Оборудование для концентрирования выпарное

Вакуум-выпарные установки

Испарение — это единичная операция, при которой жидкость отделяется посредством теплопередачи путем испарения или кипения. Целью выпаривания является концентрирование раствора нелетучего растворенного вещества (то есть твердых веществ) и отгонка растворителя ( то есть жидкости), которым обычно является вода. Выпаривание части растворителя концентрирует растворенное вещество в более вязкий жидкий продукт. Выпаривание регулярно используется в пищевой, химической, целлюлозно-бумажной и фармацевтической промышленности для производства жидких концентратов.

Выпаривание отличается от обезвоживания и сушки тем, что продукт выпаривания представляет собой концентрированную жидкость, а не твердое вещество. Выпаривание можно использовать в качестве начального этапа производства высушенного продукта, если затем жидкий концентрат подвергается процессу сушки, например распылительной сушке. Комбинация выпаривания и распылительной сушки часто используется для производства порошкообразных продуктов, таких как сухое молоко. Эта комбинация процессов экономически привлекательна, поскольку высокоэффективное выпаривание значительно менее затратно, чем сушка и другие методы удаления воды. Выпаривание также дает более высокую концентрацию твердых веществ, чем другие методы концентрирования (например, мембранный способ коцентрирования).

Выпаривание отличается от перегонки тем, что ценным продуктом обычно является концентрированный раствор, а не конденсированный пар. Обычным исключением является выпаривание растворов с высоким содержанием минералов, когда пар конденсируется в виде продукта, а концентрированный рассол выбрасывается. Этот процесс обычно называют дистилляцией воды, хотя этот процесс больше похож на операцию разделения жидкости и твердой фазы под действием тепла.

Выпаривание может быть осуществлено как периодический или непрерывный процесс.


Все испарители состоят из двух секций: секции нагрева и секции разделения пара и жидкости. Эти секции могут быть расположены внутри одного сосуда (корпуса), или секция нагрева может быть внешней по отношению к сосуду, в котором находится секция разделения пар/жидкость.

Испарители бывают одно- и многоступенчатыми, где ступень определяется как один или несколько выпарных корпусов установки, работающих при одной и той же температуре кипения. В многокорпусном испарителе пар одного выпарного корпуса обогревает продукт во втором корпусе с более низкой температурой кипения. Первый корпус нагревается непосредственно паром, а дополнительные - по убыванию температуры кипения (или давления).

Корпуса испарителей обычно работают под вакуумом для снижения температуры кипения. Для создания вакуума используются паровые эжекторы и/или механические вакуумные насосы. В зависимости от уровня вакуума, необходимого для последнего корпуса, который имеет самую низкую температуру кипения, может использоваться один насос или серия насосов.

Вакуумные системы также удаляют неконденсируемые газы, образующиеся в виде растворенных газов в сырье. Большинство систем испарения включают конденсатор с прямым или непрямым водяным охлаждением для конденсации пара, выходящего из последнего испарителя. Это увеличивает вакуум в системе. Испарители, в которых используется механическая рекомпрессия пара, не требуют внешнего конденсатора, поскольку образующиеся пары полностью конденсируются в нагревательной секции испарителя.

Теоретически для испарения 1 кг воды требуется чуть больше 1 кг пара, так как скрытая теплота парообразования уменьшается с увеличением давления. Когда скрытая теплота пара передается сырью, часть тепла повышает начальную температуру сырья до точки кипения, а оставшаяся скрытая теплота испаряет воду. Таким образом, экономия пара всегда будет меньше единицы. В зависимости от начальной температуры подачи и потерь в системе экономия пара однокорпусного испарителя обычно составляет 0,75–0,95 кг воды/кг пара.

Для теплообмена температура насыщенного пара должна быть выше температуры кипения сырья. Если скрытую теплоту водяного пара, выходящего из испарителя, можно использовать повторно, можно увеличить экономию пара. Но поскольку для теплопередачи требуется температурный градиент, скрытая теплота водяного пара может передаваться только жидкости с более низкой температурой.

Два основных средства улучшения экономии пара в испарителе включают управление температурой посредством изменения давления.

 

Многокорпусные испарители

Если водяной пар из первой ступени многоступенчатого испарителя может быть введен в паровой контур второй ступени, работающей при более низкой температуре кипения, скрытая теплота водяного пара может быть повторно использована. Снижение давления паров второй ступени по сравнению с первой стадией снижает температуру кипения второй ступени. Такая схема повторного использования скрытой теплоты пара называется многоступенчатым испарением.

Испарители обычно оцениваются на основе их скорости испарения — количества воды, которое они испаряют в час ( например, кг/час, тонна/час).

Второй способ повторного использования скрытой теплоты пара заключается в повышении температуры его конденсации за счет его сжатия. Это увеличивает давление и температуру конденсации пара и создает температурный градиент, необходимый для повторного использования скрытой теплоты в системе испарителя.

Термическая рекомпрессия пара использует паровой эжектор для сжатия пара, выходящего из испарителя. В этом приложении паровой эжектор часто называют термокомпрессором; его основная цель - сжимать пар, но его вторичное преимущество - создание вакуума в испарителе. В качестве термокомпрессора эжектор использует пар высокого давления (0,8–2,1 МПа) в качестве рабочей жидкости для всасывания пара низкого давления из испарителя и получения комбинированного пара подходящего давления и температуры для нагрева испарителя. 

Паровые эжекторы лучше подходят для работы с большими объемами пара низкой плотности, чем механические вакуумные насосы, и их проще и дешевле обслуживать. Как правило, это улучшает экономию пара испарителя на величину, эквивалентную добавлению другого корпуса, но при гораздо меньших затратах.


Процессы выпаривания в промышленности

Выпаривание используется для различных целей и с различными результатами в каждой отрасли. В пищевой промышленности пищевые продукты концентрируются, чтобы увеличить срок их хранения, уменьшить объем и вес, снизить затраты на хранение, снизить транспортные расходы и повысить ценность.

Концентрация свежих продуктов, таких как фруктовые соки, является экономичным способом использования скоропортящихся культур в периоды пикового сбора урожая. Концентраты фруктовых соков и томатная паста — два примера сезонных продуктов, которые выпариваются для круглогодичного потребления. Более низкая активность воды, которая является общим показателем микробиологической стабильности, сохраняет концентрированные пищевые продукты.

В химической промышленности и производстве бумаги выпаривание часто используется для извлечения ценных нелетучих химических веществ. Например, в процессе производства сульфатной целлюлозы из отработанной варочной жидкости (то есть черного щёлока) испаряется вода, которая концентрирует твердые вещества. Затем концентрированные неорганические химические вещества могут быть очищены для повторного использования в процессе.

В фармацевтической промышленности выпаривание часто используется для создания концентрированного раствора, который затем можно высушить для получения порошкообразного продукта.

Испарители в пищевой промышленности

Экономика процесса диктует тип и конфигурацию испарителя, наиболее подходящие для конкретного применения. Три наиболее распространенных типа испарителей, используемых для концентрирования пищевых продуктов, — это вертикальные испарители с длинными трубками, испарители с принудительной циркуляцией и пластинчатые испарители. 

Испарители с падающей пленкой построены вокруг вертикального пучка длинных труб большого диаметра с распределителем жидкости наверху и секцией сепаратора пара/жидкости внизу. Жидкость подается в верхнюю часть труб теплообменника и стекает пленкой по внутренним стенкам. Тепло, передаваемое от конденсирующегося пара через стенки трубы, создает условия для кипения, и образующийся пар уходит во внутреннюю полость. По мере того как пленка стекает вниз и вода испаряется, пленка становится тоньше, а жидкость становится более вязкой. Поскольку пленка стекает по длинной трубе под действием силы тяжести, время пребывания в секции теплообменника короткое (0,5–2 мин), что выгодно для чувствительных к теплу пищевых продуктов, таких как фруктовые соки и молоко. 

В испарителях с принудительной циркуляцией используется центробежный насос для рециркуляции жидкости через теплообменник, где жидкость нагревается паром. По мере того как жидкость перекачивается вверх через теплообменник, статическое давление напора подавляет образование пара до тех пор, пока нагретая жидкость не попадет в сепаратор пара/жидкости, где часть испаряется в пар. Центробежный насос позволяет контролировать время пребывания в теплообменнике в зависимости от теплочувствительности концентрируемой жидкости. Эта функция важна при концентрировании вязких жидкостей, таких как томатный сок и сок.