Для выпаривания под вакуумом применяют специальные вакуум-выпарные аппараты с герметизированными емкостями, обслуживаемые насосами и конденсаторами, создающими разрежение, необходимое для поддержания заданной температуры кипения выпариваемой смеси - температуры выпаривания.
Общим для всех вакуум-выпарных аппаратов является наличие шести в какой-то мере обособленных устройств: теплообменника (калоризатора) для нагревания выпариваемой жидкости до температуры кипения; испарителя, в котором пар отделяется от выпариваемой жидкости; циркуляционного контура для организованного, конвективного или вынужденного перемещения выпариваемой жидкости в аппарате; конденсатора для конденсации неиспользованного вторичного пара; насоса для удаления конденсата; насоса (насосов) для удаления воздуха из аппарата через конденсатор.
Техника вакуумного выпаривания молока разнообразна. Известно много разновидностей вакуум-выпарных аппаратов, легко систематизируемых по тем или иным признакам в связи с требованиями технологии, эксплуатации, экономичности.
Современные вакуум-выпарные аппараты периодического и непрерывного действия без использования и с использованием вторичного пара работают при остаточных давлениях около 0,01-0,04 МПа. По способу наполнения они делятся на циркуляционные(объемные), которые работают заполненными выпариваемой жидкостью до объема, равного примерно 0,6 объема испаряемой ими влаги в час. При этом создаются условия для естественной или искусственной циркуляции жидкости в процессе выпаривания; пленочные, в которых выпариваемая жидкость нагревается при движении ее по поверхности теплообмена пленкой толщиной 2-10 мм.
При выпаривании из пленки продолжительность теплового воздействия на молоко при сгущении сокращается, в результате чего лучше сохраняются исходные свойства молока, обеспечивается синхронность и поточность процесса в целом. Геометрические формы поверхностей теплообмена вакуум-выпарных аппаратов представляют собой трубы, пластины, полусферы, усеченные конусы. В целях экономии тепловой энергии на выпаривание аппараты конструируются многокорпусными и с тепловыми насосами, что позволяет использовать теплоту вторичного пара. При многокорпусном выпаривании по мере повышения концентрации продукта при перемещении его из корпуса в корпус температуры сгущения снижаются, благодаря чему полнее сохраняются исходные свойства молока.
Как оптимальные при многокорпусном выпаривании приняты следующие средние температурные режимы: в одну ступень - около 60°С, в две ступени - 60°С (1-я ступень), 50°С (2-я ступень), в три ступени - 70°С (1-я ступень), 60°С (2-я ступень), 50°С (3-я ступень), в четыре ступени - 83°С (1-я ступень), 70°С (2-я ступень), 60°С (3-я ступень) и 48°С (4-я ступень).
Вакуум-выпарной аппарат выбирают в зависимости от свойств выпариваемых жидкостей, условий их выпаривания и технологических режимов.
На основании производственного опыта и рекомендаций исследователей выявлено, что требованиям технологии сгущенных молочных консервов отвечают двухкорпусные циркуляционные вакуум-выпарные аппараты периодического действия с тепловым пароструйным насосом производительностью не менее 8000 кг испаренной влаги в час.
Пленочные непрерывнодействующие многокорпусные вакуум-выпарные аппараты с тепловым пароструйным насосом производительностью 6000-15000 кг испаренной влаги в час; вакуум-выпарные аппараты с пластинчатыми калоризаторами, двух- и трехкорпусные, непрерывного действия производительностью 3000-6000 кг испаренной влаги в час.
В литературе имеются данные о модернизации двухкорпусного циркуляционного вакуум-выпарного аппарата, заключающейся в дополнительной установке вытеснителей в калоризаторах. Условия его работы аналогичны работе вакуум-выпарных аппаратов с пластинчатыми калоризаторами. Кольцевой поток выпариваемой молочной смеси вязкостью 20-30 мПа•с, толщиной слоя около 10 мм при скорости движения 3 м•с-1 имеет ламинарный режим Re = 3•0,01•1200/0,03 = 1200 < 2200. Неизбежными последствиями такого режима движения выпариваемой жидкости около поверхности нагрева будут уменьшение общего коэффициента теплопередачи и увеличение пригара со всеми последствиями этого явления. Для обеспечения циркуляции необходим насос, усложнится мойка калоризатора.
В циркуляционных вакуум-выпарных аппаратах циркуляционный контур следует освобождать от гидравлических сопротивлений, а не вводить дополнительные, как это предложено.
Скорости движения жидкости в циркуляционно-нагревательных трубках диаметром 30-40 мм, достигающие при естественной циркуляции 2-3 м•с-1, достаточны для теплообмена и легко регулируются удельной тепловой нагрузкой. Увеличить производительность на 5-10 % можно при хорошо организованной эксплуатации действующих циркуляционных вакуум-выпарных аппаратов и без введения вытеснителя.
Нержавеющая сталь как материал для изготовления вакуум-выпарных аппаратов вполне оправдывает себя по технологическим и санитарно-техническим требованиям. Для совершенствования аппаратов необходимо: облегчение конструктивных деталей, уменьшение количества резких поворотов на пути движения обрабатываемых и рабочих жидкостей, ограничение высоты до 5-6 м. Аппараты нуждаются во вспомогательных устройствах, обеспечивающих удобство их обслуживания; для измерения концентрации сгущаемых смесей в потоке необходима разработка надежного плотномера, дающего более точные сигналы для возврата недосгущенной смеси в аппарат.
Необходимо расширить и углубить теоретические исследования работы многокорпусных пленочных вакуум-выпарных аппаратов, используемых в молочной промышленности.