Выпаривание

Выпариванием называется концентрирование растворов твердых нелетучих или малолетучих веществ путем испарения летучего растворителя и отвода образовавшихся паров.

Процесс выпаривания используют в сахарной, кондитерской, молочной, консервной и других отраслях пищевой промышленности для повышения концентрации разбавленных растворов (сахарных и овощных соков, молока и др.).

В пищевой промышленности выпаривают, как правило, водные растворы при кипении раствора при пониженном давлении (в вакууме) для лучшего сохранности термолабильных веществ.

В отличие от испарения, которое происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения, при выпаривании удаляют растворитель из всего объема раствора при его температуре кипения.

Обычно в качестве греющего теплоносителя при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим, или первичным. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

Теплота, необходимая для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель or раствора.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования теплоты вторичного пара.

Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении. В аппарате создается вакуум путем конденсации вторичного пара в конденсаторе и отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса.

Выпаривание под вакуумом позволяет снизить температуру кипения пищевого раствора, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Применение вакуума позволяет увеличить движущую силу теплопередачи, а следовательно, уменьшить площадь поверхности выпарных аппаратов. В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий теплоноситель более низких рабочих параметров (температура и давление). Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего теплоносителя, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара.

При выпаривании под атмосферным давлением образующийся вторичный пар сбрасывается в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.

При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как нагревающий агент в подогревателях и т. п. При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар, как для выпаривания, так и для других нужд.

Вторичный пар, отбираемый на сторону, называют экстрапаром. Отбор экстрапара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучше использовать теплоту, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы греющие теплоносители с более высокой температурой.

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание под вакуумом проводят в однокорпусных выпарных аппаратах. Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в который вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т. е. создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

В пищевой промышленности применяются в основном непрерывнодействующие выпарные установки.

Температурные потери и температура кипения растворов. В выпарном аппарате возникают температурные потери D _S, общая величина которых складывается из температурной депрессии D _t, гидростатической депрессии D _гст и гидравлической депрессий D _гидр.

, (1)

где D _t – температурная депрессия, °С; D _гст – гидростатическая депрессия, °С; D _гидр – гидравлическая депрессия, °С.

Температурная депрессия D _t равна разности между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя при одинаковом давлении. Известно, что при одной и той же температуре Т давление паров над чистым растворителем р больше, чем давление паров над раствором р_р, и соответственно при одном и том же давлении температура кипения чистого растворителя ниже температуры кипения раствора.

Гидростатическая депрессия D _гст обусловлена тем, что вследствие гидростатического давления столба жидкости в кипятильных трубах температура кипения нижерасположенных слоев жидкости будет больше, чем температура кипения вышерасположенных.

Таким образом, гидростатической депрессией называется эффект изменения температуры кипения раствора по высоте кипятильных трубок, обусловленный тем, что нижняя часть высоты кипятильных труб выпарного аппарата заполнена жидкостью, над которой находится парожидкостная эмульсия; содержание пара в которой резко возрастает по направлению к верхней кромке труб.

Гидростатическая депрессия D _гст наиболее значительна в выпарных аппаратах, работающих под вакуумом.

Гидравлическая депрессия D _гидр обусловлена гидравлическими сопротивлениями (трения и местными сопротивлениями), которые преодолевает вторичный пар при его движении через сепарационные устройства и паропроводы. Вызванное этим уменьшение давления вторичного пара приводит к некоторому снижению его температуры насыщения.