Призначення та область застосування випарного апарату з природною циркуляцією та співвісною гріючою камерою

Вступ

 

У даному курсовому проекті розроблено двокорпусну  випарну установку з природною циркуляцією розчину та співвісною гріючою камерою. Апарат призначений для концентрування розчину лимонної кислоти з продуктивністю по вихідному розчину 3,33 кг/с.

Випарюванням називається процес концентрування розчинів твердих речовин при температурі кипіння (в умовах, коли тиск пари над розчином дорівнює тиску в робочому об'ємі апарату) шляхом часткового видалення рідкого летючого розчинника у вигляді пари. У процесі випарювання водного розчину лимонної кислоти розчинник, який видаляється, являє собою водяний пар, що носить назву вторинного. Сутність процесу полягає у відведенні отриманого вторинного пару від сконцентрованого розчину лимонної кислоти, що залишився [1, 2].

Концентрування  розчинів методом випарювання є  одним з найбільш розповсюджених технологічних процесів багатьох підприємств біотехнологічної, хімічної, харчової та інших галузей промисловості. У біотехнології випарювання застосовують для концентрування розчинів органічних кислот, амінокислот, антибіотиків та інших біологічно активних речовин.

Випарювання лимонної кислоти є дуже енерговитратним, а виготовлення випарного апарату потребує великої кількості металу. Саме тому необхідна раціональна організація процесу випарювання, що дозволяє забезпечити максимальну продуктивність випарної установки при мінімальних витратах тепла та металу.

Використання  лимонної кислоти розповсюджене  у багатьох галузях промисловості. До них належать харчова, медична, фармацевтична, лакофарбна та інші галузі народного господарства [3]. Продукти таких виробництв звичайно виготовляють з використанням концентрованих розчинів лимонної кислоти, які отримують саме за допомогою випарювання. Широке використання робить виробництво лимонної кислоти дуже актуальним.

 

1. Призначення та область застосування випарного апарату з природною циркуляцією та співвісною гріючою камерою

 

Випарний апарат з природною циркуляцією розчину і співвісною гріючою камерою є важливим елементом обладнання багатьох підприємств хімічної, харчової, біотехнологічної та інших галузей промисловості. Випарювання застосовують на заводах мінеральних солей, азотних добрив, содових, хлорних, цукрових, крохмале-патокових заводах, в алюмінієвій, целюлозно-паперовій промисловості і у виробництві полімерних матеріалів. Їх також використовують для концентрування водних розчинів у виробництві різноманітних мінеральних солей, добрив, білково-вітамінних концентратів, кормових дріжджів та інших продуктів, а також для регенерації різних розчинів з метою повернення їх у технологічний цикл та термічного знешкодження промислових стоків.

У випарному апараті з природною циркуляцією та співвісною гріючою ка-мерою буде відбуватися концентрування розчину лимонної кислоти (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 Випарний апарат з природною циркуляцією та співвісною гріючою камерою

Апарати даного типу часто використовуються у промисловості. У випарному апараті з співвісним розташуванням сепаратора і гріючої камери розчин, що випарюється, піднімається по трубах камери, поступає у сепаратор, звідки відділений вторинний пар виходить через бризковловлювач за своїм призначенням. Розчин опускається по циркуляційній трубі у нижню частину нагрівальної камери, знову піднімається по її трубах і т.д. Вихідний розчин вводиться у циркуляційну трубу, а упарений відводиться з нижньої частини сепаратора (при безперервній роботі) або через штуцер у нижній частині нагрівальної камери (при періодичному робочому режимі). Апарат, що розглядається, виготовляється з поверхнею нагріву до 800 м² . Він відрізняється спокійним кипінням і особливо рекомендується для концентрування розчинів, що спінюються.

Інтенсивність циркуляції випарюваного розчину у нагрівальних трубах сприяє зменшенню швидкості інкрустації  поверхні нагріву у випадках, коли концентрування розчину супроводжується випадінням твердого осаду (часткова кристалізація). Рушійною силою природної циркуляції є різниця гідростатичних тисків рідини у циркуляційній трубі або кільцевому каналі і парорідинної суміші. Таким чином, збільшення швидкості циркуляції розчину можливе шляхом подовження нагрівальних труб, що і реалізується у апаратах даного типу [1]. Випарні апарати з природною циркуляцією відрізняються високою продуктивністю і широко використовуються для упарювання розчинів з невисокою в'язкістю. У таких апаратах циркуляція здійснюється за рахунок різниці густини в окремих точках [4]

У сучасних випарних установках випарюються дуже великі кількості  води. Це призвело б до дуже значних витрат гріючої пари. Однак витрати пари на випарювання сильно знижуються, якщо проводити процес у багатокорпусній (у даному випадку – двокорпусній) випарній установці. Принцип її дії зводиться до багатократного використання тепла гріючої пари, що поступає у перший корпус установки, шляхом обігріву кожного наступного корпуса вторинним паром із попереднього корпуса.

Дана установка складається із двох корпусів (рисунок 1.2). Вихідний розчин, нагрітий до температури кипіння, поступає у перший корпус, що обігрівається свіжою (первинною) парою. Вторинна пара із цього корпуса направляється у якості гріючої до другого корпуса, де внаслідок зниженого тиску розчин кипить за більш низької температури, ніж у першому. З огляду на більш низький тиск у другому корпусі розчин, упарений у першому корпусі, переміщується само током до другого корпуса і охолоджується до температури кипіння у цьому корпусі. З а рахунок тепла, що при цьому виділяється, утворюється додаткова кількість вторинної пари, що носить назву само випарювання розчину.

            Рисунок 1.2  Схема роботи двокорпусного випарного апарата                                

Попередній  нагрів вихідного розчину до температури  кипіння у першому корпусі  здійснюється у окремому підігрівачі, що дозволяє уникнути збільшення поверхні нагріву у першому корпусі.

Вторинна пара із другого корпусу відводиться  у барометричний конденсатор, у  якому при конденсації пари створюється  необхідне розрідження. Повітря  і несконденсовані гази, що попадають  в установку з парою і охолоджуючою водою (у конденсаторі), а також через нещільності трубопроводів і різко погіршену теплопередачу, відсмоктуються через пастку-бризковловлювач вакуум-насосом [5].

2. Опис технологічного процесу виробництва лимонної кислоти

 

Виробництво лимонної кислоти  хімічними способами економічно недоцільно: висока вартість вихідної сировини; технологія багатостадійна з використанням сильнотоксичних реагентів (ціановодню, хлору тощо) та дає низький вихід цільового продукту. Тому до теперішнього часу вона виробляється з цукровмісної сировини за допомогою мікроорганізмів. В якості сировини для ферментативного отримання лимонної кислоти у багатьох країнах світу використовують мелясу (побічний продукт цукрового виробництва), а в якості продуцента - спеціальний штам мікроскопічного гриба Аspergillus niger.

Відомо два способи  ферментації: глибинний та поверхневий. По першому з них міцелій гриба  занурений в поживне середовище в апаратах, які називають ферментерами; по другому – міцелій розміщується на поверхні середовища у відкритих  кюветах, розміщених на багатоярусних стелажах в спеціальних камерах. Загальна принципова технологічна схема виробництва лимонної кислоти з мелясного середовища наведена на рисунку 2.1 [6].

Так як гриби роду Aspergillus являються облігантними (строгими) аеробами, то в ферментери та ростильні камери безперервно подають кондиціоноване повітря. При диханні гриба та утворенні лимонної кислоти виділяється тепло, яке відводять із ферментерів пропусканням холодної води через «сорочку», а із камер – продуванням повітря, підтримуючи температуру поживного середовища 30-32°С.

Апаратна схема лінії  виробництва лимонної кислоти при поверхневому культивуванні зображена на рисунку 2.2 [7].

По закінченні ферментації (через 5-9 діб) від культуральної  рідини відділяють міцелій (при глибинній ферментації – фільтруванням на вакуум-фільтрах, при поверхневій – гравітаційним способом або вручну, попередньо зливши рідину з кювет). Фільтрована культуральна рідина представляє собою водний розчин лимонної кислоти, побічних (щавелевої та глюконової) кислот, інших метаболітів гриба, компонентів поживного середовища та суспендованих частинок .

 

Рисунок 2.1 Загальна принципова технологічна схема виробництва лимонної кислоти [6]

 

 

Рисунок 2.2 Схема роботи лінії по виробництву лимонної кислоти [7]:

1 - мелясне сховище, 2 - насоси, 3 - резервуар для розчинення меляси, 4 - стерилізатор, 5 - камера бродіння, 6 - збірник збродженої рідини, 7 - нейтралізатор, 8 і 10 - вакуум-фільтри, 9 - реактор, 11 - збірник , 12 - вакуум- випарний апарат, 13 - повторний розчинник, 14 - фільтр-прес, 15 - кристалізатор, 16 - центрифуга, 17 - сушарка, 18 - збірник, 19 - готова продукція

 

Лимонну кислоту із культуральної  рідини виділяють у вигляді погано- розчинної солі – цитрату кальцію. З ціллю підвищення чистоти цитрату, що в більшій мірі визначає ефективність проведення наступних технологічних процесів, перед його осадженням необхідно із культуральної рідини видаляти домішки центробіжним сепаруванням. З тою ж ціллю видаляють щавлеву кислоту у вигляді оксалату кальцію, повністю випадаючого в осад при pH=3, що відділяється фільтруванням.

До нагрітої культуральної  рідини додають водну суспензію  гідроксиду кальцію до pH≥6, при цьому в результаті реакції нейтралізації утворюється осад цитрату кальцію. Якщо щавлева кислота попередньо не виділялась, то осаджується і вона. Кальцієві солі глюконової кислоти не осаджуються. Хімічне осадження лимонної кислоти проводять в реакторі, який називається нейтралізатором (7).

Осад цитрату відфільтровують  на фільтрах, які працюють під вакуумом (8,10), і від нього гарячою водою відмивають залишки культуральної рідини. Фільтрат упарюють на випарній установці (12) та у вигляді концентрованого розчину реалізують в різноманітних галузях народного господарства. Частину промивів використовують для розбавлення меляси при приготуванні поживного середовища.

Цитрат кальцію розкладають  потім в окремому реакторі концентрованою сірчаною кислотою, в результаті чого вивільнюється лимонна кислота  та випадає осад погано розчинного гіпсу. При розкладанні цитрату  оксалат не вступає в реакцію з сірчаною кислотою та видаляється із реакційної суміші разом з гіпсом в процесі фільтрування. В реакторі цитрат суспендують у невеликій кількості води з таким розрахунком, щоб після розкладу концентрація лимонної кислоти в розчині була не нижча 25%. Приливання сірчаної кислоти в цитратну суспензію сильно розігріває реакційну суміш. При наступній витримці з ціллю дозрівання кристалів гіпсу задану температуру підтримують подачею пари.

По закінченні розкладу цитрату важкі метали осаджують гексаціанофератом калія (ГЦФК), а миш’як – сульфідом барію; їх разом з гіпсом видаляють фільтруванням (14).

Описаний спосіб виділення  лимонної кислоти, базується на проведенні її через малорозчинну сіль, називається  класичним .

Наступний етап у схемі технологічного процесу – освітлення розчину лимонної кислоти активованим вугіллям. Найраціональнішим методом освітлення є освітлення  у відсутності великої кількості суспендованого гіпсу та інших домішок. В цьому випадку після фільтрування осаду гіпсу розчин лимонної кислоти піддають частинному випарюванню в випарних апаратах і тільки після цього обробляють активованим вугіллям. Невелику кількість гіпсу, що випадає при упарюванні, видаляють разом з активованим вугіллям.

Очищений розчин лимонної кислоти вдруге випарюють під і по досягненні заданої концентрації зливають в кристалізатори (15), в яких поступово знижують температуру. Кристали, що виділилися, відділяють від розчину на центрифугах (16), промивають невеликою кількістю холодної води, висушують у сашарці (17) і упаковують.

Перший розчин (з промивною  водою) безпосередньо або після  освітлення активованим вугіллям випарюють, кристалізують, кристали відділяють, промивають і висушують.

Другий розчин освітлюють активованим вугіллям і далі переробляють так само, як і перший. Із цих кристалів і кристалів, отриманих із основного розчину, складають товарні партії лимонної кислоти.

Третій розчин в залежності від його чистоти повертають в  нейтралізатор або розбавляють  водою до 15%-ної концентрації (по лимонній кислоті), освітлюють активованим вугіллям та отримують цитрат, який приєднують до основної маси цитрату в реакторі для розкладення його сірчаною кислотою [6].

Отже, випарювання є  одним з ключових етапів у виробництві  лимонної кислоти.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Обґрунтування вибору конструкції випарного апарату з співвісною гріючою камерою та природною циркуляцією розчину

 

У літературі описана  велика кількість конструкцій випарних апаратів, але лише невелика їх частина обумовлена індивідуальними особливостями розчинів, що випарюються. Єдиної класифікації цих апаратів не існує, але доцільним є заснувати її на конструктивному оформленні поверхні нагріву і властивостях теплоносія, що використовуються. Найбільше розповсюдження у промисловості отримали апарати, що обігріваються водяним паром, рідше – топочними газами і високо киплячими органічними теплоносіями, дуже рідко – електричним струмом. Найбільш простими являються випарні апарати у вигляді вертикальних порожнистих циліндрів чи чашоподібні, оснащені нагрівальними сорочками чи спіральними зміє виками. Ці апарати відрізняються малою питомою поверхнею нагріві, тому вони громіздкі, малопродуктивні і застосовуються лише у мало масштабних виробництвах.