Evaporasyon ve Evaporatörler

Evaporasyon Evaporasyon çözücünün kaynatılarak uzaklaştırılması yolu ile çözeltinin su eldesi derişiklendirilmesi işlemidir. Evaporasyonda buhar tek bir bileşenden meydana gelir ya da buharda birkaç bileşen bulunsa bile bunları birbirinden ayırmak için herhangi bir işlem yapılmaz. Evaporasyon sonucunda ortaya çıkan atık sıvıdır. Genellikle istenilen derişiklendirilmiş çözeltidir. Fakat bazen, buharlaştırılan çözücü ana üründür.(deniz suyunun buharlaştırılması ile içilebilir su eldesi) Derişiklendirme, genellikle çözeltideki çözünenin çökmeye başlamasından önce durdurulur. Temel olarak evaporatör çözeltinin kaynaması için bir ısı değiştirici, ve buhar fazını kaynayan sıvıdan ayırmaya yarayan bir cihaz içerir. Evaporasyon yapılan sıvı sudan daha akıcı veya güçlükle akabilecek kadar viskoz olabilir.

Evaporasyonda genel olarak buharlaştırılması gereken kısım su kısmıdır. Sıvı haldeki suyu buhar haline getirmek için gereken ısı miktarına veya yoğunlaşma sırasında buhardan alınan ısı miktarına "buharlaşma gizli ısısı" denilmektedir. Tüm sıvılar içinde su en fazla buharlaşma ısısına sahip olanıdır. Su molekülleri katı solüsyondan ya da kolayca buharlaşamayan sıvıdan buhar olarak ayrılabilmek için yeterli enerjiyi elde ettiklerinde evaporasyon oluşur

Evaporasyonda Sıvıya İlişkin Özellikler Evaporasyon sırasında sıvının bazı özelliklerinde değişimler olmaktadır. Sıvıya ilişkin en önemli özellikler şunlardır: 1. Konsantrasyon: Buharlaştırılacak çözeltiler genellikle seyreltiktir. Evaporatörde ise işlem boyunca konsantrasyon gittikçe derişik olur. Çözeltideki katı maddenin konsantrasyonu arttıkça çözeltinin viskozite ve yoğunluğu da artar. Ancak konsantrasyon ısı transferi için uygun olmayan bir durum yaratır, yani evaporasyonun ilerleyen zamanında daha çok ısı enerjisi gerektirir. Çözelti konsantre hale geldikçe kaynama noktası da yükselir

2.Köpürme: Bazı maddeler, özellikle yağsız süt gibi organik maddeler evaporasyon sırasında köpürürler. Bazen bu köpükler buhar ile birlikte kaçabilir, bu da evapore olacak madde için bir kayıp oluşturur. 3.Isı duyarlılığı: Birçok saf kimyasal madde, özellikle eczacılıkta kullanılanlar, orta ısısında bile kısa zamanda bozulurlar. Bunlar için özel teknik uygulanır. 4.Kabuk: Bazı organik materyaller ısıtıcı boru (18/10 krom-nikel alaşımı) yapılmalıdır. yüzeyinde evaporasyonun ilerleyen döneminde kabuk oluştururlar. Bu durumda ısının geçişi azaldığından buharlaştırıcı durdurulur, temizlik yapılır ve tekrar çalıştırılır. 5.Yapım malzemesi: Birçok çözelti demiri oksitlediğinden evaporatörler, gıda ve süt sanayinde mutlaka paslanmaz çelikten yapılır.

EVAPORATÖRLER(Buharlaştırıcılar) Gıda endüstrisinde kullanılan hammaddelerin çoğunun yapısında örneğin sütte %83 sebze ve meyvelerde %98’lere varan oranlarda su bulunur.Evaporasyon ,basit tanımı ile yapıdaki suyun kısmi uçurulmasıdır.

Suyun yapıdan alınması katı ve sıvı arsındaki uçuculuk farkından kaynaklanır.Evaporasyon, kurutma öncesi bir ön konsantre(koyulaştırma) işlemi olarak hacim ve ağırlığı azaltıldığından evaporasyon ile elde edilen avantajlar sağlar.

evaporasyonun etkileri aşağıdaki gibi özetlenebilir. Ürün işlenmesi için gerekli olan enerjiden ekonomi sağlar Taşıma, Depolama,yapı ve ambalajlama maliyetlerini azaltır. Kuru maddeyi arttırarak su aktivitesine dönüştürür. Üründeki tat,koku ve renk özelliklerini değiştirir. Üretimde istenilen bazı teknik ve teknolojik özelliklere örneğin; ürüne mikrobiyolojik yönden bozulmayan bir nitelik kazandırmak gibi sonuçlara ulaşmayı sağlar.

Gıda endüstrisinde fabrikalarda koyulaştırma ve kurutma işlemleri ile ilgili tesisler,bunların çeşitli yardımcı donanımları ile en karışık ve maliyetleri en yüksek olan tesislerdir. Kristalizasyon ve evaporasyon,sıvı ürünlerde ürünün yapısındaki su oranını düşürmek için uygulanan bilinen iki yöntemdir.Örneğin;kış mevsiminde kısmi dondurma işlemi uygulaması gibi

Günümüzde meyve suları Üretiminde bazı fraksiyonel kristalizastiyon uygulamaları halen varsa da pratik nedenlerden dolayı genel olarak bu yöntemin yerini evaporasyon almıştır. Kristalizasyon öncesi şeker veya tuz çözeltilerinin evaporasyonu,karemelizasyon yada şekerli ürünlerin(karamela,akide şekeri vs) yapımında gerekli olan görünüm ve belirli tat ve aroma değişikliklerinin sağlanması amacıyla şekerli çözeltilerin kaynatılması,süt, meyve-sebze sularının konsantırasyonu evaporasyon uygulamalarına yaygın bir örnektir.

Günümüzde reçel ve marmelat yapımı sayesinde milyonlarca litre çeşitli meyve suyunun ve nektarın kutulanması ve milyonlarca litre kayısı,şeftali ve armut konsantratının muhafazası sağlanmaktadır. Modern Tavukçuluk işletmeleri konsantre yayık-altı, dondurma imalatçıları ise meyveli dondurma yapımında tonlarca çeşitli meyve konsantratının muhafazasını sağlamaktadır.

Bazı konsantre ve komprime yiyecekler,alkolden arındırılmış şarap ve bira tadındaki içeçekler ile çeşitli vitamin ve besleyici öğelerle zenginleştirilmiş değişik tat ve aromada kurutulmuş adeta bir kağıt haline( yemek kartı) getirilmiş yiyecekler evaporasyon ve kurutma tekniklerinin ilginç son buluşudur.

EVAPORASYON İLKELERİNE GENEL BAKIŞ Bilindiği gibi saf suyun kaynama noktası basınca bağlı olarak değişmektedir.Saf su örneğin; 760 mm cıva sütunu mutlak basınçta 100C’de kaynar. Basınç 20 mm sütuna mutlak basınca indiğinde kaynama noktası 22.4C’dir.

Evaporasyonda buharlaştırılacak olan sıvı sıvının bağlı bulunduğu koşullara bağlı olarak önce kaynama derecesine kadar ısıtılır sonra da bu derecede buharlaşmasının sağlayacak buharlaşma gizli ısısı verilir.200 torr basınçta saf suyun buharlaştırılması için 66,5 C ye ısıtılması

Evaporasyonu etkileyen faktörler Isıtıcı buhar filmi direnci(a1) Boru içindeki kirlilik direnci Boru dışındaki kirlilik direnci Boru malzemesi direnci Ürün filmi direnci

Evaporatörlerin sınıflandırılması; Gerek gıda gerekse diğer endüstri dallarında kullanılan evaporatörler çok çeşitlidir. Bunları belirli bir grup altında toplamak güçtür.Ancak farklı yönleri göz önünü alınarak aşağıdaki gibi gruplandırma yapılabilir. Sistem Basıncına Göre; Atmosferik evaporatörler Düşük basınçlı evaporatörler Vakum evaporatörler

Buhar ekonomisine göre Tek etkili evaporatörler Çok etkili evaporatörler

Isı aktarım yüzeyine göre Borulu evaporatörler Kısa-yatay borulu evaporatörler Kısa-dikey borulu evaporatörler Uzun borulu evaporatörler Tırmanan film evaporatörler İnen film evaporatörler Spiral borulu evaporatörler Silindirik yüzeyli(ceketli) evaporatörler Plakalı evaporatörler Konik yüzeyli (santrifüj) evaporatörler

Uygulanan sıcaklık derecesine göre; Düşük sıcaklık evaporatörler Orta sıcaklık evaporaörler Yüksek sıcaklık evaporatörler

Sıvı hareketine göre; Doğal sirkülasyonlu evaporatörler Zorlamalı sirkülasyonlu evaporatörler Karıştırmalı yada sıyırmalı film evaporatörler

Ürün beslemesine göre; İleri beslemeli evaporatörler Geri beslemeli evaporatörler Sıvı hareket yönüne göre; Doğru akım evaporatörler Ters akım evaporatörler Sıvı akış tipine göre; Tek akışlı evaporatörler Çok akışlı evaporatörler

En basit ve ucuz olanı doğal sirkülasyonlu atmosfere açık kazanlardır En basit ve ucuz olanı doğal sirkülasyonlu atmosfere açık kazanlardır.buhar ceketli açık evaporatörlerde konsantrasyon marmelat ve meyve suyu konsantrasyonda kullanılan eski bir yöntemdir. Yüksek sıcaklıklar ve uzun süreli konsantrasyon ürünün yapısında bozulmalara neden olur.ürünün kaslınlaşması ve kazan iç yüzeylerine yapışması ısı aktarımını yavaşlatmakta ve konsantrasyonu geciktirmektedir.

Örn;pektin içeren meyve sularının viskozitesi evaporasyon ilerledikçe yükselir ve ürün ısıtma yüzeyine yapışarak yanar.. Kuru madde oranı %60-65’e eriştikten sonra ortamdaki pektin ile asit beraber jel oluşturur.bu meyve suyu konsantratı değil meyve jelidir. Bu nedenle konsantrasyon işlemi atmosfere kapalı ve amaca uygun bir evaporatörde dahi yapılsa yalnız depektinizasyon uygulanmış meyve suyu işlenmelidir. Portakal gibi meyve sularının buharlaşma ile aromasının kaybolmaması için aroması tutulmuş meyve suyu işlenir.

TEK ETKİLİ EVAPORATÖRLER: Buharlaşma ünitesi tektir.ısıtıcı buhar(canlı buhar) işletmenin buhar üreticisinden sağlanır.Üründen alınan brüde bir kondensörde yoğunlaştırılır.Bu sistemde 1 kg ürün suyunun evapore edilmesi için yaklaşık 1 kg yüksek basınçlı buhar kullanılır.

Tek etkili evaporatörlerde ürün borular içinden bir kez geçer Tek etkili evaporatörlerde ürün borular içinden bir kez geçer. Buharlaşma bu tek geçişle sağlanır.bu sistemde buharlaşma hızı sınırlıdır. Çoğunlukla ısıya hassa ürünlerin ısıtılmasında kullanılır.yüksek vakum uygulanarak gerektiğinde ürünün kaynama noktası düşürülür.ürün borulardan geçtikten sonra hızla soğutulur ve bozulmaya karşı korunur.

ÇOK ETKİLİ EVAPORATÖRLER Tek etkili evaporatörlere kıyasla verimi arttırmak ve buhardan ekonomi sağlamak üzere çok etkili evaporatörlere ihtiyaç vardır. Çok etkili evaportörlerde iki,üç hatta dört ünite birbirine borular bağlanmıştır.Evaportörlerin her ünitesi tek etkili gibi çalışır.Her ünitedeki sıcaklık düşmesi bu ünitedeki basınç düşmesine bağlıdır.

Çok etkili evaporatörlerde birinci üniteden elde edilen brüde ikinci ünitenin ısıtıcı buharı, bu üniteden elde edilen brüd eise 3. ünitenin ısıtıcı buharı görevini yapmaktadır.son üniteden elde edilen brüde bir kondenserde yoğuşturulur.

Bu sistemde her ünite bir sonraki ünitenin buhar üreticisi görevinin yaptığından bu sistem bir nevi düşük basınçlı buhar üreticisi olarak düşünülebilir. En düşük basınç son ünitededir. Çok çeşitli tipleri vardır.ürünün son üniteden verilerek ilk üniteden alındığı tipe geri beslemeli çok etkili evaporatörler denir. Buhar kullanımı ünite sayısı ile doğru orantılı olarak azalır.

Borulu evaporatörler Gıda endüstrisinde sıklıkla kullanılır. Boruların gövde içinde yerleşim durumuna ve boru uzunluklarına göre adlandırılırlar. Atmosfer yada vakum altında çalışırlar. Uzun yada kısa olmalarına göre adlandırılırlar.

Kısa borulu evaporatörler Yatay ve dikey kısa borulu olmak üzere iki tiptir. Buhar boruları evaporatör gövdesi içinde yatay olarak konumlandırılmış ve ürüne bir boru demeti halinde daldırılmıştır.

Yatay kısa borulu evaporatörler Ucuzdur. Doğal sirkülasyon ağır olduğu için ısı aktarımı pek etkili değildir. Boruların dışında oluşan ürün kalıntıları temizlenemez. Günümüzde pek kullanılmamaktadır.

Dikey kısa borulu evaporatörler Gövde içindeki borular dik konumlandırılmıştır. Boru boyları kısadır. Boru demetinin ortasında boruların geçiş alanı toplamının %25-40’ı kadar bir ürün iniş boşluğu bırakılmıştır. Dikey borulu evaporatörlerde yandan içeriye buhar verildiğinde tüm borular dıştan ısınabilmektedir.

Ürün boruların içinden yukarıya doğru çıkarken yoğuşan buharın buharlaşma ısısını alır. Yukarıya çıktıktan sonra boru demetinin ortasındaki boşluktan (kalandria) tekrar aşağı iner. Konsantrat evaporatörün altındaki konik bölümden alınır. Koyulaştırılan ürün uzun süre yüksek sıcaklık derecesinde kaldığından ısıya duyarlı olmayan ürünlerin konsantrasyonunda (Ör:salça) kullanılmakta ve boruların içi kolayca temizlenebilmektedir.

Tırmanan(yükselen)film evaporatörler Boru çapları 2,5-3 cm ve boyları 3-9 m uzunluktadır. Boru içindeki ürünün kaynamanın doğal sonucu olarak yukarıya hareketi yada ürünün evaporatör üzerinden verilerek aşağı doğru inişine göre adlandırılırlar. Bu evaporatörlerde ürün boru içinde buhar ise boru dışında akar.ürün beslemesi alttan yapılır.

Ürün ısındıkça yükselir Ürün ısındıkça yükselir. Kaynamanın olduğu noktadan itibaren oluşan kabarcıklar boruların ortasından yükselirkenüründe boru iç yüzeylerinden film halinde yukarıya doğru tırmanır.

Bu evaporatörlerde ürünün boruda kalma süresi 1 dk Bu evaporatörlerde ürünün boruda kalma süresi 1 dk. Dolayında olduğundan ısısal bozulma çok azdır. Bu nedenle meyve suyu konsantrasyonunda kullanılırlar. iki etkili ve zorlamalı sirkülasyonlu tipleri vardır.

İnen (Düşen) film evaporatörler

Az yer kaplayan uzun borulu evaporatörlerdir Az yer kaplayan uzun borulu evaporatörlerdir. Konsantre adilecek ürün üstten özel bir meme yardımıyla önce bir yayma plakasına verilir. Böylece ürün her boruya ayrı ayrı verilir. Isıya çok duyarlı narenciye suları konsantrasyonunda genellikle kullanılır.

İnen (Düşen) film evaporatörler A: ürün B: Vakum C: Konsantrat D: Isıtıcı buhar E: Kondensat 1: ürün dağılımı (dağıtıcı meme) 2: Calandria 3: Calandria, Lower part 4: Karıştırma kanalı 5: Buhar seperatörü

Ürün boru iç yüzeylerinden ince bir film halinde inerken ısınır Ürün boru iç yüzeylerinden ince bir film halinde inerken ısınır. Ürünün borularda kalış süresi yaklaşık 1 dk. Film kalınlığı ise 0,1 mm kadardır.evaporatörün altında toplanan ürün buhar karışımı bir ayırıcıya gönderilir. Konsantratın kıvamı yeterli değilse tekrar sirküle ettirilir yada ikinci üniteye gönderilir.

Üzüm suyunun evaporasyonunda kullanılan 5 etkili düşen film evaporatör

Zorlamalı sirkülasyonlu evaporatörler Viskozitesi yüksek ürünlerde doğal sirkülasyonla evaporasyon ekonomik değildir.Hızlı ısı aktarımı ve yüksek verim ancak hızlı sirkülasyonla elde edilebilir.0,3-1 m/sn olan ürün hızı bu sistemle 1,8-5,4 m/sn ye yükseltilir.

Boru içindeki ürünün aşırı ısınmasına karşın bir kaynama olmaz Boru içindeki ürünün aşırı ısınmasına karşın bir kaynama olmaz. Evaporasyon boru içinde gerçekleşmez.çünkü sistem dolu ve basınç altındadır. Bu yüzden boru ısıtma yüzeyinde film oluşturmaz. A:Ürün B: Buhar C:Konsantrat D:Isıtma sistemi E: Kondensat Isı değiştirici Flash Vessel (Separator) sirkülasyon pompası Konsantrat pompası

1-3 sn içinde kaynama ısısına yükselen ürün ayırıcıya geldiğinde brüde ve konsantrat karışımıdır. Ayırıcı yüzeyinde yansıtıcı yüzeyle karşılaşan konsantrat yüzeye çarparak aşağı iner.

Çeşitleri vardır. En önemlisi zorlamalı aşağı akışlı olanıdır Çeşitleri vardır. En önemlisi zorlamalı aşağı akışlı olanıdır. Bu 2 üniteli ve geri beslemelidir. Domates suyunun salçaya konsantrasyonunda yaygın olarak kullanılır.

Flash evaporatörler Özellikle yüksek viskoziteli olduğu için film haline getirilemeyen yada konsantrasyon ilerledikçe yoğunluğu çok yükselen ürünlerin konsantrasyonunda yaygın olarak kullanılır. Ör:Üzüm,elma gibi meyve suyu ve meyve pulpu konsantrasyonunda,salça üretiminde

98-99 Cye ısıtılan ürün bir pompa ile evaporatöre pompalanır 98-99 Cye ısıtılan ürün bir pompa ile evaporatöre pompalanır. Ürüne bir enjektörle 0,5 sn gibi kısa sürede 150 C de temiz buhar püskürtülür. Çok kısa sürede kaynayarak brüde konsantrat karışımına dönüşen ürün ayırıcıya girdiği anda ayırıcıdaki basınç düşüklüğü nedeniyle aniden buharlaşır. Buna flashing denir.

Karıştırmalı veya sıyırmalı film avaporatörler Dıştan buharla ısıtılan ceketli,silindirik,uzun ve dikey görünümlüdür.Gövde içinde motorla hareket ettirilen bir rotor bulunur. Rotor üzerindeki kanatcıklar dönüş hareketi sırasında ürünü gövde iç yüzeyine bir film halinde yayarlar.

Ürün evaporatöre üstten girer Ürün evaporatöre üstten girer. Santrifüj kuvvet etkisiyle ürün çok kısa sürede evapore olur. Brüde gövde içinde yukarı yükselirken ürün yerçekimi kuvveti etkisiyle iç yüzeyden sıyrılarak aşağı iner. Ürün karışımı ayrıcıya gönderilir ve karışan brüde ayrılır.

Ürün evaporatörde çok kısa süre kalır Ürün evaporatörde çok kısa süre kalır.Örn:%12 KMli meyve suyu 30 sn de %72 Km içeriğine yükselir

Spiral evaporatörler Isıtıcı borulat spiral sargı şeklinde ürün içinde tabana kadar sarkıtılmıştır.Buhar borular içinde kondanse olur.fiyatı ucuzdur. Domates salçası,ketçap gibi ürünlerin ön koyulaştırılmasında kullanılır. Yüksek kapasitelileri şeker kristalizatörlerinde buharlaştırıcı olarak kullanılır.

Plakalı Tip Evaporatörler Plakalı tip düşen film evaporatörlerde akışkanın dağılımı, plaka paketinin bir ucundan diğerine uzanan iki boru vasıtası ile gerçekleştirilebilmektedir. Her bir plaka için adı geçen ve içinde ince film tabakası şeklinde ürünün aktığı boruların plakalar ile birleştiği kısımlarda her plakaya yerleştirilmiş sprey meme (nozzle)'ler, ürünün eşit şekilde dağılmasını sağlamaktadırlar

Plakalı tip evaporatör 1.Sprey nozzle dağıtıcı başlık 2.Buhar seperatörü

Dağıtım esnasında oluşabilecek ani buharlaşmadan sakınabilmek için koyulaştırılacak ürün, sisteme buharlaşma sıcaklığında verilmelidir. Bu sistemde ısıtıcı yüzey üzerinden ince bir film tabakası şeklinde geçen ürünün su içeriği hızlı bir şekilde buharlaştırılmaktadır. Evaporatörün çıkışına yerleştirilmiş olan buhar seperatörünün görevi ise konsantre edilmiş sıvıdan buharı ayırmaktır.

Evaporasyon işleminin ilerlemesi ile akışkan hacmi azalırken, buhar hacmi artmaktadır. Ortamdaki buhar hacmi kullanılabilen alanı aşacak olursa buharın hızında da bir artış meydana gelmekte ve bunun sonucu olarak yüksek basınç damlaları oluşmaktadır. Sonuç olarak ısıtıcı buhar ile ürün arasında daha yüksek bir sıcaklık farkına ihtiyaç duyulur. Yine buhar hacmi arttıkça buharın kullanılabileceği alanın da artırılması gerekir

Optimum evaporasyon şartlarının sağlanabilmesi, film tabakası şeklindeki ürünün ısıtıcı yüzey boyunca eşit kalınlıkta akması ile mümkün olabilmektedir. Isıtıcı yüzeyden aşağı doğru inen sıvının mevcut hacmi giderek azaldığından, film kalınlığının değişmezliğini muhafaza edebilmek için ısıtıcı yüzey genişliği azaltılmalıdır. Bu teknik özelliğin yerine getirildiği plakalı tip düşen film evaporatorunün dizaynı Şekil de verilmiştir. Bu sistemde çok düşük sıcaklıkta koyulaştırma işlemi gerçekleştirilebilmektedir.

Koyulaştırılacak ürünün düşen film evaporatörlerde kalma süresi diğer tip evaporatörler ile karşılaştırıldığında çok daha kısadır. Evaporatördeki sıcaklık ve süre kombinasyonları ürün üzerindeki termal etkiyi belirleyen ana unsurlardır. Buna bağlı olarak, daha düşük sıcaklıkta kullanılması, ürünün sistemde kalma süresinin daha kısa olması gibi avantajları nedeniyle düşen film evaporatörleri, ısıya karşı duyarlı olan süt ürünlerinin koyulaştırılması için en uygun evaporatör tipi olarak ortaya çıkmaktadır

Konik yüzeyli (santrifüj) evaporatörler Pahalıdır. Ürün bir dağıtım borusundan üstten giriş yapar ve merkezden aşağı doğru inerken plaka iç yüzeylerine dağılır. Isıtıcı buhar evaporatöre alttan verilir. Plakalar 700 d/dk ile dönerken ürün kısa sürede ısınır. Plaka deliklerinden plaka ceketine girerek dolaşan ürün yoğuştuktan sonra santrifüj kuvvet etkisi ile buhar giriş deliklerinden uzaklaşır.evaporatörün alt kısmından dışarı alınır.

Plakaların altında toplanan konsantrat bir boru yardımıyla evaporatörün üstünden dışarı alınır. Ürün evaporatörde 1 sn den daha az kalır.