Eindampfung

Definition

Definition Eindampfung ist ein thermisches Verfahren, bei dem eine Suspension oder eine Lösung durch Entzug von Wasser bzw. Lösungsmittel aufkonzentriert wird.

Einsatzgebiete in der Lebensmittelindustrie

Eindampfung ist in vielen Herstellungsprozessen der Lebensmittelindustrie ein wichtiger Verfahrensschritt. Je nach Herstellungsverfahren sind andere Prozessschritte vor- und nachgeschaltet. Bei den folgenden Prozessen ist die Eindampfung einem Trocknungsprozess vorgeschaltet:

• Milchpulverherstellung

In diesen Prozessen finden sich die drei Grundprozesse Extraktion, Eindampfung und Trocknung:

• Zuckerherstellung
• Instant-Kaffepulverherstellung

In diesen Prozessen ist die Eindampfung der Extraktion nachgeschaltet:

• Bierherstellung
• Malzextrakt

Für die Herstellung von Fruchtsaftkonzentraten

• Apfelsaft
• Orangensaft etc.

Auch für die Entalkoholisierung werden "Eindampfanlagen" eingesetzt. Bei der Trennung von 2 Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Siedepunkt (Bier und Alkohol) handelt es sich um den Prozess der Destillation, der sich von der Eindampfung unterscheidet.

Massenbilanz eines Verdampfers

Aufgabe <1> a) Berechnen Sie wie viel Wasser verdampft werden muss um 2 kg Zuckerlösung von 20 Mas.-% auf 50 Mas.-% aufzukonzentrieren. b) Wie viel Energie (Wärmemenge) wird benötigt, um diese Wassermenge zu verdampfen? c) Als Energieträger wird Dampf verwendet. Wie viel Dampf wird benötigt?

Aufgabe <2> In einem Verdampfer sollen 1300 kg/h Lösung mit einem Feststoffgehalt von 25 % auf einen Feststoffgehalt von 55 % aufkonzentriert werden. a) Errechnen Sie wieviel Konzentrat Sie erhalten und wieviel Wasser verdampft werden muss. b) Erstellen Sie eine Skizze für eine einstufige Eindampfung, in der Sie die Massenströme in kg/h für die Lösung, das Konzentrat und den entstehenden Dampf eintragen. c) Erstellen Sie für den Verdampfer ein Grundfließschema mit Zusatzinformationen (Massenströme). Berücksichtigen Sie auch den Heizdampf und das Heizdampfkondensat.

Aufbau und Funktionsweise von Verdampfern

Definition:

Ein Verdampfer wird in der Industrie genutzt, um Flüssigkeiten (z.B. Lösungen) mit einer niedrigen Konzentration durch Zufuhr von Wärme zu erhitzen und einen Teil der dort enthaltenen Flüssigkeit (Brüden) zu verdampfen, um ein Endprodukt mit höherer Konzentration zu erhalten (z.B. Orangensaft – Orangensaftkonzentrat).

Energiebedarf

Eine Eindampfanlage benötigt viel Energie. Diese Energie wird mit Heizdampf zugeführt, der dabei kondensiert. Die dabei abgegebene Kondensationswärme wird zur Verdampfung eines Teils des Lösungsmittels verwendet. Da die spez. Verdampfungswärme und die spez. Kondensationswärme annähernd gleich sind, benötigt man etwa genauso viel Heizdampf, wie Wasser aus der Lösung verdampft werden soll. Für eine einstufige Anlage werden überschlägig 10 % mehr Heizdampf benötigt, bezogen auf die zu verdampfende Wassermenge.

Funktionsprinzip einer industriellen Verdampferanlage in der Lebensmittel/Chemiebranche

• die zu konzentrierende Lösung wird in-/durch z.B. Rohrbündel oder Plattenwärmetauscher den sogenannten Wärmeübertragungsbereich geleitet (innen)
• das Heizmedium (Heizdampf) wird ebenfalls in den Wärmeübertragungsbereich geleitet aber um die Lösung herum (indirekt)
• durch die Erhitzung verdampft ein Teil der enthaltenen Flüssigkeit
• der Lösungsmitteldampf (Brüden) wird separat abgeleitet und bei mehrstufigen Anlagen als Heizdampf für die nächste Stufe weiter verwendet
• das gewonnene Konzentrat wird ebenfalls abgeleitet (dis-/kontinuierlich) oder bei einer mehrstufigen Verdampfungsanlage im nächsten Verdampfer weiter aufkonzentriert

Energiebedarf

Eine Eindampfanlage benötigt viel Energie. Diese Energie wird mit Heizdampf zugeführt, der dabei kondensiert. Die dabei abgegebene Kondensationswärme wird zur Verdampfung eines Teils des Lösungsmittels verwendet. Da die spez. Verdampfungswärme und die spez. Kondensationswärme annähernd gleich sind, benötigt man etwa genauso viel Heizdampf, wie Wasser aus der Lösung verdampft werden soll. Für Überschlagsrechnungen kann angenommen werden, dass in einer einstufigen Anlage 10 % mehr Heizdampf benötigt wird, bezogen auf die zu verdampfende Wassermenge (Brüden). Um die Masse an Heizdampf zu berechnen wird also die Masse an Brüder mit dem Faktor 1,1 multipliziert.

Grundfließbild mit Zusatzinformationen eines einstufigen Verdampfers

Aufgabe <3> Eine Lösung strömt mit 1300 kg/h in einen einstufigen Verdampfer. Die Lösung hat eine Anfangskonzentration von 25% und soll auf 55% aufkonzentriert werden. Berechnen Sie die Massenströme für Konzentrat, Brüden, Heizdampf und Heizdampfkondensat und stellen Sie Ihre Ergebnisse in einem Grundfließbild mit Zusatzinformationen dar.

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Funktionsprinzip einer mehrstufigen Verdampferanlage

Bei einer mehrstufigen Verdampferanlage sind mehrere Verdampfer hintereinander geschaltet. Die Lösung, die aufkonzentriert werden soll, durchläuft die einzelnen Verdampfer nacheinander und wird dabei von Stufe zu Stufe mehr aufkonzentriert. Der erste Verdampfer wird mit Heizdampf beheizt, während die nachfolgenden Stufen jeweils mit dem bei der Verdampfung entstehenden Dampf (Brüden) des vorgeschalteten Verdampfers beheizt werden. Für eine 3-stufige Anlage gilt:

• der 1. Verdampfer funktioniert wie ein einstufiger Verdampfer
• anders als beim einstufigen wird nun der Brüdendampf als Heizdampf für den 2. Verdampfer genutzt und die zum Teil aufkonzentrierte Lösung wird ebenfalls eingeleitet
• im dritten Schritt wird ebenfalls wieder der Brüdendampf des vorherigen Verdampfers als Heizmedium genutzt und die Lösung aus Verdampfer 2, hier wird nun die endgültige Konzentration gewonnen (Endkonzentrat)

Welche technischen Vorraussetzungen müssen gegeben sein, damit der Brüden aus der einen Stufe in der nachfolgenden Stufe als Heizdampf verwendet werden kann?

In einer mehrstufigen Anlage kann der Brüden, der beim Verdampfen entsteht, in der nächsten Stufe als Heizdampf verwendet werden. Weil Wärme nur von höherer Temperatur zu niedriger Temperatur strömt, muss die Temperatur des Heizdampfes höher sein, als die Betriebstemperatur des Verdampfers (Je nach Bauform zwischen 3 und 30 °C). Um das zu erreichen, wird der Druck und damit die Betriebstemperatur abgesenkt, so dass die Brüdentemperatur aus dem vorherigen Verdampfer höher ist, als die Betriebstemperatur des Verdampfers (Die Betriebstemperatur ist gleich der Siedetemperatur bei dem Betriebsdruck (siehe Wasserdampftafel)). Das heißt je niedriger der Druck ist, desto geringer ist die Siedetemperatur.

Animation über die Funktionsweise von verschiedenen Verdampferbauarten

Aufgabe <4> Berechnung des Dampfbedarfes einer mehrstufigen Eindampfung In einer mehrstufigen Eindampfung soll eine Lösung in der 1. Stufe von 20 % auf 30 %, in der 2. Stufe von 30 auf 40 % und in der 3. Stufe von 40 auf 50 % aufkonzentriert werden. a) Berechnen Sie wieviel Heizdampf benötigt wird. b) Berechnen Sie wieviel Heizdampf gegenüber einer einstufigen Eindampfung eingespart werden kann.

Funktionsprinzip einer einstufigen Verdampferanlage mit mechanischer Brüdenkompression

Firmenunterlagen

Fa. Gea Wiegand - Eindampfanlagen