Evaporarea (concentrarea). Instalatii de concentrare.

Evaporarea (concentrarea). Instalatii de concentrare

1.Consideratii generale

In cadrul proceselor tehnologice din industria alimentara se intalnesc adeseori cazuri cand se impune concentrarea solutiilor sau a suspensiilor.Una din metodele de crestere a concentratiei este evaporarea.

Evaporarea este operatia care consta in trecerea in stare de vapori a unei faze lichide.In procesul de evaporare, dizolvantul volatil va fi indepartat din amestec sub forma de vapori. Evaporarea se deosebeste de distilare prin faptul ca unul din componentii amestecului, fiind nevolatil, vaporii rezultati sunt formati dintr-un singur component.

In majoritatea cazurilor, solutia concentrata obtinuta prin evaporarea partiala a dizolvantului formeaza produsul valoros, iar vaporii produsul secundar care se elimina din amestec. Trecerea in stare de vapori se poate face prin evaporare superficiala sau prin fierbere. Evaporarea superficiala se produce numai la suprafata amestecului, la temperaturi inferioare celei de fierbere, in timp ce evaporarea prin fierbere se produce in intreaga masa a lichidului, fiind mult mai intensa.

In continuare se va considera evaporarea prin fierberea solutiilor apoase,incalzirea amestecului, in vederea concentrarii fiind asigurata cu aburi saturati.

Aparatele de concentrare industriale sint aparate inchise, care asigura imbunatatirea conditiilor sanitare si ofera posibilitatea functionarii sub presiune sau sub

depresiune. evacuare vapori secundari

alimentare              2

cu solutie diluatǎ

1

abur viu ccondens

solutie concentratǎ

Fig.1 Schema de principiu a evaporatorului

Un evaporator (fig.1) incalzit cu aburi, este format in principiu din corpul de forma cilindrica, prevazut cu o camera de incalzire de forma unui fascicul cu tuburi 1 si o camera de degajare a vaporilor 2.

Solutia initiala diluata care se introduce in aparat va fi supusa concentrarii prin fierbere-evaporare care se produce in camera de incalzire, vaporii acumulati in camera 2 sunt eliminati, o parte din acesta poate fi utilizat ca agent de incalzire al diferitelor aparate, restul aburului trece la condensator.Vaporii de incalzire sunt introdusi prin aparat, iar condensul se elimina. Solutia care intra in evaporator se numeste solutie diluata sau solutie initiala , iar cea care iese solutie concentrata sau finala .

Utilizarea pentru concentrare a unui singur aparat realizeaza procesul prin asanumita evaporare simpla.

Instalatiile inchise permit insa si utilizarea aburului secundar obtinut in procesul de concentrare prin functionarea ca instalatii cu dublu sau multiplu efect, care au avantajul reducerii consumului de caldura necesar pentru 1 Kg dizolvant evaporat.

Pentru realizarea schimbului de caldura in concentrare este necesar sa se realizeze o diferenta de temperatura intre temperatura aburului de incalzire si temperatura de fierbere a solutiei. La instalatiile de evaporare cu simplu efect,diferenta de temperatura care se poate realiza este mai mare.La instalatiila de evaporare cu efect multiplu, diferenta de temperatura care se realizeaza in fiecare corp se reduce cu atat mai mult cu cat numarul de efecte este mai mare.

2.Sisteme de evaporare

Dupa modul cum se foloseste aburul primar si cel secundar ca agenti de incalzire, se deosebesc 3 tipuri de sisteme de evaporare:evaporarea simpla (cu simplu efect), evaporarea cu mai multe efecte (cel putin doua) si evaporarea cu pompa de caldura (cu recomprimarea vaporilor).

a)Evaporarea simpla

In evaporarea cu simplu efect, caldura cedata de vaporii de incalzire se utilizeaza o singura data, vaporii secundari fiind trecuti la un condensator sau eliminati in atmosfera. Operatia se face in aparate de tip inchis sau deschis, incalzite cu manta sau in evaporatoare cu fascicul tubular.

Bilantul de materiale:presupune determinarea cantitatii de apa evaporata si a cantitatii de solutie finala (de concentratie dorita).

M_pi=M_pf+M_v;                                      (1)

in care:M_pi-debitul de masa al produsului initial [Kg/s]

M_pf-debitul de masa al produsului final  [Kg/s]

M_v-debitul de masa al vaporilor secundari  [Kg/s]

Daca se exprima concentratia produsului final in substanta uscata cu SU_f(%) iar al produsului initial cu SU_i(%), ecuatia de bilant se exprima prin relatia: SU_i·M_pi=SU_f ·M_pf

de unde: ;         (2)

sau rezolvand sistemul de ecuatii (1) si (2):

 ; (3)

Bilantul caloric:se intocmeste pentru a determina consumul de abur primar (de incalzire).Daca se neglijeaza schimbul de caldura cu mediul ambiant, se poate exprima:

Q₁+Q₂=Q₃+Q₄+Q₅+Q₆;                     (4)

in care : Q₁-caldura introdusa cu aburul de incalzire (primar);Q₂-caldura introdusa cu masa solutiei diluate (M_pi); Q₃-caldura iesta cu masa condensatului; Q₄-caldura iesita cu solutia concentrata; Q₅-caldura iesita cu masa vaporilor secundari rezultati prin evaporare; Q₆-caldura pierduta prin peretii aparatului.

Daca: Q₁= M_vi · i_vi ; Q₂ = M_pi · c_pi · T_pi ; Q₃ = M_vi · i_c ; Q₄ = M_pf · c_pf · T_c ;Q₅ = M_pf · i_vs ; Q₆ - se neglijeaza pentru simplificarea ecuatiei

In care: M_vi - debitul de masa a vaporilor de incalzire [Kg/s]; i_vi - entalpia aburului de incalzire [KJ/Kg];i_c - entalpia condensului [KJ/Kg]; i_vs - entalpia vaporilor secundari [KJ/Kg]; c_pi - caldura specifica a solutiei diluate [KJ/Kg· K];c_pf - caldura specifica a solutiei concentrate [KJ/Kg· K].

Astfel rezulta:

                  (5)

Bilantul de materiale

M_pi= M_pf+ M_{v ;} S_ui · M_pi = S_uf · M_pf ; ; .

Bilantul termic:

Q₁+ Q₂ = Q₃+ Q₄+Q₅+Q₆ ; M_vi· i_vi+M_pi· c_pi· T_pi=M_vi · i_ci+M_pf · c_pf · T_c+M_vs · i_vs;M_vi=α · M_vs

Unde : α-coeficient de evaporare

Obisnuit, in astfel de aparate, consumul de aburi pentru incalzire este de 1,05-1,2 Kg abur/Kg apa evaporata.

Dimensionarea veaporatorului la evaporarea simpla :

Ca dimensiuni principale se considera inaltimea si diametrul evaporatorului admitand forma cilindrica a aparatului.

Inaltimea evaporatorului se compune din suma inaltimilor camerei de incalzire si a spatiului sau camerei de fierbere.Ambele inaltimi se adopta in limitele de variatie rezultate din practica. Astfel, pentru camera de incalzire, inaltimea variaza de la 0,8-1,4 m.La camera de fierbere, inaltimea depinde de proprietatile solutiei, inaltimi mai reduse se aleg in cazul solutiilor care nu spumeaza, inaltimea camerei de fierbere (de degajare a vaporilor) fiind de 2-3 ori mai mare decat a camerei de incalzire.In medie, limitele de variatie pentru inaltimea camerei de fiebere sunt cuprinse intre 1-3 m.

Diametrul evaporatorului este functie de numarul de tevi n ce rezulta din suprafata de trnsfer de caldura A:

A=π · d · n · l [m²]

De unde:

In care:n-numarul de tuburi (tevi) a camerei de incalzire

l-lungimea tevilor [m]

d-diametrul tevilor

Obisnuit, diametrul D al evaporatorului se stabileste prin aranjarea grafica a tevilor, avand in vedere locul ocupat de tubul central al circulatiei.

Suprafata de schimb de caldura:

Q_{abur primar}= K · A · ∆T_utila

∆T_util= T_abur - T_fierbere

Coeficientul global de transfer K :

unde :α₁-coeficientul partial abur-perete

α₂-coeficientul partial perete-soluperete-solutie

δ_i, λ_i -grosimea respectiv conductivitatea termicα a straturilor ce formeazα peretele de transfer.

b)Evaporarea multiplǎ (cu mai multe efecte):

Vaporii secundari rezultati dintr-un evaporator pot fi utilizati ca agenti de incǎlzire la un alt evaporator, cu conditia ca temperatura de fierbere a solutiei din al doilea evaporator sǎ fie mai micǎ decat temperatura vaporilor ce rezultǎ din primul.

Principiul folosirii aburului secundar ca agent de incǎlzire se poate extinde si la un numǎr mai mare de corpuri.In practicǎ se intalnesc cazuri de folosire a panǎ la 10 corpuri, dar cel mai utilizat este panǎ la 3-4 corpuri de evaporator.

O statie la care din numǎrul N de evaporatoare numai primul foloseste abur primar la incǎlzire, se numeste statie de evaporare cu efect multiplu, iar evaporarea se numeste evaporare multiplǎ.

Existǎ 4 posibilitǎti de aranjare, respectiv de functionare a statiilor de evaporare cu efect multiplu: in echicurent, in contracurent, cu alimentare separatǎ a evaporatoarelor cu solutie diluatǎ si in curent mixt.

Fig.2.Statie de evaporare cu 3 corpuri in echicurent;

1-vas de alimentare; 2,19 - pompe; 3- preancǎlzitor; 4- alimentare cu solttie diluatǎ 5- intrare abur viu; 6- iesire abur secundar 1; 7- intrare solutie concentratǎ 1in C₂; 8- iesire condens; 9- gaze necondensabile; 10- iesire abur secundar din C₃; 12-intrare apǎ de rǎcire in condensator; 13- coloanǎ barometricǎ cu condens; 14- colector condens + apǎ; 15- gaze necondensabile; 16- vas separator; 17- pompǎ vacuum; 18- iesire solutie concentratie finalǎ; 20- colector solutie concentratǎ;

Fig. 3.Statie de evaporare in

contracurent

Fig.Statie de evaporare cu alimentare separatǎ a corpurilor de evaporare

Solutie diluatǎ                                   abur secundar

Fig.5. Statie de evaporare cu circulatie in curent mixt

c) Evaporarea cu pompǎ de cǎldurǎ sau cu recomprimarea vaporilor :

Prin trecerea aburului secundar la condensator toatǎ cǎldura lui se pierde.Un mijloc pentru a nu pierde aceastǎ cǎldurǎ constǎ in a folosi vaporii secundari ca agent de incǎlzire a solutiei din care provin. Printr-o usoarǎ comprimare, se aduce temperatura acestor vapori la o valoare cu cca 8-10 °C deasupra punctului de fierbere a solutiei, consumandu-se energie mecanicǎ. Sunt posibile douǎ metode de comprimare. Prima (fig.5.a) foloseste pentru comprimarea vaporilor un turbocompresor (comprimare mecanicǎ) iar a doua (fig.5.b) un injector cu vapori de presiune inaltǎ (termocompresie)

Fig.6. Evaporarea

a) cu pompǎ de cǎldurǎ

b) cu reomprimarea vaporilor

a) La inceput, solutia care intrǎ in camera de fierbere 1 prin conducta 2 se incǎlzeste cu abur primar 3 panǎ ajunge la fierbere, apoi se opreste alimentarea cu acest abur si se trece pe alimentarea cu abur secundar 4, recomprimat in turbocompresorul sau injectorul 5, de unde intrǎ in camera de incǎlzire 6 prin conducta 7.

b) Ejecto-compresorul 5 functioneazǎ pe principiul: aburul viu cu presiune, de la cativa bari la zeci de bari, intrǎ printr-o conductǎ sonicǎ si prin efectul Venturi aspirǎ si comprimǎ vaporii de joasǎ presiune rezultati de la evaporator.Performantele ejecto-compresorului vor depinde de suprafata duzei de injectie, suprafata de strangulare a tubului Venturi, presiunea aburului viu de injectie, etc.

d) Crioconcentrarea

Constǎ in concentrarea unor solutii pin inghetarea unei pǎrti din apa continutǎ si eliminarea cristalelor de gheatǎ formate.Temperatura la care se efectueazǎ operatia depinde de natura si concentratia substantei dizolvate.

Dependenta dintre temperatura de rǎcire panǎ la aparitia cristalelor de gheatǎ si concentratia unor solutii de produse alimentare este redatǎ .

Practic nu se pot separa cristale pure de gheatǎ, datoritǎ aderentei a=5% din solutie ca urmare a fortelor capilare.

Separarea cristalelor de gheatǎ se face prin centrifugare, presare sau cu coloane de spǎlare in aparate:

-separatoare centrifugale cu tambur perforat, cu functionare comtinuǎ sau discontinuǎ cu n=3000 rot/min.

-prese hidraulice

-coloane de spǎlare­

Coloanele de spǎlare, asigurǎ separarea solutiei concentrate de masa de cristale, prin sedimentare si filtrare, precum si spǎlarea in contracurent, cu apǎ.

Concentratul impreunǎ cu cristalele de gheatǎ se introduc sub presiune in partea superioarǎ a instalatiei de tip coloanǎ verticalǎ.

Cristalele de gheatǎ retinute de filtru, cad  partea inferioarǎ a coloanei, aglomerandu-se sub formǎ de masǎ compactǎ. Aproape de fund se gǎseste o serpentinǎ cu agent de incǎlzire, care topeste gheata, apa rezultatǎ fiind evaporatǎ cu conducta 6. Prin inchiderea ventilului de la aceastǎ conductǎ si cu ajutorul pompei se poate realiza spǎlarea cristalelor in contracurent, cu apa rezultatǎ din topirea ghetii.

Pentru separarea 1 Kg de apǎ prin crioconcentrare se consumǎ teoretic o cantitate de frig de cca 100 Kcal la temperetura de -15°C cu 0,1 KW·h.

Avantajele crioconcentrǎrii fatǎ de evaporare constau in mentinerea aromelor si a continutului de vitamine, temperatura scǎzutǎ si lipsa contactului cu aerul impiedicǎ reactiile chimice si biochimice.

3.Clasificarea si descrierea principalelor aparate de evaporare.

Clasificarea evaporatoarelor se poate face dupǎ mai multe criterii:

-dupǎ pozitia lor: orizontale, inclinate si verticale

-dupǎ modul de functionare: periodice si continue

-dupǎ forma suprafetei de incǎlzire: cu manta; cu serpentinǎ; cu tevi drepte,scurte sau lungi; la care circulatia solutiei poate fi naturalǎ, fortatǎ sau sub formǎ de film si evaporatoare cu plǎci plane sau ondulate.

-dupǎ modul de incǎlzire: cu camerǎ de incǎlzire interioarǎ si cu camerǎ de incǎlzire exterioarǎ.

Indiferent de tipul de constructie, aparatele pot functiona ca instalatii cu simpu efect, cu dublu efect, cu multiplu efect sau cu pompǎ de cǎldurǎ.

a)Evaporatoare cu camerǎ de incǎlzire interioarǎ.

In aceastǎ categorie de aparate se incadreazǎ evaporatoarele de constructie mai veche cu camerǎ de incǎlzire orizontalǎ multitubularǎ, evaporatoare cu camerǎ de incǎlzire verticalǎ, fixǎ sau suspendatǎ, tot multitubularǎ si evaporatoarele cu camere de incǎlzire din inele concentrice fixe sau in miscare de rotatie.

Fig.9. Evaporatorul vertical cu

camerǎ de incǎlzire interioarǎ de tipul

cel mai rǎspandit.

1-     corp; 2-camerǎ de incǎlzire cu inele

concentrice; 3- prinzǎtor de picǎturi;

4- amestecǎtor; 5- grup de actionare

motor- reductor;

b)Evaporatoare cu camerǎ de incǎlzire exterioarǎ (fig 10)

a b

Fig.10 Evaporatoare cu camerǎ de incǎlzire exterioarǎ

a) cu circulatie naturalǎ b) cu circulatie fortatǎ

a) 1 -camerǎ de incǎlzire multitubularǎ, 2- vasul de detentǎ, 3- intrare tangentialǎ 4- iesire solutie concentratǎ, 5- prinzǎtor de picǎturi;

b) 1-camerǎ de incǎlzire multitubularǎ, 2- vasul de detentǎ, 3- pompǎ, 4- deflector, 5- prinzǎtor de picǎturi;

c) Evaporator cu flux expandat AlfaLaval

Fig.11. Evaporator cu flux

expandat;

1- elemente tronconice pentru

schimb de cǎldurǎ;

2- carcasǎ;

3 - alimentare cu solutie initialǎ;

4- alimentare cu abur;

5- solutie concentratǎ iesire

6- iesire abur secundar;                         6

3

7 - condensat

-Evaporator (cu concentrare in peliculǎ) cu film descendent realizat mecanic.

Se utilizeazǎ la concentrarea lichidelor vascoase. Pelicula se formeazǎ pe cale mecanicǎ prin intermediul unui dispozitiv in miscare de rotatie la suprafata interioarǎ a unei suprafete de incǎlzire (manta) cilindrice.

-Aparate: Luwa,

Rotavak,

Sambay. alimentare

abur

Fig.12 Evaporator

(cu concentrare in peliculǎ)

cu film descendent realizat mecanic                             abur

1 - corp de incǎlzire cu douǎ mantale

2- rotor; 3- separator lichid-vapori;

4- grup de actionare rotor;