Пищевое оборудование

Сорбционные аппараты

Среди сорбционных процессов в пищевой промышленности наиболее широкое распространение получили абсорбция (процессы в системе газ, пар — жидкость) и адсорбция (система газ, пар, жидкость — твердое тело). В пищевой промышленности аппараты для проведения этих процессов используются в основном на заключительных стадиях технологического цикла для очистки и улучшения качества готовых продуктов, а также для улавливания ценных веществ и вредных выбросов.

Абсорберы

Классификация абсорберов обусловлена конструктивными элементами аппаратов с помощью которых взаимодействующие фазы приводятся между собой в тесное соприкосновение. Различают следующие основные типы абсорберов: пленочные, поверхностные, барботажные, распылительные и механические.

Различают три разновидности пленочных абсорберов: каскадные, трубчатые и насадочные. Принцип действия этих аппаратов основан на взаимодействии поднимающегося вверх газа (пара) с пленкой жидкости, стекающей вниз.

Каскадный абсорбер

Конструкция каскадного абсорбера (рисунок 1) представляет собой   систему неподвижно установленных в корпусе 1 аппарата перегородок 2 по которым жидкая фаза стекает вниз сплошным пото­ком не образуя пространства для свободного движения газа.

Газовая фаза подается в аппарат в нижней части корпуса и поднимаясь вверх вступает во взаимодействие с жидкостью, в результате которого происходит массообменный процесс перехода компонентов из газа в жидкость.

Благодаря простоте конструкции и высокой эффективности пленочные абсорберы получили широкое распространение в промышленности.

1-корпус; 2-перегородки; 3-вход газовой фазы; 4- вход жидкости; 5-выход газа; 6-выход жидкости Рисунок 1 - Каскадный абсорбер
1-корпус; 2-перегородки; 3-вход газовой фазы; 4- вход жидкости; 5-выход газа; 6-выход жидкости
Рисунок 1 — Каскадный абсорбер

Насадочный абсорбер

Насадочные абсорберы (рисунок 2), представляют собой цилиндрическую колонну 1, заполненную насадочными телами 2 (кольца или другие твердые тела), которые укладываются на опорные решетки 4, имеющие отверстия для прохождения газа и стока жидкости. Абсорбирующая жидкость из разбрызгивателя 3 стекает по поверхности насадочных тел  в виде тонкой плёнки, а в промежутках между ними – в  виде струй и капель. Газ, подлежащий разделению, поднимается вверх. Абсорбтив поглощается жидкостью. При достаточной плотности орошения, характеризуемой расходом жидкости (м3/с) на единицу площади поперечного сечения аппарата (м2), практически вся поверхность элементов насадки покрыта жидкостными плёнками, так что поверхность массопередачи близка к суммарной поверхности насадочных тел.

1 – корпус, 2 – слой насадки, 3 – распылитель жидкости, 4 – опорная решетка I – загрязнённый газ, II – очищенный газ, III – свежий абсорбент, IV – отработанный абсорбент Рисунок 2 - Насадочный абсорбер
1 – корпус, 2 – слой насадки, 3 – распылитель жидкости, 4 – опорная решетка
I – загрязнённый газ, II – очищенный газ, III – свежий абсорбент, IV – отработанный абсорбент
Рисунок 2 — Насадочный абсорбер

Плёночный абсорбер с конусами

Плёночным аппаратом с организованным течением плёнки являются – абсорбер с системой конусов (рисунок 3). Абсорберы состоят из корпуса 1, на внутренней поверхности которого установлены неподвижные конуса 2. На валу 4 закреплены внутренние конуса 3. При вращении  внутренних конусов 3, жидкость распыляется тонким слоем на неподвижные 2 образуя плёночные завесы. Прорыв газа через такие завесы приводит к образованию пены; за счёт этого улучшается площадь контакта.

1 – корпус, 2 – неподвижные конуса, 3 – внутренние конуса, 4 – вал I – загрязнённый газ, II – очищенный газ, III – свежий абсорбент, IV – отработанный абсорбент Рисунок 3 - Плёночный абсорбер с конусами
1 – корпус, 2 – неподвижные конуса, 3 – внутренние конуса, 4 – вал
I – загрязнённый газ, II – очищенный газ, III – свежий абсорбент, IV – отработанный абсорбент
Рисунок 3 — Плёночный абсорбер с конусами

Поверхностный абсорбер

Поверхностный абсорбер (рисунок 4). Данный аппарат состоит из некоторого количества прямых труб 1 внутри которых движется жидкая фаза. Противоточно жидкости осуществляется движение газовой среды. Для увеличения эффективности массообменного процесса внутри труб могут быть установлены различного типа перегородки которые способствуют турбулезации потока жидкости, а следовательно, увеличивают поверхность контакта фаз.

1 – трубы; 2 – вход жидкости; 3 – вход газа; 4 – выход газа; 5 – выход жидкости Рисунок 4 -Поверхностный абсорбер
1 – трубы; 2 – вход жидкости; 3 – вход газа; 4 – выход газа; 5 – выход жидкости
Рисунок 4 -Поверхностный абсорбер

Колокольчатый абсорбер

Аппараты барботажного типа выполняют двух видов; тарельчатые и колонные. В тарелочных барботажных аппаратах применяют тарелки различных типов. Конструктивно тарелки в абсорберах не отличаются от тарелок в ректификационных аппаратах, которые рассмотрены ранее.

Принцип действия колокольчатого абсорбера (рисунок 5) основан на подаче под избыточным давлением газа в слой подвижной жидкости. Газовая фаза подается в жидкость через распределительное устройство, которое обеспечивает пузырьковый режим работы аппарата.

К недостаткам этих аппаратов относится довольно большое гидравлическое сопротивление, возникающее при прохождении пузырьков газа через слой жидкости.

1 – корпус; 2 – распределительное устройство; 3 – вход газа; 4 – вход жидкости; 5 – выход газа; 6 – выход жидкой фазы Рисунок 5 - Колокольчатый абсорбер
1 – корпус; 2 – распределительное устройство; 3 – вход газа; 4 – вход жидкости; 5 – выход газа; 6 – выход жидкой фазы
Рисунок 5 — Колокольчатый абсорбер

Распылительный абсорбер

В распылительных абсорберах жидкость подается в аппарат через форсунки, расположенные в различных частях установки (рисунок 6) Распределение жидкости в виде мелких брызг способствует увеличению поверхности контакта фаз, т.е. массообменный процесс протекает более интенсивно. Это, в свою очередь, ведет к увеличению степени поглощения компонентов, содержащихся в газовой фазе.

1 – корпус; 2 – форсунки; 3 – вход жидкости; 4 – вход газа; 5 – выход жидкой фазы; 6 – выход газа Рисунок 6 - Распылительный абсорбер
1 – корпус; 2 – форсунки; 3 – вход жидкости; 4 – вход газа; 5 – выход жидкой фазы; 6 – выход газа
Рисунок 6 — Распылительный абсорбер

В механических абсорбцион­ных аппаратах контакт между: газом и жидкостью осуществля­ется с помощью различных уст­ройств. Чаще всего в роли таких устройств выступают мешалки.

В последнее время все большее распространение   в  промышленности получают   ротационные   аппараты,   которые   газа, по принципу действия относят к механическим абсорберам. Устройство ротационных абсорберов конструктивно не отличается от аналогичных ректификационных аппаратов.

Адсорберы

Адсорберы по принципу действия практически не отличаются от абсорбционных аппаратов. Однако применение твердого поглотителя вносит значительные отличия в конструкцию аппаратов. Кроме этого, при проведении адсорбционного процесса, в технологический цикл включаются вспомогательные операции: десорбция и сушка адсорбента с целью его дальнейшего использования.

Адсорбер периодического действия

Схема адсорбционного аппарата периодического действия представлена на рисунке 7.

1-корпус; 2-газораспределительная решетка; 3-адсорбент; 4 - вход газа; 5-загрузка адсорбента; 6-выход газовой фазы; 7-выгрузка адсорбента; 8- распределительное устройство Рисунок 7 - Адсорбер периодического действия
1-корпус; 2-газораспределительная решетка; 3-адсорбент; 4 — вход газа; 5-загрузка адсорбента; 6-выход газовой фазы; 7-выгрузка адсорбента; 8- распределительное устройство
Рисунок 7 — Адсорбер периодического действия

Адсорбент загружается внутрь корпуса аппарата и размещается на газораспределительной решетке 2. Очищаемый газ (жидкость) поступает в нижнюю часть корпуса. Газораспределительная решетка  равномерно распределяет поступающую среду по сечению аппарата. Выход очищенного газа осуществляется в верхней части установки. С целью много­кратного использования адсор­бента в аппарате имеется расп­ределительное устройство 8 для подвода водяного пара. Обработка острым паром очищает адсорбент от извлеченных из газа компонентов методом десорбции.

Интенсификация адсорб­ционного процесса в аппаратах периодического действия возможна за счет увеличения удельной поверхности контакта взаимодействующих фаз. Это достигается созданием режима «кипящего» слоя. Режим «кипящего» слоя обусловлен высокими скоростями движения газа или жидкости. При таком режиме работы на выходе из аппарата в верхней части адсорбера устанавливают сепаратор для предотвращения уноса частиц адсорбента. В промышленности обычно используют два адсорбера периодического действия. Это позволяет вести технологический цикл в непрерывном режиме. То есть в одном аппарате осуществляется  рабочий  процесс,   а  в  другой   установке  производится регенерация адсорбента.

Более эффективными являются адсорберы непрерывного действия. По принципу действия различают адсорберы с движущимся и с кипящим слоем адсорбента.

Адсорбер с движущимся слоем адсорбента

Адсорбер с движущимся слоем адсорбента изображен на рисунке 8. Аппарат выполняется в виде вертикальной колонны и разделен на секции. Адсорбент после регенерации направляется в верхнюю часть аппарата, где происходит охлаждение твердого поглотителя.    Охлажденный адсорбент поступает в среднюю часть колонны, где и происходит основной процесс массообмена между взаимодействующими фазами. Газовая или жидкая фаза поступает через распредели­тельное  устройство     2, равномерно распределяется по сечению аппарата и движется противоточно движению адсорбента. В нижней части адсорбера осуществляется регенерация адсорбента с помощью   острого       водяного пара, который подается так же как и газовая фаза через распределительное устройство. Для удаления газовой фазы и обратного пара в аппарате установлены тарелки – затворы 3.

1 – корпус; 2 – распределительное устройство; 3 – тарелки –затворы; 4 – вход газа; 5 – выход газа; 6 – вход адсорбента; 7 – выход адсорбента Рисунок 8 - Адсорбер с движущимся слоем адсорбента
1 – корпус; 2 – распределительное устройство; 3 – тарелки –затворы; 4 – вход газа; 5 – выход газа; 6 – вход адсорбента; 7 – выход адсорбента
Рисунок 8 — Адсорбер с движущимся слоем адсорбента

В адсорбере с кипящим слоем адсорбента скорость движения газовой фазы имеет более высокие значения, чем в аппарате с движущимся слоем твердого поглотителя. В данных аппаратах наблюдается строгий противоток между фазами, а процесс проходит более интенсивно вследствие большей удельной поверхности контакта фаз.

Следует отметить, что для интенсификации процессов абсорбции и адсорбции   необходимо  понижать  температуру  процесса  и  повышать давление. Это связано с тем, что поглощение компонентов чаще всего происходит с выделением тепла, а в ходе процесса общее давление снижается из за поглощения части газовой среды. Поэтому в сорбционных аппаратах предусматриваются приспособления для подачи охлаждающего агента.

Адсорбер с кипящим слоем мелкодисперсного сорбента

Адсорбер с кипящим слоем мелкодисперсного сорбента (рисунок 9). Поток исходного газа I, содержащего адсорбтив, является ожижающим агентом: пройдя газораспределительное устройство 7, он приводит в псевдоожиженное состояние мелкозернистый сорбент II и покидает слой через сепарационное устройство 3 и систему циклонов 4. Расширенное сепарационное пространство уменьшает пылеунос благодаря понижению рабочей скорости газа.

1 – аппарат с псевдоожиженным слоем, 2 – стояки, 3 – сепарационная зона, 4 – циклоны, 5 – холодильное устройство, 6 – подрешёточная камера, 7 – газораспределительная решётка; I – газ, II – псевдоожиженный слой сорбента, IIс – свежий сорбент, IIн – насыщенный сорбент, III – хладоагент. Рисунок 9 - Односекционный адсорбер непрерывного действия с кипящим слоем сорбента
1 – аппарат с псевдоожиженным слоем, 2 – стояки, 3 – сепарационная зона, 4 – циклоны, 5 – холодильное устройство, 6 – подрешёточная камера, 7 – газораспределительная решётка;
I – газ, II – псевдоожиженный слой сорбента, IIс – свежий сорбент, IIн – насыщенный сорбент, III – хладоагент.
Рисунок 9 — Односекционный адсорбер непрерывного действия с кипящим слоем сорбента

Сорбент, отделённый в циклонах от газового потока, возвращается в псевдоожиженный слой по опускным стоякам 2. поток свежего сорбента IIс постоянно подаётся в аппарат питателем. Поток насыщенного адсорбатом сорбента IIн непрерывно отводится из аппарата. При высоких тепловых эффектах адсорбции, если газ необеспечивает необходимого отвода теплоты, в псевдоожиженном слое размещают холодильные устройства 5, позволяющие поддерживать температуру процесса на должном уровне.