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

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.

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.

KONIEC