ZATĘŻANIE ROZTWORÓW

ZATĘŻANIE ROZTWORÓW WSTĘP

W wielu procesach technologicznych otrzymuje się
roztworu rozcieńczone (jak np. soki cukrownicze i
owocowe), które przed dalszym przetwarzaniem należy
zatężyć. Zatężanie roztworów może odbywać przez
odparowanie lub wymrożenie (kriokoncentracja).
Zatężanie roztworów przez odparowanie zachodzi w
aparatach wyparnych zwanych wyparkami. Proces ten
polega na odparowaniu z roztworu części rozpuszczalnika
po doprowadzeniu odpowiednich ilości ciepła. W
procesach technologicznych odparowuje się w celu
zatężenia przede wszystkim roztwory wodne.

PODZIAŁ APARATÓW WYPARNYCH

WYPARKA ROBERTA

Na rysunku przedstawiono aparat wyparny z
naturalną cyrkulacją. Krążenie roztworu
zachodzi w aparacie dzięki temu, że gęstość
roztworu w rurze cyrkulacyjnej jest większa niż
w rurkach, gdzie zachodzi intensywne tworzenie
pary.

Komora grzejna wyparki Roberta jest zbudowana
z rurek 1 umieszczonych między dwoma płytami
sitowymi. Średnice rurek wynoszą 37 – 57 mm, a
ich wysokość 1 – 4 m. W osi komory grzejnej jest
umieszczona rura cyrkulacyjna 2. Tworzy ona
wraz z rurkami układ naczyń połączonych, który
umożliwia krążenie roztworu (w rurze przepływ
do dołu, w rurkach do góry). Roztwór do
zatężania jest doprowadzany króćcem 3.
Roztwór zatężony odpływa króćcem 4. Para z
roztworu wydziela się do komory parowej 5,
przechodzi przez łapacz kropel i wpływa do
przewodu oparów 6. Ciecz wydzielona z oparów
jest zawracana do wyparki przewodem 7. Para
grzejna doprowadzana jest do przestrzeni
międzyrurkowej przewodem 8. W korpusie
aparatu są zainstalowane : wzierniki, zawór
odpowietrzający oraz właz.

WYPARKA ROBERTA

Na rysunku przedstawiono inne rozwiązanie konstrukcyjne wyparki
Roberta.

BILANS CIEPLNY WYPARKI JEDNODZIAŁOWEJ

Z bilansu cieplnego wyparki jednodziałowej wynika, że największa ilość ciepła
opuszcza wyparkę wraz z oparami (prawie 80%). Ciepło to można
wykorzystać budując wyparki wielodziałowe.

WYPARKI WIELODZIAŁOWE

Wyparka wielodziałowa składa się z kilku wyparek jednodziałowych,
najczęściej tego samego typu. Wyparka wielodziałowa umożliwia
wyeliminowanie większości wad wyparki jednodziałowej przy jednoczesnym
poprawieniu jakości gotowego produktu.

W wyparce wielodziałowej para z kotłowni jest dostarczana tylko do
pierwszej wyparki. Opary z tej wyparki są wykorzystywane jako czynnik
grzejny w następnej wyparce. W tym układzie komora grzejna wyparki
następnej pełni rolę skraplacza dla pierwszej wyparki. Temperatura wrzenia
w dziale pierwszym musi być wyższa od temperatury wrzenia w dziale
następnym, dlatego najwyższe ciśnienie panuje w dziale pierwszym
(wyparce, do której doprowadza się parę z kotłowni), a najniższe – w dziale
ostatnim.

Przyjmując teoretycznie, że jeżeli 1 kg pary odparuje 1 kg wody, to można
oczekiwać, że wyparka wielodziałowa umożliwia odparowanie tylu
kilogramów wody za pomocą 1 kg pary z kotłowni, ile jest działów w
instalacji. Jednak zwiększając liczbę działów, zwiększa się straty ciepła do
zewnątrz, przez co zużycie ciepła na odparowanie 1 kg wody jest większe od
wartości teoretycznej i różnica jest tym większa, im więcej jest działów.

W wyparce wielodziałowej tylko opary z ostatniego działu kieruje się do
skraplacza. Oznacza to, że proporcjonalnie mniej wody chłodzącej zużywa
się w skraplaczu niż w wyparce jednodziałowej.

BATERIA WYPARNA CZTERODZIAŁOWA

Opary z roztworu (parę wtórną) można doprowadzić do komory grzejnej
drugiej wyparki. Jeżeli w tym drugim aparacie panuje nad roztworem takie
ciśnienie, że temperatura wrzenia roztworu jest niższa od temperatury
oparów.

BATERIA WYPARNA

BATERIA WYPARNA – bilans masy

WYPARKA Z OBIEGIEM WYMUSZONYM

W celu zwiększenia prędkości przepływu w
rurkach wyparek stosuje się cyrkulację
wymuszoną za pomocą pompy lub mieszadła.
Na rysunku pokazano schemat wyparki z
obiegiem wymuszonym pompą. Pompa 1 tłoczy
roztwór do rurek komory grzejnej 2. Zassanie
cieczy przez pompę następuje z rury
cyrkulacyjnej 3 i przewodu doprowadzającego
świeży roztwór. Podczas przepływu cieczy w
rurkach roztwór ogrzewa się i wrze. Część
zatężonej cieczy jest odprowadzana
przewodem 5, a część cieczy rurą cyrkulacyjną
3 wraca do obiegu. Opary z komory parowej
płyną do przewodu odprowadzającego.

WYPARKI BŁONKOWE

W wyparkach błonkowych ze spływającą warstewką cieczy

zatężanie roztworu trwa bardzo krótko.

Rozróżnia się dwa typy tych urządzeń :

1. Wyparki z hydraulicznym wytwarzaniem błonki cieczy

2. Wyparki z mechanicznym wytwarzaniem błonki cieczy

WYPARKA FILMOWA

Wyparka filmowa to wyparka z
hydraulicznym wytwarzaniem błonki cieczy.
Wyparka posiada komorę oparów 4
umieszczoną pod wymiennikiem ciepła 1.
Para grzejna dopływa króćcem 2, a
kondensat odpływa króćcem 3. Wszystkie
rurki 5 są u góry zamknięte kołpakami 6.
Każdy z nich posiada dysze, dzięki którym
dopływający roztwór uzyskuje w rurce ruch
wirowy. Wielkość otworów w dyszach jest tak
dobrana, aby roztwór spływał cienką
warstwą po wewnętrznej ściance rurki. W
komorze oparów następuje oddzielenie
zatężonego roztworu od oparów. Roztwór
zatężony jest częściowo odbierany króćcem
8, a częściowo pobierany przez pompę 10 i
podawany wraz ze świeżym roztworem do
górnej części wyparki. Opary są
odprowadzane króćcem 11, a roztwór
rozcieńczony dopływa króćcem 9.

WYPARKA BŁONKOWA TYPU LUVA

Czas kontaktu roztworu z powierzchnią grzejną wyparki
można jeszcze skrócić stosując wyparki z wytwarzaniem
warstwy cieczy w sposób mechaniczny.

W wyparce Luva rozcieńczony roztwór doprowadza się
przewodem 1. Spływa on cienką warstewką w dół po
ściance aparatu. Grubość spływającej warstewki jest
ograniczona odległością między ścianką aparatu i
łopatkami 2 (do 8 sztuk), które są umieszczone na
obrotowym wale 3. Odległość ta wynosi zwykle 1 – 2
mm. Obrót łopatek mieszadła powoduje burzliwy ruch
warstewki cieczy i odrzucenie na ściankę aparatu kropli
cieczy porwanych przez intensywnie powstającą parę.
Zatężony roztwór jest odprowadzany u dołu aparatu
króćcem 4, a opary po przepłynięciu przez urządzenie
odkraplające komory parowej 5 są odprowadzane
króćcem 6. Aparat wyparny jest otoczony płaszczem
grzejnym 7, do którego doprowadza się parę grzejną.
Wielokrotne dzielenie płaszcza grzejnego umożliwia
odparowanie cieczy w różnych temperaturach.
Temperatura wrzenia roztworu rośnie wraz z jego
stężeniem, a więc dla roztworu stężonego na dole
aparatu jest najwyższa.

SKRAPLACZ BAROMETRYCZNY

W bateriach wyparnych najczęściej dział pierwszy pracuje pod ciśnieniem
wyższym od atmosferycznego, natomiast ostatni pod ciśnieniem obniżonym.
Z tego powodu jest konieczne zastosowanie skraplaczy, w których następuje
skroplenie zassanej pary oraz zrównoważenie różnicy ciśnień.

Przeciwprądowy skraplacz
barometryczny ma w dolnej swej
części długą rurę zwaną rurą
barometryczną 1 Jest ona zanurzona
w zbiorniku z wodą 2 a jej górę
stanowi komora skraplania
3,zabudowana półkami 4 z
przelewem 5. Para z ostatniego działu
baterii wyparnej wpływa króćcem i
płynąc do góry styka się z wodą
chłodzącą, która doprowadzana jest
przewodem 7. Para miesza się z wodą
chłodzącą i kondensuje Mieszanina
wody i skroplin spływa do rury
barometrycznej. Woda w rurze
barometry- cznej równoważy różnicę
ciśnień między ciśnieniem
atmosferycznym i podciśnie-niem w
skraplaczu. Gdy wysokość słupa cieczy
w rurze przewyższy podciśnienie w
skraplaczu woda wypływa z rury do
zbiornika

WYPARKA MECHANICZNA

Opary opuszczające wyparkę unoszą ze sobą znaczne ilości ciepła. W
wyparce mechanicznej użyto te opary do ogrzania własnego roztworu. Działa
ona na zasadzie sprężarki cieplnej.

Do komory grzejnej 1 wprowadza się parę
grzejną z zewnątrz. Para ta jest potrzebna
jedynie na początku procesu w celu
wytworzenia oparów z wrzącego roztworu.
Opary (para wtórna) mają ciśnienie p2, niższe
od ciśnienia pary w komorze grzejnej. Para
wtórna jest kierowana do sprężarki 2 i
adiabatycznie sprężana do ciśnienia nieco
większego od p1 (jest konieczna pewna
nadwyżka ciśnienia na straty podczas
przepływu). Ta para po sprężeniu jest
wprowadzana do komory grzejnej jako para
grzejna już o ciśnieniu p1. Służy ona do
odparowania nowej porcji cieczy dla
wytworzenia pary wtórnej. W ten sposób
można prowadzić zatężanie roztworu raz
doprowadzonego do wrzenia, wkładając
jedynie pracę na sprężanie oparów.

W wyniku adiabatycznego sprężania podwyższa się ze wzrostem ciśnienia
także i temperatura pary. Para grzejna ma zawsze temperaturę wyższą od
temperatury wrzącego roztworu i temperatury oparów przed sprężeniem.

PROCESY MEMBRANOWE

Pod pojęciem procesów membranowych rozumie się te
wszystkie procesy, w których dwa roztwory są rozdzielone
membraną o określonej selektywności. Selektywność
membrany wynika z jej porowatości lub ładunku
elektrycznego. W zależności od wielkości porów w
membranie wyróżnia się mikrofiltrację, ultrafiltrację,
nanofiltrację oraz odwróconą osmozę. Gdy membrana
niesie na sobie ładunek elektryczny, mówi się ogólnie o
elektrodializie. Siła napędowa procesów membranowych
jest zależna od rodzaju prowadzonego procesu.
Mikrofiltrację można zaliczyć do procesów
mechanicznych, chociaż występują zasadnicze różnice
między tym procesem a filtracją. W ultrafiltracji,
nanofiltracji i odwróconej osmozie siłą napędową procesu
jest różnica stężeń, natomiast w elektrodializie – różnica
potencjałów elektrycznych.

MODUŁY MEMBRANOWE

MIKROFILTRACJA

Mikrofiltracja jest procesem w którym zatrzymaniu ulegają
cząstki o wielkości większej niż 0,05 mikrometra. A więc
sole, cukry, a także białka przechodzą przez membranę
wraz z wodą, czyli skład roztworu nie jest praktycznie
zmieniony. Stosowane są tu ciśnienia nie przekraczające
0,3 MPa. Mikrofiltrację stosuje się w procesach klarowania
soków owocowych, wina i piwa, a także do usuwania
mikroflory lub tłuszczu z mleka przy użyciu głównie
membran ceramicznych.

Mikrofiltarcja mleka odtłuszczonego umożliwia usunięcie
więcej niż 99,5% komórek bakteryjnych i przetrwalników.
W procesie mikrofiltracji soków, wina i piwa oprócz
komórek mikroflory usuwa się również te cząstki
zawiesiny, których nie usunięto w procesie filtracji. Dzięki
temu stabilność produktu jest większa.

Rodzaj stosowanych przegród i okres ich użytkowania,
wielkość zatrzymanych cząstek, brak warstwy osadu to
główne cechy różniące mikrofiltrację od filtracji.

ULTRAFILTRACJA

Ultrafiltracja może być traktowana jako proces molekularnego przesiewania.
Zatrzymywa- ne są cząsteczki o rozmiarach większych niż 0,005 mikrometra,
a więc o jeden rząd wielkości mniejszych niż w mikrofiltracji. Sole i cukry
proste przechodzą przez membranę, a zatrzymują się takie substancje jak :
skrobia, białka, enzymy i inne związki wysoko – cząsteczkowe.

Ultrafiltrację stosuje się głównie do wydzielania frakcji białkowych z mleka i
serwatki, oczyszczania enzymów oraz usuwania substancji
niskocząsteczkowych z materiału, np. glukozy z białka jaja kurzego.
Ultrafiltracja znalazła również zastosowanie do oczyszczania soków
owocowych, piwa i wina.

ULTRAFILTRACJA SOKÓW OWOCOWYCH

NANOFILTRACJA

W procesie nanofiltracji zatrzymaniu ulegają białka i pozostałe polimery, a
także część cukrów i kwasów organicznych. W zasadzie tylko woda i sole
mineralne przechodzą przez membranę.

Proces nanofiltracji z powodzeniem jest stosowany do odsalania wielu
materiałów, takich jak serwatka, ekstrakty, a także półprodukty biotechnologii
z jednoczesnym ich zagęszczaniem. Nanofiltracja umożliwia również
modyfikację składu mineralnego wielu produktów spożywczych.

ODWRÓCONA OSMOZA

Teoretycznie proces odwróconej osmozy powinien polegać
na przechodzeniu przez membranę tylko cząstek wody i
wtedy występowałoby zagęszczanie materiału bez zmiany
jego składu chemicznego. W rzeczywistości jednak
membrany, głównie ze względów na mechanizm
rozpuszczająco-dyfuzyjny, przepuszcza- ją małe cząstki i
tym samym przyczyniają się do modyfikacji składu
chemicznego produktu.

Odwróconą osmozę stosuje się głównie do odsalania wody
morskiej, oczyszczania ścieków i zagęszczania serwatki.
Proces ten zastosowano również do zagęszczania mleka i
soku pomidorowego, a także do zagęszczania soków
owocowych. Możliwe jest wydzielanie etanolu z roztworu
oraz zagęszczanie białka jaja kurzego.

KRIOKONCENTRACJA

Kriokoncentracja jest metodą zatężania roztworów przez
wymra – żanie rozpuszczalnika. Jeżeli roztwór wodny
będziemy oziębiać, to w pewnej temperaturze niższej od
0oC pojawią się w nim kryształy lodu. W miarę dalszego
obniżania temperatury wypada coraz więcej kryształów
lodu a istniejące kryształu rosną; roztwór przez usunięcie
części rozpuszczalnika (przechodzi on w fazę stałą) staje
się coraz bardziej stężony.

Procesu zatężania roztworu nie można prowadzić do
dowolnie wysokich stężeń, gdyż straty „zimna” do
otoczenia są coraz większe. Zatęża się zwykle do
zawartości 50 – 60% suchej substancji. Roztwór zatężony
(koncentrat) oddziela się od lodu w wirówkach, na sitach
lub w prasach.

APARAT DO KRIOKONCENTRACJI

Częścią podstawową jest metalowy bęben 1 chłodzony od wewnątrz solanką.
Bęben jest zanurzony w roztworze surowym, doprowadzanym przewodem 2 do
obudowy 3. Bęben obraca się wykonując 0,2 – 1 obr/min. Powstający na
powierzchni bębna lód (wraz z zagęszczonym roztworem) zeskrobuje się
skrobakiem 4 i podaje przenośnikiem 5 do prasy ślimakowej 6, gdzie
następuje oddzielenie lodu 7 od koncentratu 8. Koncentrat zawiera 24 – 30%
suchej substancji. Ponowne zagęszczenie roztworu w drugim aparacie pozwala
na uzyskanie koncentratu o zawartości 50% suchej substancji.

KONIEC