Теплообменник с прямым контактом: основные требования к нагреву и смешиванию в процессе

Молочная линия, движущаяся производительностью 20 000 литров в час, должна поднять температуру сырого молока с 5 °C до 72 °C и удерживать ее в таком положении в течение 15 секунд. Прикрутите к этому устройству пластинчатый теплообменник, и стенка из нержавеющей стали между продуктом и горячей водой станет узким местом: она загрязняется, увеличивает температуру приближения на 1–3 К, и ее необходимо открывать для очистки. Замените его паровым инжектором, и стенка исчезнет, ​​потому что пар конденсируется внутри изделия. Инженерная проблема смещается от площади поверхности к смешиванию.

Прямой контактный теплообмен – не лабораторная диковинка. Он используется в линиях ультрапастеризации, установках опреснения морской воды, геотермальных контурах рассола и газотвердых сушилках. Работает ли он при заданной нагрузке, зависит от трех показателей процесса: качества пара, поступающего в контактор, размера пузырьков или капель, образующихся в точке смешивания, и времени контакта, которое продукт может выдержать, прежде чем качество ухудшится.

Что на самом деле представляет собой теплообменник прямого контакта

Теплообменник с прямым контактом передает тепло через границу раздела двух потоков, а не через металлическую стенку. Впрыск пара в молоко, барботирование дымовых газов через воду и продувка воздуха через падающий слой гранул – все это функции прямого контакта, и каждый из них зависит от качества смешивания, а не от состояния поверхности трубы.

Почти все промышленные применения охватывают три семейства: газожидкостные контакторы, в которых одна фаза диспергируется в виде пузырьков или капель; контакторы жидкость-жидкость, в которых две несмешивающиеся жидкости смешиваются, а затем разделяются; и контакторы газ-твердое тело, в которых поток газа нагревает или охлаждает движущийся слой частиц. У каждой семьи свой собственный режим смешивания, и каждая из них терпит неудачу по-своему, когда этот режим нарушается.

Поскольку интерфейс представляет собой поверхность теплопередачи, блок прямого контакта можно встроить внутри одного гигиеничного корпуса. Гибридный теплообменник прямого контакта, разработанный, например, для пищевой промышленности, размещает стадию впрыска и стадию разделения в одном резервуаре, что полностью исключает промежуточный контур горячей воды и его циркуляционные насосы.

Гибридный теплообменник с прямым контактом для пищевой промышленности Однокамерный гигиенический теплообменник, который непосредственно смешивает пар и технологическую среду, удаляя промежуточные контуры горячей воды и уменьшая загрязнение стенок труб. Посмотреть продукт →

Компромисс заключается в том, что эти два потока должны физически встретиться. Этот единственный факт определяет каждое последующее решение по спецификации, от фильтрации пара до размера зоны осаждения.

Требования к отоплению: паровая сторона ставит задачу на первое место

Нагревательная мощность в установке прямого контакта определяется балансом массы и энергии, а не площадью поверхности. Для повышения температуры одного килограмма продукта, подобного молоку, на 60 К при давлении пара 3 бар (а) требуется примерно от 0,11 до 0,12 кг пара, и эта цифра не меняется при увеличении контактора.

Качество пара и неконденсируемый газ

Два параметра со стороны пара определяют, достижима ли на практике расчетная мощность, и оба проверяются до того, как какой-либо тепловой расчет будет заморожен.

• Фракция сухости 0,95 и выше. Влажный пар увлекает за собой капли котловой воды, которые добавляют растворенные твердые вещества в продукт и разрушают инжекторное сопло.
• Неконденсирующийся газ с содержанием менее 1% по объему. Воздух или азот, попадая на поверхность раздела конденсации, закрывают ее, и вентиляция является единственным способом устранения присутствия газа.
• Фильтрация и паровая степень. Пошлина на продукты питания и напитки обычно ссылается на принятую практику 3-A для кулинарного пара, тогда как пошлина на биофармацевтику ссылается на пределы очищенного или чистого пара USP.

Целевые значения температуры и разбавление, которое они создают

Стандартные тепловые цели сохраняются без изменений. Пастеризация HTST удерживает продукт при температуре 72 °C в течение 15 секунд, а обработка UHT проводится при температуре от 135 °C до 150 °C в течение 2–5 секунд. Что меняется при прямом впрыске, так это то, что сконденсированный пар добавляет к продукту воду примерно в количестве 11% по массе при повышении температуры на 60 К.

Устройства впрыска пара и эжекторы являются «рабочими лошадками» для этой задачи, поскольку они объединяют этап нагрева и первый этап смешивания в одном узле форсунки.

Санитарный паровой эжектор для линейного нагрева и смешивания Гигиеничный инжектор Вентури, в котором для нагрева, смешивания и подачи жидких или газообразных сред используется пар, без движущихся частей. Посмотреть продукт →

Если мгновенное охлаждение невозможно, поскольку продукт слишком вязкий, чтобы выделять пар, или слишком термочувствителен, чтобы попасть в вакуумную камеру, прямой путь прекращается, и более безопасным выбором остается настенный теплообменник.

Требования к смешиванию: межфазная поверхность предшествует площади поверхности

В устройстве прямого контакта поверхность теплопередачи представляет собой межфазную площадь, примерно в шесть раз превышающую объемную долю дисперсной фазы, деленную на средний диаметр Заутера. Уменьшение вдвое среднего диаметра капли или пузырька удваивает доступную площадь, не касаясь сосуда, поэтому энергия смешивания имеет большее значение, чем объем сосуда.

Размер капель и пузырьков

Контакторы с барботажем и барботажной колонкой обычно обеспечивают средний диаметр Заутера от 0,5 до 3 мм. Линейные паровые инжекторы и эжекторы достигают диаметра от 0,1 мм до 1 мм, что обусловлено перепадом давления примерно от 1 до 4 бар на сопле. Этот разрыв порядка величины и отличает 30-секундный контактор от 1-секундного.

Время смешивания и локальный перегрев

Время смешивания в точке инъекции должно удерживаться в пределах от 0,1 до 2 секунд. Более длительный контакт внутри шлейфа впрыска означает, что продукт, ближайший к соплу, находится в течение измеримого времени значительно выше заданной объемной температуры, а молочные белки денатурируют в этой локальной горячей точке, даже если средняя температура на выходе показана правильно.

Разделение - требование, которое завершает большинство проектов.

Задержка дисперсной фазы в контакторах жидкость-жидкость составляет от 5% до 20% по объему, а размер зоны осаждения должен определяться по закону Стокса для наименьшей капли, которая не может быть получена при использовании непрерывной фазы. Если два потока не могут быть полностью разделены, прямой контакт – неправильная технология, какой бы привлекательной ни выглядела передача тепла на бумаге.

Пять решений, которые исправят дизайн

1. Зафиксируйте режим работы и целевую температуру. Для повышения температуры на 60 К требуется от 0,11 до 0,12 кг пара на килограмм продукта, а допуск на выходе обычно поддерживается на уровне плюс-минус 0,5 К.
2. Установите параметры пара. Степень сухости 0,95 или выше, содержание неконденсируемого газа менее 1%, фильтрация, соответствующая кулинарному классу или чистому пару.
3. Размер интерфейса. Выберите сопло или барботер, обеспечивающий целевой средний диаметр Саутера при доступном перепаде давления.
4. Установите бюджет времени контакта. Впрыскивание и перемешивание занимает от 0,1 до 2 секунд, удержание пробирки в течение 2-5 секунд для режима ультравысокой температуры.
5. Докажите разделение и контроль. Смоделируйте стадию отстаивания или испарения, затем подтвердите контроль вакуума, уровня и температуры в пределах установленного допуска.

Прямой контакт против настенных агрегатов: где каждый торгует

Конструкции с прямым контактом достигают температуры приближения от 0,5 К до 1 К, против 1 К до 3 К для пластинчатых агрегатов и от 5 К до 10 К для кожухотрубных агрегатов, но они подходят только тогда, когда два потока могут быть впоследствии разделены.

Там, где прямой контакт имеет решающее значение, является непрерывная стерилизация. Автоматический сверхвысокотемпературный стерилизатор UHT, построенный на основе прямого впрыска, достигает температуры 140 °C менее чем за две секунды и возвращается к температуре 70 °C в испарительной емкости — профиль нагрева и охлаждения, с которым настенный блок не может сравниться без гораздо большей поверхности.

Автоматический стерилизатор UHT для обработки жидких пищевых продуктов Система мгновенной стерилизации с прямым впрыском и автоматическим управлением, быстрым нагревом и охлаждением, а также высокой рекуперацией тепла для молочных продуктов и напитков. Посмотреть продукт →

Та же логика применима к рекуперации отходящего тепла из геотермального рассола и к охлаждению сыпучих твердых веществ, где твердые вещества сами являются дисперсной фазой и вообще не требуется никакой стадии разделения.

Что написать в спецификации прямого контакта

Полная спецификация прямого контакта содержит шесть цифр: мощность в кВт, расход продукта в кг/ч, давление пара и степень сухости, заданная температура с ее допуском, максимально допустимое время пребывания и допустимое разбавление по массе.

• Производительность и расход продукта указаны при расчетной вязкости, а не при свойствах воды.
• Давление пара, степень сухости 0,95 или выше и степень фильтрации.
• Целевая температура с допуском, обычно плюс-минус 0,5 К на выходе.
• Максимальное время пребывания при температуре, обычно от 2 до 5 секунд для режима УВТ.
• Допустимое разбавление, выраженное в процентах от массы продукта и проверенное на стадии мгновенного испарения или разделения.
• Чистота поверхности, контактирующей с продуктом, и гигиенические критерии, включая значение шероховатости Ra 0,8 микрометра или выше для молочной и биофармацевтической промышленности.

Обработка поверхности, марка материала и геометрия соединений подчиняются тем же правилам, что и любая деталь, контактирующая с продуктом; Практические требования изложены в нашей заметке о материалах и обработке поверхности гигиенических теплообменников. Когда контактор поставляется как часть более крупной упаковки, окружающие трубопроводы, клапаны и контрольно-измерительные приборы обычно поставляются в виде интегрированного санитарно-технического узла, который сохраняет гигиенические границы в одном месте.

Shiloc (Shanghai) Industrial Trading Co., Ltd. поставляет эти устройства для проектов по производству продуктов питания, напитков и биофармацевтики, где технические характеристики обычно проверяются инженером-технологом, отделом качества и группой закупок, прежде чем фиксируется размер сопла.

Ответы на вопросы, которые чаще всего задают инженеры-технологи

Сколько воды добавляется в продукт при прямом впрыске пара?

Около 0,11 кг конденсата на килограмм продукта при повышении температуры 60 К, что близко к 11% по массе. При прямой ультрапастеризации вода снова удаляется путем мгновенного испарения при температуре примерно 70 °C, поэтому конечное содержание твердых веществ остается неизменным; если мгновенное охлаждение невозможно, следует принять разбавление или отказаться от прямого пути введения.

Какое качество пара требуется для пищевой и биофармацевтической промышленности?

Степень сухости 0,95 или выше, содержание неконденсируемого газа менее 1% по объему, фильтрация, соответствующая применению. Установки для производства продуктов питания и напитков обычно используют общепринятую практику 3-A для кулинарного пара, в то время как биофармацевтические установки работают в соответствии с ограничениями по очищенному или чистому пару USP с контактными поверхностями из нержавеющей стали 316L.

Может ли установка прямого контакта обрабатывать загрязняющие или вязкие продукты?

Да. При отсутствии стенок нет поверхности, на которой может откладываться крахмал, белок или минеральные отложения, поэтому прямой впрыск используется для потоков сыворотки, крахмала и продуктов с высоким содержанием твердых веществ, где настенные блоки загрязняются в течение нескольких часов. Ограничениями являются энергия смешивания и разделение: при температуре примерно 500 сП время смешивания резко возрастает, и требуемый перепад давления в форсунке становится нерентабельным.

Какова минимально достижимая температура приближения?

От 0,5 К до 1 К в режиме конденсации, ограничивается неконденсируемым газом в паре и временем пребывания, необходимым для полного разделения фаз. Нажатие ниже 0,5 К увеличивает объем контактора с резко уменьшающейся отдачей, а удаление последних следов воздуха из пара обычно является более дешевым решением.