تبخیرکننده ها


تبخیر کننده ها Evaporators

تبخیر
عملیات تبخیر عبارت است از خارج کردن بخشی از آب مواد غذایی مایع به وسیله عمل جوشانیدن . در این روش ، جداسازی براساس اختلاف نقطه جوش مابین حلال و ماده حل شونده صورت می گیرد . از آنجایی که این فرایند یکی از روشهای فراوری و نگهداری برخی از مواد غذایی است ، و همچنین یکی از فرآیند های انرژی بر محسوب می شود بنابراین ضروری است از دیدگاه مصرف اقتصادی انرژی و همچنین کارایی فرآیند و حفظ کیفیت محصول مورد ارزیابی قرار گیرد .

اهداف تبخیر
کاهش حجم مواد غذایی قبل از عملیات خشک کردن ، انجماد و یا استریلیزاسیون و در نتیجه کاهش مصرف انرژی ، هزینه های حمل ونقل وانبارداری .
بالا بردن میزان مواد جامد مواد غذایی و نگهداری آنها به واسطه کاهش فعالیت آبی (aw )
ایجاد رفاه بیشتر برای مصرف کننده یا تولید کنندگان .
تغییر طعم یا رنگ مواد غذایی

انتخاب تبخیرکننده ها
در انتخاب تبخیر کننده ها همواره دو سوال زیر مطرح است :
آیا تبخیر کننده برای ماموریت مورد نظر بهترین انتخاب است ؟
آیا آرایش تجهیزات طوری هست که مصرف انرژی بهینه باشد ؟

طبقه بندی تبخیر کننده ها
اواپراتورها از دیدگاههای مختلف طبقه بندی می شوند :
1 – از دیدگاه مصرف اقتصادی بخار
2 – از دیدگاه دمای مورد استفاده در هنگام تبخیر
3- از دیدگاه شکل سطح انتقال حرارت

طبقه بندی تبخیر کننده ها از دیدگاه مصرف اقتصادی بخار
– تبخیر کننده های یک مرحله ای یا یک بدنه ای Single effect evaporators

طبقه بندی تبخیر کننده ها از دیدگاه مصرف اقتصادی بخار
– تبخیر کننده های چند مرحله ای یا چند بدنه ای (multiple – effect evaporators ) :

طبقه بندی تبخیر کننده ها از دیدگاه دمای مورد استفاده در تبخیر
اواپراتورهایی که در دمای پایین عمل تبخیر را انجام می دهند.
اواپراتورهایی که در دمای متوسط عمل تبخیر را انجام می دهند .
اواپراتورهایی که در دمای بالا عمل تبخیر را انجام می دهند .

طبقه بندی تبخیر کننده ها از دیدگاه شکل سطح انتقال حرارت
اواپراتورهای تاوه ای غیر مداوم Batch pan evaporators
اواپراتورهای لوله ای با چرخش طبیعی Tublar evaporators with natural circulation
اواپراتورهای دارای لوله کوتاه Evaporators with short tube
اواپراتورهای لوله ای با چرخش اجباری Tublar evaporators with forced circulation
اواپراتورهای دارای لوله ی بلند عمودی با جریان فیلم نزولی
Long tube vertical evaporators with downward flow (falling film)
اواپراتورهای دارای لوله بلند عمودی با جریان فیلم صعودی
Long tube vertical evaporators with downward flow (raising film)
اواپراتورهای صفحه ای plate type evaporators

اواپراتور تاوه ای
این نوع اواپراتور قدیمی ترین نوع تبخیر کننده ها بوده و به شکل دیگهای روباز یا درب بسته ساخته می شد . این نوع هنوز هم در برخی از صنایع همانند تهیه مربا ، تغلیظ شربت های حاصل از نشاسته و ژله مورد استفاده قرار می گیرد . این اواپراتورها یا مجهز به ژاکت هستند ویا توسط کویل داخلی عملیات گرمایش انجام می گیرد. در این نوع ماده غذایی در داخل اواپراتور ریخته می شود و مدت زمان ماند محصول ممکن است چند ساعت طول بکشد بنابراین ظرفیت این نوع تبخیر کننده ها بسیار پایین است . برای کاهش نقطه جوش مواد غذایی می توان از برقراری سیستم خلاء بهره گرفت .

اواپراتورهایی که در دمای پایین عمل تبخیر را انجام می دهند:
در این اواپراتور ها گرمای گاز متراکم آمونیاک جهت گرم کردن ماده اولیه مایع تا نقطه جوش مورد استفاده قرار میگیرد. در نتیجه این عمل آمونیاک به مایع تبدیل می شود وضمن عبور از شیر انبساط ، از یک تبخیر کننده دیگر عبور میکند تا با گرفتن گرمای بخارات مجدداً به گاز تبدیل شده و وارد کمپرسور شود . از آنجایی که در این نوع تبخیر کننده عمل میعان سریع انجام میشود به همین دلیل باعث خلاء زیاد در اواپراتور می شود . خلاء ایجاد شده ، سبب تقلیل فشار در قسمت اواپراتور ماده مورد نظر تا حدودmmHg 30 می گردد که در نتیجه جوشش در دمای 30 درجه سانتی گراد انجام می گیرد .

FEED

اواپراتورهای دارای لوله کوتاه :
این نوع اواپراتورها از قدیمی ترین اواپراتورها بوده وبه شکل یک استوانه ی عمودی می باشد که قسمت تحتانی آن از یک سری لوله که طول هر کدام بین cm 200-100 و قطر آنها cm 6-3 تشکیل شده است . مایع رقیق در داخل لوله ها جریان یافته و در اثر تبادل حرارت با بخار که در فضای بین لوله ها جریان دارد ،آب خود را از دست داده و غلیظ می شود . این نوع اواپراتورها به صورت مداوم یا غیر مداوم کار می کنند .محصولی که باید غلیظ شود طوری پر می شود که قسمت فوقانی لوله ها را کاملاً پر نماید . با توجه به اینکه این نوع اواپراتور زمان زیادی برای تغلیظ نیاز دارد برای مواد غذایی مورد استفاده قرار می گیرد که نسبت به حرارت حساس نباشند . این نوع اواپراتورها هنوز هم درکارخانه های قند مورد استفاده قرار می گیرد . این نوع اواپراتور برای تغلیظ آب میوه مناسب نمی باشد.

اواپراتورهای دارای لوله بلند عمودی لایه نازک صعودی :
در اواپراتورلایه نازک صعودی به مواد غذایی با ویسکوزیته پایین ، این امکان داده می شود که درون لوله های عمودی به طول 15-3 متر و قطر 5-2.5 سانتی متر به جوش آیند .سطح خارجی لوله ها توسط بخار گرم می شود . مایع درون لوله ها ، توسط بخار تشکیل شده، به سمت بالا حرکت می کند . در نتیجه حرکت بخار به سمت بالا ، لایه نازکی از مایع به سمت بالا صعود می کند .

اواپراتورهای دارای لوله بلند عمودی لایه نازک صعودی : long –tube vertical evaporators with upward flow ( climbing film or rising film ) )

اواپراتورهای دارای لوله بلند عمودی لایه نازک صعودی :
برای اینکه لایه نازک و یکنواختی ایجاد شود،لازم است حداقل اختلاف دمای بین محصول و واسطه گرمایشی 14 درجه سانتی گراد باشد . در قسمت بالای اواپراتور یک دستگاه سپراتور که قطر آن بیشتر از قطر تبخیرکننده است نصب می شود . با توجه به افت سرعت مایع غلیظ شده ، جداسازی بخار و مایع براحتی انجام می شود .در صورتیکه غلظت مواد جامد در جریان خروجی کمتر از حد انتظار باشد می توان با برگشت مایع به درون اواپراتور ، تغلیظ را تا مقدار مواد جامد مورد انتظار انجام داد .

اواپراتورهای دارای لوله بلند عمودی با لایه نازک نزولی : falling film evaporators)
ساختار این اواپراتورها همانند اواپراتورهای لایه نازک صعودی است . با این تفاوت که در این نوع تغذیه خوراک از قسمت بالای اواپراتور انجام شده و لایه ی نازکی از مایع در اثر نیروی وزن به سمت پایین حرکت می کند . با توجه به اینکه توزیع مایع به شکل لایه ی نازک در این اواپراتورها مشکل است ، معمولاً از یک سری توزیع کننده یا نازل های پاششی این کار انجام می شود در حالی که لایه نازک مایع به سمت پایین می رود ،به سرعت گرم شده و به قسمت پایین اواپراتور منتقل و از آنجا به سپراتور بخار که در خارج از بدنه ی اواپراتور قرار دارد وارد میشود . به علت کم بودن ضخامت فیلم ، انتقال حرارت با سرعت بالا انجام می گیرد و در مدت زمان ماند محصول به حداقل می رسد .

اواپراتورهای دارای لوله بلند عمودی با لایه نازک نزولی : falling film evaporators)
در اواپراتورهای لایه نازک نزولی ،((حجم پر مایع )) (hold-up volume) خیلی کوچک می باشد . حجم پر مایع ،اندیسی است که در یک زمان معین ،حجم کل محصول غلیظ نشده در اواپراتور را نشان میدهد .کوچک بودن این اندیس نشانه ی بالا بودن کیفیت اواپراتور می باشد .لازم به ذکر است که در اواپراتورهای لوله کوتاه hold-up volume خیلی بالا بوده و مایع مدت زمان زیادی را در اواپراتور باقی می ماند.

اواپراتورهای دارای لوله بلند عمودی لایه نازک صعودی نزولی : (rising – falling film evaporators)

اواپراتورهای با سیر کولاسیون اجباری: (forced circulation evaporators)
در یک اواپراسیون با سیرکولاسیون طبیعی مایع با سرعت پایین به لوله های مبدل حرارتی وارد می شود . در مایع ویسکوز ممکن است این سرعت پایین شرایط را برای انتقال حرارت کافی فراهم نکند . برای محصولات حساس به کریستالیزاسیون یا ورقه ورقه شدن ،از دستگاه با سیرکولاسیون اجباری استفاده می شود .در این نوع ،ماده غذایی با سرعت زیاد (توسط یک پمپ )در درون لوله ها به چرخش در می آید . فشار هیدرواستاتیک که به سطح لوله ها اعمال می شود مانع از به جوش آمدن مایع در داخل آنها می گردد . پمپ مورد استفاده معمولاً از نوع پمپ های سانتریفوژی است . وقتی خوراک گرم شد وارد شده وارد سپراتور می شود به دلیل اینکه فشار مطلق درون سپراتور ،اندکی کمتر از مجموعه لوله نگهداشته می شود ، به سرعت عمل تبخیر انجام می گیرد .این عمل را فلاشینگ (flashing) می نامند

اواپراتورهای با سیر کولاسیون اجباری: (forced circulation evaporators)
از این رو به این نوع اواپراتورها ((اواپراتور فلاش )) نیز گفته می شود .در این نوع تبخیر کننده ها ،عمل تبخیر در سپراتور انجام می شود . رایج ترین نوع اواپراتورهای با سیرکولاسیون اجباری که در تغلیظ آب گوجه فرنگی مورد استفاده قرار می گیرد ، اواپراتور نوعDDF (down ward-forced flow) می باشد اواپراتورهای DDF اکثراً ،دو مرحله ای با تغذیه برگشتی می باشند. آب گوجه فرنگی که در حالت طبیعی دارای بریکس 6-5 می باش ،ابتدا وارد اواپراتور مرحله دوم می گردد .اواپراتورهای مرحله ی دوم ،یک اواپراتور لوله ای است که با بخار حاصل از مرحله ی اول گرم می شود .آب گوجه فرنگی در مرحله دوم یک سیرکولاسیون اجباری را طی می کند

اواپراتورهای با سیر کولاسیون اجباری: (forced circulation evaporators)

اواپراتورهای صفحه ای : (plate evaporators)
اساس کار تبخیر کننده های صفحه ای بر مبنای گرم کردن مایع در یک مبدل حرارتی صفحه ای تا دمای تبخیر آن و جدا نمودن بخارات از مایع غلیظ در یک سپراتور می باشد . گرچه این اواپراتورها کاربرد گسترده ای دارند ولی مهمترین کاربرد این نوع تبخیر کننده ها عبارتند از :
تغلیظ آب سیب ،تهیه اسیدهای آمینه ،پوره میوه ها ،تولید پکتین ،شکر ،آب سبزیجات ،پودر آب پنیر ،آب لیمو ، آب پرتقال ،آب انبه ،تخم مرغ مایع ، تهیه ژلاتین ،….. .

اواپراتورهای صفحه ای : (plate evaporators)
اواپراتور از یک دسته صفحات تشکیل شده است که پشت سر هم قرار می گیرند و به صورت یک در میان در آنها آب میوه و بخار جریان دارد . ماده غذایی مایع به صورت موازی از دو مجرا وارد صفحه اول شده و به صورت صعودی این صفحه را طی می کند . در صفحه بعدی آب میوه به صورت فیلم نزولی حرکت می کند از این رو این نوع اواپراتورها را(rising / falling film plate evaporator ) RFFPE نیز می نامند . در شکل زیر اساس کار این نوع تبخیر کننده ها تشریع شده است . این نوع تبخیر کننده ها می توانند به شکل چند مرحله ای نیز ساخته می شوند. مقدار مصرف اقتصادی بخار در اواپراتورهای صفحه ای یک مرحله ای 0.55و دردو مرحله ا ی حدود 0.39کیلو گرم است. مدت زمان توقف محصول در این نوع اواپراتورها حدود 20 ثانیه بوده و ظرفیت این نوع تبخیر کننده ها بسیار بالا ست به عنوان مثال می توانند kg/hr 16000-450 آب را تبخیر نمایند.

اواپراتورهای اواپراتورهای مجهز به بهمزن یا اواپراتورهای فیلم تراش: Vertical agitated thin-film evaporators
مدت زمان ماند در این اواپراتور بسیار کوتاه است . بدنه این اواپراتور ممکن است از دو قسمت ،که قسمت بالایی توسط بخار دمای زیاد و قسمت پایین دارای بخار دمای کم می باشد تشکیل شود تا از سوختن محصول غلیظ جلوگیری کند . مزیت اصلی این نوع اواپراتورها ، داشتن ضریب انتقال حرارت بالا هنگام تغلیظ مایعات ویسکوز می باشد . از معایب این اواپراتور ها بالا بردن هزینه های نگهداری و تعمیرات می باشد . خالص سازی وجداسازی اسیدهای چرب ، خشک کردن لستین تا 99.5% ، تغلیظ محلولهای شکر تا 99.5% ، خارج کردن آب ویا حلال از محیطهای تخمیر و خارج کردن حلال از عصاره سبزیها ومیوه ها و . .. از کاربردهای این نوع تبخیر کننده هاست .

اواپراتورهای اواپراتورهای مجهز به بهمزن یا اواپراتورهای فیلم تراش: Vertical agitated thin-film evaporators

روشهای مختلف تغذیه تبخیر کننده های چند بدنه ای

تغذیه رو به جلو : forward feed

مزایای تغذیه ی رو به جلو :
پایین بودن هزینه ها
سهولت عملیات
عدم نیاز به پمپ بین مراحل مختلف
استفاده از دماهای پایین درمراحل متعاقب و در نتیجه کاهش امکان صدمه دیدن محصولات دارای ویسکوزیته بالا از گرما .
معایب تغذیه رو به جلو :
1) کاهش میزان انتقال حرارت هنگامی که ویسکوزیته محصول افزایش می یابد.
2) میزان تبخیر در هر مرحله متوالی کاهش می یابد.
3) بخار دارای بهترین کیفیت که برای تبخیر مناسب است .در مرحله ی اول مورد استفاده قرار می گیرد
4) برای جلوگیری ار اتلاف گرمایی ، ماده غذایی باید دمای تژنقطه جوش به اواپراتور وارد شود.

تغذیه برگشتی یا سیستم خوراک پس رو (back ward feed system or reverse feed

3 ) سیستم تغذیه مخلوط (mixed feed) :

3 ) سیستم تغذیه موازی (parallel feed systems ) :

پایان
با تشکر از توجه حضار محترم