Томат-пасту варят в вакуум-аппаратах под давлением 6,6—14,6 кн/м2 (вакуум 710—650 мм рт. ст.).
Температура кипения томатной массы составляет при этом 40—50° С вместо 100—101° С при уваривании под атмосферным давлением. Выпаривание под вакуумом происходит практически при отсутствии воздуха. Благодаря низкой температуре кипения и отсутствию контакта продукта с кислородом при выпаривании в вакуум-аппаратах хорошо сохраняются витамины, красящие вещества и другие ценные составные части сырья и поэтому сваренная в вакуум-аппаратах томат-паста отличается высоким качеством.
Пониженная температура кипения томатной массы под вакуумом позволяет в ряде случаев применить для обогрева вакуум-аппаратов пар низкого давления (соковые пары, выделяющиеся из томатной массы при кипении), что дает значительную экономию пара.
На разных стадиях уваривания томатной массы при выработке томат-пасты применяют следующую аппаратуру.
Аппараты открытого типа. Ими иногда пользуются на первых стадиях уваривания, когда томат-пасту вырабатывают без стерилизации. Высокая температура кипения томатной массы в чанах обеспечивает уничтожение микроорганизмов. Процесс ведут непрерывно, поддерживая постоянный уровень массы в чане. Масса, уваренная до содержания сухих веществ 8—9%, все время отбирается для дальнейшего выпаривания в вакуум-аппаратах. Количество отобранной массы и выпаренной влаги компенсируется непрерывным доливом свежей томатной массы. Соковые пары, отходящие от выпарных чанов, используются для обогрева вакуум-аппаратов.
Вакуум-аппараты. Вакуум-аппараты, обогреваемые змеевиками. Эти аппараты имеют сравнительно небольшую поверхность нагрева и в стоящее время используются редко.
Вакуум-аппараты с трубчатой поверхностью нагрева. Трубчатый концентратор, изготовленный из меди, имеет цилиндрический корпус и конусное дно и служит для уваривания томатной массы до содержания сухих веществ 15—18%. Греющая камера этого аппарата выполнена в виде вертикальных трубок. В трубках находится увариваемая масса, в межтрубном пространстве — греющий пар.
Концентратор снабжен вертикальной циркуляционной трубой. Удельная поверхность нагрева трубок (поверхность, приходящаяся на единицу объема продукта) значительно превышает удельную поверхность циркуляционной трубы. Поэтому при работе аппарата в трубках образуется больше пара, и, следовательно, плотность смеси томатной массы и пара в трубках будет меньше, чем в циркуляционной трубе. Под напором более тяжелой массы, опускающейся вниз по циркуляционной трубе, масса в трубках движется вверх, пары отделяются и отводятся из аппарата, а томатная масса переливается в циркуляционную трубу.
Трубчатый концентратор имеет очень большую поверхность нагрева — около 100 м2. Поэтому высокая испарительная способность аппарата обеспечивается даже при небольшом температурном перепаде между греющим паром и увариваемой массой (15—20° С).
Давление в концентраторе составляет 12—14 кн/м2 (вакуум 670—650 мм рт. ст.) и температура кипения томатной массы порядка 50° С. В греющей камере аппарата давление 28—34 кн/м2 (вакуум 550—500 мм рт. ст.) и температура греющего пара 65—70° С.
Возможность обогрева аппарата паром низких параметров создает условия для использования вторичного пара, например сокового. Можно работать и иначе — с инжекцией сокового пара пароструйным тепловым насосом (инжектором). Часть соковых паров (40—50%) отводится в конденсатор, а остальная засасывается острым паром давлением 784—981 кн/м2 (8—10 ат) в инжектор, откуда пар, имеющий требуемую температуру 65—70° С, поступает в греющую камеру концентратора. Благодаря использованию сокового пара удельный расход острого пара на 1 кг выпаренной влаги падает с 1,1—1,2 до 0,5—0,6 кг.
Трубчатый концентратор может работать непрерывно. С этой целью два трубчатых концентратора монтируют в двухкорпусную батарею, работающую без тепловых насосов. В корпусах поддерживается разный вакуум, благодаря чему имеется возможность обогрева второго аппарата соковым паром первого.
Давление в паровом пространстве первого корпуса составляет 19,6—39,2 кн/м2 (0,2—0,4 ат), что соответствует температуре пара 104—108° С. Для обогрева первого корпуса может быть применен соковый пар выпарных чанов, имеющий температуру около 100° С.
В первом корпусе давление 61—48 кн/м2 (вакуум 300—400 мм рт. ст.), температура кипения массы 80—85° С. Такую же температуру имеет соковый пар, направляемый для обогрева второго корпуса. Выпаривание во втором корпусе ведется при давлении 21— 15 кн/м2 (вакуум 600—650 мм рт. ст.) и температуре кипения массы 50—60° С. Соковый пар из второго корпуса полностью отводится в конденсатор.
Установка работает по принципу прямотока. Томатная масса непрерывно засасывается из сборника в первый корпус, откуда также непрерывно переходит во второй корпус благодаря разности давления в корпусах.
Концентрация сухих веществ в томатной массе после выпаривания в первом корпусе составляет 8,5—10%, а после второго корпуса — 15—18%. Из второго корпуса масса непрерывно отбирается для дальнейшего уваривания.
Трубчатые концентраторы рассмотренного типа отличаются высокой производительностью и хорошими теплотехническими показателями работы. Недостатком этих аппаратов является то, что они изготовлены из меди.
Вакуум-аппараты из нержавеющей стали с трубчатой поверхностью нагрева различных конструкций установлены на импортных томатных линиях — итальянской («Манзини»), югославской («Единство»), венгерской («Ланг»), французской («Сифаль»).
Вакуум-аппарат с выносной поверхностью нагрева отечественной конструкции ВН. Аппарат ВН изготовлен из нержавеющей стали. Он состоит из вертикального трубчатого кипятильника и сепаратора. В кипятильнике с поверхностью нагрева 60 м2, обогреваемом паром давлением 19,6 кн/м2 (0,2 ат), происходит испарение влаги: Сверху и снизу кипятильник сообщается с сепаратором.
Циркуляция массы в аппарате обусловлена разностью гидростатических давлений в сепараторе, в котором находится томатная масса, и в кипятильнике, где образуется смесь этой массы с парами. Поднимаясь по трубкам кипятильника вверх, масса поступает с большой скоростью в сепаратор, где отделяется от пара, а затем снова направляется в кипятильник. Соковые пары отводятся из сепаратора в конденсатор. Установку иногда оборудуют циркуляционным насосом, который непрерывно перекачивает массу из сепаратора в кипятильник.
Выпаривание в аппарате ВН происходит при температуре кипения массы около 50° С. Для интенсификации выпаривания в аппарат подают массу температурой 80° С, что вызывает эффективное самоиспарение влаги, которое способствует циркуляции массы и ускоряет уваривание.
Испарительная способность аппарата 43—85 кг/м2-ч).
Аппараты ВН выпускают с циркуляционным насосом и без него. При работе без насоса продукт можно уваривать до концентрации 24% сухих веществ. Циркуляционный насос позволяет получить готовый продукт концентрацией 30% сухих веществ.
Вакуум-аппарат «Буфловак» устроен аналогично аппарату ВН, но установка, кроме конденсатора, оборудована двухступенчатым паровым эжектором, позволяющим довести давление до 8 кн/м2 (разрежение 700 мм рт. ст.).
Двутельный вакуум-аппарат. Двутельные вакуум-аппараты, оборудованные мешалкой, используют на конечных этапах процесса выпаривания для обработки густой массы, содержащей свыше 20% сухих веществ.
Аппарат этого типа имеет сферическую форму. Давление греющего пара 294 кн/м2 (3 ат). Аппарат работает под давлением = 15—12 кн./м2 (разрежение 650—670 мм рт. ст.). Соковые пары полностью отводятся в конденсатор. Аппарат снабжен четырехлопастной мешалкой, сидящей на горизонтальном валу и делающей от 4 до 12 оборотов в минуту. Томатную массу можно уварить в таком аппарате до концентрации сухих веществ 35%.
Двутельный вакуум-аппарат ВНИИКОП-2 изготовлен из нержавеющей стали. Он имеет цилиндрический корпус с днищем в форме шарового сегмента. Обогрев производится паром давлением 294 кн/м2 (3 ат). Аппарат оборудован якорной мешалкой, сидящей на вертикальном валу.
Двутельные вакуум-аппараты имеют сравнительно небольшую поверхность нагрева и отличаются низкими теплотехническими показателями работы.
Вакуум-аппарат с концентрически расположенной поверхностью нагрева. Этот аппарат состоит из шести полых вертикальных цилиндров, расположенных один внутри другого и размещенных в общем корпусе. В полостях между цилиндрами чередуются увариваемая масса и пар, разделенные стенками цилиндров. Пар используется низких параметров (температурой 80—85° С). Аппарат снабжен мешалкой, сидящей на вертикальном валу. Лопасти мешалки находятся между цилиндрами. Томатная масса уваривается в таком аппарате до концентрации сухих веществ 30%. Поверхность нагрева у рассматриваемых аппаратов 16 м2, что значительно больше, чем у двутельных аппаратов (2,6 м2).
Выпарные установки системы «Ланг» и «Манзини» состоят из трех вакуум-аппаратов, изготовленных из нержавеющей стали. Все аппараты имеют форму вертикального цилиндра.
Греющая камера первых двух корпусов состоит из вертикальных трубок диаметром 33 мм в I корпусе и 45 мм во II, в который поступает более густая масса. Имеются также модели установок «Манзини», в которых I корпус оборудован выносной греющей камерой.
Она выполнена в виде горизонтального двухходового трубчатого теплообменника, расположенного под корпусом, играющим роль сепаратора, в котором отделяются соковые пары. Циркуляция массы из корпуса в теплообменник осуществляется центробежным насосом. III корпус установки имеет греющую камеру, состоящую из концентрически расположенных вертикальных цилиндров.
Томатная масса проходит непрерывным потоком через все аппараты установки. При этом ее концентрация постепенно повышается, достигая после III корпуса 30% сухих веществ. Переход томатной массы из I корпуса во II осуществляется за счет разности давления в этих корпусах, а из II в III и из III корпуса на расфасовку — при помощи насоса. При перекрытии крана масса из III корпуса возвращается по обводной трубке во II.
Обогрев I корпуса производится острым паром, а II и III — соковым паром I корпуса. Температура сокового пара I корпуса 75—80° С, температура кипения массы во II и III корпусах — порядка 40° С. Соковый пар из II и III корпусов отводится в конденсатор.
Схема автоматического регулирования концентрации томат-пасты на выходе из вакуум-выпарной установки. Третий корпус обслуживается мощным насосом, подающим увариваемую массу на рециркуляцию по трубе, на которой установлен электронный рефрактометр. Включенный в схему насос через клапан также подает томатную массу на рециркуляцию. Когда концентрация сухих веществ в продукте достигает 30%, рефрактометр получает импульс и передает его на автоматический кран, который открывается, выпуская подаваемую насосом томатную пасту на расфасовку.
Новая линия «Ланг» большой мощности (12,5 т сырья в час) обслуживается трехкорпусной вакуум-вынарной установкой. I корпус состоит из двух калоризаторов с поверхностью нагрева 55 м2 каждый и одного общего сепаратора. В аппарате поддерживается давление 61—47 кн/м2 (вакуум 300—400 мм рт. ст.). Томатная паста уваривается в I корпусе до 13—15% сухих веществ.
Во избежание пригорания томатной массы в межтрубном пространстве калоризатора поддерживается температура 92—100° С.
II и III корпусы установки трубчатые с поверхностью нагрева соответственно 67 и 52 м2. Оба корпуса обслуживаются общим сепаратором, разделенным наклонной перегородкой на две части. В обоих корпусах поддерживается давление 8 кн/м2 (вакуум 700 мм рт. ст.), а обогрев производится соковым паром I корпуса. Во II корпусе осуществляется естественная циркуляция массы, которая уваривается до 24—26% сухих веществ. В III корпусе циркуляция принудительная (при помощи насоса). 30%-ная томат-паста откачивается из III корпуса насосом и подается на расфасовку.
На линии «Единство» малой мощности установлены два вакуум-аппарата с выносной поверхностью нагрева, которые смонтированы в двухкорпусную батарею и работают непрерывно. I корпус обогревается острым паром, II — соковым паром I корпуса. Окончательное доваривание продукта производится в двух параллельно включенных вакуум-аппаратах с двутельной поверхностью нагрева, работающих периодически.
Установка «Единство» большой мощности состоит из двухкорпусной батареи вакуум-аппаратов с выносной поверхностью нагрева, работающих непрерывно и выдающих готовый продукт (30%-ную томат-пасту).
Вакуум-выпарная установка «Титан» фирмы «Манзини» (Италия) состоит из одного корпуса, в котором выпаривание осуществляется в две стадии. Томатная пульпа поступает в зону А с трубчатой поверхностью нагрева и уваривается под давлением 8—7 кн/м2 (вакуум 700—710 мм рт. ст.) при температуре кипения 40—42° С.
Из зоны А томатная масса стекает самотеком к насосу, которым подается в зону В, имеющую греющую камеру, выполненную в виде концентрически расположенных цилиндров. Уваривание в зоне В идет при перемешивании массы вертикальной мешалкой и искусственной циркуляции, создаваемой насосом. Температура кипения массы в зоне В составляет 60—62° С.
Обогрев в зоне В идет насыщенным паром, который получен из перегретого пара и имеет температуру 92— 95° С. Зона А обогревается соковым паром зоны В.
Уваренная масса разгружается из зоны В через клапан, работа которого регулируется автоматическим рефрактометром.
Установка выпускается нескольких, моделей производительностью от 2500 до 12 500 кг томатной пульпы в час и может выдавать томат-пасту концентрацией 28—30 или 40—42% сухих веществ.
Установка «Сифаль» первой модификации состоит из трех последовательно включенных вакуум-аппаратов с выносной поверхностью нагрева. Трубчатый кипятильник I аппарата расположен горизонтально, II и III — вертикально. I корпус обогревается острым паром, II и III корпусы — соковым паром I корпуса. Давление в аппаратах следующее (в кн/м2): в I — 40—35, во II — 13—11, в III — 10—8 (вакуум в мм рт. ст. соответственно 460—495; 660— 677; 685—700).
Томатная масса проходит непрерывным потоком через аппараты и уваривается в I корпусе до 9—12% сухих веществ, во II —до 19—23, в III — до 30%. III корпус обслуживается циркуляционным насосом.
Установка второй модификации состоит из трех вакуум-аппаратов с вертикально расположенными выносными кипятильниками. I корпус оборудован инжектором, позволяющим работать с термокомпрессией соковых паров. Соковый пар I корпуса, имеющий температуру 60—65° С, идет для обогрева II и III корпусов.
Температура кипения продукта во II корпусе составляет 50—53° С, а в III — 48—50° С. Во II и III корпусах осуществляется искусственная циркуляция выпариваемой массы.
Конденсатор. Для создания разрежения и отвода соковых паров вакуум-выпарные установки томатных линий оборудуют смешивающим барометрическим конденсатором и суховоздушным насосом.
Барометрический конденсатор состоит из собственно конденсатора, барометрической трубы и бассейна. Внутри конденсатора имеются тарельчатые дырчатые перегородки, расположенные горизонтально в шахматном порядке.
Соковые пары из вакуум аппарата поступают по трубе в конденсатор поднимаются вверх и конденсируются на своем пути холодной водой (15°С). Охлаждающая вода поступает из бака благодаря вакууму, создаваемому в конденсаторе воздушным насосом.
Барометрическая труба имеет высоту порядка 10,33 м, в связи с чем атмосферное давление не может поддержать столба находящейся в ней жидкости, и охлаждающая вода вместе с конденсатом уходит из конденсатора самотеком. Отработанную воду можно охладить на градирне до температуры окружающего воздуха и, добавив 8—10% свежей воды с целью более полного охлаждения, повторно использовать ее для обслуживания конденсатора.
При пуске в работу вакуум-выпарной установки сначала создают разрежение в конденсаторе. Для этого подают воду в питающий бак и сборник, создавая гидравлический затвор. Затем включают воздушный насос, отсасывая воздух из конденсатора. Далее сообщают конденсатор с вакуум-аппаратом, создавая разрежение, после чего засасывают массу в аппарат и, пустив пар, начинают процесс выпаривания.
Для остановки аппарата прекращают долив массы, выключают подачу пара, отключают конденсатор и впускают в аппарат воздух. Вакуум можно нарушить путем накопления в аппарате соковых паров. Для этого, не выключая подачи пара, закрывают задвижку на трубе для отвода соковых паров в конденсатор.
Для обслуживания выпарных станций томатных линий применяют также конденсаторы, в которых вода и соковый пар подаются прямотоком. Вода засасывает соковый пар и конденсирует его, проходя сверху вниз по внутренней конусообразной, сужающейся книзу трубе конденсатора. Высота установки такого конденсатора сравнительно небольшая (около 5 м), и вода самотеком уйти не может, поэтому для ее отсасывания используют центробежный насос. Для удаления воздуха из конденсатора применяют суховоздушный насос или паровой эжектор. Конденсатор оборудуют поплавковым клапаном, нарушающим разрежение в случае переполнения конденсатора водой.