Подавление пены при выпаривании жидкого сельскохозяйственного сырья в вакууме

А. А. Емельянов, К.А. Емельянов
Орловский государственный технический университет

Малогабаритная установка для концентрирования и сушки жидкого сельскохозяйственного сырья в вакууме, применимая к условиям малых предприятий и фермерских хозяйств, представлена в [1]. Установка использовалась при получении сухих плодово-ягодных соков в виде паст, гранул и порошков [2]. Однако выпаривание натуральных соков в вакууме сопровождается образованием пены, существенно замедляющим переход от прогрева жидкости к кипению, испарению и конденсации влаги, вплоть до остановки процесса выпаривания.

С целью ускорения прогрева жидкого сельскохозяйственного сырья в вакууме и создания условий для выпаривания, исследовались методы подавления пенообразования.

Массоперенос в вакуумной выпарной установке, представляющей собой замкнутую неравновесную термодинамическую систему, обеспечивается наличием горячего и холодного источников тепла при непрерывной работе форвакуумного насоса. Мощность нагрева, подведенная к испарителю, определяет время достижения выпариваемой жидкостью критической температуры  , при которой достигается режим кипения. Температуре   соответствует критическое давление  . В динамической вакуумной системе давление в испарителе обеспечивается равновесием скоростей откачки и испарения. Скорость откачки задается производительностью насоса, скорость испарения – мощностью нагрева. В зависимости от соотношения скоростей откачки и испарения изменяются продолжительность прогрева и величины критических давления   и температуры  . Переход к кипению жидкого сельскохозяйственного сырья в вакууме сопровождается пенообразованием. Пенообразование возникает при подводе энергии и существенным образом зависит от давления   и температуры  , поэтому в основе его подавления должны лежать методы регулирования температуры и давления в испарителе в отсутствии подвода тепла.

Эксперименты выполнены на вакуумной установке, блок-схема которой приведена на рис. 1.

Установка включает испаритель 1, соединенный паропроводом 2 с горизонтальным кожухотрубчатым конденсатором 3. Горизонтальный конденсатор, предназначенный для конденсации пара, подсоединен трубопроводом 4 к вертикальному конденсатору 5. Вертикальный конденсатор осуществляет охлаждение конденсата и соединен через вентиль 6 со сборником конденсата 7. При больших скоростях выпаривания вертикальный конденсатор охлаждает смесь пара и конденсата и повышает эффективность работы устройства. В конденсаторах использовано водяное охлаждение. Сборник конденсата подсоединен через ловушку жидкой фазы 8 и вентиль 9 к форвакуумному насосу 10, обеспечивающему разрежение до 6 Па в системе. Ловушка, с одной стороны, защищает насос от проникновения жидкой фазы, а с другой, – сборник конденсата от аварийного попадания рабочей жидкости насоса. На внутренней поверхности крышки испарителя смонтирован брызгоуловитель 11. Брызгоуловитель, разделяя паровую и жидкую фазы, защищает конденсат от брызг кипящего продукта и обеспечивает его чистоту и прозрачность. На крышке испарителя соосно брызгоуловителю смонтирован дефлегматор 12, подключаемый с помощью вентилей 13, 14 к системе охлаждения конденсатора. При сушке в испаритель загружают рабочие тела 15 в виде шаров из нержавеющей стали. Теплоподвод в установке осуществлен с помощью трубчатых электронагревателей 16. Испаритель помещен в ячейку 17 с двумя осями вращения. Привод 18 обеспечивает колебательное вращение ячейки на пол-оборота относительно оси симметрии и осуществляет перемешивание продукта при ее горизонтальном расположении. Положение оси симметрии ячейки изменяется с помощью рукоятки 19. Терморегулятор 20 поддерживает заданную температуру рабочей жидкости в рубашке испарителя.

Для подавления пенообразования, сопровождающего вакуумное выпаривание жидких сельскохозяйственных продуктов, применялось регулирование давления в испарителе путем его отсечки и последующего подсоединения к вакуумной системе при отключенном нагреве [3]. Отсекая испаритель, повышали в нем давление и подавляли пенообразование. После снижения уровня пены и ликвидации угрозы  попадания выпариваемого продукта в паропровод давление в испарителе снижали до первоначальной величины, плавно подключая его к вакуумной системе. В случае повторного пенообразования операцию регулирования давления в испарителе повторяли. После подавления пены выпариваемая жидкость переходила в стадию объемного кипения. Кипение, сопровождавшееся испарением влаги, конденсацией паров и поступлением конденсата в сборник, в течение нескольких минут выходило в установившийся режим. В установившемся режиме регулированием мощности нагрева достигали заданной температуры кипения и производительности по выпаренной влаге.

Согласно данному методу осуществлено подавление пены при выпаривании 8 л сока черной смородины. С помощью форвакуумного насоса в системе создано разрежение  Па. Начальная температура продукта составила  ○С, через 8 мин после включения нагрева мощностью  кВт температура в испарителе увеличилась до 24 ○С и началось образование пены, угрожавшей попаданием продукта в сборник конденсата. Повышение давления в испарителе путем перекрытия трубопровода, соединяющего испаритель с вакуумной системой, привело к понижению уровня пены. После опускания пены плавное уменьшение давления в испарителе до первоначального значения обеспечило объемное кипение продукта. Кипение сопровождалось испарением и конденсацией влаги и протекало без пенообразования. В установившемся режиме выпаривания температура в испарителе и скорость испарения, оцененная по изменению влажности wc, отнесенной к сухой массе, составили, соответственно, 30 ○С и   ч-1.

Пенообразование можно подавлять, регулируя не только давление, но и температуру на выходе испарителя. Было предложено при возникновении пленочного кипения понижать температуру в верхней части испарителя до 16–22 ○С, а после подавления пены повышать ее до начального значения. В случае повторного пенообразования регулирование температуры осуществлялось до выхода процесса выпаривания в установившийся режим [4].

Для регулирования температуры на внутренней поверхности крышки испарителя смонтирован дефлегматор [5], подключаемый к системе охлаждения конденсаторов для создания локальной области пониженной температуры в верхней части испарителя. Температура на выходе конденсатора, составлявшая 16–22 ○С, оказалась достаточной для эффективной работы дефлегматора. Создание зоны пониженной температуры на выходе испарителя обеспечивает конденсацию влаги в верхних слоях пленки, уменьшает размеры пузырей и сокращает пенообразование.

Эксперименты выполнены на 7 л животной крови. С помощью форвакуумного насоса разрежение в системе поддерживалось на уровне ~   10 Па. Нагрев крови сопровождался обильным пенообразованием. При приближении пены к крышке испарителя рабочая жидкость из системы охлаждения конденсаторов температурой 18 ○С с помощью вентилей 13, 14 подавалась в дефлегматор. Создание зоны пониженной температуры в верхней части испарителя приводило к конденсации влаги в поднимающейся пене и сопровождалось ее подавлением. В результате трехкратного подключения и отключения дефлегматора процесс выпаривания был выведен в стационарный режим.

    Обильное пенообразование возникает при вакуумном выпаривании охлажденного или замороженного сырья. С целью подавления пены было предложено предварительно прогревать сырье при атмосферном давлении до температуры, превышающей температуру кипения в установившемся режиме вакуумного выпаривания [6]. В результате создания разрежения сырье переходит в перегретое состояние и равномерно закипает по всему объему, обеспечивая пузырчатый характер кипения и исключая пенообразование.

    Испытания проведены на 13 л сока клубники. Сок был предварительно прогрет в испарителе при атмосферном давлении до температуры 45 ○С. После прогрева в системе создано разрежение 10 Па. В результате снижения давления от атмосферного до 10 Па сок перешел в режим объемного кипения при температуре 32 ○С в отсутствии пенообразования. В экспериментах также использовано 7 л клубничного сока, предварительно замороженного до температуры минус 20 ○С. Оттаявший сок вместе со льдом был загружен в испаритель, после чего в системе создано разрежение 10 Па и осуществлен нагрев сырья. После 30 минут нагрева при медленном увеличении температуры возникло обильное пенообразование, закончившееся выбросом пены и сока в сборник конденсата.

Одновременный нагрев сырья в испарителе при атмосферном давлении с перемешиванием до температуры 50 ○С и создание разрежения в сборнике конденсата с последующим подключением испарителя к вакуумной системе обеспечивают более быстрый переход от прогрева к установившемуся режиму выпаривания.

Таким образом, предложены методы подавления пены, возникающей на заключительной стадии прогрева жидкого сельскохозяйственного сырья при переходе к устойчивому режиму выпаривания в вакууме. Методы основаны на регулировании давления и температуры в испарителе.

ЛИТЕРАТУРА
1.    Емельянов А.А., Золотарев А.Г., Емельянов К.А. Малогабаритная установка для концентрирования и сушки пищевых продуктов в вакууме // Пищевая промышленность, 2007. № 12. C. 52.
2.    Емельянов А.А. Сухие натуральные соки: пасты, гранулы, порошки // Пиво и напитки, 2008. № 2. С. 36 – 39.
3.    Долженков В.В., Емельянов А.А., Емельянов К.А., Золотарев А.Г. Патент РФ 2327356 // 2008. БИ. № 18.
4.    Емельянов А.А., Емельянов К.А., Долженков В.В., Золотарев А.Г. Патент РФ 2338977 РФ // 2008. БИ. № 32.
5.    Емельянов А.А., Емельянов К.А., Долженков В.В., Золотарев А.Г. Патент РФ 2338979 // 2008. БИ. № 32.
6.    Емельянов А.А., Емельянов К.А., Долженков В.В., Золотарев А.Г. Положительное решение по заявке № 2007126447/06.

Статья опубликована в журнале "Пищевая промышленность"