Чем ниже температура нагрева и короче время нагрева, тем меньше происходит нежелательных побочных явлений. Первое условие обычно достигается применением вакуума и быстрым энергичным охлаждением при конденсации, второе — значительно труднее, так как требует выпарных аппаратов такой конструкции, которые обеспечивали бы весьма быстрое испарение влаги из концентрируемого продукта.

За последнее время созданы выпарные аппараты, в которых обеспечивается выпаривание жидкости в короткие сроки.

Нами были проведены опыты упаривания ферментных растворов на вакуум-выпарной установке с выносной поверхностью нагрева, установленной на Опытном заводе ЦНИИОПа (рис. 1).

Установка включает подогреватель, испаритель, ловушку, мокровоздушный вакуум-насос и при работе с принудительной циркуляцией — циркуляционный насос центробежного типа.

При упаривании были получены положительные результаты. Амилолитическая активность ферментных растворов при выпаривании их при температуре 37° сохранялась почти полностью. За последнее время Гипромедпромом для выпаривалия теплочувствительных жидкостей сконструировано два типа выпарных аппаратов: горизонтальный — пленочного типа, с мешалкой внутри (рис. 2) и вертикальный — с выносной поверхностью нагрева.

Устройство вертикального аппарата не отличается от упомянутого аппарата, установленного на Опытном заводе ЦНИИСПа. Поверхность нагрева аппарата 5 м^2, производительность по испаренной влаге 300 л/час; разрежение в установке создается пароэжекторным вакуум-насосом; температура греющего пара 65°; температура испарения 35°,

вакуум 720 мм рт. ст. Выпариваемая жидкость предварительно нагревается до температуры кипения в подогревателе с поверхностью нагрева 0,9 м^2.

В горизонтальном испарителе выпаривание жидкости происходит в пленке, создаваемой за счет вращающегося ротора.

Немецкая фирма Оеи1зсЬе Уасиитаррага1е Диа-химоборудование выпускает выпарные установки для упариваиия теплочувствительных жидкостей при температуре 30—32°. Оставшийся после испарения продукт охлаждается до температуры +5°.

Схема вакуум-выпарной установки с выносной поверхностью нагрева

Рис. I. Схема вакуум-выпарной установки с выносной поверхностью нагрева.

Охлаждение производится в той же аппаратуре, что и выпаривание, при этом в нагревательный прибор поступает холодная вода.

Конденсация и вакуумизация производятся при помощи двух конденсаторов — фор- и нахконденсатора и мокровоздушного вакуум-насоса.

Схема ведения процесса повторяет схему вакуум-выпарной установки с выносной поверхностью нагрева.

Как уже было отмечено выше, краткость нагрева является одним из необходимых условий сохранения активности любого теплочувствительного вещества, в частности также и растворов ферментов. Отсюда вытекает необходимость в таких выпарных аппаратах, которые обеспечивали бы быстрое испарение влаги из концентрируемого продукта и не требовали бы повторных циркуляции раствора.

Современные выпарные аппараты для выпаривания теплочувствительных жидкостей характеризуются тем, что время нагрева продукта в них не превышает 1 минуты, и продукт проходит через аппарат только один раз.

Горизонтальный пленочный выпарной аппарат

Все выпарные аппараты, снабженные перегородками, заставляют продукт нагреваться несколько раз, что даже при минимальных сроках приводит к частичному разложению продукта.

Поэтому в современных выпарных аппаратах не рекомендуется делать перегородок, создающих принудительную циркуляцию, так как ускорение выпаривания в таких аппаратах сопровождается ухудшением качества продукта.

Работы в области интенсификации процесса выпаривания привели к созданию таких выпарных аппаратов, в которых время пребывания выпариваемого раствора под воздействием высоких температур исчисляется несколькими десятками секунд.

Еще в 1930 г. Дубрунфаутом были сформулированы условия наилучшего проведения процесса сгущения сахарных сиропов и других жидкостей: «Следует концентрировать сироп так быстро, как это оказывается возможным, чтобы избежать его изменения. Целесообразно обеспечивать большую скорость движения выпариваемой жидкости и, если возможно, ускорить движение жидкости настолько, чтобы в процессе выпаривания она находилась в виде тонкой пленки».

Одним из выпарных аппаратов [1], соответствующих представлению Дубрунфаута об идеальном выпарном аппарате, в котором жидкость выпаривается при большой скорости и в виде тонкой пленки, является аппарат системы Ярьяна (рис. 3).

В таком аппарате выпариваемая жидкость находится внутри трубок, которые объединены в группы по три или пять трубок в каждой, что обусловливает попеременное изменение движения жидкости в группе трубок в прямом и обратном направлении. Греющий пар или вода поступают в межтрубное пространство. Из трубок смесь концентрированной жидкости и вторичного пара поступает в сепарационную камеру.

В этом аппарате можно выпаривать вспенивающиеся жидкости.

Однако этот аппарат нельзя считать достаточно эффективным, так как регулярная подача в большое число горизонтальных трубок одного и того же количества жидкости представляет значительные трудности. Кроме того, пар, конденсирующийся на внешней поверхности трубок, стекает в виде жидкости с одной трубки на другую, вследствие чего на нижних рядах трубок накапливается жидкость и эффективность их действия по сравнению с верхними рядами уменьшается.

В аппарате Кестнера [2] выпаривание производится в пленке поднимающейся жидкости. Этот аппарат состоит из длинных трубок, укрепленных в нижней и верхней решетках корпуса.

Жидкость подается в аппарат нагретой до температуры, близкой к температуре кипения. В аппарате она закипает вследствие передачи ей тепла от нагревающих трубок. Образующиеся при этом пары движутся вверх по трубкам к сепаратору и увлекают с собой жидкость в виде пленки, движущейся по внутренней поверхности трубок (рис. 4). Пары движутся с большей скоростью, чем жидкость. В аппаратах такой конструкции возможно осуществить движение жидкости по трубкам со скоростью 30—60 м/сек. Если при этом паровое пространство в греющей камере имеет небольшое поперечное сечение и, следовательно, скорость пара в этой камере высока, то достигается большая интенсивность теплопередачи и незначительная продолжительность контакта.

Такие условия работы позволяют применять высокие температуры при выпаривании даже теплочувствительных жидкостей, поскольку в данном случае они не слишком долго соприкасаются с поверхностью нагрева.

Высокая скорость движения жидкости имеет и другие преимущества: при быстром движении жидкости уменьшается ее склонность к образованию отложений, а состояние поверхности нагрева оказывает очень большое влияние на коэффициент теплопередачи.

Кроме того, в выпарных аппаратах с поднимающейся пленкой достигается хорошее отделение жидкости от пара, в результате чего предотвращается унос жидкости.

К недостаткам аппарата относится крайняя чувствительность его к неравномерной подаче раствора и, как следствие этого,— сложность регулирования процесса; известное затруднение представляет чистка длинных (до 7 м) труб аппарата при общей высоте конструкции до 11 метров.

Аппарат системы Кестнера не представляет собой чего-либо принципиально нового в технике выпаривания, так как процесс в нем протекает так же, как и в обычном выпарном аппарате, с образованием смеси пар — жидкость.

Работами аспиранта Митрофанова [3] была установлена возможность применения (в частности, в свеклосахарном производстве) принципиально нового способа выпаривания, при котором не образуется эмульсии из жидкости и пара и процесс протекает действительно в тонкой пленке.

Пленка получается искусственно на внутренней поверхности вертикальных трубок выпарного аппарата с помощью специальных насадок, которые вставляются в верхнюю часть этих трубок (рис. 5). Насадки представляют собой трубки несколько меньшего диаметра с кольцом, вставленным в трубку поверхности нагрева. На наружной поверхности кольца имеется четырехзаходная ленточная резьба, позволяющая выпариваемой жидкости растекаться по всему периметру трубки и в виде устойчивой тонкой пленки под действием силы тяжести стекать вниз по

вертикальный пленочный выпарной аппарат с насадками

Рис. 4. Схема движения потоков

пара и жидкости в аппарате

внутренней поверхности кипятильной трубки. При этом выпариваемая жидкость вскипает и, достигнув нижней части аппарата, в виде сиропа собирается в сиропной камере.

Образующийся пар попадает непосредственно в паровой поток, поднимающийся по трубе. Пар выходит вверх через центральную часть насадки, и так как паро-жидкостной эмульсии здесь не образуется, то он не нуждается в сепарации; таким образом, отпадает необходимость в надсоковом пространстве аппарата. Греющий пар подается в межтрубное пространство. Процесс выпаривания протекает за несколько десятков секунд. Гидростатические потери разности температур в таком аппарате отсутствуют. Отсутствие циркуляции положительно сказывается на сохранении качества выпариваемого продукта. Улучшение технологического результата достигается за счет сокращения длительности процесса в десятки раз.

выпарной аппарат с перемешиваемой пленкой вертикальный

В зарубежной практике [4] применяется несколько видов выпарных аппаратов, в которых выпаривание происходит тоже в тонкой пленке. К ним относятся пленочные выпарные аппараты типа Турбафильм, которые представляют собой аппараты с перемешиваемой пленкой и предназначены для выпаривания вязких и термочувствительных жидкостей.

Аппарат с перемешиваемой пленкой состоит из вертикального обогреваемого цилиндра, имеющего внутри вращающийся ротор. Ротор снабжен лопастями, приближающимися к стенкам обогреваемого цилиндра на строго определенное расстояние. В этом аппарате единовременно находится малое количество жидкости и время соприкосновения ее с обогреваемой поверхностью незначительно. Образующиеся пары проходят через сепаратор-ловушку, в которой также расположен ротор.

В аппарате с перемешиваемой пленкой продолжительность нагревания раствора сокращается до минимума благодаря выпариванию при отсутствии задержки движения кипящей жидкости, что обусловливается сильной турбулентностью в перемешиваемом тонком слое.

Большой интерес с точки зрения уменьшения времени выпаривания представляют аппараты немецких фирм Виганда и Байера и швейцарской фирмы Люва [5].

Время нагрева продукта в этих аппаратах не превышает одной минуты, и продукт проходит через аппарат только один раз.

Выпариватель Виганда, названный выпаривателем с падающей пленкой, состоит из вертикальных труб, соединенных в пучок так же, как у классических выпаривателей, но только заполняются они не снизу, как обычно, а сверху, а испаряемый пар движется вниз. Такое взаимное движение жидкости и пара позволяет максимально уменьшить количество жидкости, единовременно находящейся в трубах, только в виде пленки, покрывающей внутреннюю поверхность труб. В результате этого происходит энергичное выпаривание, длящееся не более минуты, тогда как в классических выпаривателях оно во много раз дольше..

Выпариваемая жидкость поступает в верхнюю часть аппарата и струями растекается по трубам. Главная трудность в данном случае заключается в том, чтобы обеспечить равномерность потока во всех трубах, необходимую для полного использования поверхности нагрева.

Сконцентрированный продукт и образовавшийся пар выходят из труб в нижнюю секцию и попадают в статический сепаратор представляющий собой обычный циклон

Выпариватель Люва

Рис. 6. Выпариватель Люва: 1—поверхность нагрева; 2—двигатель мешалки; 3—соединение движущего вала; 4—размешивающее устройство; а—рубашка обогрева (муфта).

Продукт собирается в специальном сборнике, а пар компремируется (дополнительно сжимается механическим компрессором) и тепло его используется различным способом. Аппарат состоит из большого количества труб малого диаметра. Это затрудняет проток жидкости и понижает загрузку тем больше, чем больше вязкость жидкости. Поэтому в аппарате невозможно глубокое упаривание.

Выпариватель швейцарской фирмы Люва (рис. 6) напоминает аппарат фирмы Турбафильм. Одна труба большого диаметра с мешалкой позволяет доводить выпариваемый продукт до большой вязкости. Практически эта вязкость ограничивается лишь подвижностью упаренной жидкости, которая должна сама вытекать из аппарата.

На практике аппарат Люва хорошо дополняет работу аппарата Виганда и поэтому их часто устанавливают совместно. В этом случае в аппарате Виганда протекает первое сгущение, в аппарате Люва — окончательное выпаривание. Комбинация аппаратов Виганда и Люва применяется в тех случаях, когда надо удалить большое количество воды.

из теплочувствительных продуктов, в частности, для концентрирования молочных продуктов, глюкозы, растительных экстрактов, яблочного и виноградного соков и др.

В аппарате Люва выпариваемая жидкость вращающейся с большой скоростью мешалкой подается тонким слоем на греющую поверхность. Тонкий слой жидкости стекает по поверхности нагрева. При этом влага интенсивно испаряется и в несколько секунд продукт достигает низа аппарата, откуда уже вытекает в виде концентрата.

Степень концентрации здесь регулируется изменением интенсивности питания.

Выделившийся пар поднимается между лопастями мешалки и поступает в сепаратор — большой цилиндр, расположенный наверху испарителя и имеющий общую с ним мешалку. Мешалка производит центрифугирование пара, при котором жидкая фаза выделяется и стекает обратно в аппарат. Очищенный от частиц жидкости пар поднимается в верхнюю часть аппарата, откуда поступает в конденсатор. Даже при очень большой конечной плотности продукта продолжительность выпаривания не превышает 1 минуты. Почти весь процесс очистки аппарата автоматизирован.

Аппарат немецкой фирмы Байер (рис. 7) по принципу действия напоминает аппарат фирмы Люва. Отличие состоит лишь в том, что мешалка в аппарате Байера соприкасается с поверхностью нагрева и при этом очищает ее. Благодаря этому ни кристаллический, ни аморфный осадок не может на ней задержаться и поверхность нагрева аппарата остается относительно чистой.

выпарной аппарат немецкой фирмы Байер

Поскольку в данном случае осадок не мешает выпариванию, то продукт можно доводить до полного высушивания.

Аппарат, питаемый жидкостью, может выпускать сухой порошок. В принципе такое полное высушивание возможно в тех случаях, когда жидкость переходит в сухое состояние без промежуточного образования пасты. В аппаратах Байера можно довести влажность продукта до величины, значительно меньшей, чем на аппаратах других систем. Скребки аппарата выполнены из металла или пластмассы, не реагирующих с выпариваемой жидкостью. Что касается поверхности нагрева, то она должна быть выполнена с расчетом на поверхностное давление, чтобы ее не разрушали очищающие скребки. Воздействие скребков на поверхность должно быть не сильным, спокойным, чтобы максимально уменьшить изнашивание материалов при соприкосновении, хотя избежать его совсем все же нельзя. Мешалка аппарата Байера вращается со скоростью, значительно меньшей, чем в аппарате Люва.

Кроме пленочных выпарных аппаратов описанных типов, для сгущения различных фруктовых соков и молочных продуктов на заводах Швейцарии, Англии и США установлены вакуум-выпарные установки пластинчатого типа [6]. Общая длительность сгущения на этих установках около 1 минуты.

Пластинчатый испаритель состоит из нескольких секций, а каждая секция — из четырех пластин: двух паровых и двух испарительных.

Сгущаемый продукт движется внутри каждой пары пластин, а греющий пар омывает каждую пару испарительных пластин с обеих сторон. Он движется в каждой пластине по горизонтальным каналам, разделенным перегородками. Пластины плотно прижимаются друг к другу через уплотнительные прокладки.

Пластины изготовлены из нержавеющей стали и имеют толщину 1,6 мм. Корпус аппарата состоит из 40 пластин, установленных на раме, которые сжимаются двумя продольными тягами с помощью быстродействующего винтового зажима.

Таким образом, в аппарате осуществляется пленочное испарение продукта, причем в полости между пластинами происходит поочередно кипение при движении продукта по типу восходящей пленки и по типу падающей пленки. Из последней полости продукт отводится; смесь сгущенного продукта с паром направляется в сепаратор для разделения.

При сгущении различных продуктов на пластинчатом вакуум-испарителе может быть получена следующая конечная концентрация сухих веществ (в %):

молоко ...................... до 50

яблочный и грушевый соки ............ до 72

апельсиновый сок ................. до 65

лимонный сок ................... до 50

виноградный сок ................. до 70

яблочный пектин ................. до 7

томатный сок ................... до 40

Все описанные аппараты могут работать и под давлением и под вакуумом. Естественно, что при выпаривании ферментных растворов процесс должен проходить под вакуумом.

Вывод:

После детального анализа описанных аппаратов наиболее пригодным для упаривания ферментных растворов был признан испытанный в сахарной промышленности пленочный аппарат с насадками, создающий пленку искусственным путем при помощи винтовых каналов.

Этот аппарат проще по конструкции, чем аппараты Люва и Байера с мешалками, создает надежную пленку и проще остальных аппаратов пленочного типа в эксплуатации.

Выпарная станция с падающей пленкой Poseidon от итальянской компании Rossi & Catelli с термической рекомпрессией пара

Выпариватель с принудительной циркуляцией от GEA - Wiegand