1. Termikus koncentrálás bemutatása

Nem kell különösebben elmélyedni sem a vegyipari-, sem az élelmiszeripari technológiákban, de még a műszaki ismeretekben sem ahhoz, hogy a termikus koncentrálási műveletek végtermékével találkozzunk például a megvásárolható gyümölcslevek formájában. Az érintett korosztályt érdekli, hogy amit fogyasztunk, vagy megvásárolunk, miből és hogyan készül. A választott témakör nemcsak az élelmiszeripari technológiákhoz, hanem ugyanúgy a vegyipari és egyes környezetipari eljárásokhoz is kapcsolódik, még ha az ezekben előállított „termék” esetében ez nem is olyan szembetűnő. Az egészséges életmód, az egészséges táplálkozás, a hosszú ideig fogyasztható termékek iránti igény és a környezetvédelmi megfontolások már középiskolás korban jelentkeznek, vagy kezdenek kialakulni. Az Európai Uniós és a hazai kormányzati törekvések, valamint az egyes civil szervezetek tájékoztatói munkája következtében ezek a területek egyre nagyobb figyelmet kapnak. Ezeket a szempontokat, és a középiskolában az egyes természettudományos tantárgyak alapismereteit figyelembe véve a mérnöki gyakorlatban alkalmazott termikus koncentrálási művelet elméleti alapjai és az eljáráshoz használt alapberendezések ismertetése ezen vezérfonal mentén a diákok érdeklődésére is számot tarthat.

Gyakorlat célja

A bepárlást alkalmazhatjuk előkészítő műveletként (kristályosítás, vagy porlasztásos szárítás (LINK) előtt), térfogatcsökkentési célzattal (csomagolási- és szállítási költségek csökkentése), vagy tartósítási eljárásként (vízaktivitás csökkentés; LINK). Az élelmiszeripar területén bepárlással történő sűrítést használnak például paradicsomlé sűrítésnél, cukorgyártásnál, vagy gyümölcslé koncentrátumok előállításánál (LINK). Környezetvédelmi technológiákban is alkalmazzák, például nedves légtisztítási eljárások abszorbeáló szereinek újrahasznosításánál.

A filmbepárlók legfontosabb előnyei a szakaszos üzemű vákuum-gömbbepárlók és a hagyományos csöves bepárlókhoz képest a berendezésben kialakuló kis rétegvastagságú folyadékfilm LINK, amelyen keresztül mind a hő-, mind az anyagtranszport intenzívebben tud végbemenni.

Ennek következtében a filmbepárlókban a tartózkodási idő rövidebb és alkalmas a hőérzékeny komponenseket tartalmazó oldatok kíméletes koncentrálására. A hőérzékeny komponensek koncentrálása során légritkítás (vákuum) alkalmazásával a forráspont csökkenthető LINK.

A gyakorlat célja a berendezés üzemeltetésének gyakoroltatása, továbbá a bepárlás anyag- és hőmérlegének felvétele.

A gyakorlat elméleti háttere

A bepárlás műveletén az oldatokból az oldószer (az élelmiszeriparban ez legtöbbször a víz) párologtatással, illetve forralással történő eltávolítását értjük. Az oldószer eltávolítását az oldószer és az oldott anyag gőztenziójának (és ennek következtében forráspontjának) különbsége teszi lehetővé. A bepárlás során az oldószer illékony, míg a többi komponens illékonysága magasabb, vagy nem illékonyak (gőztenziójuk gyakorlatilag nulla).

A bepárló berendezéseknek alapvetően két fő feladatuk van: az oldat felmelegítése forráspontig, illetve a folyamatban keletkező pára leválasztása. Ennek megfelelően szerkezetileg hőcserélő, páratér (forrás és páraképződés helye), pára-szeparátor (páraleválsztó) és pára-kondenzátor funkcionális egységekből állnak.

A bepárlási művelet, valamint a bepárló berendezések üzemeltetése szempontjából a legfontosabb paraméterek az átbocsátott hőáram, az elvárt sűrítési arány, a betáplált oldat, illetve a belőle keletkező sűrítmény és pára tömegárama, a tartózkodási idő, valamint az oldószer eltávolítás energiaszükséglete (gőzfűtésű berendezés esetében például a fajlagos gőzfelhasználás).

A bepárlás anyagmérlegének elve a bepárló berendezésbe belépő és az onnan kilépő anyagok mennyiségének (tömegének, vagy folyamatos üzemű berendezéseknél a tömegáramának) állandósága.

[1]

A bepárlás komponensmérlege a betáplált lé és a belőle keletkező sűrítmény szárazanyagtartalmának állandósága alapján, a tömegáram és a szárazanyag koncentráció felhasználásával írható fel:

[2]

Ha figyelembe vesszük az anyag és a komponensmérleget, az [1] és [2] egyenletek felhasználásával a sűrítmény elvárt koncentrációjának és tömegáramának, valamint a a betáplált oldat koncentrációjának ismeretében számíthatjuk a képződő pára mennyiségét.

A keletkező pára tömegárama a bepárlás anyag- és komponensmérlegének felhasználásával számítható. A koncentrációértékek a következő becslőegyenlet segítségével a vezetőképesség értékekből számíthatóak:

ahol:

A bepárlás hőmérlegét az energia-megmaradás törvénye alapján írhatjuk fel. A hőmérleg a rendszerbe belépő és kilépő hőáramok, vagy hőmennyiségek állandóságán alapul. A belépő hőmennyiségek az oldat és a fűtőközeg hőmennyiségeiből adódnak össze. A kilépő hőmennyiségek esetén a pára, a sűrítmény és a távozó fűtőközeg által képviselt hőmennyiségeket vesszük figyelembe. A belépő és kilépő hőmennyiségek közötti különbség a hőveszteségekből LINK származik.

Gőzzel fűtött (LINK) berendezések esetében az oldószer felmelegítéséhez és elpárologtatásához szükséges hőmennyiség a gőz kondenzációja (fázisátmenet) során felszabaduló hőmennyiségből származik. A fázisátmenetet kísérő kondenzációs hő az anyag gőz és folyadék halmazállapotának entalpia (i) különbségével egyenlő. Az oldószer elpárologtatásához (fázisátmenet) a gőz és folyadék halmazállapot közötti fajlagos entalpia különbséggel megegyező párolgáshőt kell közölni.

Ebben az esetben a hőmérleg a következőképpen írható fel:

(Az egyenletekben szereplő i’ és i”, az anyag folyadék, illetve gázhalmazállapotra vonatkozó entalpiáját jelentik adott nyomáson, vagy hőmérsékleten)

A bepárlási művelet energetikai intenzifikálása lehetséges a pára hasznosításával többfokozatú bepárlás során, az ebben a folyamatban fűtőközegként hasznosított pára kompressziójával, illetve vákuum alkalmazásával a páratérben, amely a forráspontot csökkenti.


Próbáljon válaszolni az ellenőrző kérdésekre. Amennyiben nem tud, vagy nem biztos a válaszban olvassa el a leírást, illetve nézze meg újra a kisfilmet.

  • • Definiálja a bepárlás fogalmát!
  • • Hogyan hat a nyomás a forráspont értékére?
  • • Mik az előnyei a vákuum-bepárlási eljárásnak?
  • • Milyen fizikai paraméterek ismeretében adható meg a bepárlás hőmérlege?
  • • Milyen anyagok képződnek a bepárlási műveletben?
  • • Hogyan számítható ki egy bepárlási műveletben keletkező pára mennyisége?
  • • Mik az előnyei a filmbepárló berendezések alkalmazásának a hagyományos bepárlókhoz képest?