Referat

Procese unitare si utilaje moderne in industria alimentara

Comparatie intre evaporarea cu simplu efect si evaporarea cu efect multiplu

Evaporarea (concentrarea)

Prin notiunea de evaporare se intelege trecerea unui lichid in stare de vapori. Operatia de

evaporare reprezinta concentrarea unei solutii in substanta uscata prin eliminarea unei parti din

solvent sub forma de vapori, asigurand energia termica necesara realizarii operatiei.

Transformarea unei parti din lichid in vapori se poate face si fara surse exterioare de energie, pe

seama energiei interne a lichidului, acest fenomen numindu-se autoevaporare.

Concentrarea prin evaporare se intalneste in aproape toate subramurile industriei

alimentare, lichidul volativ cel mai des folosit fiind apa.

Evaporarea in sine este o operatie care are la baza transferul de caldura intre un purtator

de caldura si un produs care primeste energia calorica cedata prin transfer. Eliminarea apei din

produsele alimentare asigura o calitate mai mare a conservabilitatii, pe langa reducerea

volumului de depozitare si transport.

Operatia de evaporare aplicata pentru concentrarea solutiilor este influentata de factori ce

provin din doua surse:

Natura solutiei initiale si produsului finit;

Starea solutiei initiale si produsului finit;

Instalatia si conducerea operatiei.

Caracteristicile solutiei, ca: densitatea, vascozitatea, conductivitatea termica, etc. sunt

influentate de concetrarea acesteia in diferiti componenti.

In privinta instalatiei si a conducerii operatiei, trebuie avut in vedere:

Modul de functionare(continuu sau discontinuu)

Tipul si numarul de aparate din instalatie

Presiunea la care se realizeaza operatia

Influenta reciproca dintre materialul din care este realizata instalatia si solutia

supusa concentrarii

Rolul instalatiilor de evaporare cu efect multiplu, cu efect multiplu si prelevari de abur si

a celor de evaporare cu termocompresiune este de a reduce consumul specific de energie

termica obtinuta de la aburul primar si cel de reducere a consumului de apa ca agent de

prelucrarea caldurii la instalatiile de condensare care sunt anexele instalatiilor de evaporare

( Jascanu, 2005)

Un factor important ce influenteaza evaporarea este temperatura de fierbere a lichidelor

pure, care este determinata de natura lichidului si presiunea la care se gaseste. Substantele

2

dizolvate intr-un lichid actioneaza prin micsorarea presiunii de vapori a solutiei si prin marirea

temperaturii de fierbere in comparatie, ca si consecinta, in comparatie cu lichidul pur.

In industria alimentara cele mai multe produse supuse concentrarii contin compusi care se

degradeaza sau se denatureaza la temperaturi mai ridicate. Din aceste motive, s-au realizat

aparate de concentrare in care durata de contact produs-suprafata calda este mai mica. Pentru ca

temperatura sa fie cat mai scazuta, concentrarea se face prin depresiune.

O alta problema intalnita in industria alimentara cu privire la concentrare este faptul ca

exista in componenta unor alimente, anumiti produsi ce caracterizeaza alimentul sub aspectul

gustului si mirosului, cu volatilitate mai mare decat cea a apei, si se elimina odata cu vaporii de

apa in timpul concentrarii. In acest sens, se impune recuperarrea acestor substante volatile,

proces cunoscut sub numele de recuperarea aromei.

Procesul de evaporare se poate imparti in 2 mari categorii, in functie de complexitatea

acestuia, in :

Evaporare simpla/ cu simplu efect

Evaporare cu efect multiplu

Evaporarea cu simplu efect

Cel mai simplu sistem de concentrare prin evaporare este cea cu simplu efect.

Evaporarea cu simplu efect se realizeaza in momentul in care solutia supusa concentrarii

sufera o singura operatie. Ca sa se ajunga la concentratia dorita, se elimina aburul

secundar din sistem in atmosfera. Evaporarea se poate realiza la presiunea atmosferica,

in aparate inchise/deschise, la o presiune mai mare decat presiunea atmosferica sau la o

presiune mai mica decat cea atmosferica(sub depresiune), in aparate inchise, cele din

urma prezentand o imbunatatire a conditiilor igienico-sanitare in industria alimentara.

Evaporarea cu simplu efect se poate realiza continuu sau discontinuu. In cazul

evaporarii discontinue, concentrarea se realizeaza pe sarja, intr-un regim nestationar. In

industria alimentara este folosita din ce in ce mai rar, doar la anumite instalatii din

industria conservelor. In schimb, evaporarea continua se realizeaza in regim stationar,

concentratiile, debitele, temperaturile, presiunea si alti parametrii fiind constanti in timp.

3

Caldura de condensare a aburului primar este sursa de energie termica uzata.

Aceasta trebuie sa aiba o presiune superioara celei la care se realizeaza concentrarea,

fiind necesara diferenta de temperatura pentru realizarea transferului de caldura.

Concentrarea sub depresiune este cea mai uzuala in industria alimentara, doarece

prezinta urmatoarele avantaje:

Temperatura de fierbere mai scazuta reduce energia termica necesara pentru

a aduce produsul la temperatura de fierbere

Pierderile de caldura din mediul inconjurator sunt mai mici, (diferenta de

temperatura dintre mediul exterior si cel interior este mai mica)

Datorita reducerii solicitarilor mercanice, se face o economie la metal

pentru constructia aparatului.

Ca sursa de energie termica uzuala este caldura de condensare a aburului primar

care trebuie sa aiba o presiune superioara celei la care se realizeaza concentrarea, ca pe

aceasta cale sa se realizeze diferenta de temperatura necesara pentru transferul de

caldura ( Jascanu, 2005).

Pentru calculul instalatiei de concentrare cu simplu efect trebuie sa se determine

urmatoarele:

Bilantul de materiale

Prin intermediul bilantului de materiale, in functie de anumiti parametrii

cunoscuti, se pot stabili alte elemente necunoscute. Aburul primar nu sa ia in

considerare la intocmirea bilantului de materiale deoarece nu vine in contact cu

produsul, acesta numai asigurand energia pentru transferul de caldura.

Pentru instalatia de evaporare cu simplu efect de pot scrie doua ecuatii de bilant de

materiale: una, de bilant total si alta, de bilant partial care se refera la un component, dar

nu este posibila utilizarea a mai multor ecuatii de bilant partial.

Si = Sf + W

sui·Sf= suf ·Sf

unde:

Si –produs initial exprimat in cantitate masica/debit masic

Sf –produs finit exprimat in cantitate masica/debit masic

4

W- apa evaporata

sui- continut de substanta uscata initiala

suf- continut de substanta la sfarsitul operatiei de evaporare

Bilantul caloric

Bilantul caloric trebuie sa sa realizeze pentru a se stabili consumul de energie

termica, respectiv consumul de abur primar si se scrie pe intreaga instalatie de

evaporare.

Fig. 1 Instalatia de evaporare cu simplu efect

Formula de calcul pentru bilantul caloric se poate scrie:

Q1 + Q2=Q3+ Q4+ Q5, [W]

Suprafata de transfer de caldura se determiona prin relatia de baza a transferului de

caldura:

A= Qk· Δtm

[m2] ( Jascanu, 2005)

5

Evaporarea cu efect multiplu

Evaporarea cu simplu efect urmareste :

Reducerea consumului de abur primar raportat la toata cantitatea de apa evaporata

Reducerea consumului de apa de racire

Reducerea consumului de apa de racire se face pe baza maririi suprafetei totale de

transfer de caldura

Prin evaporarea cu efect multiplu se realizeaza o economie de abur primar ( 1 kg

abur primar introdus in primul efect evapora aproape 1 kg de apa, devenind abur

secundar, iar proecesul se repeta la fiecare efect adaugat) si o economie de apa de racire

necesara pentru condensarea vaporilor secundari din condensator

In procesul multiplu de evaporare, numai aburul secundar obtinut la ultimul efect va

ajunge in condensator, restul se condenseaza in instalatie. Vaporii rezultati de la un efect

sunt folositi la concentraea urmatoare. In acest fel, se reduce debitul de apa de racire.

La evaporarea cu efect multiplu, solutia este supusa unui numar de la 2 la 5 de

concentrari repetate intr-un grup de evaporatoare aranjate in serie, astfel incat, solutia

pentru concentrare sa treaca de la un corp (efect) la altul, realizandu-se concentrarea

treptat. Presiunea devine din ce in ce mai mica, si solutia fierbe la termperaturi din ce in

ce mai joase, la trecerea dintr-un efect de evaporare la altul (Rasanescu, 1988).

Schema unei instalatii cu efect multiplu este caracterizata in principal de:

1. Numarul de efecte din instalatie. Se pot pune doua efecte ( dublu efect), trei

efecte ( triplu efect), patru, cinci, pana la n efecte

2. Circulatia fluidelor. Exista doua fluide intr-o instalatie de evaporare: agentul

de incalzire, care cedeaza caldura, si solutia supusa concentrarii, care

primeste caldura.

Concentrarea se poare realiza:

In paralel-(este si cea mai uzuala) cand si aburul primar si solutia initiala sunt

introduse in primul efect in care incepe concentrarea, si care apoi se continua

la efectele urmatoare, iar aburul secundar este folosit ca agent termic

In contracurent- cand aburul primar este introdus in efectul in care solutia se

evacueaza la concentratia finala, in timp ce aburul secundar este cel care

6

cedeaza caldura pentru concentrarea initiala; numerotarea efectelor se face in

ordinea descrescatoare a temperaturilor si a presiunilor, in industria

alimentara fiind mai rar intalnite

Circulatia gazelor necondensabile si circulatia condensatului sunt elemente de care,

de asemenea, trebuie tinut cont. Acestea au aceeasi directie de circulatie cu aburul si nu

trebuie sa se acumuleze la suprafata de transfer de caldura.

Bilantul de materiale

Bilantul de materiale se rezolva ca si la instalatia de evaporare cu simplu efect

Si = Sf + W

sui·Sf= suf ·Sf

unde:

Si –produs initial exprimat in cantitate masica/debit masic

Sf –produs finit exprimat in cantitate masica/debit masic

W- apa evaporata

sui- continut de substanta uscata initiala

suf- continut de substanta la sfarsitul operatiei de evaporare

Bilantul caloric

Bilantul caloric al instalatiei de evaporare cu efect multiplu este in stransa legatura

cu schema de circulatie a vaporilor si solutiei in instalatie si cu parametrii impusi pentru

functionare. Fiecarei scheme i se impun unele particularitati.

Pentru instalatia de evaporare cu efect multiplu se poate scrie cate o ecuatie pentru

fiecare efect in parte.

7

Fig. 2 Instalatia de evaporare cu efect multiplu

Ecuatia bilantului caloric pentru primul efect se poate scrie, neglijand pierderile de

caldura, astfel:

S0· c0· t0 + W0· i0´´= S1· c1· t1 + W1·i1´ + W0· i0´

Ecuatia pentru al doilea efect se poate scrie:

S1· c1· t1 + W1· i1´´= S2· c2· t2 + W2·i2´ + W1· i1´( Jascanu, 2005)

Pe acelasi principiu ca pentru primul si al doilea efect se pot scrie bilanturile

calorice si pentru efectul trei, patru, pana la n.

La calculul unei instalatii de evaporare, elementul ce mai important este cel de

definire corecta a parametrilor de lucru calitativ si cantitativ. La instalatiile de evaporare

, efectul de la care se popune prelevarea de abur, poate atrage functionare defectuoasa in

restul instalatiei ( Jascanu, 2005)

8

Concluzii

Atat evaporarea cu simplu efect, cat si cea cu efect multiplu sunt procese

complexe, des intalnite in industria alimentara. Chiar daca ambele folosesc aburul ca

energie, se pot observa cateva diferente remarcabile intre acestea doua.

La evaporarea cu simplu efect, se foloseste ca energie numai aburul primar, aburul

secundar fiind trimis in procesul de condensare, pe cand , la evaporarea cu efect

multiplu, se foloseste inclusiv aburul secundar ca energie. Tocmai din acest motiv, o

alta diferenta remarcabila este faptul ca , in cazul evaporarii cu efect multiplu, se face

economie, fata de cea cu simplu efect, deoarece, la cea din urma, e nevoie de un consum

mai mare de energie termica, si de combustibil. Si cantitatea de apa este mai mare in

cazul evaporarii cu simplu efect, ducand intr-un final la un produs final mai scump,

tocmai din acest motiv, acest proces este din ce in ce mai rar intalnit. De exemplu, la

concentrarea laptelui, daca se foloseste evaporarea cu simplu efect, este nevoie de 1,2

kg de apa evaporata, pe cand la cea cu efect multiplu, cea mai mare cantitate de apa este

de 0,6kg de apa( la sistemul cu dublu efect). Economia creste direct proportional cu

numarul de efecte.

Cu alte cuvinte, folosind un proces de evaporare cu simplu efect, se realizeaza un

produs mai scump, care va influenta negativ situatia financiara a producatorului.

9

Bibliografie

1. Banu C., „Tratat de industrie alimentara-Tehnologii alimentare”, Ed. ASAB, Bucuresti, 2009

2. Jascanu V., Capăţână C., Văduva M., „Operaţii şi utilaje în industria alimentară – Transferul de

căldură”, Ed. Alma Mater,Sibiu, 2005;

3. Rasanescu I., Otel I., „Lexicon-indrumar pentru industria alimentara: Tehnologii, operatii,

procese si produse, vol. 1, Ed Tehnica, Bucuresti, 1987;

4. Rasanescu I., conf. Dr. Otel I., „Lexicon-indrumar pentru industria alimentara: Tehnologii,

operatii, procese si produse, vol. 2, Ed Tehnica, Bucuresti, 1988

10