Вакуумно-выпарные аппараты в производстве сгущённого молока, виски, лекарственных эмульсий и вакцин
Пищевая, фармацевтическая и химическая промышленности активно используют разнообразные процессы теплообмена. Ещё их называют массообменами, поскольку они представляют собой испарение. Массообмены обеспечивают нужные условия для работы паровой техники, участвуют в технологических операциях и помогают получать заготовки сырья. Если технологам требуется изменить свойство жидкой среды, например, сделать концентрат или эмульсию, то они используют кипение, как простейшее средство для удаления летучего компонента путём испарения. Для более чёткого и технологичного решения такой задачи разработан вакуумно-выпарной аппарат. Он представляет собой специальную установку с нужным функционалом для организации теплообменных процессов при низкой температуре, с достижением требуемых показателей. Поэтому выпаривание на аппарате делает производство проще и быстрее.
Что такое выпаривание?
Вакуумное выпаривание – это процесс, при котором давление в ёмкости, заполненной жидкостью, ниже давления пара. В результате испарение происходит при более низкой температуре (25-60°C), чем обычно c доведением воды до кипения (100°C).
Вакуумное выпаривание в промышленности – технологический метод получения концентрата из жидких растворов. Данный способ применяется для летучих жидкостей, содержащих нелетучие или малолетучие вещества. В процессе кипения растворитель испаряется, а нелетучее вещество концентрируется. Обычно выпариванию подвергают:
- соли;
- щелочные соединения;
- жидкости с высокой температурой кипения.
Основная цель выпаривания – получение чистого концентрата вещества, или наоборот – растворителя. Если процесс направлен на очистку компонента раствора, то к выпариванию может добавляться процедура кристаллизации для получения твёрдого вещества.
В качестве примера можно привести опреснение морской воды. В ходе процесса чистый растворитель выделяется из раствора. Конденсируется водяной пар, а получившуюся в результате дистиллированную воду применяют для самых различных целей, в т.ч. питья. В свою очередь соли и минералы (Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, CaSO4, MgSO4, MgCl2) используют в химической промышленности в виде сырья, например, в производстве удобрений.
В технологическом аспекте выпаривание включает в себя ряд массообменных операций, которые требуют специального оборудования, такого как вакуумно-выпарные аппараты. Во-первых, они имеют оптимизированную конструкцию для выполнения определённых операций. Во-вторых, они изготавливается из специальных материалов с высокими защитными характеристиками, что обеспечивает безопасность работы персонала. Всё-таки выпаривание подразумевает образование враждебных сред, таких как: горячий пар, агрессивные жидкости, ядовитые пары и другие химические вещества (зависит от продукта обработки).
Где применяются вакуумно-выпарные аппараты?
Вакуумно-выпарной агрегат был изобретён в начале 1850-х гг. шведским химиком Карлом Эрнстом Йонссоном совместно с немецко-швейцарским фармацевтом Анри Нестле (известным шоколадом Nestle). Аппарат разработали для быстрого производства сахара, сгущённого молока и молочного шоколада. За немногим более 170 лет изобретение химика и фармацевта практически не изменилось с технологической стороны, за исключением автоматики в управлении. Расширился и круг применения. Сегодня вакуумно-выпарные аппараты используются в различных отраслях промышленности и научных исследованиях, таких как:
- Производство пищевых продуктов – концентрирование соков, молока, продуктов питания и пр.
- Производство спиртных напитков – перегонка через вакуумно-выпарные аппараты забродившего продукта, с целью получить сырьё (самогон) для изготовления виски или водки.
- Деалкоголизация вина – экстрагирование алкоголя в вакууме, где вино нагревается примерно до t 28°, сохраняя вкус и аромат обычного вина, но уже без спирта. (Популярная технология в Германии и Бельгии).
- Косметическая промышленность – изготовление кремов, гелей и других косметических продуктов.
- Фармацевтическая промышленность – изготовления лекарственных препаратов, эмульсий и вакцин.
- Химическая промышленность – очистка и концентрирование растворов и реакционных смесей.
- Научные исследования – изучение свойств материалов, например, для определения содержания влаги в образцах.
- Производство бумаги – удаление из растворов неорганические и органические вещества, которые могут негативно влиять на качество бумаги.
- Водоочистка сточных вод – для выпаривания стоков и возврата в природу очищенной воды.
- Металлообработка – для смазочно-охлаждающих эмульсий, что позволяет уменьшать объем стоков, идущих на утилизацию примерно 6–30 раз. Очищенная же вода используется вторично или сбрасывается в канализацию без ущерба для окружающей среды.
Если говорить о финансовой эффективности использования вакуумно-дистилляционных установок в процессе очистки промышленных стоков, то применение такого оборудования позволяет повысить доходность предприятия за счёт сокращения затрат.
Во-первых, использование вакуумно-дистилляционных установок позволяет значительно уменьшить издержки на утилизацию отходов за счёт увеличения концентрации утилизируемых остатков. Более того, процесс очистки промывочной воды гальванических производств даёт возможность полностью возвращать концентрат электролита в рабочие ванны, что особенно ценно для дорогостоящих металлов.
Во-вторых, использование вакуумно-дистилляционных установок позволяет сократить потребление технической воды на 70-80%.
В-третьих, при повторном использовании дистиллята не требуется дополнительная обработка, что также способствует снижению затрат на водоподготовку.
В-четвертых, использование экологического оборудования позволяет избежать штрафов за загрязнение окружающей среды и снижает риски экологических проблем в будущем.
Недостатками процесса выпаривания под вакуумом являются потребность в надёжной системе поддержания вакуума и большом расходе воды для конденсации водяного пара из парогазовой смеси в концевом конденсаторе. В многокорпусных выпарных установках обычно один или два корпуса работают под небольшим избыточным давлением, а последующие – под вакуумом. Чтобы создать вакуум, используются вакуумные насосы или паровые эжекторы.
Особенности конструкции аппаратов
При конструировании промышленных вакуумно-выпарных аппаратов учитываются: задачи и требования производства; типы обрабатываемых материалов; необходимая точность и скорость обработки. Не меньше внимания уделяется безопасности, поскольку промышленные установки предназначены, в том числе, для работы с опасными эмульсиями и жидкими фазами. Поэтому конструкция должна минимизировать риски травм и аварий.
Аппараты должны быть максимально эффективными с точки зрения технологических процессов, потребления энергии и скорости обработки. Являться простыми в эксплуатации и обслуживании, удобными для операторов, легко настраиваться и ремонтироваться. Соответствовать требованиям эргономики, чтобы операторы могли работать с ними в комфортных условиях. Должны обеспечивать высокую точность обработки, поэтому их конструкция устойчивая и жёсткая, чтобы минимизировать любые деформации. Учитывать совместимость с другими видами оборудования, используемыми в производстве.
Ещё при конструировании вакуумно-выпарных аппаратов принимаются во внимание такие особенности, как:
Материалы – аппараты изготавливаются из высококачественных материалов, среди которых основными выступают: нержавеющая сталь, стекло, керамика и пластик.
Конструкция внутренних элементов – для достижения максимальной скорости испарения и равномерного распределения тепла внутри аппарата используются специальные элементы, такие как роторы, шнеки и т.д.
Система управления – современные вакуумно-выпарные аппараты оснащаются автоматизированной системой управления, которая позволяет контролировать и регулировать процессы выпаривания жидкости.
Защита от перегрева и перегрузки – аппараты выпускаются с аварийными системами, которые предотвращают нештатные ситуации, что позволяет увеличить срок службы оборудования.
Различные варианты исполнения – вакуумно-выпарные аппараты могут иметь различные размеры и конструкции, что позволяет подобрать оптимальный вариант машины для конкретной эксплуатации.
Обзор оборудования
Для наглядности предлагаем небольшой обзор вакуумно-выпарных аппаратов, с кратким описанием и основными характеристиками.
Вакуумный выпарной аппарат QN-500
Вакуумный выпарной аппарат серии QN предназначен для дистилляции, кристаллизации и экстракции и концентрирования. Модель QN-500 снискала широкую популярность в фармацевтической, химической и пищевой промышленностях. Последняя подразумевает изготовление концентрированного и сгущённого, томатных кетчупов, фруктовых и овощных концентрированных соков.
Аппарат изготовлен из пищевой нержавеющей стали марки SUS304, что отвечает требованиям GMP. В состав установки входят: ёмкость концентрирования, сепаратор, охладитель, конденсатор и приёмная ёмкость. В серию QN входят такие модели, как: QN200, QN700, QN1000, QN1500 и QN2000.
| Модель | QN-500 |
| Испарение (кг/ч) | 120 |
| Ёмкость (л) | 500 |
| Рабочее давление в паровой рубашке (МПа) | 0,09 |
| Степень вакуума (мм рт.ст) | 500 - 620 |
| Площадь обогрева (м2) | 1,6 |
| Площадь конденсации (м2) | 3 |
| Габаритные размеры (мм) | 2030 x 1200 x 2500 |
| Вес (кг) | 450 |
Вакуумный выпарной аппарат WZ-2000
Вакуумный выпарной аппарат WZ-2000 – это одноступенчатый концентратор с внешней циркуляцией. Предназначен для удаления воды из жидкостей, прежде всего в производстве пищевых или фармацевтических продуктов. Вместе с этим модель нередко задействуют в химической или лёгкой промышленности.
Базовая комплектация включает: нагреватель, испаритель, пеногаситель, конденсатор, охладитель и бак для приёма жидкости. Основной материал изготовления – это нержавеющая сталь марки 304 (для пищевой промышленности). Для фармацевтической или химической отрасли аппараты выпускаются из стали марки 316.
В серию WZ также входят модели: WZ-500, WZ-1000 и WZ-1500. Есть ещё линейка WZS для концентрированных мазей.
| Модель | WZ-2000 |
| Производительность (кг/ч) | 2000 |
| Эффективность выпаривания (%) | 80 – 85 |
| Давление пара (МПа) | 0,03 – 0,09 |
| Степень вакуума (МПа) | 0,05 – 0,08 |
| Площадь камеры испарения (м3) | 2,5 |
| Объем ресивера (м3) | 1 |
| Удельный расход пара (кг/час) | 2100 |
| Расход воды (т/ч) | 20 |
| Клапан для выхода горячего пара (мм) | 100 |
| Клапан для выхода охлаждающей воды (мм) | 80 |
Вакуумный выпарной аппарат ZN-100
Модель серии ZN предназначена для концентрации жидких материалов. Применяется фармацевтической, пищевой и химических отраслях промышленности. Нередко служит для регенерации спирта и простой перегонки. Теплообменник состоит из резервуара для концентрирования, конденсатора, газожидкостного сепаратора, охладителя и приёмного резервуара для жидкости. Концентрационный резервуар имеет рубашку, конденсатор рядного типа(row—pipe), охладитель спирального типа. Части, контактирующие с продуктами, изготовлены из нержавеющей стали, устойчивы к коррозии и соответствуют стандарту GMP.
| Модель | ZN-100 |
| Объем (л) | 45 |
| Объем приёмного бака (л) | 45 |
| Рабочее давление в паровой рубашке (МПа) | 0,09 |
| Степень вакуума (мм рт. ст) | 600 – 700 |
| Площадь обогрева (м2) | 0,59 |
| Площадь конденсации (м2) | 1,7 |
| Площадь охлаждения (м2) | 0,35 |
| Габаритные размеры (мм) | 1350 x 750 x 2200 |
Скребковый вакуумный выпарной аппарат LG0.5
Выпарной аппарат со скребками предназначен для сгущения вытяжек, пока не будет достигнута требуемая концентрация сгущённого раствора, до чрезвычайно высоких уровней содержания твёрдых веществ. Применяется для выпаривания высоковязких продуктов, имеющих тенденцию к налипанию на стенки. Может удалять из рабочей среды почти всю влагу. Концентрация экстракта определяется высотой заполнения ёмкости. Серия теплообменников LG изготавливается из нержавеющей стали, устойчивой к коррозии и соответствует стандарту GMP. В семейство входят модели: LG0.8, LG0.1.0, LG0.1.5 и LG0.2.0.
| Модель | LG0.5 |
| Площадь обогрева (м2) | 0,5 |
| Давление пара (МПа) | 0,3 |
| Степень вакуума (МПа) | -0,095 |
| Расход пара (кг/час) | 85 |
| Мощность двигателя (кВт) | 0,75 |
| Скорость вращения (об/мин) | 134 |
| Высота (мм) | 2750 |
Вакуумный-выпарной аппарат SJNII-1000
Модель SJNII-1000 – это энергосберегающий вакуумный концентратор двойного действия. Широко используется для теплообмена в медицинской и пищевой отраслях промышленности. Выпускается в нескольких модификациях. Имеет более высокую степень концентрации по сравнению с одноступенчатыми испарителями, представленными выше. Из-за возможности использования вторичного пара общее потребление энергии снижается примерно на 40% по сравнению с одноступенчатым испарителем. На примере модели SJNII-1000 завод-изготовитель заявляет, что экономия за год работы достигает: 2500 т абсолютно влажного пара, около 70000 т воды и 60000 кВт/час электроэнергии.
| Модель | SJNII-1000 |
| Испарение (кг/ч) | 1000 |
| Расход пара (кг/ч) | ≤500 |
| Расход воды (т/ч) | 12 |
| Давление пара (МПа) | 0,25 |
| Габаритные размеры (мм) | 5000 x 1600 x 3500 |
Представление в обзоре модели теплообменников изготавливаются в Китае. Это надёжные аппараты, не уступающие по качеству аналогами из США, Европы, Южной Кореи и Японии. Каждая установка сертифицирована, поэтому есть разрешение на ввоз в РФ для продажи и промышленной эксплуатации.
Заключение
Вакуумно-выпарные аппараты быстро выполняют процессы дистилляции и концентрирования в фармацевтической, химической, коммунальной, металлургической и пищевой индустриях. Благодаря им удаётся получить высококачественный результат выпаривания за короткое время. Если ваше предприятие производит продукты с использованием технологии массообмена, то обратите внимание на представленные в обзоре модели. Это качественные установки с хорошими характеристиками эффективности и экономичности.
