафильтрации?

4.Чем принципиально отличается ультрафильтрация от обычного фильтрования?

5.Какие мембраны используются в процессах обратного осмоса и ультрафильтрации? Какими свойствами они должны обладать?

6.Какие конструкции аппаратов для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации применяются в пищевых производствах?

Лабораторная работа № 8

ТЕПЛООБМЕННАЯ АППАРАТУРА

Цель работы: ознакомиться с назначением, изучить устройство и принцип действия теплообменников.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с назначением и устройством теплообменного оборудования.

2. Изучить работу теплообменной аппаратуры.

3. Составить отчет.

Аппараты, применяемые в пищевых производствах для проведения теплообменных процессов, называются теплообменниками. Они отличаются разнообразием конструкций, которое объясняется их назначением и условиями проведения процессов.

По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные (градирни, скрубберы, конденсаторы смещения и т.д.).

В рекуперативных аппаратах теплоносители разделены стенкой и теплота передается от одного к другому через нее.

В регенеративных аппаратах одна и та же теплообменная поверхность омывается попеременно горячим и холодным теплоносителями. При омывании поверхности горячим теплоносителем она нагревается за счет его теплоты, при омывании холодным – охлаждается, отдавая теплоту, т.е. теплообменная поверхность, аккумулируя теплоту горячего теплоносителя, отдает ее холодному.

В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном взаимодействии теплоносителей.

Рекуперативные теплообменники в зависимости от конструкции разделяются на кожухотрубчатые (типа «труба в трубе»), змеевиковые, пластинчатые, спиральные, оросительные и аппараты с рубашками. Особую группу составляют трубчатые выпарные аппараты. Кожухотрубчатые теплообменники наиболее широко распространены в пищевых производствах.

Кожухотрубчатый вертикальный одноходовой теплообменник с неподвижными трубчатыми решетками (рис. 74) состоит из цилиндрического корпуса, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубчатыми решетками с закрепленными в них греющими трубами. Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубчатое пространство (внутри греющих труб) и межтрубчатое. К корпусу болтами присоединены два днища. Для ввода и вывода теплоносителей корпус и днища имеют патрубки. Один поток теплоносителя, например жидкость, направляется в трубчатое пространство, проходит по трубкам и выходит через патрубок в верхнем днище. Другой поток, например пар, вводится в межтрубчатое пространство, омывает снаружи греющие трубы и выводится через патрубок. Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки труб.

Рис. 74. Вертикальный одноходовой кожухотрубчатый теплообменник снеподвижными трубчатыми решетками: 1 – корпус; 2 – трубчатая решетка; 3 – греющая труба; 4 – патрубок; 5 – днище; 6 – опорная лапа; 7 – болт; 8 – прокладка

Греющие трубы соединены с трубчатой решеткой сваркой или развальцованы в ней (см. узел Б на рис. 74). Излавливаются они из стали, меди или латуни; в трубчатых решетках размещаются несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (в шахматном порядке), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное) и по концентрическим окружностям, что обеспечивает создание компактной конструкции теплообменника. С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубчатых теплообменниках пучок труб секционируют, т. е. разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоносительпроходит последовательно. Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах.

На рис. 75 показан многоходовой теплообменник, в котором теплоноситель проходит трубчатое пространство за четыре хода. Этим достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в трубчатом пространстве. Целесообразно увеличивать скорость теплоносителя, имеющего большее термическое сопротивление. Секционировать можно и межтрубчатое пространство за счет установки направляющих перегородок (рис. 76).


Рис. 75. Многоходовой теплообменник (теплоноситель движется по трубчатому пространству): 1 – корпус; 2 – греющая камера; 3 – днище; 4 – перегородки	Рис. 76. Многоходовой теплообменник (теплоноситель движется по межтрубчатому пространству): 1 – корпус; 2 – перегородки; 3 – греющая камера; 4 – днище

Приведенные на рис. 75 и 76 кожухотрубчатые теплообменники надежно работают при разностях температур между корпусом и трубами в 25 – 30 °С. При более высоких разностях температур возникают значительные температурные напряжения, которые могут привести к выходу теплообменника из строя. В этих случаях применяют конструкции теплообменников, в которых предусмотрена компенсация температурных удлинений.

Простейшим устройством для компенсации температурных удлинений является линзовый компенсатор (рис. 77, а), устанавливаемый в корпусе теплообменника и компенсирующий температурные деформации осевым сжатием или расширением.

Теплообменники с U-образным и греющими трубами (см. рис. 77, б) имеют одну трубчатую решетку, в которой закреплены оба конца этих труб. Каждая труба при нагревании может удлиняться независимо от других, тем самым, компенсируя температурные напряжения.

Рис. 77. Теплообменники с компенсацией температурных напряжений: а – с линзовым компенсатором (1 – корпус; 2 – греющая труба; 3 – линзовый компенсатор); б – с U-образными греющими трубами (1 – крышка; 2 – корпус; 3 – U-образные греющие трубы)

Кожухотрубчатые теплообменники используются для теплообмена между конденсирующимися паром и жидкостью. Жидкость пропускается по трубам, а пар – в межтрубчатом пространстве.

Достоинства кожухотрубчатых теплообменников в компактности, невысоком расходе металла, легкости очистки труб изнутри (за исключением теплообменников с U-образным трубами). Недостатки – сложность достижения высоких скоростей теплоносителей (за исключением многоходовых теплообменников); трудность очистки межтрубчатого пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта; сложность изготовления из материалов, не поддающихся развальцовке и сварке, например чугуна и ферросилида. Теплообменники типа «труба в трубе» состоят из ряда наружных труб большого диаметра и расположенных внутри них труб меньшего диаметра (рис. 78).

Рис. 78. Теплообменник типа «труба в трубе»: 1 – наружная труба; 2 – внутренняя труба; 3 – колено; 4 – патрубок. I, II - теплоносители

Внутренние и внешние трубы эле ментов соединены друг с другом последовательно с помощью колен и патрубков. Один из теплоносителей (I) движется по внутренней трубе, другой (II) – по кольцевому каналу, образованному внутренней и внешней трубами. Теплообмен осуществляется через стенку внутренней трубы. В этих теплообменниках достигаются высокие скорости теплоносителей как в трубах, так и в межтрубчатом пространстве. При необходимости создания больших площадей поверхностей теплопередачи теплообменник составляют из нескольких секций, получая батарею.

Достоинствами теплообменников типа «труба в трубе» являются высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей, простота изготовления. Недостатки – громоздкость, высокая металлоемкость, трудность очистки межтрубчатого пространства. Применяются такие аппараты при небольших расходах теплоносителей для теплообмена между двумя жидкостями и между жидкостью и конденсирующимся паром.

Погружной змеевиковый теплообменник представляет собой трубу, согнутую в виде змеевика и погруженную в аппарат с жидкой средой (рис. 79). Теплоноситель движется внутри змеевика. Змеевики в таких теплообменниках плоские или согнутые по винтовой линии.

Змеевиковые теплообменники просты в изготовлении, но в то же время громоздки и трудно поддаются очистке. Применяются они для охлаждения и нагрева конденсата, а также для конденсации паров.

Оросительные теплообменники (рис. 80) применяются для охлаждения жидкостей, газов и конденсации паров. Состоят они из нескольких расположенных одна над другой труб, соединенных коленами. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель. Охлаждающая вода поступает в распределительный желоб с зубчатыми краями, из которого равномерно перетекает на верхнюю трубу теплообменника, а затем на расположенные ниже трубы. Часть охлаждающей воды испаряется с поверхности труб. Под нижней трубой находится желоб для сбора воды. Коэффициент теплопередачи в таких теплообменниках невелик. Оросительные теплообменники просты по устройству, но металлоемки. Обычно они устанавливаются на открытом воздухе.


Рис. 79. Погружной змеевиковый теплообменник: 1 – змеевик; 2 – корпус	Рис. 80. Оросительный теплообменник: 1 – распределительный желоб; 2 – труба; 3 – колено; 4 – стойка; 5 – сборный желоб

Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, образованных металлическими листами (рис. 81). Внутренние концы спиралей соединены перегородкой. С торцов каналы закрыты крышками и уплотнены прокладкой, а у их наружных концов имеются патрубки для входа и выхода теплоносителей, два других патрубка приварены к бокам.

Спиральные теплообменники компактны, позволяют производить процесс теплопередачи при больших скоростях теплоносителей с высокими коэффициентами теплопередачи; их гидравлическое сопротивление ниже сопротивления многоходовых аппаратов при тех же скоростях теплоносителей. Недостаток – сложность изготовления, ремонта и чистки. Такие теплообменники используются для теплообмена между жидкостями и газами. Они не забиваются твердыми частицами, взвешенными в теплоносителях, поэтому применяются также для теплообмена между жидкостями со взвешенными частицами, например для охлаждения браги на спиртоперегонных заводах.

Рис. 81. Спиральный теплообменник: 1 – крышка; 2 – перегородка; 3, 4 – металлические листы

Пластинчатые теплообменники (рис. 82, а) монтируются на раме, состоящей из верхнего и нижнего несущих брусов, которые соединяют стойку с неподвижной плитой. По направляющим стяжным шпилькам перемещается подвижная плита. Между подвижной и неподвижной плитами располагается пакет стальных штампованных гофрированных пластин, в которых имеются каналы для прохода теплоносителей. Уплотняются пластины с помощью заглубленных прокладок, которые могут выдерживать высокие рабочие давления. Теплоносители к каналам, образованным пластинами, проходят сквозь разделенные прокладки отверстия. Как видно из рис. 82 (б), теплообмен происходит в противотоке, причем каждый теплоноситель движется вдоль одной стороны пластины.

Рис. 82. Пластинчатый теплообменник (а) и принцип его действия (б) 1 – верхний несущий брус; 2 – неподвижная плита; 3 – пластина; 4 – подвижная плита; 5 – нижний несущий брус; 6 – направляющая стяжная шпилька; 7 – стоика

Рис. 83. Принцип действия коробчатого конденсатора

Разновидностью данного типа теплообменников является коробчатый конденсатор, который представляет собой пластинчатый теплообменник, помещенный в паросборник (рис. 83). Пакет пластин лежит на боку, а верхние кромки чередующихся пластин не имеют прокладок, чтобы обеспечить вход пара, конденсируемого охладителем, протекающим по «слоистой» системе закрытых каналов.

Эффективность пластинчатых теплообменников обусловлена высоким отношением площади поверхности теплопередачи к объему теплообменника за счет больших скоростей теплоносителей, а также турбулизации потоков гофрированными поверхностями пластин и низкого термического сопротивления стенок пластин. Эти теплообменники изготавливаются в виде модулей, из которых может быть собран теплообменник с площадью поверхности теплопередачи, необходимой для осуществления технологического процесса.

К недостаткам относятся сложность изготовления, возможность забивания поверхностей пластин взвешенными в жидкости твердыми частицами.

Пластинчатые теплообменники используются в качестве нагревателей, холодильников, а также комбинированных теплообменников для пастеризации (молока) и стерилизации (мелассы). Их можно собирать в виде многоступенчатых агрегатов.

Теплообменники с ребристыми поверхностями позволяют увеличить площадь поверхности теплопередачи со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи. Для оребрения поверхности используют стальные круглые или прямоугольные шайбы, которые приваривают к трубам. В трубчатых теплообменниках применяют поперечные или продольные ребра.

Примером оребренного теплообменника служит калорифер, используемый для нагрева воздуха греющим насыщенным водяным паром (рис. 84). Пар поступает в трубы, где конденсируется, отдавая теплоту воздуху, «омывающему» пластины калорифера. Коэффициент теплоотдачи со стороны насыщенного водяного пара в стенке трубы d₁ = 12000 Вт/(м²·К), а от стенки к воздуху d₂ = 12 ÷ 50 Вт/(м²·К). Оребрение внешней поверхности труб значительно увеличивает количество переданной теплоты от пара к воздуху.

Рис. 84. Секция калорифера: 1 – коробка; 2 – труба; 3 – ребра

В теплообменных аппаратах с рубашками (автоклавах) передача теплоты от теплоносителя к стенкам происходит при их «омывании» теплоносителем. В пространстве между рубашкой и корпусом циркулирует теплоноситель, обогревающий находящуюся в аппарате среду. Иногда вместо сплошной рубашки к корпусу аппарата приваривается змеевик.

Рис. 85. Установка с циркулирующим зернистым материалом: 1, 2 – теплообменники; 3 – шлюзовый затвор; 4 – газодувка; 5 – пневмотранспортная линия; 6 – распределители газа; 7 – сепаратор

Регенеративные теплообменники состоят из двух секций, в одной из которых теплота передается от теплоносителя промежуточному материалу, в другой – от промежуточного материала технологическому газу. Примером является установка непрерывного действия с циркулирующим зернистым материалом (рис. 85), который выполняет функцию переносчика теплоты от горячих топочных газов к холодным технологическим. Установка состоит из двух теплообменников, каждый из которых представляет собой шахту с движущимся сверху вниз сплошным потоком зернистого материала. В нижней части каждого теплообменника имеется устройство для равномерного распределения газового потока по сечению теплообменника. Выгрузка зернистого материала из теплообменника происходит непрерывно с помощью шлюзового затвора. Охлажденный зернистый материал из второго теплообменника поступает в пневмотранспортную линию, по которой воздухом подается в бункер – сепаратор, где частицы осаждаются и вновь поступают в первый теплообменник.

Смесительные теплообменники бывают мокрого и сухого типов. Теплота в них передается от одного теплоносителя к другому при их смешивании.


Рис. 86. Прямоточный конденсатор: 1 – корпус; 2 – крышка; 3 – распыливающие сопла; 4 – мокровоздушный насос; 5 – штуцер	Рис. 87. Барометрический конденсатор: 1 – корпус; 2 – тарелка; 3 – барометрическая труба; 4 – колодец; 5 – ловушка

Мокрый прямоточный конденсатор (рис. 86) предназначен для конденсации пара водой. Охлаждающая вода вводится в конденсатор через сопла. Распыление воды значительно увеличивает площадь поверхности теплообмена между паром и водой. При взаимодействии капель воды с паром он конденсируется. Конденсат, вода и несконденсировавшиеся газы откачиваются из конденсатора мокровоздушным насосом.

В противоточном сухом конденсаторе смешения (рис. 87) взаимодействие пара и охлаждающей воды происходит в противотоке. Охлаждающая вода поступает на верхнюю перфорированную тарелку конденсатора, а пар – под нижнюю тарелку. Вода перетекает с тарелки на тарелку в виде тонких струй через отверстия и борта. Взаимодействие пара с жидкостью происходит в межтарельчатом объеме конденсатора. Образовавшийся в результате конденсат вместе с водой выводится через барометрическую трубу, конец которой опущен в колодец, а воздух отсасывается через ловушку вакуум-насосом.

Процесс конденсации в барометрических конденсаторах протекает под вакуумом. Обычно абсолютное давление в них составляет 0,01 – 0,02 МПа.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Чем различаются мокрые и сухие конденсаторы?

2.Как классифицируются теплообменники по принципу действия?

3.На какие типы делятся рекуперативные теплообменники в зависимости от конструкции?

4.Как устроен одноходовой кожухотрубчатый теплообменник?

5.За счет чего достигается интенсификация в многоходовых кожухотрубчатых теплообменниках?

6.Какие достоинства и недостатки присущи кожухотрубчатым теплообменникам?

7.Какой из теплоносителей пропускают по трубам, а какой – в межтрубчатом пространстве?

8.В каких случаях применяют теплообменники типа «труба в трубе»?

9.Как устроен спиральный теплообменник? Какими достоинствами и недостатками он обладает?

10.Как устроен пластинчатый теплообменник? Каковы его достоинства и недостатки?

11.В каких случаях применяют теплообменники с ребристыми поверхностями?

12.Какие регенеративные теплообменники Вы знаете?

13.Какие теплообменники по принципу действия относятся к смесительным?

14.Как устроен и работает мокрый прямоточный конденсатор? От чего зависят расход охлаждающей воды и объем воздуха, отсасываемого из конденсатора?

15.Как устроен и работает противоточный сухой конденсатор смешения?

16.От каких величин зависит высота барометрической трубы? В чем ее назначение?