Молочная промышленность

Выпаривание молока

Выпаривание — концентрирование молока от жидкости, близкой по вязкости к воде, до сгущенного продукта.

Процесс выпаривания молока известен давно: еще в 1200 г. Марко Поло описывал производство пастообразного молочного концентрата в Монголии. Следующее упоминание концентрированного молока встречается в литературе только через 600 лет, но после этого технология быстро развивалась и на нее получено множество патентов.

Простейший выпарной аппарат представляет собой обычный открытый котел, нагреваемый паром или напрямую газом. Испарение происходит с поверхности, а выпариваемая жидкость нагревается до температуры кипения, соответствующей атмосферному давлению. На уровне моря она равна 100°С, а на высоте около 5000м над уровнем моря – 85°С.

Поскольку испарение происходит с поверхности, площадь которой мала относительно объема котла, выпаривание требует длительного времени. Молоко подвергается воздействию высокой температуры, что ведет к повреждению белка, химическим реакциям, таким как реакция Мейларда или даже к коагуляции.

Развитие технологии концентрирования привело к созданию выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией. В этих аппаратах молоко течет вверх по многочисленным трубам-проводность нагрева стала больше, но поверхность испарения все еще ограничена, так как трубы и каналы между пластинами по-прежнему наполнены продуктом, который поэтому перегревается относительно температуры кипения. Только в верхней части труб образуется соковый пар и температура продукта снижается. Для разделения жидкости и пара желательно использовать центробежные сепараторы. В таких системах для требуемого сгущения необходима циркуляция продукта. Поэтому концентрация регулируется изменением количества упаренного раствора, выгружаемого из установки.

На рисунке 1 показана схема выпарного аппарата с принудительной циркуляцией.

Рисунок 1 - Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией
Рисунок 1 — Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией

Выпарные аппараты с падающей пленкой

Более 40 лет назад выпарные аппараты с падающей пленкой практически вытеснили применявшиеся до того аппараты с принудительной циркуляцией. Этот тип аппаратов обеспечивает лучшее качество продукта, поскольку здесь сокращено время выдержки. Кроме того, количество продукта в аппарате уменьшилось, а поверхность испарения увеличилась. На рисунке 2 показана схема выпарного аппарата с падающей пленкой.

Выпариваемая жидкость равномерно распределяется по внутренней поверхности трубы (см. рисунок 2). Жидкость стекает, образуя тонкую пленку, в которой происходит кипение и испарение под действием теплоты греющего пара. (см. рисунок  3). Конденсат греющего пара стекает вниз по внешней поверхности трубы. В аппарате имеется много параллельно установленных труб. На обоих концах трубы заделаны в трубные решетки, а весь пучок труб заключен в кожух, см. рисунок 3а. Пар подается внутрь кожуха. Поэтому пространство между трубами образует секцию нагрева. Внутренняя поверхность труб называется секцией кипения. Вместе они образуют так называемую выпарную колонну. Сгущенный продукт и вторичный пар выходят из нагревательной секции снизу, и большая часть продукта выгружается из аппарата. Остаток продукта и вторичный пар тангенциально подаются в сепаратор. Отделенный сгущенный продукт выгружается (обычно тем же насосом, что и основная часть продукта из нагревательной камеры), а пар отводится из верхней части сепаратора. Греющий пар конденсируется на внешней поверхности труб, и конденсат собирается в нижней части секции нагрева, откуда отводится насосом.

Рисунок 2 - Рециркуляционный выпарной аппарат с падающей пленкой
Рисунок 2 — Рециркуляционный выпарной аппарат с падающей пленкой
Рисунок 3 - Испарение в трубе выпарного аппарата с падающей пленкой
Рисунок 3 — Испарение в трубе выпарного аппарата с падающей пленкой
Рисунок 3,а - Нагревательная камера выпарного аппарата
Рисунок 3,а — Нагревательная камера выпарного аппарата

Чтобы разобраться в процессах тепло- и массообмена, составляющих основу выпаривания, нужно определить некоторые удельные величины.

Из данного количества исходного продукта (А) испаряется часть растворителя (В), в результате остается концентрат или сгущенный продукт (С). Таким образом: А=В+С

На рисунке 4,  представлена  удельная величина и соответствующая схема тепловых потоков.

Рисунок 4 - Одноступенчатый выпарной аппарат. Определение различных удельных величин и соответствующая схема тепловых потоков
Рисунок 4 — Одноступенчатый выпарной аппарат. Определение различных удельных величин и соответствующая схема тепловых потоков

Коэффициент концентрирования (е) является мерой интенсивности выпаривания и может быть определен как отношение исходного и сгущенного продуктов или отношение сухого вещества в сгущенном и исходном продуктах.

формула Коэффициента концентрирования

Если концентрации или коэффициент концентрирования известны, то по одной из величин А, В или С можно рассчитать остальные.

Выпаривание молока

Поскольку молоко содержит белки, оно является термолабильным продуктом, и выпаривание (т.е. кипячение) при 100 °С приведет к такой степени денатурирования этих белков, что конечный продукт можно считать непригодным к употреблению. Поэтому секция кипения работает под вакуумом, т.е. кипение и испарение происходят при более низкой температуре, чем та, которая соответствует нормальному атмосферному давлению. Разрежение создается вакуумным насосом перед пуском выпарного аппарата и поддерживается за счет конденсации вторичного пара охлаждающей водой. При этом вакуумный насос или аналогичное устройство используется для удаления содержащихся в молоке неконденсирующихся газов.

При 100°С энтальпия выпаривания воды составляет 539 ккал/кг, а при 60 °С – 564 ккал/кг.

Поскольку молоко требуется нагреть от температуры, например, с 6°С до точки кипения, а на поддержание вакуума, соответствующего температуре кипения 60°С, требуется около 20ккал/кг, получаем, если принять что тепловые потери составляют 2%, следующую оценку потребности в энергии:

Выпаривание молока

Что соответствует приблизительно 1,1 кг греющего пара на кг испаренной воды.

Для упрощения следующих примеров примем расход 1 кг греющего пара на кг испаренной воды.

Поскольку почти вся затраченная энергия заключена во вторичном паре, образовавшемся при испарении молока (см. рисунок 4), очевидно, что ее можно использовать для дополнительного испарения воды за счет конденсации вторичного пара. Это достигается включением в выпарной аппарат еще одной нагревательной камеры. Эта вторая нагревательная камера – второй корпус аппарата, где температура кипения ниже, действует как конденсатор для вторичного пара из первого корпуса, и энергия этого пара используется при его конденсации.

Чтобы обеспечить во втором корпусе разность температур между продуктом и поступающим из первого корпуса вторичным паром, секция кипения второго корпуса должна работать при более высоком вакууме, соответствующем более низкой температуре кипения.

Выпаривание молока

Конечно, можно добавить третий корпус, обогреваемый паром из второго, и т.д. Их число ограничено максимально достижимым разрежением, которое определяется количеством и температурой воды (обычно 20-30 °С), используемой для конденсации вторичного пара в последнем корпусе. Применение ледяной воды или непосредственного охлаждения фреоном для снижения температуры кипения в последнем корпусе, конечно, теоретически возможно, но другие факторы, такие как вязкость продукта, объем пара и кристаллизация лактозы определяют целесообразный предел – около 45°С.

Из рисунка 5 видно, что 1 кг пара позволяет выпарить 2 кг, а при использовании трех корпусов – 3 кг воды.

Рисунок 5 - Принцип двухступенчатого выпаривания воды
Рисунок 5 — Принцип двухступенчатого выпаривания воды

Термокомпрессия

Другой способ экономии энергии состоит в применении термокомпрессора, т.е. увеличении температуры и давления вторичного пара в эжекторе с помощью греющего пара более высокого давления. Эжекторы работают при очень высоких скоростях потока и не имеют движущихся деталей. Они отличаются простотой конструкции, компактностью и низкой стоимостью.

На рисунке 6 показан принцип работы эжектора.

Рисунок 6 - Пароструйный компрессор
Рисунок 6 — Пароструйный компрессор

Острый пар проходит через сопло, где давление входящего пара преобразуется в скорость. В результате образуется струя, которая подсасывает часть вторичного пара из сепаратора выпарного аппарата. В диффузоре (2) образуется смесь острого и вторичного пара, имеющая первоначально высокую скорость, причем по мере снижения скорости давление (и температура) смеси возрастает. Эту смесь можно использовать в качестве греющего пара для выпарного аппарата. На рисунке 7 представлена технологическая схема двухкорпусного выпарного аппарата с термокомпремссором, а на рисунке 8 – соответствующая схема тепловых потоков.

Рисунок 7 - Двухкорпусной выпарной аппарат с пароструйным компрессором
Рисунок 7 — Двухкорпусной выпарной аппарат с пароструйным компрессором
Рисунок 8 - Схема тепловых потоков. Двухкорпусной выпарной аппарат с пароструйным с пароструйным компрессором
Рисунок 8 — Схема тепловых потоков. Двухкорпусной выпарной аппарат с пароструйным с пароструйным компрессором

Максимальная эффективность термокомпрессора, т.е. наибольшая скорость всасывания и, следовательно, высокая экономичность, достигается при низкой разности температур (давлений) между секциями нагрева и кипения.

Термокомпрессор необходимо приспосабливать к рабочим условиям. А эти условия могут меняться, например, тепловое сопротивление греющей поверхности увеличивается в процессе работы в результате отложений на греющих трубах. Это ведет к значительному снижению скорости всасывания. В выпарных аппаратах, которые должны работать с переменной производительностью, используется несколько эжекторов разной мощности. Кроме того, эжектор, рассчитанный на высокое давление острого пара, откачивает больше вторичного пара из сепаратора, чем эжектор, рассчитанный на меньшее давление. Для простоты примем в следующем примере, что эффективность эжектора равна 1:2, хотя современные эжекторы могут при определенных условиях работать с эффективностью 1:3.

Использование термокомпрессора в двухкорпусном выпарном аппарате позволяет испарить за счет 1 кг острого пара 4 кг воды, т.е. сэкономить столько же пара, как при добавлении двух корпусов в многокорпусной аппарат. Распределение общей разности температур Δt, существующей между первым и последним корпусами, по всем корпусам многокорпусного аппарата требует огромной поверхности нагрева и, соответственно, удорожает установку.

Общую поверхность нагрева можно сократить, увеличив Δt за счет более высокой температуры в секции нагрева первого корпуса, что увеличит температуру кипения. Но это приведет к загрязнению поверхности (образование микрослоя отложений, главным образом, молочных белков, на трубах снижает коэффициент К), особенно если молоко имеет высокую кислотность. Кроме того, при высокой температуре откладываются кристаллы фосфата кальция.

Обычно температура кипения в первом корпусе не превышает 66-68 °С (в зависимости от продукта и качества молока), если общая продолжительность обработки составляет 20ч.

Поверхность одного корпуса выпарного аппарата рассчитывается по следующей формуле:

Поверхность одного корпуса выпарного аппарата рассчитывается по следующей формуле

где: S — поверхность нагрева, м2; B — производительность по выпаренной воде, кг/ч; h” — удельная теплопроводность, ккал/кг; K — коэффициент теплопередачи ккал хм-2 х ч-1 х °С-1; Δt- разность температур или движущая сила, °С (между греющей средой и кипящей жидкостью)

Важнейший фактор для конструирования выпарного аппарата – это коэффициент К, который определяется свойствами продукта и используемым уровнем температуры. Он зависит от:

  • температуры выпаривания
  • удельной теплоемкости
  • плотности
  • давления кипения
  • температурной депрессии
  • теплопроводности
  • вязкости
  • поверхностного натяжения

Другие факторы, влияющие на конструкцию:

  • термолабильность продукта
  • химические свойства продукта

Поэтому коэффициент К меняется от продукта к продукту, особенно в силу температурной депрессии, т.е. зависимости температуры кипения от концентрации молекул, а следовательно, от состава продукта и содержания сухого вещества. При 9 % сухого вещества, как в обезжиренном молоке, температурная депрессия меньше 1°С, а при 48-50 % с.в. она
достигает нескольких градусов. Только обширные лабораторные исследования позволяют сделать заключение об этом коэффициенте.

Производительность (С) выпарного аппарата равна:  C = K· S · Δt

Таким образом, производительность выпарного аппарата можно повысить, увеличив поверхность или температуру кипения в первом корпусе. Как уже отмечалось, не рекомендуется использовать температуру выше 66-68 °С.

Общая Δt (обычно это 66 °С – 45 °С = 21 °С) распределяется между всеми корпусами. Это означает, что если в трехкорпусном выпарном аппарате на каждый корпус приходится большая Δt при относительно малой поверхности и небольших капитальных затратах, то с увеличением числа корпусов вместе со снижением расхода пара уменьшается доступная в каждом корпусе Δt. Это требует увеличения греющей поверхности, поэтому капитальная стоимость установки растет.

Термокомпрессор устанавливается между первым и вторым корпусом (моно-термокомпрессия), первым и третьим корпусом (би-термокомпрессия) или первым и четвертым корпусом (три-термокомпрессия). Он значительно влияет на экономию пара и капитальную стоимость. В 7-корпусном выпарном аппарате с моно-термокомпрессией (см. рисунок 9) можно испарить 9 кг воды за счет 1 кг пара. В случае три-термокомпрессии термокомпрессор располагается между первым и четвертым корпусами (см. рисунок 10). Здесь можно испарить 13 кг воды за счет 1 кг пара, поскольку весь вторичный пар из первого корпуса используется для нагрева второго корпуса, вторичный пар из второго корпуса – для нагрева третьего корпуса, а часть вторичного пара из третьего корпуса сжимается в термокомпрессоре.

Рисунок 9 - Моно-термокомпрессия. Корпусной выпарной аппарат с термокомпресором
Рисунок 9 — Моно-термокомпрессия. Корпусной выпарной аппарат с термокомпресором
Рисунок 10 - Поли-термокомпрессия. Корпусной выпарной аппарат с термокомпресором.
Рисунок 10 — Поли-термокомпрессия. Корпусной выпарной аппарат с термокомпресором.

Если термокомпрессор поднимает температуру пара на 9°С, то для каждого из корпусов выпарного аппарата с три-термокомпрессией Δt равно 3°С. Для того чтобы обеспечить испарение 9 кг воды в первых трех корпусах требуется увеличенная поверхность по сравнению, например, с моно-термокомпрессией.

Однако многокорпусные установки имеют один большой недостаток – длительная тепловая обработка продукта.И хотя это происходит при невысокой температуре, она отрицательно сказывается на вязкости сгущенного продукта. 

Механическая компрессия пара

Механический компрессор с механическим сжатием вторичного пара в последние пятнадцать лет широко применяется в молочной промышленности в качестве альтернативы термокомпрессору. Компрессоры обычно работают от электрических двигателей, но могут применяться и дизельные. Если для других процессов требуется пар низкого давления, приводом компрессора может служить паровая турбина, которая действует как редукционный клапан. Выбор определяется местной ценовой политикой в отношении энергии.

Согласно эмпирическому правилу, Механический компрессор рентабелен, если цена/кВт цена/кг пара · 3. Однако выбор типа компрессора в наши дни определяется качеством готового продукта – сухого молока, а выпарные аппараты с механическим компрессором отличаются очень коротким временем обработки, что обеспечивает низкую вязкость сгущенного продукта.

Механический компрессор использует быстроходный (3000 об/мин) вентилятор высокого давления, способный работать под вакуумом. При низкой температуре кипения объем вторичного пара очень велик. Это определяет нижнюю границу практически применимых температур. Поскольку потребляемая компрессором мощность наиболее эффективно используется при низком отношении давлений, увеличение температуры давления в компрессоре ограничено. Следовательно, требуется большая поверхность теплообмена, что ведет к увеличению капитальной стоимости оборудования.

И поскольку для работы механического компрессора важно, чтобы общая разность температур между вторичным паром и сжатой компрессором греющей средой была низкой, необходимо свести к минимуму температурную депрессию продукта, так как она еще больше снижает доступную для выпаривания разность температур. Это тоже ограничивает максимальную концентрацию, достижимую в выпарных аппаратах этого типа.

На рисунке 11 показан однокорпусной выпарной аппарат с механическим компрессором, а на рисунке 12 – соответствующая схема тепловых потоков.

Рисунок 11 - Одноступенчатый выпарной аппарат с полным тепловым насосом
Рисунок 11 — Одноступенчатый выпарной аппарат с полным тепловым насосом
Рисунок 12 - Схема теплового потока в выпарном аппарате с полным тепловым
Рисунок 12 — Схема теплового потока в выпарном аппарате с полным тепловым

Поступающее холодное молоко, прежде всего, подогревается сгущенным продуктом, затем конденсатом из секции нагрева нагревательной камеры и, наконец, острым паром при пастеризации. Вторичный пар сжимается в компрессоре и используется в качестве греющей среды, отдавая скрытую теплоту конденсации.

Вакуумный насос и небольшое количество холодной воды обеспечивают требуемое разрежение в системе.

Как видно, установка не теряет энергии с теплым конденсатом, и только малую часть с охлаждающей водой (в зависимости от требуемой температуры пастеризации). В этой связи выпарные аппараты с полным тепловым насосом часто применяют для подготовки молочных продуктов к транспортировке. В таких случаях уровень сухого вещества поднимают до 30-35 %, т.е. температурная депрессия невелика. Такой тип установок, из которых сгущенный продукт выходит при низкой температуре, составляет сильную конкуренцию установкам гиперфильтрации.

Рабочий цикл компрессорной машины показан на рисунке 13. Пар всасывается из сепаратора, точка А, при уровне температуры и давления ta и Pa и сжимается до точки B’ (t’r и Pr). Перегретый сжатый пар охлаждается впрыскиваемой водой на выходе компрессора до точки В (tr). Сжатый пар конденсируется (участок точка В – точка С) на теплообменной поверхности нагревательной камеры и отводится в виде конденсата. Одновременно из молока испаряется вода, пар отделяется в сепараторе и всасывается в компрессор – точка А.

Рисунок 13 - Рабочий цикл компрессорной машины
Рисунок 13 — Рабочий цикл компрессорной машины

Регулировка производительности и останов выпарного аппарата с механическим компрессором не представляют проблемы – для этого достаточно изменить частоту вращения вентилятора.

Если содержание сухого вещества требуется поднять до уровня, необходимого для распылительной сушки, то в выпарном аппарате обычно используют и тепловое, и механическое сжатие пара, см. рисунок 14. Расход пара на кг испаренной воды здесь, конечно, меньше, чем в многокорпусной установке, но расход электроэнергии, если компрессор работает от электродвигателя, – больше. Такая комбинированная установка требует очень небольшого количества холодной воды и расходует минимум энергии, но ее капитальная стоимость выше.

Рисунок 14 - Выпарной аппарат с частичным и полным тепловым насосом
Рисунок 14 — Выпарной аппарат с частичным и полным тепловым насосом

При определенном соотношении цен на энергоносители выгодно использовать дополнительный механический компрессор взамен струйного для сжатия пара в последнем корпусе, см. рисунок  15. Поэтому проектирование каждой установки требует тщательного учета местных условий, таких как цены на пар, электричество и холодную воду.

Рисунок 15 - Выпарной аппарат с двумя полными тепловыми насосами
Рисунок 15 — Выпарной аппарат с двумя полными тепловыми насосами
Рисунок 16 - 6 вентиляторов высокого давления для двух выпарных аппаратов с полным тепловым насосом
Рисунок 16 — 6 вентиляторов высокого давления для двух выпарных аппаратов с полным тепловым насосом
Рисунок 17 - Нагревательные камеры выпарного аппарата с внешними подогревателем
Рисунок 17 — Нагревательные камеры выпарного аппарата с внешними подогревателем
Таблица 1 - Сравнение расхода энергии в разных выпарных аппаратах
Таблица 1 — Сравнение расхода энергии в разных выпарных аппаратах

Конструкция промышленных выпарных аппаратов

Повышенный спрос на большие многокорпусные аппараты, в которых хорошая удельная производительность достигается только при увеличении греющей поверхности, можно было бы удовлетворить, используя аппараты с большим числом труб. Однако это значит, что на каждую трубу приходилось бы меньше жидкости, и пленка стала бы слишком тонкой. При высоком содержании сухого вещества возрастает вязкость, пленка теряет текучесть и возникает опасность пригорания отложений. В результате в сгущенном продукте образуются студенистые комочки, часто обесцвеченные, которые в сухом молоке превратятся в нерастворимые в воде пригорелые частицы. В особо тяжелых случаях трубы полностью засоряются и требуют ручной чистки.

Поэтому конструктор должен учитывать так называемый коэффициент покрытия:

коэффициент покрытия

Так что существует тенденция к производству выпарных установок с более длинными трубами, что увеличивает греющую поверхность без изменения коэффициента покрытия. Около тридцати лет назад выпускались аппараты с трубами 3-4м длины, работавшие при разности температур около 15°С, выпарные аппараты десятилетней давности имели трубы длиной до 14м, а разность температур опустилась до 2°С. У современных выпарных аппаратов длина труб достигает 18м. Преимущество состоит в уменьшении числа проходов продукта, обеспечивающих необходимый коэффициент покрытия, количества насосов и времени обработки.

От современных выпарных аппаратов требуется также функциональная гибкость, т.е. возможность работы с разными продуктами и, значит, с разной производительностью. Проблема в том, что содержание сухого вещества в концентрируемых продуктах меняется, т.е. распылительная сушилка обрабатывает разные продукты с разной производительностью.

Кроме того, производительность выпарного аппарата по испаренной влаге меняется из-за того, что продукты отличаются по значению коэффициента К.

Поэтому при проектировании установки для выпаривания и распылительной сушки всегда выбирается основной продукт, и нагревательная камера выпарного аппарата проектируется так, чтобы обеспечить оптимальный коэффициент покрытия для него, а по возможности и для других продуктов.

Поскольку у цельного молока коэффициент К приблизительно на 20 % ниже, чем у обезжиренного, производительность по выпаренной воде для цельного молока будет примерно на 20 % ниже. А в связи с разницей в содержании сухого вещества в цельном и обезжиренном молоке расход сырья при выпаривании цельного молока должен быть ниже. Это требует особо тщательного проектирования нагревательных камер, так как из-за сниженного расхода сырья коэффициент покрытия оказывается недостаточным, особенно в первом корпусе. Если же выпарной аппарат рассчитан на цельное молоко в качестве основного продукта, то при выпаривании обезжиренного молока создается проблема покрытия в последнем корпусе, так как из-за низкого содержания сухого вещества в сырье слишком мал выход концентрата, содержащего 48 % с.в. Эта проблема покрытия была несколько лет назад преодолена возвратом части продукта с выхода нагревательной камеры на ее вход. Это позволило увеличить количество жидкости, так чтобы все трубы были покрыты. см. рисунок 18

Рисунок 18 - Рециркуляционный выпарной аппарат с падающей пленкой
Рисунок 18 — Рециркуляционный выпарной аппарат с падающей пленкой

С технической точки зрения это идеальное решение – простое и дешевое, но оно неприемлемо с точки зрения качества продукта, так как часть продукта неопределенно долго подвергается действию высокой температуры. Это означает повышенную вязкость упаренного продукта и, возможно, денатурацию белка, и то, и другое приводит к снижению растворимости сухого молока.

В современных “однопроходных” выпарных аппаратах с падающей пленкой эта проблема решается использованием в корпусах с низким коэффициентом покрытия двух или большего числа нагревательных камер, имеющих одинаковую температуру кипения и, часто, общий сепаратор.

Другой способ состоит в разделении нагревательной камеры на две или большее число секций в “многопоточном” выпарном аппарате. Продукт закачивается в одну из секций, с ее выхода – на вход следующей и т.д. После выхода из последней секции продукт перекачивается в следующий корпус, см. рисунок 19. Это почти такая же дешевая система, как с рециркуляцией, но разделение нагревательной камеры устраняет необходимость в циркуляции продукта.

Рисунок 19 - Разделенная на две секции нагревательная камера
Рисунок 19 — Разделенная на две секции нагревательная камера

Вспомогательное оборудование выпарных аппаратов

Для того чтобы выпарной аппарат мог полноценно работать, необходимо следующее дополнительное оборудование:

  • сепараторы
  • система распределения продукта
  • подогреватели
  • оборудование для пастеризации и выдержки
  • оборудование для устранения термофильных бактерий
  • оборудование для конденсации и вакуумирования
  • градирни
  • концентраторы
  • пневматические охладители
  • оборудование для водяного уплотнения
  • КИПиА