КОМБИНИРОВАННАЯ ВАКУУМ-ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СГУЩЕНИЯ МОЛОКА Российский патент 1995 года по МПК A23C1/12 B01D1/12 

Изобретение относится к молочной промышленности, а именно к вакуум-выпарным установкам, и может быть использовано в пищевой, химической и других отраслях промышленности преимущественно для выпаривания воды из молока с получением сгущенного молока с сахаром и без сахара, а также процессов дистилляции, десорбции, дегазации, для концентрирования соков из фруктов и овощей.

Известен многокорпусный вакуум-выпарной аппарат с падающей пленкой для сгущения молока [1] каждый корпус которого содержит калоризатор, пароотделитель, насос, трубопроводы подачи и выпуска продукта из одного корпуса в другой, расходомер, регулирующие клапаны, дополнительный трубопровод и регулирующий блок.

Недостатками этого аппарата являются низкая интенсивность работы установки, низкое качество получаемого продукта и большие энергетические затраты вследствие длительного пребывания сгущаемого продукта в аппарате, что приводит к пригару молока.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является комбинированная вакуум-выпарная установка пленочного типа [2] Установка состоит из двухкорпусного аппарата с падающей пленкой, состоящего из верхней трубчатой части (калоризатора и пароотделителя), нижней сборной части, турбокомпрессора, циркуляционных насосов, трубопровода, однокорпусного аппарата роторного типа с электродвигателем, откачивающего продукт насоса, вакуум-насоса, двухступенчатого пароэжекторного бока с промежуточным конденсатором, конденсатором смешения полубарометрического типа, насоса откачки обработанной воды.

Недостатками прототипа являются:
значительные энергетические затраты, которые образуются за счет неравномерности расхода греющего пара. В начальный момент времени испарение количества влаги значительно больше, чем при установившемся режиме, следовательно, и образование вторичного пара происходит неравномерно, возрастает расход хладагента на конденсацию пара. Кроме того, наличие дополнительного теплообменника, промежуточного конденсатора и конденсатора смешения полубарометрического типа увеличивают потери энергии в окружающую среду;
низкое качество молока, поскольку, попадая в один корпус аппарата, а затем в другой, устремляясь по трубчатой части калоризатора, молоко вскипает, стремясь попасть по кипятильным трубам в сборник. За счет различия коэффициентов теплопередачи в нижней и верхней частях калоризатора происходит рост коэффициента неравномерности потрь, что ведет к пригару молока на стенках теплопередающих поверхностей (трубчатой части) калоризатра и снижению вкусовых качеств молока;
сложность конструкции вакуум-выпарной установки, в которой имеется дополнительное оборудование роторный аппарат с электродвигателем, турбокомпрессор, промежуточный конденсатор, конденсатор смешения полубарометрического типа, насосы откачки отработанной воды и циркуляционные насосы. Увеличивается продолжительность процесса работы установки, что ведет к дополнительным затратам на обслуживание, в результате которого увеличивается межремонтный цикл, увеличивается металлоемкость, возникает необходимость в большой площади для размещения установки, что ведет к высокой стоимости оборудования, эксплуатации и ремонта;
низкая интенсивность работы установки, которая определяется высокими энергетическими затратами, сложностью конструкции, большими тепловыми потерями, определяемыми наличием дополнительного оборудования;
невысокая производительность работы вакауум-выпарной установки, обусловливаемая продолжительным пребыванием молока в аппарате, что приводит его к пригару.

Задачей предлагаемого изобретения является создание универсальной установки, простой и удобной в эксплуатации и ремонтах, улучшение качества выпускаемой продукции, снижение энергетических затрат наряду с повышением производительности.

Эта задача решается благодаря тому, что комбинированная вакуум-выпарная установка для сгущения молока, содержащая фильтры, сепаратор, калоризатор, конденсатор, два пароэжектора, циркуляционный насос, трубопроводы и запорную арматуру, согласно изобретению дополнительно включает в себя пленочный испаритель, соединенный через вентиль с сепаратором, в котором установлена спиральная винтовая тарелка, и с калоризатором, а также вентиль-регулятор расхода хладагента, при этом сепаратор соединен с калоризатором в верхней части через вентиль-дроссель, а в нижней части через циркуляционный насос.

Применение пленочного испарителя, соединенного с аппаратом и калоризатором, обеспечивает универсальность работы установки. В аварийных ситуациях или при ремонте при выходе из строя аппарата (или (и) калоризатора установка может работать через пленочный испаритель, а при выходе из строя (ремонте) пленочного испарителя через сепаратор и калоризатор.

При попадании молока в пленочный испаритель между трубной решеткой и крышкой упариваемое молоко распределяется по оросительным трубам и попадает струями на поверхность нагреваемых труб, растекаясь в тонкую пленку. За счет сильного размывающего эффекта и снижения температуры нагрева в результате увеличения теплосъема молоко практически не пригорает, чем обеспечивается его высокое качество.

Применение в нижней части сепаратора спиральной винтовой тарелки для уноса жидкой фазы, стабилизации потока, равномерного распределения жидкости и устранение перемешивания позволяют избежать образования парожидкостной смеси, которая может привести к кавитации в калоризаторе и образованию пригара молока. Падая на тарелку, в молоке успевает отделиться газовая фаза, а жидкая фаза сливается вниз. Тем самым повышается качество молока.

Устранение в калоризаторе сепарационной зоны дает возможность увеличить объем перерабатываемого молока, рационально используя теплообменную поверхность, и тем самым уменьшить его габаритные размеры. При этом снижается неравномерность теплопередачи, коэффициент неравномерности будет близок к единице, отсутствует пригар молока в трубках и сохраняются вкусовые качества молока.

Соединение сепаратора с калоризатором в верхней части через вентиль-дроссель, а в нижней части через циркуляционный насос позволят увеличить теплоотдачу и улучшить турбулентность потока молока. Создается давление, которое не позволяет вскипать молоку в калоризаторе, обеспечивая равномерный нагрев молока по всей длине трубки. Устраняется пригар молока в калоризаторе, обеспечивая высокое качество получаемого продукта.

Устранение дополнительных теплообменника и конденсатора, то есть применение одного конденсатора и двух пароэжекторов по сравнению с прототипом уменьшает потери энергии в окружающую среду и позволяет снизить энергетические затраты. А неравномерность подачи греющего пара в сепарационной зоне компенсируется с помощью регулятора подачи хладагента (вода, рассол), который позволяет регулировать количество подаваемого хладагента в конденсатор в зависимости от количества поступающего на конденсацию вторичного пара.

Предлагаемая схема установки достаточно проста и удобна в эксплуатации и ремонте, поскольку отсутствуют дополнительные теплообменник и конденсатор, роторный аппарат с электродвигателем, турбокомпрессор, насос для откачки отработанной воды, дополнительные циркуляционные насосы, а также сепарационная зона в калоризаторе.

Использование ряда совокупностей конструктивных технических решений в данной установке приводит к равномерному распределению и стабилизации потока жидкости в сепараторе, увеличению объема перерабатываемого молока в калоризаторе, а также улучшению турбулентности потока молока с помощью вентиля-дросселя и циркуляционного насоса, что позволяет повысить производительность и интенсивность ее работы.

Предлагаемое изобретение соответствует критерию "Новизна" и "Изобретательский уровень". Поскольку в результате расширенного поиска по рубрикам МКИ и УДК совокупность существенных признаков, полностью или частично совпадающая с заявляемой и позволяющая решить поставленную изобретательскую задачу, не была обнаружена ни в одном известном техническом решении, предлагаемое изобретение отвечает критерию "Новизна".

Из известного уровня техники совокупность существенных признаков заявляемого технического решения с очевидностью не вытекает. Следовательно, предлагаемое изобретение отвечает критерию "Изобретательский уровень".

Критерий "Промышленная применимость" подтверждается простотой оборудования и его элементов, которые могут быть и типовыми. Оно может быть органически вписано в действующие цеха и реализовано на вновь строящихся фермерских хозяйствах.

На чертеже приведена схема предлагаемой установки.

Комбинированная вакуум-выпарная установка состоит из двух фильтров 1, работающих попеременно и соединенных между собой вентилем 2, вентилем-переключателем 3, соединяющимся через молокопровод 4 с пленочным испарителем 50 с пароэжектором 6, в котором происходит смешение острого и вторичного пара, сепаратором 7 и калоризатором 8.

Пленочный испаритель представляет собой вертикальный кожухотрубный теплообменник с верхней сепарационной зоной, котоpый с помощью вентиля 9 соединяется с сепаратором 7. Сепаратор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, имеющий отбойник и спиральную винтовую тарелку, соединенный с калоризатором через вентиль 10, циркуляционный насос 11 и вентиль 12 в нижней части, а через вентиль-дроссель 13 в верхней части.

Для отвода паровой фазы верхняя часть пленочного испарителя 5 и сепаратора 7 соединяются с помощью трубопровода 14 вторичного пара с конденсатором 15. Конденсатор 15 представляет собой вертикальный кожухотрубный теплообменик, соединенный с вакуумным насосом 16 для создания пониженного давления в системе, конденсатным тепловым насосом 17, который удаляет влагу из конденсатора через трубопровод 18 для откачки конденсата. В верхней части конденсатор соединен через вентиль переключатель 19 расхода вторичного пара с сепаратором и через вентиль 19 и пароэжектор 20 с калоризатором, в нижней части с вентилем-регулятором 21 расхода хладагента.

Установка работает следующим обpазом.

При пуске установки включается вентиль-регулятор 21, и подается хладагент в трубное пространство конденсатора 15. Затем включается вакуумный насос 16 и создается в системе вакуум (0,1 атм), и молоко после пастеризации (с t м 68-107^оС) подается на фильтры 1 для очистки его от инородных тел и различных примесей.

Установка работает в непрерывном режиме с поступлением нагретого молока до t 95^оС. Упариваемое молоко подается в пространство между трубной решеткой и крышкой пленочного испарителя 5, распределяется по оросительным трубам и через отверстия в них диаметром 1-1,5 мм попадает (струями) на поверхность нагреваемых труб, растекаясь в тонкую пленку. Образовавшаяся на греющих трубах пленка интенсивно испаряется, газовая фаза направляется в сепарационное пространство и по трубопроводу 14 отводится: одна часть в конденсатор 15 на конденсацию, а другая в пароэжектор 20, где смешивается с острым паром. Жидкая фаза стекает в нижнюю камеру испарителя 5, откуда одна часть повторно направляется на орошение, а другая через вентиль подается в сепаратор 7, в котором за счет перепада давления и возрастания давления внутренней энергии оно вскипает. Образуется газожидкостная смесь. Газовая фаза, содержащая влагу, направляется в верхнюю часть сепаратора, где по трубопроводу 14 вторичного пара отводится через вентиль 19 на смешение с острым паром в пароэжектор 20, вторая часть на конденсацию в конденсатор 15. Жидкая фаза молоко с сухим остатком собирается в нижней части сепаратора 7, проходя по винтовой тарелке (выполненной в виде спирали для уменьшения уноса жидкой фазы, стабилизации потока, равномерного распределения жидкости и устранения перемешивания). Из сепаратора 7 раствор перекачивается циркуляционным насосом 11 в калоризатор 8. В калоризаторе с трубчатой греющей камерой происходит нагрев молока за счет эжектируемого пара, который отдает свое тепло молоку, нагревая его до температуры 95^оС, сам конденсируется. Устранение в калоризаторе сепарационной зоны дает возможность увеличить объем перерабатываемого продукта (молока), рационально используя теплообменную поверхность. При этом снижается неравномеpность теплопередачи, молоко не пригорает и сохраняются его вкусовые качества.

Проходя через вентиль-дроссель 13, молоко опять поступает в сепаратор 7, где за счет перепада давления (которое создает циркуляционный насос 11) и разрежения в сепараторе до 0,1 атм (созданного вакуумным насосом) происходит возрастание внутренней энергии молока и происходит ее вскипание.

После удаления влаги из молока до 25% оно поступает через сливной вентиль 12 сепаратора 7 и калоризатора 8 на смешение в кристаллизатор с сахарным сиропом. Сконденсированный пар откачивается центробежным конденсатным насосом 17 по трубопроводу 18 для отвода конденсата в канализацию.

При работе в непрерывном режиме с поступление холодного молока с температурой от 6 до 25^оС оно подается после очистки в фильтрах 1 через перепускные вентили в пленочный испаритель 5, нагреваясь до температуры 95^оС. При этом пленочный испаритель работает как подогреватель. В дальнейшем процесс идет аналогично непрерывному процессу с поступлением молока, нагретого до 95^оС. Общее количество молока на выпаривание может составлять 2000-10000 кг.

По окончании работы установки производят безразборную промывку молокопроводов 4, пленочного испарителя 5, сепаратора 7 и калоризатора 8 холодной водой. При промывке калоризатора открываются бегельные крышки.

В аварийных ситуациях и при ремонте при выходе из строя, например, пленочного испарителя установка может работать через сепаратор и калоризатор, а при выходе из строя сепаратора или (и) калоpизатора только на испарителе.

Использование предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом позволяет решить техническую задачу за счет
применения пленочного испарителя (соединенного с сепаратором и калоризатором) с сильным размывающим эффектом, что дает возможность интенсифицировать процесс, повысить производительность установки, а также достичь высокой концентрации сухих веществ в молоке без снижения его качества;
применения в сепараторе спиральной винтовой тарелки для уноса жидкой фазы, что позволяет избежать явления кавитации и пригара молока в калоризаторе, повышая его качество;
наличия в калоризаторе только греющей камеры устранением сепарационной зоны, рационального использования теплообменной поверхности, что позволяет уменьшить его габаритные размеры, а коэффициент неравномерности потерь приблизить к единице;
через соединения сепаратора с калоризатором в верхней части через вентиль-дроссель, а в нижней части через циркуляционный насос, что позволяет увеличить теплоотдачу и улучшить турбулентность потока, устраняя пригар, и тем самым повышает его качество;
устранения дополнительных теплообменника и конденсатора, а также применения вентиля-регулятора расхода хладагента, что позволяет снизить энергетические затраты и упростить конструкцию.

Преимущества предлагаемой установки следующие.

Использование совокупности отличительных признаков позволяет
создать универсальную комбинированную вакуум-выпарную установку простой конструкции, несложной в изготовлении, с низкой металлоемкостью и возможностью длительной работы без чистки с применением безразборной химической мойки, с малой площадью под размещение и с полным использованием вторичного пара при сокращении тепловых и энергетических потерь;
с высоким качеством перерабатываемого продукта, как после тепловой обработки (например, пастеризации), так при поступлении охлажденного молока;
использовать поступающее молоко в широком диапазоне температур 6-107^оС, как с сахаром, так и без сахара;
производить сгущение молока высокой концентрации сухих веществ за один проход производительностью по испаренной влаге 2000-8000 кг/ч.

Использование: получение сгущенного молока, концентрированных соков из овощей и фруктов, а также проведение процессов дистилляции, десорбции и дегазации. Сущность изобретения: комбинированная вакуум-выпарная установка для сгущения молока содержит конденсатор, пленочный испаритель, сообщенный с калоризатором и сепаратором. В сепараторе установлена спиральная винтовая тарелка. Сепаратор сообщен с верхней частью калоризатора трубопроводом с вентилем-дросселем. Нижние части сепаратора и калоризатора сообщены одна с другой трубопроводом с циркуляционным насосом. Конденсатор выполнен с вентилем регулятором расхода хладагента. 1 ил.

КОМБИНИРОВАННАЯ ВАКУУМ-ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СГУЩЕНИЯ МОЛОКА, содержащая фильтры, сепаратор, калоризатор, конденсатор, два пароэжектора, циркуляционный насос, трубопроводы и запорную арматуру, отличающаяся тем, что она снабжена пленочным испарителем, сообщенным с калоризатором и сепаратором, в котором установлена спиральная винтовая тарелка, сепаратор сообщен с верхней частью калоризатора трубопроводом с вентилем-дросселем, а их нижние части сообщены друг с другом трубопроводом с циркуляционным насосом, при этом конденсатор выполнен с вентилем-регулятором расхода хладагента.