2.2.6. Сгущение сока
2.2.6.1. Технологическая схема
Для получения кристаллического сахара из очищенного сока необходимо удалить из него большое количество воды (около 115 % к массе свеклы). При этом образуется пересыщенный сахаром раствор.
На сахарных заводах удаление воды из сока осуществляется в два приема. Сначала в выпарных аппаратах, обогреваемых паром, концентрация сока доводится с 14-15 до 65-70 % сухих веществ (при этом выпаривается около 95-100 % воды к массе свеклы). Затем из полученного сиропа в вакуум-аппаратах выпаривается еще около 15-20 % воды к массе свеклы. При таком уваривании выделяются кристаллы сахара и сироп превращается в утфель, содержащий около 93 % сухих веществ.
Выпаривание воды из сока в два приема необходимо по следующим причинам.
Во-первых, при нагревании сок темнеет и из него выделяется осадок. Поэтому перед увариванием сироп подвергается дополнительной очистке (сульфитация, фильтрование). Такая очистка сиропа может быть проведена при концентрации не более 70 % сухих веществ.
Во-вторых, за короткое время (2-3 ч) сформировать хороший кристалл сахара при уваривании можно только при достаточной концентрации сиропа. Наиболее подходящая концентрация - 65-70 % сухих веществ.
В-третьих, для экономии пара и топлива выпаривание осуществляется в многоступенчатых выпарных установках с многократным использованием тепла.
Сущность такого способа заключается в том, что выпаривание осуществляется на установке, состоящей из нескольких (3-5) выпарных аппаратов (ступеней). Сок поступает в первую ступень, из неё переходит во вторую, из второй - в третью и т.д. При этом плотность сока постепенно увеличивается и он превращается в сироп.
Свежий греющий пар поступает только в первую ступень выпарной установки. Здесь 1 кг этого пара выпаривает из сока примерно 1 кг воды, образуя т.н. вторичный пар. Вторая ступень обогревается вторичным паром первой ступени, третья - вторичным паром второй и т.д. Вторичным паром обогреваются не только выпарные аппараты, но и другие теплопотребители. Таким образом, 1 кг свежего пара выпаривает 2,5-3 кг воды, что соответственно сокращает общую потребность сахарного завода в топливе.
Для того чтобы вторичный пар предыдущей ступени мог нагреть сок последующей, необходимо температуру кипения сока понизить от первой ступени к последней. Понижение температуры кипения сока достигается поддержанием повышенного давления в первой ступени и пониженного - в последней. Для создания различного давления в ступенях в первую ступень подается пар повышенного давления, а в последней поддерживается или атмосферное давление (так называемая выпарная установка под давлением), или создается разрежение (выпарная установка под разрежением).
Выпарные установки на сахарных заводах состоят не больше чем из пяти ступеней. Это объясняется следующими соображениями: температура кипения сока в первой ступени не может быть выше 129 ° С (при более высокой температуре начинается разложение сахара). Температура кипения сока в последней ступени не может быть ниже 60 ° С (обусловлена технически достижимой величиной разрежения). Таким образом, разность температур между первой и последней ступенями не может превышать 69 ° С. Если эту разность распределить между большим числом ступеней (больше пяти), то на каждую ступень придется слишком малая величина, что повлечет за собой уменьшение эффективности работы каждой ступени и увеличение размеров ступеней и всей установки в целом.
На свеклосахарных заводах в основном применяется пятиступенчатая выпарная установка.
Основным теплоносителем является водяной пар.
 |
Рисунок 1 Тепловая схема свеклосахарного завода |
Источником пара служит котельная или теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) завода. Однако получаемый в паровых котлах перегретый, так называемый острый, пар из-за своих высоких параметров [давление до 3,9 МПа (39 кгс/см2) и температура до 450 ° С] не может быть непосредственно использован для производственных нужд. Для снижения параметров пара до необходимых величин [ давление до 0,4 МПа (4 кгс/см2) и температура до 143 ° С] он направляется в ТЭЦ на турбину (при этом одновременно вырабатывается электроэнергия) и редукционно-охладительную установку (РОУ), а в котельной - только на РОУ, на которой получается насыщенный, так называемый редуцированный, пар. Смесь отработанного пара турбин и редуцированного пара называется технологическим паром.
Если бы этот пар применялся как единственный источник тепла, то это привело бы к большому его перерасходу и, как следствие, к большому расходу топлива. Для сокращения расхода топлива технологический пар подается только на первую ступень выпарной установки, а также на некоторые другие теплопотребители, где необходима относительно высокая температура нагрева. Остальные теплопотребители используют вторичные пары, которые получаются при выпаривании сока в выпарных аппаратах.
 |
Рисунок 2 Схема выпаривания сока и очистки сиропа |
Для уменьшения расхода пара используются также и другие теплоносители, например конденсат выпарных аппаратов, вторичный (утфельный) пар вакуум-аппаратов.
Паровые котлы, выпарные аппараты, подогреватели, вакуум-аппараты вместе со вспомогательным оборудованием и трубопроводами образуют тепловую схему сахарного завода.
Из парового котла 1 острый пар подается на паровую турбину 2, вращающую генератор для выработки электроэнергии, а также на редукционно-охладительную установку 3. Отработанный и редуцированный пары направляются на обогрев 1-ой ступени 4 выпарной установки, а также подогреватели 22, 23 и 24, клеровочный аппарат 13, центрифуги 14 и калорифер 15 сахаросушильной установки.
Вторичный пар 1-ой ступени выпарной установки поступает на обогрев 2-ой ступени 5 выпарной установки, сборник 11 сиропа, сборник 12 мелассы и вакуум-аппараты 9 и 10 утфелей 1-ой и 2-ой кристаллизации. Вторичный пар 2-ой ступени выпарной установки поступает на обогрев подогревателей 20 и 21, вакуум-аппарата 9 утфеля 1-ой кристаллизации и 3-ей ступени 6 выпарной установки.
 |
Рисунок 3 Выпарная станция |
Вторичный пар 3-ей ступени выпарной установки направляется в подогреватели 17 и 19, греющие камеры диффузионного аппарата 18, а также в 4-ую ступень выпарной установки. Вторичный пар 4-ой ступени выпарной установки обогревает подогреватель 16 и 5-ую ступень выпарной установки.
Вторичные пары вакуум-аппаратов и последней ступени выпарной установки поступают на конденсатор 25, где они конденсируются водой, при этом в конденсаторе и этих аппаратах создается разрежение (вакуум).
Выпаривание сока и очистка сиропа производится по следующей схеме (Рис 2).
Очищенный сок подвергается нагреву в подогревателях 1 и поступает в 1-ую ступень выпарной установки 7. Образующийся сироп обесцвечивается диоксидом серы в сульфитаторе 3. Сульфитированный сироп нагревается в подогревателе 4 и подвергается фильтрованию в фильтрах 5 с добавлением вспомогательного фильтровального порошка. Очищенный сироп подается в сборник 6.
Параметры пятиступенчатой выпарной установки
| ПАРАМЕТРЫ | СТУПЕНИ | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| Температура греющего пара, °С | 136 | 127,5 | 119 | 110 | 99 |
| Абсолютное давление греющего пара, кгс/см2 | 3,29 | 2,55 | 1,96 | 1,46 | 1,0 |
| Температура кипения сока, °С | 129 | 121 | 112 | 102 | 90,5 |
| Температура вторичного пара, °С | 128,5 | 120 | 111 | 100 | 86,5 |
| Абсолютное давление вторичного пара, кгс/см2 | 2,63 | 2,02 | 1,51 | 1,03 | 0,60 |
2.2.6.2. Основное оборудование
2.2.6.2.1. Подогреватели (теплообменники)
 |
Рисунок 4 Подогреватель кожухотрубный |
Нагрев жидких продуктов сахарного производства осуществляется в подогревателях с помощью теплоносителя - пара или (реже) горячей воды.
Подогреватели бывают поверхностными (в которых тепло передается через поверхность нагрева - металлическую стенку, разделяющую нагреваемый продукт и теплоноситель) и контактными (в которых продукт нагревается при непосредственном контакте с теплоносителем).
Поверхностные подогреватели могут быть рубашечными (паровые камеры наклонного шнекового диффузионного аппарата), кожухотрубными, пластинчатыми (плоскими и спиральными), погружными (змеевики в сборниках и мешалках).
 |
Рисунок 5 Подогреватель конца XIX в. |
К контактным подогревателям относятся, например, ошпариватели стружки, барботеры в сборниках и мешалках, струйные и конденсационные подогреватели воды.
Для нагрева различных соков и сиропа широко применяются кожухотрубные многоходовые подогреватели (Рис 4).
Подогреватель состоит из стального цилиндрического корпуса 1, закрытого крышкой 2 и днищем 3, которые шарнирно соединены с корпусом и могут одновременно открываться винтовым устройством.
Внутри корпуса находятся две трубные решетки, в которые ввальцованы трубки 4 диаметром 33х1,5 мм. Для продуктов, имеющих щелочную реакцию, трубки изготовлены из углеродистой стали, для продуктов, имеющих кислую реакцию, - из нержавеющей стали.
 |
Рисунок 6 Теплообменник пластинчатый |
В межтрубное пространство корпуса через патрубок 6 подается греющий пар, который отдает через трубки тепло нагреваемому продукту и превращается в конденсат, выходящий из аппарата через патрубок 7.
Камеры, образованные пространствами между трубными решетками, крышкой и днищем, разделены при помощи перегородок на 10 секций (ходов). Благодаря этим перегородкам скорость продукта в таких подогревателях выше, чем в одноходовых, что влечет за собой высокий коэффициент теплопередачи.
Подогреватель имеет две двухклапанные распределительные коробки 5 , благодаря которым имеется возможность отключить от прохождения подогреваемого продукта любой подогреватель и подать в него сок первой сатурации, имеющий абразивные свойства, или раствор соды и соляной кислоты для очистки поверхности от накипи.
На зарубежных и некоторых отечественных сахарных заводах применяются пластинчатые теплообменники.
 |
Рисунок 7 Теплообменные пластины |
Поверхность теплообмена такого аппарата состоит из пакета стянутых вместе вертикально расположенных металлических штампованных прямоугольных волнистых пластин с размещенными между ними эластомерными уплотнителями.
Пластины поддерживаются на раме верхней и нижней направляющими балками. Пакет пластин собирается между неподвижной и нажимной плитами и сживается стяжными болтами. В углах пластин сделаны сквозные отбортованные отверстия. При сборке пластин в пакет эти отверстия образуют каналы, по которым движется жидкость или пар. Две соседние пластины совместно с расположенным между ними контурным уплотнением образуют теплообменную камеру.
 |
Рисунок 8 Схема работы пластинчатого теплообменника |
В бортиках отверстий каждой пластины имеются направленные внутрь аппарата щели, по которым жидкость (пар) поступает в теплообменную камеру. В четных пластинах щели прорезаны в двух левых углах, в нечетных - в двух правых (или наоборот). В результате такого чередования щелей в бортиках между 1-й и 2-й, 3-й и 4-й и т.д. пластинами протекает под давлением насоса одна жидкость (нагреваемая), а между 2-й и 3-й, 4-й и 5-й и т.д. пластинами - теплоноситель (жидкость или пар).
Благодаря волнистой поверхности пластин протекающие между ними жидкости завихряются. Незначительная толщина металла (до 0,5 мм), турбулентный характер потока и тонкий слой жидкости (10-16 мм) обеспечивают коэффициент теплопередачи более высокий, чем в кожухотрубных подогревателях.
Такие теплообменники имеют существенные преимущества перед трубчатыми : более высокий коэффициент теплопередачи, а значит меньшую потребность в площади теплообмена, меньшая масса, возможность использования низкопотенциальных теплоносителей, компактность конструкции, отсутствие необходимости в теплоизоляции, возможность изменения (наращивания) поверхности теплообмена путем изменения количества пластин и др.
2.2.6.2.2. Выпарные аппараты
 |
Рисунок 9 Схема выпарного аппарата |
Выпарной аппарат представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд, внутри которого расположена паровая камера, состоящая из двух трубных решеток 15 с завальцованными в них концами кипятильных труб 3 внутренним диаметром 30 мм.
Сгущаемый сок поступает в соковую камеру 14 под нижнюю трубную решетку выпарного аппарата и примерно на 1/3 заполняет кипятильные трубы паровой камеры. При кипении (в результате образования пузырьков пара) объем сока увеличивается, полностью заполняет кипятильные трубы и выливается на верхнюю трубную решетку, пузырьки лопаются, пар остается в надсоковом пространстве 6 , а сок по внутренней циркуляционной трубе 12 опускается вниз под трубную решетку. Часть сгущенного сока смешивается со свежим соком и вновь заполняет кипятильные трубы, а часть направляется в следующий выпарной аппарат для дальнейшего сгущения.
 |
Рисунок 10 Трубная решетка паровой камеры выпарного аппарата |
 |
Рисунок 11 Выпарные аппараты |
Для контроля и регулирования режима работы выпарной аппарат снабжен термометром 5, предохранительным клапаном 10, смотровыми стеклами 9, указателем и регулятором уровня сока 2, манометрами (вакуумметрами) 4 и 7, указателем уровня конденсата 1, масленкой 11 для гашения пены и вертикальными перфорированными трубками 13 для отвода из межтрубного пространства содержащихся в паре неконденсирующихся газов.
Вторичный пар из надсокового пространства отводят через сепаратор 8, где пар освобождается от капель, которые затем возвращаются в сок. Для снижения потерь теплоты наружную поверхность выпарных аппаратов покрывают теплоизоляционным слоем. Выпарные аппараты работают непрерывно, т.е. в них непрерывно поступает жидкий сок на выпаривание и отводится сгущенный.
 |
Рисунок 12 Выпарной аппарат XIXв. |
Высота уровня сока в кипятильных трубах имеет важное значение для нормальной работы выпарных аппаратов и поддерживается на таком уровне, чтобы верхняя трубная решетка только омывалась кипящим соком.
2.2.6.2.3. Вакуум-конденсационная установка
 |
Рисунок 13 Схема вакуум-конденсаторной установки |
Вакуум-конденсационная установка (ВКУ) сахарного завода является одним из основных элементов тепловой схемы завода. Задача её состоит в создании определенного разрежения в последнем корпусе выпарной установки и в вакуум-аппаратах. Кроме того, ВКУ в технологической схеме завода служит источником горячей воды на производственные нужды.
Разрежение в конденсаторах создается благодаря конденсации в них поступающего пара, т.к. конденсат занимает объем, примерно в 1600 раз меньший такой же массы пара.
Конденсация пара может осуществляться в конденсаторах смешения или поверхностных.
 |
Рисунок 14 Полочный конденсатор |
В конденсаторах смешения конденсация пара (вторичного пара выпарной установки и вакуум-аппаратов) осуществляется при смешении пара с охлаждающей водой.
В поверхностных конденсаторах пар конденсируется на охлаждающей (водой или воздухом) поверхности, и получающийся конденсат не смешивается с охлаждающей средой. При этом получается чистый конденсат, не загрязненный посторонними веществами, в т.ч. и сахаром, который может при аварийных ситуациях присутствовать в конденсируемом вторичном паре.
 |
Рисунок 15 Проточный конденсатор XIX в. |
В паре сахарного производства и охлаждающей воде всегда содержится некоторое количество неконденсирующихся газов (аммиак, диоксиды углерода и серы). Кроме того, в отдельных элементах ВКУ возможны подсосы воздуха. Накопление неконденсирующихся газов и воздуха в конденсаторе снижает вакуум в нём, поэтому они должны постоянно удаляться, для чего применяют вакуум-насосы различных типов.
Схема работы ВКУ следующая (Рис 13).
Пар из вакуум-аппаратов утфеля I кристаллизации, пройдя сепаратор для улавливания утфеля, поступает в предварительный конденсатор 3. Здесь пар конденсируется холодной свежей водой, поступившей через воздухоотделитель 2 из сборника 1. Образующаяся при конденсации барометрическая вода по трубе 10 поступает в барометрический сборник 9, из соответствующей секции которого она забирается насосом 11 и подается для питания диффузионных аппаратов.
Несконденсировавшаяся часть пара из предварительного конденсатора поступает в основной конденсатор 5 , в который подается также пар из вакуум-аппаратов утфелей II и III кристаллизаций, прошедший сепаратор, а также пар из концентратора выпарной станции. В основной конденсатор через воздухоотделитель 4 из сборника 1 подается холодная оборотная вода. Барометрическая вода из основного конденсатора по трубе 8 поступает в сборник 9, из соответствующей секции которого она забирается на технологические нужды. Избыток барометрической воды направляется на охлаждение и затем возвращается в сборник 1.
Неконденсирующиеся газы из основного конденсатора поступают в каплеловушку 6 и из неё отсасываются вакуум-насосом 7.
Наибольшее распространение на свеклосахарных заводах получили противоточные каскадные полочные конденсаторы смешения (рис 14).
Такой конденсатор представляет собой вертикальный цилиндрический корпус 14, заканчивающийся снизу конической частью с патрубком 15 для присоединения барометрической трубы.
Холодная вода, предназначенная для конденсации, через патрубок 11 поступает в камеру 10 , служащую для сглаживания пульсаций поступающей воды и удаления из неё воздуха. Из камеры 10 вода по трубе 12 попадает в конденсатор на уровне верхней переливной полки 13. Эти полки перекрывают центр аппарата, но не перекрывают всего поперечного сечения его. Свободные края полок ограждены планками 2. Планки устанавливаются горизонтально для того, чтобы струя воды, стекающая с полки, имела одинаковую толщину по всей своей длине.
Переливаясь с полки на полки, вода каскадами стекает вниз навстречу пару, поступающему из расположенного в нижней части конденсатора патрубка 1. Пар, поднимаясь вверх, встречает всё более холодную воду и конденсируется. Поскольку объем получаемой при этом воды в сотни раз меньше объема конденсируемого пара, то в конденсаторе создается разрежение. Получающаяся при соприкосновении пара с холодной водой так называемая барометрическая вода через патрубок 15 поступает в барометрическую трубу, нижний открытый конец которой опущен в воду, находящуюся в барометрическом сборнике. Вследствие наличия вакуума в этой трубе отводимая из конденсатора вода поддерживается в ней на высоте, соответствующей величине вакуума: при разрежении, равном 0,92 кгс/см2, вода в трубе находится на уровне 9,2 м от нижнего конца трубы. Поэтому барометрическая труба должна иметь высоту не менее 10,5 м от нижнего фланца конденсатора до уровня воды в барометрическом сборнике для того, чтобы вода и воздух из барометрического сборника не попадали в конденсатор. Излишняя против этой уравновешивающей высоты вода через открытый нижний конец трубы вытекает в барометрический сборник, из которого она удаляется через перелив в его верхней части.
Неконденсирующиеся газы поднимаются вверх, где установлен отражательный зонт 8 для отделения капель воды, и вместе с поступающим по трубе 9 из камеры 10 отделившимся от холодной воды воздухом через трубу 7 попадают в ловушку 5. В ловушке происходит дополнительное отделение газов от воды. Удаленная вода через патрубок 3 отводится по самостоятельной барометрической трубе в тот же барометрический сборник, либо её коммуникация врезается в основную барометрическую трубу. Неконденсирующиеся газы через патрубок 6 в верхней зоне цилиндрической части ловушки 5 удаляются вакуум-насосами. Для ремонта конденсатора пользуются лазами 4.
2.2.6.2.4. Конденсатоотводчики
Образующийся в выпарных аппаратах и других теплообменниках конденсат препятствует доступу пара к поверхности нагрева, поэтому с помощью конденсатоотводчиков его систематически отводят в сборники. Конденсат отработавшего греющего пара используется для питания паровых котлов, а вторичных паров (аммиачный конденсат) - для нагревания различных промежуточных продуктов и в качестве питающей воды диффузионных установок.
 |
Рисунок 16 Схема конденсато- отводчика |
В качестве конденсатоотводчиков применяются аппараты с наружным циркуляционным контуром, устанавливаемые по одному на каждый корпус выпарной установки. Принцип их работы основан на создании гидравлического затвора в виде водяного столба достаточной высоты. Это позволяет непрерывно отводить из паровых камер конденсат, не допуская прорыва пара в сборники конденсатных вод. Столб конденсата в отводчике компенсирует разность давлений до и после него.
Конденсат из выпарного аппарата, а также от других теплообменных аппаратов, обогреваемых паром с примерно одинаковой температурой, подводится в подъемную трубу 5 через патрубок 1 с инжектором 6, поднимается вверх и через воронку 7 свободно выливается в сепаратор 8. В результате пониженного давления в сепараторе происходит самоиспарение конденсата и отделение прорвавшихся с ним пузырьков пара. Часть конденсата отводится через патрубок 2 в сборник, а часть по циркуляционной трубе 4 возвращается в сепаратор. Пар самоиспарения, огибая полки 9 в сепараторе, освобождается от капель и выводится через патрубок 3 в паровую камеру следующего выпарного аппарата. Например, пар самоиспарения, выделенный из конденсата I корпуса выпарной установки, добавляется к вторичному пару этого же корпуса и используется для обогрева II корпуса.
| 2.2.4. Очистка сока | 2.2.6. Получение кристаллического сахара |
2 )
КОММЕНТАРИИ