Выпаривание - процесс удаления из растворов растворителя путем перевода его в парообразное состояние при температуре кипения и отвода паров из аппарата.

Процесс применяют для получения новых продуктов и удлинения сроков их хранения. Основным назначением тепловой обработки продуктов в вакууме в общественном питании является получение пищевых концентратов при сохранении физико-химических свойств их компонентов, то есть сохранении пищевой ценности кулинарных изделий.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при избыточном и атмосферном давлении. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностей использования тепла вторичного пара.

В вакууме производят тепловую обработку продуктов, неустойчивых к высоким температурам. Кроме того, широкое применение тепловая обработка в вакууме находит при сгущении (концентрации) ценных жидких пищевых продуктов: бульонов, молока, крови, соусов и другое с тем чтобы сохранить их высокую питательную ценность. Производство этих видов продуктов благодаря применению выпаривания, возможно, осуществить на центральных кулинарных комбинатах и обеспечить ими столовые, буфеты, колбасные цеха, а также предприятия по переработке ферментного сырья. Концентрированные продукты проще транспортировать. Перед реализацией их требуется только разбавить кипяченой водой.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента используют водяной пар, который называют греющий, или первичный.

Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичный.

В пищевой технологии выпаривают, как правило, водные растворы.

При выпаривании под вакуумом в аппарате создается вакуум путем конденсации вторичного (сокового) пара в специальном конденсаторе отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум - насоса.

Выпаривание под вакуумом позволяет снизить температуру кипения раствора, что особенно важно при выпаривании пищевых растворов, которые особенно чувствительны к высоким температурам. Применение вакуума позволяет увеличивать движущую силу теплопередачи и, как следствие, уменьшить площадь поверхности выпарного аппарата, а следовательно, их материалоемкость.

Применение вакуума даёт возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуется дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы) а также увеличиваются эксплуатационные расходы.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.

Используются однокорпусные установки и много корпусные. В химической промышленности применяется в основном непрерывно действующие выпарные установки.

Лишь в производства малого масштаба, а также при выпаривании растворов до высоких конечных концентраций иногда используют выпарные аппараты периодического действия.

Однокорпусная выпарная установка включает лишь один выпарной аппарат.

Направленное биоэнергетическое воздействие на молоко как сложную полидисперсную систему приводит к её разделению на белковожировой концентрат (сыр, творог, казеин) и фильтрат (молочную сыворотку). Таким образом, молочная сыворотка является естественным побочным продуктом при производстве сыров, творога, молочно - белковых концентратов и по современной классификации может быть отнесена к вторичным сырьевым ресурсам молочной промышленности. Объёмы получаемой молочной сыворотки достигает 90% и более от объемов перерабатываемого на белково-жировые концентраты молока.

Молочная сыворотка обладает пищевой и биологической ценностью, имеет специфический химический состав, физико-химические свойства, структурно-механические, оптические, теплофизические и электрические характеристики.

Традиционные способы разделения молока, основаны на биотехнологии (закваски, ферменты) и использовании химических реагентов (кислоты, щелочи, соли), обеспечивают получение подсырной, творожной и казеиновой сыворотки. Нетрадиционные способы разделения молока, разработанные в последнее время, такие, как молекулярно-ситовая фильтрация, электрофизическая коагуляция белков молока, ультрафильтрация, термокальциевом, термодинамическое разделение белков молока биополимерами, дают ультрафильтрат и бескозеиновую фазу.

Химический состав сыворотки подсырной:

Содержание, %

сухие вещества 4,5 - 7,2

лактозы 3,9 - 4,9

белковых веществ 0,5 - 1,1

минеральных солей 0,3 - 0,8

Содержание белково-азотистых соединений мг на 100 мл 44

Степень использования белков молока, % 90,2

Содержание аминокислот, мг/л:

свободных всего: 132,7 в том числе незаменимых: 51

в белках всего: 6490 в том числе незаменимых: 3326

Минеральный состав, %:

зола 0,56

кальций 0,053

фосфора 0,042

хлора 0,146

Содержание витаминов, мкг/кг:

Каротина 13

А22

Е227

В₁315

В₂1389

В₆524

Холина 160000

РР140

С500

Содержание молочной кислоты, %:

Свободной 0,11 - 0,14

связанной (в виде лактатов) 0,62 - 0,65

Физико-химические свойства сыворотки подсырной:

В связи с резким увеличением производства продуктов из молока в Белоруссии возросли и ресурсы молочной сыворотки, которая является богатым источником для производства различных продуктов питания, что позволяет широко использовать ее в производстве колбас, полуфабрикатов, кормовых продуктов, лечебных и технических фабрикатов.

В последние годы значительное внимание уделяется вопросу создания специализированных белковых продуктов, предназначенных для диетического и лечебного питания населения.

В процессе технологической переработки и хранения в молочной сыворотки происходят сложные биохимические превращения. Поэтому при изготовлении из нее продуктов питания необходимо обеспечить сохранение пищевой ценности исходного сырья, предотвратить возможность попадания в него вредных и балластных веществ. Изготовленные пищевые медицинские и кормовые продукты должны быть полноценными по содержанию незаменимых аминокислот, витаминов, минеральных веществ и так далее.

В связи с развитием животноводства, резко возрастает потребность в белковых животных кормах. Одним из источников пополнения белкового баланса в животноводстве является использование молочной сыворотки. Для этого требуется переоснащение предприятий современным и высокопроизводительным оборудованием, а также создание современных физических и биологических методов переработки молочной сыворотки. Это возможно на основе глубоких исследований физико-химических и биологических свойств молочной сыворотки, динамики процессов, протекающих в ней под влиянием различных воздействий.

Широкое применение в последние годы процесса упаривания при производстве пищевых продуктов привело к созданию большого количества выпарных аппаратов различной конструкции, их можно классифицировать по ряду признаков, а именно:

1) по расположению поверхности нагрева - горизонтальные, вертикальные и реже встречающиеся наклонные;

2) по роду теплоносителя: с паровым обогревом, газовым обогревом, обогревом высокотемпературными теплоносителями (масла, даутерм, вода под высоким давлением) с электрообогревном. На химических и сахарных заводах чаще всего применяются аппараты с паровым обогревом, и потому в дальнейшем внимание будет уделено им;

3) по способу подвода теплоносителя: с подачей теплоносителя внутрь трубок (кипение в большом объеме), подача пара в паровую камеру снаружи трубок (кипение внутри трубок);

4) по режиму циркуляции: естественная и искусственная (принудительная) циркуляция;

5) по кратности циркуляции: однократная и многократная;

6) по типу поверхности нагрева: с паровой рубашкой, змеевиковые, с трубчатой поверхностью нагрева различной конфигурации.

Что касается требований, которые должны быть предъявлены к рациональным конструкциям, то они могут быть сведены к следующим:

1) простота, компактность, надежность, технологичность конструкции с точки зрения удобства и дешевизны изготовления, монтажа и ремонта, стандартизация узлов и деталей;

2) удовлетворение технологическим требованиям: соблюдение требуемого режима (температуры, давления, время пребывания), получение продукта или полупродукта надлежащего качества и требуемой концентрации, устойчивость в работе при неизбежных небольших колебаниях в отборе экстра-пара, по возможности более длительная работа между остановками на очистку при минимальных отложениях осадков на поверхности нагрева, удобство обслуживания и очистки, регулировки и контроля работы;

3) интенсивность теплоотдачи при высоких значениях К, малый вес и невысокая стоимость 1 м² поверхности нагрева.

Разумеется, что удовлетворить всем этим требованиям в максимальной степени практически не представляется возможным. а потому задача конструктора заключается в том, чтобы, ориентируясь на технические условия, создать наиболее рациональную конструкцию.

Под углом зрения сказанного перейдем сейчас к краткому рассмотрению конструкций.

1. Выпарной аппарат с паровой рубашкой (рисунок 1) применяется в небольших по масштабам производствах для упаривания вязких жидкостей, растворов, дающих отложения или отличающихся агрессивными свойствами. Для борьбы с коррозией внутренняя стенка корпуса часто защищается коррозиеустойчивыми покрытиями. Аппараты эти работают либо при атмосферном давлении (открытого типа), либо под вакуумом (закрытого типа). Нередко они снабжаются мешалкой для интенсификации процесса выпаривания. К достоинствам относится: простота и надежность конструкции, к недостаткам - малая интенсивность теплопередачи (низкое К), небольшая производительность (низкое тепловое напряжение), невысокое паровое пространство, ввиду чего возможен механический унос капелек жидкости.

Рисунок 1. Выпарной аппарат с паровой рубашкой

2. Змеевиковый аппарат по сравнению с предыдущей конструкцией является более компактным, так как в единице объема позволяет иметь большую поверхность нагрева. Достоинством его является возможность разбивки поверхности нагрева на секции с постепенным их вводом в работу; это важно для аппаратов периодического действия с постепенным заполнением упариваемой жидкостью. При упаривании кислых жидкостей змеевики следует изготовить из кислотоустойчивого материала, а стенки корпуса выполнять с соответствующими покрытиями.

К недостаткам относятся: трудность очистки змеевиков снаружи при их тесном расположении; при длинных змеевиках затруднен отвод конденсата и возможно образование "паровых пробок”. Известные затруднения представляет и ремонт змеевиков. Змеевики должны "хомутами” крепиться к корпусу, в противном случае при направлении внутрь змеевиков пара под давлением возможна их вибрация и дрожание аппарата.

Хотя по компактности эти аппараты значительно лучше рубашечных, однако, они также уступают трубчатым, которые имеют сейчас наибольшее распространение в промышленности. Данный вид аппарата представлен на рисунке 2.

К числу старых конструкций относится горизонтальный выпарной аппарат (рисунок 3) с горизонтальными длинными трубками сравнительно небольшого диаметра, с уплотнением трубок с помощью резиновых колец, прижимаемых специальными розетками к трубкам. Пар подается в паровую камеру, входит в один конец трубок, а конденсат уходит с другого конца трубок в конденсатную камеру.

Рисунок 2. Змеевиковый выпарной аппарат.

Ввиду большой длины трубок для предупреждения их прогиба по длине аппарата устанавливают 2-3 решетчатые перегородки, через которые пропускаются трубки

Корпус аппарата сундучной или цилиндрической формы. В первом случае при работе аппарата под избыточным давлением или вакуумом требуется добавочное крепление плоских стенок во избежание их деформации.

К числу достоинств аппарата относятся: большое зеркало испарения, большое паровое пространство, большая аккумулирующая способность, удобство очистки поверхности нагрева путем выемки трубок из аппарата, малые потери полезной разности температур от гидростатического эффекта ввиду небольшой высоты уровня раствора в аппарате. По опытным данным К приближается к значениям для вертикальных аппаратов с организованной циркуляцией. Недостатки аппарата: громоздкость, большая площадь пола, занимаемая аппаратом, удорожание ремонта, что связано с выемкой и обратной постановкой трубок на резиновом уплотнении.

Рисунок 3. Горизонтальный выпарной аппарат.

1 - корпус; 2 - паровая камера; 3 - ловушка.

К числу горизонтальных аппаратов относятся аппараты с горизонтальными трубками, внутри которых кипит упариваемый раствор (рисунок 4), пар подается снаружи трубок. Трубки имеют U-образную форму, поверхность нагрева при необходимости откатывается на тележке.

К достоинствам аппарата относится удобство ремонта, благодаря возможности откатки поверхности нагрева, большое паровое пространство.

Недостатком его является трудность внутренней очистки U-образных трубок (в последнее время U-образные трубки заменены прямыми вальцованными в две трубные решетки). Кипение внутри горизонтальных трубок небольшого диаметра затруднено.

По весовым показателям этот аппарат значительно уступает современным вертикальным аппаратам, ввиду чего он не оправдывает себя из-за значительного перерасхода металла.

Рисунок 4. Выпарной аппарат с горизонтальной выносной нагревательной камерой.

1 - корпус; 2 - нагревательная камера; 3 - брызгоулавливатель.

Для упаривания кристаллизующихся растворов применяют аппараты с коническим днищем, имеющим угол наклона, больший, чем угол естественного откоса кристаллизующейся массы.

Одно время сравнительно большое распространение получили пленочные аппараты с однократной циркуляцией раствора (рисунок 5). Основная идея этой конструкции заключается в снижении потерь полезной разности температур от гидростатической депрессии. В аппарат подается мало раствора (на 1/4 высоты трубок), в нижнюю же часть подается и греющий пар, вследствие чего образуется много паровых пузырьков, увле-кающих за собой раствор, всползающий вверх по стенке тонкой пленкой.

Парожидкостная эмульсия, выходящая из трубок ударяется о поверхность спирального сепаратора, получает вращательное движение и отбрасывается центробежной силой па периферию, благодаря чему происходит довольно совершенная сепарация пара. Упаренный раствор через штуцер по трубе переходит в следующий аппарат.

Таким образом, при использовании эффекта всползания происходит выпаривание в тонком слое при однократной циркуляции раствора. При большой длине кипятильной трубки не вся поверхность нагрева используется эффективно, так как в верхней части возможны разрыв и высыхание пленки и здесь имеет место теплоотдача от стенки к влажному пару. В этих аппаратах не наблюдается ожидавшаяся большая интенсивность теплоотдачи при кипении. Если при этом учесть значительную высоту трубок, требующих устройства в крыше "фонаря” для их выемки при ремонте, и неудобство замены длинных трубок, то станет понятным, почему в последнее время эти аппараты больше не выпускаются.

Пленочный аппарат, как было уже указано, характеризуется однократной циркуляцией и быстрым прохождением раствора, что предохраняет растворы, чувствительные к высоким температурам, от порчи, что является его некоторым преимуществом, особенно при применении установки под давлением; однако вследствие однократного прохождения раствора и малой аккумулирующей способности аппарата, он чувствителен к колебаниям в работе завода, и трудно получить упаренный раствор равномерной концентрации, что является его недостатком.

Труба, отводящая упаренный раствор на следующий аппарат, должна иметь гидравлический затвор (сифон) соответствующей высоты для предотвращения возможного прорыва пара в трубное пространство следующего аппарата.

Ко всему сказанному следует добавить, что он и дороже обычного вертикального аппарата при отсутствии веских преимуществ.

Рисунок 5. Пленочный выпарной аппарат.

К числу конструкций, нормализованных Главхиммашем, относится выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева (рисунок 6), который целесообразно применять для пенящихся растворов, так как не будет уноса капелек жидкости и пены со вторичным паром. Эти аппараты работают при интенсивной естественной циркуляции, благодаря наличию необогреваемой циркуляционной трубы и достаточной высоты циркуляционного столба жидкости. Выносная паровая камера облегчает очистку и ремонт аппарата, благодаря хорошему доступу к трубкам. Эта конструкция допускает и секционирование аппарата путем присоединения нескольких трубчаток к одному сепаратору. Наличие нескольких секций позволяет выключить одну из них для ремонта и очистки при бесперебойной работе аппарата в целом. Стоимость единицы поверхности этого аппарата не превышает стоимости обычного.

Рисунок 6. Выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева.

В некоторых случаях применяются аппараты с принудительной циркуляцией (рисунок 7).

Как видно из рисунка 7, свежий раствор поступает в аппарат снизу, концентрированный раствор отбирается в нижней части сепаратора. Парообразование имеет место в верхней части кипятильных трубок, причем ввиду большой кратности циркуляции парожидкостная эмульсия содержит в основном жидкую фазу.

Струя парожидкостной эмульсии выбрасывается из трубок. Благодаря наличию здесь довольно совершенного сепаратора происходит хорошее отделение капелек жидкости от пара.

Рисунок 7. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора.

Так как в этих аппаратах жидкость движется по трубкам с большой скоростью (2-3 м/сек) под давлением, поэтому в трубках температура раствора выше температуры кипения и точка закипания находится у верхнего конца трубки. Благодаря большой скорости движения раствора отложения здесь меньше.

Аппараты с принудительной циркуляцией целесообразно применять в определенном интервале нагрузок и главным образом при упаривании вязких жидкостей, когда естественная циркуляция затруднена. В этих условиях а₂ получается более высоким, чем в обычных аппаратах, но зато на привод циркуляционного насоса требуется довольно значительная затрата мощности, поэтому целесообразность применения подобных аппаратов должна быть обоснована соответствующим технико-экономическим расчетом.

Рисунок 8. Выпарной аппарат с усиленной естественной циркуляцией.

В последнее время предложен и испытан с положительными результатами новый выпарной аппарат с усиленной естественной циркуляцией для выпаривания кристаллизующихся растворов.

Принципиальная схема аппарата следующая (рисунок 8): аппарат состоит из корпуса 1 и трубных решеток 2, в которых развальцованы греющие трубки 3. Над ними на высоте 3 метра установлены концентрические перегородки 4, образующие кольцевые каналы. Внутри аппарата расположена циркуляционная труба 5, внизу камера 6 для осаждения кристаллов.

В греющих трубках происходит только подогрев раствора, закипает же он в каналах, образованных концентрическими перегородками. Так как размеры каналов невелики, относительная скорость паровых пузырьков, величина которых ограничена размерами каналов, мала, следовательно, высота кипящего слоя будет значительной.

В зависимости от размеров каналов должна меняться высота концентрических перегородок. С увеличением высоты перегородок возрастает высота кипящего слоя и поэтому увеличивается движущий напор, который обусловливает циркуляцию, увеличивается скорость циркуляции в греющих трубках и улучшается работа аппарата. Установка концентрических перегородок в зоне кипения позволяет упорядочить поток вскипающей жидкости, предупреждает образование вредных обратных циркуляционных потоков в зоне вскипающего слоя, а также пульсацию. Таким образом, подобрав высоту слоя раствора над греющими трубками, высоту перегородок и расстояние между ними, можно сконструировать аппарат, удовлетворяющий требованиям, предъявляемым при выпаривании кристаллизующихся растворов.

2. Технические описания и расчеты

2.1 Описание принципа работы технологической схемы