Вакуум-аппарат

Вакуум-аппаратВАКУУМ-АППАРАТ, закрытый сосуд, служащий для выпарки растворов и сохраняющий при помощи особых приспособлений давление ниже атмосферного. Обогревание вакуум-аппарата производится паром, горячей жидкостью, открытым огнем, а в последнее время - электричеством. Первый вакуум-аппарат был изобретен английским химиком Говардом в 1812 г. для выпарки сахарных растворов в сахарном производстве.

Принцип действия вакуум-аппарата основан на том, что с понижением давления температура кипения жидкости понижается. Это дает возможность широко применять вакуум-аппарат в химической промышленности, где часто приходится выпаривать жидкости, которые при свойственной им температуре кипения разлагаются или теряют некоторые из своих физических свойств. К числу таких жидкостей принадлежат, например, многие органические растворы. Некоторые жидкости кипят при слишком высокой температуре, и для выпарки их при паровом обогреве пришлось бы прибегать к повышенным давлениям греющего пара, что повлекло бы за собой необходимость более дорогих котлов и более солидных конструкций всех вспомогательных устройств. Для получения разрежения в аппарате пользуются конденсатором и воздушным насосом; в конденсаторе при помощи охлаждающей смеси сжижают пар, а насосом удаляют воздух, попадающий в аппарат вместе с жидкостью и через различные неплотные соединения.

Материалом для постройки вакуум-аппарата в зависимости от его назначения могут служить железо, чугун, красная и желтая медь, свинец, стекло, фарфор и пр. Вакуум-аппарат должен иметь форму, которая оказывала бы наибольшее сопротивление внешнему давлению атмосферного воздуха; обычно ему придают вид яйца, цилиндра, конуса. Одной из главных частей паровых вакуум-аппаратов является обогревательная камера, которая делается в виде двойного дна, змеевика или пучка горизонтальных, или вертикальных труб. В последние годы стали строить вакуум-аппараты с камерами системы Герцендорфа, состоящими из плоских пустотелых колец, вставленных одно в другое; высота колец имеет от 1 до 1,7 м при расстоянии между кольцами в 80 мм. Первый вакуум-аппарат, построенный Говардом, имел обогревательную камеру в виде двойного дна, между стенками которого циркулировал пар. Эта конструкция, сохранившаяся и до сих пор, применяется гл. обр. в аппаратах небольшой емкости; неудобство ее в том, что она допускает местные перегревы выпариваемой жидкости и неравномерно нагревает ее в различных слоях. Для устранения этого дефекта такие аппараты стали снабжать мешалками, создающими побудительную циркуляцию. Паровые змеевики удобны тем, что равномерно нагревают жидкость и дают возможность регулировать температуру внутри аппарата; для этого змеевик разбивают на несколько отдельных частей с самостоятельным впуском пара и удалением конденсата. В змеевиках следует стремиться к тому, чтобы длина каждого из них не превышала 150—200 диаметров. К числу достоинств змеевиков следует отнести также и хорошую циркуляцию жидкости внутри аппарата. Камера из прямых трубок создает хорошую циркуляцию жидкости и позволяет вести выпарку в тонком слое. Материалом для обогревательных элементов служат металлы с наибольшей теплопроводностью, если нет каких-либо особых условий, препятствующих этому, - например, разъедающего действия выпариваемых жидкостей на металлы.

Расход тепла на выпаривание жидкости определяется по формуле

f1

где Q - количество тепла, Cal; S - количество раствора, поступающего в вакуум-аппарат, кг; с - удельная теплоемкость раствора; W - количество выпариваемой жидкости, кг; λ - полная теплота пара испаряемой жидкости; t - температура кипения и t0 - температура поступающего в вакуум-аппарат раствора. Для получения истинного значения расхода тепла следует определить потерю тепла аппаратом в окружающую среду и прибавить ее к полученному значению Q. Необходимая поверхность нагрева (в м2) определяется по формуле:

f2

где Q - расход тепла, Cal; К - коэффициент теплопередачи, Qm - средняя разность температур. Коэффициент теплопередачи К определяется в зависимости от конструкции обогревательной камеры, материала ее и условий работы. По Гаусбранду, он составляет для двойного дна 1400—1800 Cal в час, если жидкость находится в спокойном состоянии, и до 3500 Cal в час - при перемешивании. Для змеевика из красной меди f3 Cal/час, где d - диаметр змеевика в м, l - длина змеевика в м. Коэффициент теплопередачи для змеевиков из другого материала определяется по этой же формуле, но вводится опытный поправочный коэффициент, который составляет для железа 0,75, чугуна - 0,60, свинцовых труб - 0,50. Для трубчатой камеры, если пар обогревает трубы,

f4

где v - скорость движения жидкости в трубах. Если пар циркулирует внутри труб со скоростью v1, то

f5

Все эти коэффициенты относятся к меди; для железных труб они уменьшаются на 15—20%. Средняя разность температур определяется по формуле:

f6

где Qа - максимальная разность температур; Qе - минимальная разность температур.

Расход пара определяется по формуле:

f7

где Q - расход тепла, Cal, потребного на выпарку; λ - теплосодержание греющего пара, τ - температура конденсата.

Установка вакуум-аппарата с обогревом открытым огнемЛитой вакуум-аппаратНа фиг. 1 представлена установка вакуум-аппарата с обогревом открытым огнем. Такого рода конструкции употребляются на мелких консервных, кондитерских и других фабриках. На фиг. 2 изображен литой вакуум-аппарат, внутри эмалированный, употребляемый в химии, промышленности для выпаривания жидкостей, разъедающих металлы. Нагревание здесь происходит через пустотелую мешалку, в которую пускают пар. На фиг. 3 изображен аппарат с вращающейся поверхностью нагрева. Пар пускается через пустотелый вал В и распределяется по отдельным секциям С. Выгрузка готового продукта происходит через нижнее отверстие О. Вакуум-аппарат с вращающейся поверхностью нагреваНа фиг. 4 представлен вакуум-аппарат завода Фолькмар Гениг (Volkmar Hanig) в Дрездене с выносной поверхностью нагрева. Удобство такой конструкции заключается в том, что она позволяет вести выпарку в тонком слое. Наконец фиг. 5 изображает непрерывно действующий вакуум-аппарат, употребляемый на кондитерских фабриках для варки карамельной массы. Процесс варки здесь происходит следующим образом: сироп, состоящий из смеси сахара, патоки и воды, подогревается в варочном котле 1 до температуры 100—105°С и спускается в бачок 2, откуда сиропным насосом 3 подается в верхнюю часть аппарата 4, где проходит по змеевику, обогреваемому снаружи паром, и перегревается до 127—130°С. Непрерывно действующий вакуум-аппаратИз змеевика перегретый сироп выходит в среднюю часть 5, находящуюся под разрежением, вследствие чего здесь происходит быстрое испарение влаги, которая и         удаляется в виде смеси пара и воздуха благодаря действию мокро- воздушного вакуум-насоса 7. Готовая карамельная масса спускается в нижний приемник 6, откуда и удаляется.

Вакуум-аппарат завода Фолькмар ГенигВсе вакуум-аппараты должны быть снабжены следующей арматурой:
1) вакуумметром;
2) термометром;
3) воздушными кранами;
4) смотровыми стеклами.

Вакуум-аппарат на автомобилях служит для подачи путем разрежения горючего из бензинового бака в карбюратор. Большое распространение имеет вакуум-аппарат системы Кингстона, разрез которого представлен на фиг. 6. Работа вакуум-аппарата протекает следующим образом: из камеры I, сообщающейся с атмосферой через патрубок R, бензин по трубопроводу К самотеком поступает в карбюратор.
Вакуум-аппарат системы КингстонаПри понижении уровня бензина в камере I, давление бензина в камере II на шарнирный клапан Н увеличивается, клапан Н приоткрывается, и бензин из камеры II переливается в камеру I, при этом уровень бензина в камере II понижается и поплавок G вместе с его осью опускается. Ось поплавка связана шарнирно с рычагом L, вращающимся около точки М.
Рычаг L на середине длины шарнирно соединен вертикальной серьгой с рычагом Е, который вращается около оси S; около той же оси S вращается рычаг F; концы рычагов Е и F стягиваются тонкой спиральной пружиной. При опускании поплавка рычаг L, а, следовательно, и рычаг Е опускаются книзу. Под действием спиральной пружины рычаг F также опускается книзу, тем самым открывая клапан А и закрывая клапан В. При открытии клапана А камера II соединяется со всасывающей трубой мотора через трубопровод С. Закрытие клапана В прекращает доступ в камеру II атмосферного воздуха через патрубок R, следовательно, при открытом клапане А и закрытом клапане В в камере II получается вакуум (разрежение), благодаря которому из бензинового бака, подвешенного на шасси автомобиля, засасывается бензин в камеру II через трубопровод D и фильтр V. При наполнении камеры II бензином, поплавок G поднимается, а вместе с ним и рычаги L, Е и F. Поднятие рычага F ведет к закрытию клапана А и открытию клапана В. При открытом клапане В камера II сообщается с наружным воздухом, и засасывание бензина прекращается. При открытом клапане В давление в камерах I и II будет одинаковое, бензин из камеры II переливается в камеру I, из которой поступает в карбюратор, и процесс возобновляется.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 - 1928 г.