Тэг: Вакуумный испаритель

Вакуумная концентрация вкуса в пищевом производстве: в кондитерской, кулинарной промышленности, да и просто, у вас на кухне.

Чем ниже, тем лучше.

Концентрация вкуса — одна из самых основных и важных задач в кулинарии, кондитерском производстве. С технической точки зрения концентрация обычно означает испарение растворителя с оставлением как можно большего количества ароматных молекул. На кухне растворителем обычно является вода, но иногда — спирт. Редко бывает что-то еще; хотя жиры и масла являются съедобными растворителями, вы создадите впечатляющий пожар, если попытаетесь их испарить.

Чтобы выполнить работу за разумное время, необходимо поднять температуру растворителя почти до точки кипения. Недостатком этого является то, что вода закипает при температуре около 100 °C / 212 °F (точная температура меняется в зависимости от высоты и погодных условий), что часто достаточно горячо, чтобы кардинально изменить многие вкусы, которые вы пытаетесь сконцентрировать. Иногда эти изменения — именно то, что вам нужно: например, томление мясного бульона в течение нескольких часов играет решающую роль в создании насыщенного вкуса традиционного. Но во многих случаях новые вкусы не такие уж и вкусные. Как правило, продукты, которые люди обычно едят сырыми, скорее всего, пострадают от высоких температур, которые требуются для редукции. Например, когда вы концентрируете апельсиновый сок, вы теряете его яркость, и в итоге он становится похожим на  ... ну.

Оказывается, есть альтернативный способ сконцентрировать эти тонкие виды вкусов, не испортив их. Повышение давления повышает точку кипения воды (как это происходит в скороварке), и наоборот, понижение давления понижает точку кипения воды. Таким образом, чем ниже давление (чем сильнее вакуум), тем ниже точка кипения. Фактически, вполне возможно снизить давление настолько, что ледяная вода закипит. 

Говоря о вакууме, удобно и наглядно количественно измерять давление в единицах миллибар (мбар). На уровне моря стандартное атмосферное давление составляет 1013,25 мбар, а точка кипения воды — 100 °C / 212 °F. Совершите поездку в Денвер, город на высоте 1600 м, и давление упадет до 805 мбар, а вода закипит при 93,7 °C / 200,7 °F. Это не слишком большая разница, но установка вакуумной концентрации может снизить давление вокруг вашей кастрюли с жидкостью до 55 мбар, что достаточно для того, чтобы она закипела при идеально приятной комнатной температуре 20 °C / 68 °F. Эта умеренная температура не разрушит никакие нежные и свежепахнущие ароматические соединения.

И больше этих соединений останется в пище, а не будет выброшено в воздух, как это происходит при традиционном упаривании на плите. Теперь верно, что понижение точки кипения воды также снижает точку кипения других летучих молекул, поэтому даже вакуумное упаривание действительно выбрасывает некоторые из этих ароматов (которые делают кухню такой приятной). Но больше из них останется там, где вы хотите, чтобы они были, — придавая вкус еде, — чем если бы вы просто увеличили огонь, чтобы испарить жидкость.

Легко представить себе всевозможные блюда, которые выигрывают от концентрированных при низких температурах вкусов. Мы вакуумируем яблочный сок, чтобы сохранить его свежий, терпкий вкус, а также его яркий зеленый вид. Вакуумированные соусы на основе вина также интересны, потому что вы можете выпарить и этанол, и воду при очень умеренных температурах. Лично мне нравится использовать простую установку, которая есть у меня дома, для приготовления коктейлей с вакуумно-концентрированными настоями и настойками.

Результаты всегда сильно отличаются от всего, что вы пробовали раньше. На самом деле, немного сложно описать эти вкусы, потому что мало кто пробовал что-то подобное раньше. До сих пор никто не придумал простой способ вакуумной концентрации на кухне.

Ротоционный вакуумный испаритель.

Выше мы разобрали, как вакуумная концентрация может конденсировать аромат значительно ниже точки кипения воды, тем самым оставляя ароматические соединения нетронутыми. Некоторые шеф-повара-модернисты делают это с помощью роторного испарителя, или сокращенно ротавапа. Единственная проблема в том, что полноразмерная версия — это исследовательское оборудование стоимостью около 4 млн руб. Даже маленький стоит более 500 тыс руб. Они хрупкие, а сменные детали недешевы; они могут протекать как минимум в дюжине разных мест, требуя времени на то, чтобы повозиться и найти утечку. Они предназначены для лабораторий, а не для кухонь.

Это не значит, что ротационные вакуумные испарители бесполезны для поваров. Это один из немногих способов извлечения дистиллята при температурах ниже точки кипения воды. Но если вам нужен только концентрат, а не дистиллят, есть гораздо более простой способ собрать вакуумную концентрирующую систему. Мы размеремся, как это сделать.

Для создания вакуумно-концентрирующей системы вам понадобится несколько вещей:

1. Во-первых, вам нужен вакуумный насос, который может перекачивать много газов, паров. Многие дешевые вакуумные насосы используют масло, но если вы пропустите водяной пар через это масло, он эмульгируется, повредит насос. Обязательно приобретите рециркуляционный насос для аспирации воды емкостью около 10 литров. Он выглядит как охладитель пива, но внутри находится насос, который циркулирует воду. Когда вода течет через маленькое отверстие в сопле, она создает эффект Вентури, создавая вакуум. Поскольку они продаются лабораториям (которые менее чувствительны к цене), новые могут стоить более 100 тыс руб. Если вы склонны к механике, вы можете отправиться в любой крупный хозяйственный магазин и купить все необходимое для сборки своего собственного. Однако, если вы поищете на АлиЭкспресс рециркуляционные насосы для аспирации, вы найдете много таких по гораздо более низкой цене, чем тот, на который ссылались выше.

Ваш насос должен быть способен вытягивать 5-40 мбар  в зависимости от температуры воды. Чем холоднее вода, тем сильнее будет вакуум. Чтобы поддерживать низкую температуру, держите лед плавающим в водяной бане, пока она циркулирует.

Аспирационная насадка, которая имеет небольшой боковой отвод, который вы можете прикрутить к крану, является еще более дешевой альтернативой. Сила вакуума будет зависеть от того, насколько быстро течет водопроводная вода, а также от температуры воды. Недостатком этих устройств является то, что вы выбрасываете десятки литров воды. Если вы много вакууммируете-концентрируете, рециркуляционный насос, вероятно, имеет смысл с финансовой точки зрения, но если вы просто хотите попробовать, вам следует выбрать аспиратор для крана, потому что вы сэкономите несколько тысяч кублей.

2. Следующее, что вам нужно, это термос , иногда называемый колбой Эрленмейера с боковым рукавом. Они бывают самых разных размеров, от нескольких сотен миллилитров (примерно одна чашка) до десятков литров и более. Для домашнего использования оптимальным является объем 2-5 литров .

3. Вам также понадобится резиновая вакуумная трубка. Для большинства колб требуется шланг с внутренним диаметром 8 мм. Вы можете найти его в продаже на метры в магазине автозапчастей или в Интернете.

4. Для вашей емкости понадобится пробка соответствующего размера, которая продается отдельно. Например, для 2-литровой емкости подойдет пробка номер 9 .

5. Вам понадобится магнитная мешалка с тефлоновым покрытием. Она будет работать вместе с магнитным винтом-лопастью и должна быть длиной около 50 мм.

6. Для магнитной мешалки вам понадобится магнитная перемешивающая плита с подогревом, около 150 кв. мм. Опять же, поскольку это лабораторное оборудование, оно дороже, чем вы могли бы предположить. К счастью,  Али просто переполнен ими. Цифровые стоят дороже, но аналоговые тоже неплохи.

Этот удобный гаджет не только нагревает пластину, но и создает переменное магнитное поле, которое заставляет вращаться мешалку внутри стеклянной колбы. Когда она достаточно быстро вращается, мешалка создает вихрь, который расширяет площадь поверхности жидкости и, таким образом, увеличивает скорость испарения. Вихрь также способствует образованию пузырьков. Когда жидкость находится в гладкой стеклянной колбе, она имеет тенденцию к довольно бурному кипению, потому что на ней мало мест, на которых могут образовываться пузырьки. В таких ситуациях температура жидкости может фактически стать перегретой, поднявшись на пару градусов выше точки кипения. Вы могли видеть это явление, если когда-либо нагревали кружку с водой в микроволновке и замечали, что она почти не пузырилась, пока вы не бросили в нее ложку, и в этот момент жидкость внезапно закипела вся сразу. Когда перегрев происходит внутри закупоренной колбы, огромный пузырь может вырваться на поверхность так бурно, что это может фактически заставить колбу спрыгнуть с пластины и разбиться. Перемешивание жидкости приводит к образованию маленьких пузырьков, которые служат центрами образования пузырьков, благодаря чему жидкость кипит равномерно и более безопасно.

Основная идея здесь заключается в том, что жидкость в колбе никогда не может быть горячее, чем ее точка кипения, которая определяется силой вакуума. Это как кипение воды на газовой горелке, потому что в то время как горящий газ под ней имеет температуру в тысячи градусов, вода в кастрюле не выше 100 °C . Увеличение нагрева заставит ее кипеть быстрее, но это не сделает ее кипение более горячим, поэтому ваши вкусовые соединения останутся нетронутыми. Вам нужно, чтобы было достаточно горячо, чтобы вода закипела быстрее, чтобы процесс был выполнен. Если вы будете слишком быстро испарять воду, насос не сможет справиться, и давление начнет расти, поэтому температура немного поднимется. Мы, как правило, устанавливаем горячую плиту примерно на 205 °C. Если вода в насосе достаточно холодная, она закипит при 26 °C, это недостаточно тепло, чтобы изменить слегка ароматизированные жидкости, такие как цитрусовый сок.

Испарение в вакууме. Вакуумное выпаривание.

Концепция вакуумного испарения, вакуумного выпаривания.

Вакуумное испарение или вакуумное выпаривание — это метод, который характеризуется преобразованием жидких отходов в два потока: один из высококачественной воды и другой, содержащий концентрированные отходы. Полученная вода достаточно высокого качества для повторного использования, тогда как отходы могут быть сконцентрированы, даже достигая почти полной сухости. Расходы на утилизацию отходов значительно снижаются при концентрации отходов до такой степени.

Эта технология представляет собой крупный прорыв в очистке жидких сточных вод, поскольку она позволяет очищать сточные воды, которые невозможно эффективно очистить с помощью физико-химических или биологических методов, чистым, эффективным, безопасным и компактным способом. Вакуумное испарение приводит к резкому сокращению объема жидких отходов (что приводит к экономии на утилизации отходов), концентрации едких или образующих накипь отходов, повторному использованию восстановленной воды и внедрению системы нулевого сброса жидкости, среди многих других преимуществ.

Выпаривание — это единичная операция, которая заключается в концентрировании раствора путем удаления растворителя методом кипячения. В этом случае она выполняется при давлении ниже атмосферного. Таким образом, температура кипения намного ниже, чем при атмосферном давлении, что приводит к значительной экономии энергии.

Необходимое оборудование компактно, практично и оснащено инструментами, что означает простоту оперативного мониторинга и позволяет обрабатывать потоки сточных вод до 20 м3/ч в одном испарителе. Следует также отметить, что поскольку сточные воды не нужно нагревать до высоких температур, поскольку вода кипит при 35-40°C (в зависимости от рабочего давления) при работе в условиях вакуума, энергетические потребности испарителя не обязательно должны быть высококачественными источниками, а избыточная энергия от других процессов будет использоваться в большинстве случаев.

После процесса испарения достигается очень высокий процент дистиллированной воды (не менее 95%) и очень низкий уровень отбраковки (не более 5%), требующей утилизации. Этот уровень отбраковки настолько низок из-за высокой концентрации остатков, достигаемой в процессе, и в зависимости от состава сточных вод промышленные вакуумные испарители могут быть подходящими для извлечения сырья, разбавленного в воде, которое может быть продано или использовано повторно.

Подводя итог, можно сказать, что выпаривание — это новая, эффективная и конкурентоспособная технология, которая обеспечивает очень хорошие результаты в отношении очистки тех стоков, которые сложно очистить с помощью других методов. Эта технология часто позволяет реализовать политику нулевых отходов со всеми ее изначально положительными экологическими последствиями. Кроме того, в результате меньшего количества образующихся отходов и производства высококачественного потока воды первоначальные инвестиции окупаются относительно быстро. Более того, это происходит еще быстрее, если можно использовать избыточную энергию из другого процесса.

Температура кипения уменьшается с понижением атмосферного давления.
Это принцип работы вакуумных испарителей.

Факторы, влияющие на процесс испарения,вакуумного выпаривания.

Испарение — это процесс, контролируемый скоростью теплопередачи, а скорость испарения зависит от следующих факторов:

1. Разница температур между теплоносителем и испаряемой жидкостью.

Температура кипения испаряемой жидкости увеличивается по мере ее концентрации. Однако, поскольку процесс проводится в вакууме, разница температур между нагревающим агентом и испаряемой жидкостью больше, чем температура кипения, если смесь намного ниже, чем при атмосферном давлении. Более высокая разница температур приводит к более высокой скорости испарения.

2. Зона обмена

Эффективная площадь обмена зависит от геометрии оборудования и явлений, присущих концентрации раствора, таких как осаждение твердых веществ или образование корки на поверхности обмена. Большие площади приводят к более высокой теплообменной способности и более высокой скорости испарения.

3. Общий коэффициент теплопередачи (U)

Этот коэффициент зависит от физических свойств рассматриваемых жидкостей (теплоносителя и испаряемой жидкости), материалов стенок, на которых происходит теплообмен, конструкции и геометрии оборудования, а также параметров потока (скорости циркуляции жидкости и т. д.). Более высокие значения этого коэффициента означают большую легкость теплообмена в оборудовании.

4. Свойства испаряемой жидкости

Вязкость, возможность образования пены, способность подвергаться коррозии и т. д. оказывают практическое влияние на скорость теплопередачи.

Ключевым параметром при проектировании испарителя является площадь обмена, необходимая для испарения. При расчете этой площади необходимо учитывать как массовый, так и энергетический баланс. Таким образом, для испарителя, в который подается поток F и отводятся два потока (концентрат S и дистиллят E),  

Необходимо учитывать следующие балансы масс:

Общий баланс масс :
F = E + S
V = C
Баланс масс для растворенного вещества :
F xF = S xS
И следующие энергетические балансы :
V HV + F hF = C hC + E HE + S hS
Q = V HV – C hC = V (HV – hC) = UA >T

где Q — тепловой поток, передаваемый через поверхность нагрева испарителя, U — общий коэффициент теплопередачи, A — площадь, необходимая для испарения, а >T — разность температур между теплоносителем и испаряемой жидкостью.

Основные области применения вакуумных испарителей.

Еще одним фактором, который следует упомянуть в отношении вакуумных испарителей, является их универсальность и большое количество ситуаций, в которых их можно применять (при условии, что результаты оправдывают необходимые инвестиции в их установку, поскольку это не самая дешевая технология).

Благодаря этому отрасли, которым приходится обрабатывать средние или большие потоки, могут получить значительную экономию, поскольку объем остатков, которые им приходится отправлять на обработку, значительно сокращается. Эта технология также очень подходит для производства высококачественной воды, которая требуется многочисленным отраслям для включения в их производственные процессы.

Вакуумные испарители являются конкурентоспособным и эффективным решением для очистки сточных вод, для которых приемлемые результаты не могут быть достигнуты с использованием более традиционных методов (физико-химической и биологической очистки). Это обычно происходит, когда сточные воды содержат:

• очень высокая концентрация солей, 
• небиоразлагаемые соединения,
• вещества, токсичные для микроорганизмов
• металлы
• и т. д.

Такие сточные воды производятся промышленными предприятиями общего назначения:

• продувка котла,
• стоки регенерации ионообменной смолы,
• процессы отбраковки обратного осмоса,
• шламы очистки технологических вод,
• продувки градирен и т.д.,

а также специфические стоки от:

• пищевая промышленность (обработка рассола),
• гальваническая промышленность (отработанные ванны, промывочные и поверхностно-обрабатывающие воды),
• химическая, фармацевтическая и косметическая промышленность (воды для промывки резервуаров и реакторов и т. д.),
• лакокрасочная промышленность (мойка реакторов),
• автомобильная и металлургическая промышленность (масляные эмульсии, обезжириватели, смазочно-охлаждающие жидкости, проникающие жидкости),
• полиграфическая промышленность (обработка и концентрирование чернил, промывка валиков),
• компании по управлению отходами (фильтраты свалок, воды с высокой проводимостью и т. д.),
• больничные отходы и т.д.
• Помимо использования при очистке сточных вод, выпаривание также широко применяется в пищевой промышленности для концентрирования многих видов термочувствительных веществ (для концентрирования фруктовых соков, производства сгущенного молока, удаления спирта для получения безалкогольного пива и т. д.).

Типы вакуумных испарителей. Вакуум выпарные установки, конструкции.

Одним из факторов, который приводит к важным эксплуатационным различиям между различными вакуумными испарителями, является тип технологии, используемой для нагревания выпариваемого сточного потока, аспект, который также влияет на эксплуатационные расходы. Таким образом, мы можем найти:

А. Тепловые насосы как основа вакуумного испарителя

Работа этой системы основана на холодильном цикле газа, содержащегося в замкнутом контуре. Холодильный газ сжимается компрессором, в результате чего его температура и давление повышаются. Затем он циркулирует через теплообменник самого испарителя, нагревая сырье. Поскольку система работает под вакуумом, температура кипения составляет около 40 ºC. Холодильная жидкость покидает теплообменник испарителя, декомпрессируется и охлаждается с помощью расширительного клапана. Проход через второй теплообменник (конденсатор) заставляет пар, образующийся в испарителе, конденсироваться, а его температура непосредственно перед повторным прохождением через компрессор снижена, таким образом, повторяя цикл. Та же самая холодильная жидкость позволяет испарять сырье и конденсировать образующийся пар, поэтому система не требует никакого другого источника нагрева или охлаждения. Это означает, что процесс является весьма выгодным с экономической и управленческой точки зрения.
Это идеальная технология для обработки не очень больших потоков едких, образующих накипь или вязких жидкостей. Ее работа обычно требует потребления энергии в размере 130-170 кВт·ч на кубический метр дистиллята.

Б. Вакуумные испарители с механической рекомпрессией пара

Эта технология основана на рекуперации тепла конденсации дистиллята в качестве источника тепла для испарения сырья. Для этого температура пара, образующегося при испарении, повышается путем механического сжатия. Проходя через теплообменник самого испарителя, этот сжатый, а значит, перегретый пар оказывает два эффекта: (1) нагревает испаряемую жидкость и (2) конденсируется, тем самым снижая потребность в охлаждающей жидкости.

Это очень эффективная и конкурентоспособная система испарения с энергопотреблением около 50-60 кВтч на кубический метр получаемого дистиллята.

C. Многокорпусные вакуумные испарители (МВИ)

Эта технология включает в себя ряд взаимно соединенных испарителей, в которых вакуум постепенно увеличивается от первого к последнему. Это означает, что, в принципе, температура кипения уменьшается, что позволяет использовать пар, образующийся в испарителе (или процессе), в качестве нагревательной жидкости в следующем процессе.

Его главное преимущество по сравнению с одним испарителем — экономия как нагревающей, так и охлаждающей жидкости. Это один из наиболее экономически конкурентоспособных вариантов для обработки больших потоков. В этих баках вода распределяется тонкими слоями, чтобы облегчить испарение для снижения давления.

Явление постепенного снижения давления позволяет питательной воде непрерывно подвергаться процессам сжижения и испарения без необходимости использования системы подогрева.

Эти процессы происходят при температуре около 70°.

D. Многоступенчатая флэш-дистилляция (MSF)

Многоступенчатое мгновенное испарение широко используется в промышленном секторе и включает в себя нагрев исходной жидкости в сосуде и немедленное перемещение воды через систему нагревательных труб, в которых часть воды испаряется. Затем она переходит в другой сосуд, в котором температура и давление таковы, что часть горячей воды внезапно испаряется, оставляя концентрированный остаток в жидкой форме, который передается в качестве сырья для следующего этапа.

Затем пар охлаждается до тех пор, пока он не станет жидким, а затем собирается, очищенным от примесей. Затем этот процесс повторяется на другом этапе. После определенной серии этапов мы получаем воду, которая была многократно перегнана очень быстро, поэтому содержит малое количество растворенных примесей.

Этот тип испарения работает при температурах от 90° до 120°.

Подводя итог, можно сказать, что вакуумное испарение позволяет обрабатывать потоки, которые из-за своего состава, характеристик или сложности утилизации не могут быть обработаны с использованием обычных физико-химических методов. Кроме того, при сниженном потреблении энергии этот метод позволяет значительно сократить объем образующихся отходов, извлечь значительный поток воды для повторного использования и реализовать систему с нулевыми отходами с относительно низкими экономическими затратами.

Хотя эти системы просты в эксплуатации, крайне важно, чтобы выбор и проектирование наиболее подходящего оборудования для конкретных нужд выполнялись командой экспертов в этой технологии.

Дополнительные технологии для вакуумного испарения, вакуумного выпаривания.

Обычно процесс вакуумного испарения для очистки сточных вод дополняется другими технологиями, тогда вакуумные испарители могут работать как уникальное решение или быть интегрированы в более крупную установку очистки сточных вод. Эти дополнительные технологии очистки сточных вод могут быть применены:

1) Технологии предварительной обработки, такие как пластинчатые сепараторы, блоки DAF, дозирование химикатов или даже мембранные технологии.
2) Технологии последующей обработки: когда нам необходимо получить высокую концентрацию отходов или
требуется нулевой сброс жидкости, наиболее подходящей технологией являются кристаллизаторы, которые можно использовать двумя способами:

• работать с испарителем-кристаллизатором
• добавить стадию кристаллизации после вакуумного испарителя

Состав сточных вод и скорость потока являются ключом к решению, какой вариант является наилучшим. Сочетание двух технологий особенно подходит для сильно загрязненных вод, рассолов и эмульсий. Это то, что происходит с нефтью из маслянистой воды, которую можно продать как вторичный продукт с содержанием воды менее 5%, или с рекуперацией гидроксида алюминия, который впоследствии может быть использован как химический продукт, и это лишь несколько примеров.
После кристаллизации мы можем получить около 99% сверхчистой воды и высококонцентрированный отброс солей, масел и т. д.

Промышленные испарители и кристаллизаторы считаются более дорогими, чем другие технологии из-за их высокого потребления энергии, но разрыв сокращается благодаря улучшениям, сделанным в последние годы. С другой стороны, когда возможна когенерация (а это часто так), стоимость питания испарителя снижается значительно.

Более того, следует учитывать большую экономию, которую компании получают при утилизации отходов в течение срока службы испарителя. Количество концентрированных отходов, которые компании получают после процесса испарения, настолько мало, что расходы на утилизацию отходов стремятся к нулю. И
последнее, но не менее важное: важно отметить, что они могут работать автоматически, а обслуживание очень простое.

Очевидно, что вакуумное испарение и кристаллизация не являются лучшим вариантом для каждого случая, но их всегда стоит рассматривать в отраслях, которым необходимо очищать сточные воды.

Некоторые преимущества

• Вода высокого качества.
• Эффективность очистки до 99% (с использованием вакуумного испарения + кристаллизации).
• Позволяет повторно использовать очищенную воду.
• Может очищать более сложные стоки
• Низкое энергопотребление
• Нулевой сброс жидкости.
• Гибкая и компактная конструкция, простота обслуживания.
• Никаких внешних источников тепла.
• Низкий уровень утилизации отходов.