食品工程原理第六章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,物料浓缩,第六章,物料浓缩,6.1,食品浓缩的分类和目的,6.2,蒸发,6.3 冷冻浓缩,6.4 膜分离,物料浓缩,6.1,食品浓缩的分类和目的,浓缩是从溶液中除去部分溶剂的单元操作，是溶质和溶剂部分分离的过程。浓缩过程中，水分在物料内部是借对流扩散作用从液相内部到达液相表面而后除去的过程。按浓缩的原理，分为平衡浓缩和非平衡浓缩两种物理方法。,物料浓缩,平衡浓缩是利用两相分配上的某种差异而获得溶质和溶剂分离的方法，如蒸发浓缩和冷冻浓缩。蒸发浓缩是利用溶质和溶剂挥发度的差异，用加入热能的方法使溶剂汽化并将其从液相中分离出去而使料液浓缩，而溶质则为非挥发性的，从而获得一个有利的气液平衡条件，达到分离目的。其加热介质一般为水蒸气。冷冻浓缩是利用稀溶液与固态溶剂在凝固点下的平衡关系，即利用合适的固液平衡条件，使水溶液中的一部分溶剂,(,水,),以冰的形式析出，并将其从液相中分离出去而使溶液浓缩，从而达到分离。蒸发浓缩和冷冻浓缩，两相都是直接接触的，故称为平衡浓缩。,物料浓缩,非平衡浓缩是利用半透膜来分离溶质和溶剂，两相用膜隔开，在不同推动力作用下，有选择性地使某些分子通过，使溶液中不同溶质和成分分离，故也称为膜分离。分离不是靠两相直接接触而进行的，故称非平衡浓缩。就操作过程而言，食品的浓缩与分离紧密联系在一起。,物料浓缩,浓缩在食品工业中已得到广泛的应用，其主要目的有以下几点。,浓缩去除食品中大量的水分，减少质量和体积，从而减少食品包装、储藏和运输费用。,提高制品浓度，延长保质期。浓缩使溶液中的可溶性物质浓度增大，尤其是高浓度的糖和盐有较大的渗透压。当渗透压足够从微生物细胞中渗出水分，或能阻碍水分扩散到微生物细胞中，就可有效地抑制微生物的生长，起到防腐，延长保存期的作用。,物料浓缩,作为干燥、结晶或完全脱水的预处理过程。可降低食品脱水过程的能耗。真空浓缩尤其多效真空浓缩，常常是食品干燥的前处理过程。真空浓缩去除水分要比干燥脱水耗能低得多，如喷雾干燥法生产奶粉，要先将牛奶真空浓缩至固形物为,40,50,，然后再进行喷雾干燥，有利于保证制品品质，并降低生产成本。这种处理特别适用于原料液含水量高的情况，用浓缩法排除这部分水分比用干燥法在能量上和时间上更节约。,物料浓缩,改善产品质量。浓缩过程尤其是真空浓缩，物料在浓缩过程处于激烈的湍动状态，可促使物料各组分混合均匀，有利于去除料液中的挥发性成分和不良风味。真空浓缩过程还具有脱气作用，可改善浓缩液的结构特征。如经真空浓缩的牛奶，喷雾干燥过程以获得密度大的奶粉颗粒，这对奶粉的速溶性能尤为重要。但物料在浓缩过程中会丧失某些风味，需引起注意。,物料浓缩,6.2,蒸发,蒸发是食品工业中应用最广泛的浓缩方法之一，具有操作简单，工艺成熟，设备投资低，浓缩效率高等优点。食品工业中浓缩物料大多为溶液，在以后论述中，如果不另加说明，蒸发就是指水溶液的蒸发。食品蒸发浓缩的物料有的是原液，如牛奶、血液；有的是榨出汁，如果汁、蔬菜汁等；也有萃取浸提物，如茶、中草药等。,物料浓缩,6.2.1,蒸发的基本概念,1,蒸发的概念,利用溶质和溶剂之间挥发度的差异，用加入热能的方法使溶剂汽化，而非挥发性的溶质留在溶液中，从而达到分离的目的，所涉及的平衡为汽液平衡。,按照分子运动学说，溶液受热时，溶剂分子获得了能量，当溶剂分子的能量足以克服分子间的吸引力时，溶剂分子就会逸出液面，进入上部空间，成为蒸汽分子，这就是汽化。汽化后生成的蒸汽若不设法排除，则汽液两相间水分的化学势逐渐趋向平衡，使汽化不能继续进行。故进行蒸发的必要条件是热能的不断供给和生蒸汽的不断排除。,物料浓缩,2.,蒸发的流程,如图,6-1,所示，蒸发时原料预热后进入蒸发器。蒸发器下部许多加热管组成加热室，加热蒸汽在加热室的管间冷凝，放出的热量通过管壁传给管内的料液，使料液汽化；经浓缩后的完成液从蒸发器的底部排出。蒸发器的上部为分离室，汽化产生的蒸汽在蒸发器顶部的除沫器中将其夹带的液沫予以分离，然后送往冷凝器被冷凝而除去。,物料浓缩,图6-1 蒸发流程,1.加热室,2加热管,3 中央循环管,4蒸发室,5 除沫器,6 冷凝器,物料浓缩,一般来说，溶液在任何温度下都会有水分的汽化，但只有在沸腾情况下才有较高的汽化速度。食品工业上多采用在沸腾状态下的汽化过程，即蒸发过程。为了维持溶液在沸腾条件下汽化，需要不断地供给热量，通常采用饱和水蒸气为热源。由此从换热角度看，蒸发器的蒸发过程中一侧是水蒸气的冷凝放热，另一侧为溶液的沸腾传热。,物料浓缩,蒸发可以在常压，真空或加压下进行。食品工业上多采用真空蒸发。这主要是由于真空蒸发时溶液沸点较低，有利于最大限度地保护食品中的营养物质。蒸发过程中汽化所产生的水蒸气叫二次蒸汽，以区别作为热源的生蒸汽。排除二次蒸汽最常用的方法是将其冷凝。蒸发操作中，将二次蒸汽直接冷凝而不再利用者，称为单效蒸发。如将二次蒸汽引入另一蒸发器作为热源，进行串联蒸发操作，则称为多效蒸发。而多效蒸发系统中最末一效的二次蒸汽亦被冷凝。因此冷凝器是蒸发系统的重要组成部分。,物料浓缩,3.,食品物料蒸发的特点,料液在蒸发浓缩过程中发生的变化对浓缩液品质有很大的影响。所以在选择和设计蒸发器时要充分认识物料的这一特征。一般来讲，食品物料的蒸发具有如下特性：,物料浓缩,（,1,）热敏性,食品物料多由蛋白质、脂肪、糖类、维生素及其他风味物质组成。这些物质在高温下长时间受热时要受到破坏或发生变性、氧化等作用。所以食品物料的蒸发应严格控制加热温度和加热时间，从食品蒸发的安全性考虑，应力求,“,低温短时,”,，同时考虑工艺的经济性。在确保食品质量的前提下，为提高生产能力，常采用,“,高温短时,”,蒸发。由于料液的沸点与外压有关，在封闭系统中，低压就能降低沸点，所以真空蒸发是食品工业应用的显著特点之一。同时，为了缩短蒸发操作时的加热时间，一方面应尽量减少料液在蒸发器内的平均停留时间，另一方面还应解决局部性的停留时间问题。为了缩短料液在蒸发器中的停留时间，现广泛采用长管式蒸发器和搅拌膜式蒸发器。,物料浓缩,（,2,）腐蚀性,有些食品物料如果汁、蔬菜汁等属于酸性食品，有可能对蒸发设备造成腐蚀。所以在设计或选择蒸发器时应根据料液的化学性质和蒸发温度，选用既耐腐蚀又有良好导热性的材料。,（,3,）粘稠性,许多食品物料含有丰富的蛋白质、多糖、果胶等成分，其粘度较高。随着浓度增大及受热变性，其粘度显著增大，流动性下降，严重影响了传热速率。所以对粘性物料的蒸发，一般要采用外力强制循环或者采取搅拌措施。,物料浓缩,（,4,）结垢性,食品中的蛋白质、糖、果胶等物质受热过度会发生变性、结块、焦化等现象。而在传热面附近，物料的温度最高，在传热壁上容易形成垢层，严重影响了传热速率。解决结垢问题的措施是提高料液流动的速度。或采取有效的防垢措施，如采用电磁防垢、化学防垢，也可采用,CIP,清洗系统与蒸发器配套使用。另外对不可避免的结垢问题，必须有定期的、严格的清理措施。,物料浓缩,（,5,）泡沫性,溶液的组成不同，发泡性也不同。含蛋白质胶体较多的食品物料蒸发时泡沫较多，且较稳定，这会使大量的料液随二次蒸汽导入冷凝器，造成料液的流失。发泡性料液的蒸发，需降低蒸发器内二次蒸汽的流速，以防止跑料，或采用管内流速很大的升膜式或强制循环式蒸发器，也可用高流速的气体来吹散泡沫或用其他的,物理、化学措施消泡。,（,6,）易挥发成分,不少液体食品的芳香成分和风味物质的挥发性较大。料液蒸发时，这些易挥发成分将随蒸汽一同逸出，从而影响浓缩制品的质量。目前较完善的方法是采取措施回收蒸汽中的易挥发成分，然后再掺入制品中。,物料浓缩,6.2.2,单效蒸发,单效蒸发是最基本的蒸发流程，原料在蒸发器内被加热汽化，产生的二次蒸汽引出后冷凝或排空，不再被利用，因食品工业上浓缩的物料都是热敏性的，进行单效蒸发时常采用单效真空蒸发。,物料浓缩,1,蒸发器的温度差损失,蒸发操作的快慢主要取决于蒸发器加热室热交换的换热量,Q,。,与其他换热器一样，蒸发器的换热遵循传热基本方程：,Q=KA,t,。,对一定的蒸发器，换热面积,A,是一定的。以加热蒸汽作为加热介质，传热壁一侧是蒸汽冷凝放热，另一侧是液体沸腾汽化吸热，因而传热系数,K,有一定的取值范围。对传热量,Q,影响最显著的是传热温度差,t。,物料浓缩,若蒸发器加热蒸汽的温度为,T，,加热室料液的沸点为,t,1,，,则换热壁两侧的温度差为,t=T-t,1,一定压强下，料液的沸点较纯水的沸点,T,要高，两者沸点之差称为温度差损失,，,=,t,1,-T,对于同一种料液，沸点升高值随料液浓度及蒸发器内液柱高度而异，浓度越大，液柱越高，沸点升高值越大。,物料浓缩,引起温度差损失的原因有三方面,由于料液中溶质的存在产生的沸点升高而引起；,由于液层静压效应而引起；,由于管路流体阻力而引起。,物料浓缩,（1）由于溶质的存在，使溶液沸点升高,因为溶液的蒸汽压比纯溶剂（水）的蒸汽压低，所以在相同的外压下，溶液的沸点比纯溶剂（水）高，所升高的温度称沸点升高，以,表示。如常压下，,50%,食糖溶液的沸点为,374.8,K,，,则沸点升高,=374.8-373=1.8,K。,表6-1不同浓度下糖液在常压下的沸点升高（,K）,物料浓缩,食品工业上所处理的溶液多为非电解质或胶体溶液，沸点升高较小，可近似参考糖液方面的数据。对非常压下溶液的沸点升高可按吉辛柯公式计算，即,=16.2,（,6-1,）,式中,操作压强下溶液沸点升高，,K；,0,常压下溶液沸点的升高，,K,；,T,操作压强下水的沸点，,K；,r,操作压强下二次蒸汽的汽化热，,J/k,g,。,物料浓缩,（2）由于液层静压效应引起,溶液在蒸发器内常有一定的液层高度，离液面不同深度的溶液受到不同静压力，因而液面下局部沸腾温度高于液面上的沸腾温度，使液层内有效传热温差减小，这种由于液层静压效应造成的温差损失，记作,设液面上方的分离室内的压力为,p,0,。,溶液液层高度为,h,，,溶液密度为,，,液层内部平均压力,p,可按下式求得：,p,=,p,0,+,（,Pa,）,由,p,和,p,0,值，可查得相应的沸点,t,m,和,t,0,，,则由静压效应引起的温度差损失,为,=,t,m,-,t,0,（,6-2,）,通常为近似计算，,t,m,和,t,0,可直接取,p,和,p,0,压力下水蒸气的饱和温度。,物料浓缩,在真空蒸发时，液层静压效应的影响要比常压或加压下蒸发要大，特别是在高真空度下操作的真空蒸发，当液层静压效应显著影响沸腾温度时，底层溶液的沸腾往往受到强烈的抑制，甚至不沸腾，只有当溶液上方流动而达到某一高度以后才开始沸腾，所以生产中，往往采用膜式蒸发器避免这个问题。因为它管长，管内为汽液混合物的两相流动，平均密度小，缓和了静压效应，可不考虑,。,物料浓缩,（3),由于管路流体阻力引起,二次蒸汽由分离室到冷凝器的流动中，在管道内会产生阻力损失，也可能会散失热量，这些能量消耗造成温度差损失，记作,。受管道长度、直径和保温,情况等影响。,计算时一般取,=0.51.5 （6-3）,由于上述三个原因，全部温度差损失为：,=,+,+（6-4）,求得总传热温度差,t,为：,t=T-,t,1,=,T,-（,T+,）,=,T,-,T,-（,+,+）（6-5）,物料浓缩,例6-1 用连续真空蒸发器，将固体含量11%的糖溶液浓缩至含量达到40%。器内的真空度为700,mmmHg,，,液层深度为2,m，,用373,K,蒸汽加热。试求由液体沸点升高和液层静压效应所引起的温度差损失及蒸发器的传热温度差。糖液（40%）的相对密度为1.081。,物料浓缩,解 查得700,mmmHg,真空度下，水蒸气的饱和温度,T,=314.6K，,汽化热,r,=240,0,10,3,J/k,g,（1）,液体的沸点升高,根据表6-1可查出糖液为40%时，,0,=1,K,=16.2,（2）,静压效应引起的温度差损失,p,=,p,0,+,=（760-700）,133+=18.58kPa,在此压力下查得,t,m,=331.3K,=,t,m,-,t,0,=331.3-314.6=16.7,K,物料浓缩,（3）,由于管路流体阻力引起,温度差损失，根据经验数据取,=1,K,所以,=,+,+,=0.67+16.7+1=18.37,K,传热温度差,t=T-,t,1,=,T,-（,T+,）,=373-（314.6+18.37）,=40.03K,物料浓缩,2.单效蒸发的计算,对于单效真空蒸发，在确定了操作条件和给定了生产任务后，需计算以下内容：蒸发量、加热蒸气消耗量和传热面积。这些问题可以通过物料衡算、热量衡算和传热速率方程来解决。,物料浓缩,图6-2单效蒸发示意图,物料浓缩,（1）蒸发量,对蒸发操作中溶质作物料衡算，可得到蒸发的水分量。即,Fx,0,=（F-W）x,1,（,6-6,）,或,W=F,（,1-,）,（,6-7,）,式中,F,原料液的流量，,/,s,；,W,蒸发量，,/,s,；,x,0,原料液中溶质（固形物）质量分数，,%,；,x,1,浓缩液中溶质（固形物）质量分数，,%,。,物料浓缩,(2).,加热蒸气消耗量,通过热量衡算，可求得加热蒸气消耗量。,进入蒸发器的热量为,DH+Fh,0,离开蒸发器的热量为,WH,+(F-W)h,1,+,Dh,w,+Q,L,进行焓衡算得,DH+Fh,0,=WH,+(F-W)h,1,+,Dh,w,+Q,L,物料浓缩,式中,D,加热蒸汽消耗量，,/,s,；,H,加热蒸汽的焓，,J/kg,；,h,O,原料液的焓，,J/kg,；,H,二次蒸汽的焓，,J/kg,；,h,1,完成液的焓，,J/kg,；,h,W,冷凝水的焓，,J/kg,；,Q,L,热损失，,J/,s。,物料浓缩,若加热蒸汽的冷凝液在蒸汽的饱和温度下排除，则：,H,h,w,r,当料液的稀释热可以忽略时，溶液的焓可由比热容算出。经简化计算得：,F,（,h,1,h,0,）,=FC,p0,（,t,1,t,0,）,H,h,1,r,式中,r,加热蒸汽的汽化热，,J/kg,；,r,二次蒸汽的汽化热，,J/kg,；,t,0,原料液的温度，,K；,t,1,完成液的温度，,K；,C,p0,原料液的,比热容，,J/,（,K）。,则,D=（6-8）,物料浓缩,式6-8说明蒸发器所消耗的热量，主要用于二次蒸汽所需的汽化热及预热原料液和热损失。,若沸点进料，忽略热损失，则有,D=（6-9）,水的汽化热随压强（或温度）的变化不大，所以,rr,，,由上式可知,D/W,1,。,即每蒸发,1水需1蒸汽。考虑到热损失等实际原因，,D/W,1.11.2,。,物料浓缩,(3).,传热面积,蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：,Q=KA,t,或,A=（6-10）,物料浓缩,例6-2 稳定状态下在单效蒸发器中浓缩苹果汁。已知原料液温度316.3,K，,浓度11%，比热容3.9,kJ/,（,K），,进料流量0.67,/,s。,溶液的沸点333.1,K，,完成液浓度75%。加热蒸汽为300,kP,a,。,加热室传热系数为943,W/（,K）。,计算：（1）蒸发量和完成液流量；（2）加热蒸汽消耗量；（3）换热面积。,物料浓缩,解 （1）,W=F,（,1-,）,=0.67,（,1,）,=0.57,/,s,（2）,查,t,1,=333.1K,时，,r,=2355,kJ/kg,p=,300,kP,a,时，,T=406.3K，r=2168,kJ/kg,由式（,6-8,）得,D=,=0.64,/,s,（3）,物料浓缩,6.2.3,多效蒸发,1.,多效蒸发原理及其特点,蒸发的操作费用主要是消耗加热蒸气的动力费。在单效蒸发中，从溶液蒸发,1,kg,水，通常需要不少于,1,kg,的加热蒸气。在生产中，蒸发大量水分时，势必需要消耗大量的加热蒸气。为减少加热蒸气的消耗量，可采用多效蒸发。即将若干个蒸发器串联起来协同操作。它是利用减压的方法，使后一个蒸发器的操作压力和溶液沸点比前一个低。把前一个蒸发器产生的二次蒸汽引入后一个蒸发器的加热室作为热源，后一个蒸发器的加热室作为前一个蒸发器的冷凝室，以此类推，至最后一个蒸发器的二次蒸汽送去冷凝。,物料浓缩,这样将几个蒸发器顺次连接起来协同操作以实现二次蒸汽的再利用，从而提高加热蒸汽利用率的操作，称为多效蒸发。每一个蒸发器称为一效，通入加热蒸汽的蒸发器称为第一效。用第一效的二次蒸汽作为加热蒸气的蒸发器称为第二效，以此类推。,事实上，尽管多效蒸发具有热能利用的经济性，但是在给定的总操作条件下，与单效比较，生产能力并没有提高。相反地，相同的生产能力下，串联若干单效设备，可提高热能利用的经济性，但也提高了设备的投资费用。,物料浓缩,2.,多效蒸发的流程,根据原料液的加入方法的不同，多效蒸发操作有四种流程，即顺流、逆流、平流和混流。,（,1）,顺流法,也称并流，是最常用的一种加料流程。如图,6-3,所示，蒸汽和料液的流动方向一致，依效序从第一效到末效。在顺流操作中，蒸发室压强依效序递减，所以料液在效间流动不需要泵。同时，料液沸点依效序递降，使前效料液进入后效时，由于温度高于后效沸点而使其在降温的同时放出显热，产生自蒸发作用，使一小部分水分汽化。增加了水分蒸发量。另外，料液浓度依效序递增，高浓度料液在低温下蒸发，这对热敏性食品物料是有利的，但同时料液粘度随效序显著升高，使末效蒸发困难。,物料浓缩,图6-3 顺流多效蒸发流程,物料浓缩,（2）,逆流法,如图,6-4,所示，料液与蒸汽流动方向相反。原料液由末效进入，依次用泵送入前效，而蒸汽则由第一效流至末效。逆流法的优点是，浓度较高的料液在较高的温度下蒸发，故黏度不会太高，各效的传热系数值不会太低。但是各效间料液要用泵输送，不仅没有自蒸发，而且还要消耗一部分蒸汽将料液从低沸点加热到高沸点，从而使蒸发量减少。此外高温加热面上浓溶液的局部过热有引起结焦和营养物质受破坏的危险。,对于料液粘度随浓度和温度变化较为敏感的情况，宜采用逆流法。,物料浓缩,图6-4 逆流多效蒸发流程,物料浓缩,（3）,平流法,如图,6-5,所示，平流法是每效均平行送入原料液和排出产品。此法只用于易结晶物料的蒸发。如食盐溶液的浓缩，因为夹带大量结晶的粘稠悬浮液不便于在效间输送。此方法对结晶操作较易控制，并省掉了粘稠悬浮液的效间泵送。,（4）,混流法,效数多时，可采用顺流和逆流并用操作。即有些效间为顺流，有些效间为逆流，这样可以协调两种流程的优缺点，对粘度较高的料液的浓缩很有利。,物料浓缩,图,6-5,平流多效蒸发流程,物料浓缩,3,多效蒸发的效数,由于多种原因，多效蒸发的效数是有限的。首先，效数增加，会增加蒸发器及附属设备投资费用。其次，在多效蒸发中，末效二次蒸汽温度受真空度的限制不可能无限降低，而首效的沸点又常受物料热敏性的限制，使首效的加热蒸汽温度也不能无限高。这样，总温差就有了一定的限制。而且每一效的有效温差不能低于,5,7,K,，,否则无法维持在泡核沸腾下操作。因此也不能无限制地地增加效数。,实践中常用的多效蒸发是双效、三效、四效。对热敏性高的物料，首效的蒸发温度即受限制，所以很少有超过两效的设备。,物料浓缩,6.2.4,蒸发设备,蒸发设备包括蒸发器和辅助设备两大部分。蒸发器主要由加热室（器）和分离室,(,器,),两部分组成。加热室的作用是利用水蒸气为热源来加热被浓缩的料液。分离室的作用是将二次蒸汽中夹带的雾沫分离出来。食品工业中使用的蒸发器形式较多，按照溶液在蒸发器中流动情况，可分为循环型和单程型两类。,1,循环型蒸发器,这类蒸发器的特点是溶液在蒸发器内做连续的循环运动，以提高传热效果、缓和溶液的结垢情况。,物料浓缩,（,1,）,.,中央循环管式蒸发器,图,6-6,为中央循环管式蒸发器，也称标准式蒸发器。其下部为加热室，上部为分离室。加热室为壳管式结构，由垂直管束组成，管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管。周围细管称为沸腾管或加热管。加热管管长,0.5,3,m,，,管径,25,7,5,，长径之比为,20,40,。中央循环管截面积一般为加热管总截面积的,0.41,。由于细管,(,加热管,),内单位体积溶液受热面大于粗管,(,中央循环管,),，即前者受热好，溶液汽化的多，因此加热管内汽液混合物的密度比中央循环管内的小，这种密度差产生对流作用，促使溶液做沿中央循环管下降而沿加热管上升的循环流动。这种循环是一种自然循环，流速约为,0.31,/,。,物料浓缩,图6-6中央循环管式蒸发器,1 加热室 2 分离室,物料浓缩,分离室是一个圆筒体，直径与加热室相等。筒体高度一般不小于,1.82.5,。顶部有除沫器，用来分离雾沫，保证二次蒸汽洁净。,中央循环管式蒸发器的优点是：结构简单，制造方便，投资少和操作可靠。其缺点是循环速度低，传热系数小，设备维修和清洗麻烦。它适用于中等黏度和轻度结垢溶液的蒸发。,物料浓缩,（,2,）悬筐式蒸发器,如图,6-7,所示，悬筐式蒸发器加热室为筐形，悬挂在蒸发器壳体下部，所以称为悬筐式。该蒸发器内的液体也是自然循环。加热蒸汽总管由壳体上部伸人，加热管管间隙间通蒸汽，管内为溶液，加热室的外壁与蒸发器内壁所形成的环形通道为溶液循环通道。环形通道的截面积一般为加热管总面积的,11.5,倍，因而环内液体与沸腾管内液体密度差更大，液体循环速度更大，约为,11.5,/,。与,中央循环管式蒸发器相比，热损失小，检修方便。其缺点是：单位传热面积的金属消耗量较大，装置复杂。这种蒸发器适用于易于结晶的溶液。,物料浓缩,图,6-7,悬筐式蒸发器,1,加热室,2,分离室,3,除沫器,4,下降通道,物料浓缩,（,3,）外加热式蒸发器,外加热式蒸发器的特点是将加热室与分离室分开。如图,6-8,所示，它由加热室、分离室和循环管三部分组成。循环管是加热室和分离室的连接管。这样可改变加热室与分离室间的距离，且调节循环速度使料液达到不在加热室中沸腾，而在加热管顶端沸腾。管子不易被析出的结晶所堵塞。其次，分离器独立后，可改善雾沫分离条件。另外，还可将几个加热器共用一个分离器，轮换使用，操作灵活。,物料浓缩,外加热式蒸发器可分为自然循环型和强制循环型两种。强制循环型的强制手段可用泵或搅拌器。强制循环型蒸发器的传热系数虽然比一般自然循环型大的多，但动力消耗也比自然循环型大。它们二者都是溶液反复循环，在设备中平均停留时间长，对于热敏性物料的蒸发，容易产生分解变质。,物料浓缩,图6-8 外加热式蒸发器,1 加热室 2分离室 3 循环管,物料浓缩,2,单程型蒸发器,循环型蒸发器对热敏性物料蒸发不利。而非循环型蒸发器内的物料在器内经过一次加热、汽化和分离过程，离开时即达到要求的浓度，不作循环，蒸发速度快，传热效率高。特别适用于热敏性物料的蒸发，对粘度较大，容易产生泡沫的物料的蒸发也较好。,（,1,）长管式蒸发器,长管式蒸发器的加热室由单根或多根垂直管组成，管的长径之比为,100150,，管径为,255,0，,管束很长一般为,68,m,。,根据料液流动方向不同，可分为升膜式、降膜式和升降膜式蒸发器,物料浓缩,升膜式蒸发器,如图,6-9,所示，原料液经预热达到沸点或接近沸点后，由加热室底部引入，被高速上升的二次蒸汽带动，沿加热管壁呈传热效果最佳的膜状流动。在加热室顶部达到所需浓度。完成液由分离室底部排出。二次蒸汽在加热管内的速度不应小于,10,rn,s,，,般为,2050,s,。,这种蒸发器的缺点是管内下部积存较多液体，延长了接触时间，使浓缩液不能严格通过单程蒸发达到所要求的浓度，部分料液还需要循环。它适用于处理蒸发量较大的稀溶液以及热敏性或易生泡沫的料液，如果汁、乳制品等；不适用于处理高黏度、有晶体析出和易结构的料液。,物料浓缩,图6-9升膜式蒸发器,1蒸发室 2分离室,物料浓缩,降膜式蒸发器,对于蒸发浓度或黏性较大的溶液，可采用如图,6-10,所示的降膜式蒸发器。原料液由加热室顶部加入，经管端的液体分布器使料液均匀地成膜流下，并进行蒸发。为了使溶液能在管壁上均匀布膜，且防止二次蒸汽由加热管顶端直接窜出，加热管顶部必须设置良好的液体分布器。,物料浓缩,图6-10降膜式蒸发器,1加热室 2分离室,物料浓缩,图,6-11,为几种常用的液体分布器。其中图,6-11(,a),的导流管是具有螺旋沟槽的圆柱体；图,6-11(,b),的导流管下端锥体端面向内凹，以免液体再向中央聚集；图,6-11(,c),是利用加热管上端管口的齿缝来分配液体。,物料浓缩,图6-11 降膜分布器,1 加热管 2 导流管 3液面 4 齿缝,物料浓缩,降膜蒸发器布膜装置的好坏，直接影响传热效果。,降膜式蒸发器不存在静液层效应，物料沸点均匀，传热系数高，停留时间短。适用于处理热敏性物料和高粘度的物料，如牛奶、果汁等。但不适用于处理易结晶、结垢或粘性很大的溶液。,物料浓缩,升,降膜式蒸发器,将升膜式蒸发器和降膜式蒸发器装在一个外壳中，就成为升,降膜式蒸发器。如图,6-12,所示，原料液在预热器中加热达到或接近沸点后，引入升膜式加热管束,2,的底部，汽液混合物经管束由顶部流人降膜加热管束,3,，然后进入分离器,4,，完成液由分离器底部排出。此升,降膜式蒸发器，既有以两程代单程，缩短加热管长度的优点，又可因分段浓缩各取有利点以避免其各自的缺点。它常用于料液在浓缩过程中粘度变化大或厂房高度有一定限制的情况。,物料浓缩,图6-12 升降膜式蒸发器,1预热器,2升膜加热管,3降膜加热管,4分离器,物料浓缩,3.,其他类型蒸发器,（,2）,刮板薄膜蒸发器,刮板薄膜蒸发器结构如图,6-13,所示，加热管由夹套外壳和壳内旋转的转动件组成。转动件上有若干刮板，刮板边缘与传热面间的间隙一般为,0.51.25,。刮板转动件的转速由变速装置控制，一般为,30800,r/min,，,刮板的线速度在,2.59.6,rn,s,范围内。原料液沿切线方向进入管内，受离心力、重力和刮板作用，在管壁上形成旋转下降的薄膜，并不断地被蒸发，完成液由底部排出。,物料浓缩,刮板薄膜蒸发器的优点为非循环型，料液停留时间 短，不结垢，可进行粘度很高的液体的浓缩，因而广泛应用于番茄酱、牛奶、麦芽汁和乳清等热敏性物料的浓缩。缺点是投资费用高，生产能力小。,物料浓缩,图6-13 刮板薄膜蒸发器,A,料液,B,二次蒸汽,C,浓缩液,D,加热蒸汽,E,冷凝液,1 轴 2 刮板 3分离室 4夹套,物料浓缩,（2）,板式蒸发器,板式蒸发器由板式换热器和分离器组合而成。加热板用不锈钢冲压而成，其厚度为,11.,5，四周用橡胶垫圈密封，板与板之间形成蒸汽与料液流动通道。如图6-14所示，加热板排成四片一组，蒸汽在41和23板间冷凝，料液在12板间升膜流动，在34板间降膜流动。视生产能力的需要可增减板的组数。蒸发形成的汽液混合物进入离心分离器进行分离。,物料浓缩,图6-14 板式蒸发器结构示意图,物料浓缩,板式蒸发器的优点是：单位体积的传热面积大，效率高；操作灵活，传热面积可按要求随意增减，装拆方便；所需厂房高度小。已广泛用于食品企业。但是其使用有一定的局限性，因为垫圈密封要求较高，操作温度有限，不宜处理含固体微粒的料液。,物料浓缩,4.,蒸发的辅助设备,蒸发单元操作除需蒸发器外，还需要一些辅助设备。辅助设备一般包括冷凝器、真空泵、压缩机、疏水器和捕沫器等。,（1）,冷凝器,蒸发器产生的大量二次蒸汽必须设法排除掉，才能使蒸发操作不断进行，排除方法是将其导人冷凝器进行冷凝。作为蒸发冷凝器的换热器可以是直接接触式和非直接接触式。当冷凝的蒸汽物质是有价值的且不能与冷却水混合时，才采用间壁式换热器作冷凝器。这种冷凝,器价格较高，用水量较大。所以非必要时，一般采用直接接触式冷凝器，又称混合式冷凝器。,混合式冷凝器要求两种流体能有最大的接触面积，保证均匀接触和一定的接触时间。进入冷凝器的蒸汽或多或少带有不凝结气体，必须从顶部将它排出。,物料浓缩,典型的混合式冷凝器有喷射式、填料式和孔板式等,(,图,6-15),喷射式冷凝器,。如图,6-15,（,1,）所示,主要由高压泵和水力喷射泵组成。一定压力的冷水由上部进入后，通过喷嘴喷射，造成下游的低压，将二次蒸汽吸入，在混合室汽水混合直接进行换热，蒸汽凝结并被水束带入下部扩压管，一部分动能转为静压能，从下部尾管排出。可见，喷射式冷凝器除有混合冷凝作用外，还具有抽真空的作用，特别适用于食品工业上的真空蒸发和真空干燥等，不再需要另装真空泵。,物料浓缩,图 6-15 混合式冷凝器,1导向挡板2喷嘴 3水室4吸气室 5混合室6喉管 7扩压管,8尾管9填料10 筛板11入水口 12 蒸汽入口 13 不凝结气体排出口,物料浓缩,填料式冷凝器。,如图,6-15,（,2,）所示，冷凝器中装有一定高度的填料层，填料层由许多瓷环或其他填料充填而成，瓷环内外表面就是两种流体接触面。冷却水从上部喷淋而下，与上升的二次蒸汽在填料表面换热，混合后的冷凝水由底部排出，不凝气由顶部排出。,孔板式冷凝器,。如图,6-15(3),所示，器内装置若干块钻有许多小孔的淋水板，淋水板可为交替放置的圆缺型或交替放置的盘环型。冷却水自上引入，顺次经淋水板孔穿流而下，同时也经板边缘泛流而下。二次蒸汽自下而上与冷水逆流接触，换热冷凝。混合的冷却水和冷凝水由下部引出，不凝气由上方排出。,物料浓缩,除水力喷射式冷凝器外，孔板式和填料式冷凝器，当用于真空蒸发时，其内处于负压状态。为排出冷凝水，通常采取的措施有两种：低位式和高位式冷凝器,(,图,6-16),。,低位式冷凝器可直接安装在地面上，冷凝器产生的冷凝水用抽水泵抽走。高位式冷凝器不用抽水泵，而是将冷凝器置于10,m,以上的高位，下部连接一根很长的尾管，称为气压管(俗称大气腿)，靠集于气压管中液体的静液压作用把冷凝水排出。为防止外部空气进入真空系统，气压管应插入溢流槽中。,物料浓缩,图6-16低位和高位冷凝器,1 主冷凝器 2 副冷凝器 3 抽水泵 4 气压腿 5 溢流槽,6 冷却水 7 不凝结气体 8 二次蒸汽,物料浓缩,(2),除沫器,除沫器又称汽液分离器。蒸发操作中，产生的二次蒸汽夹带有大量料液雾沫。尽量避免或减少雾沫被二次蒸汽带出，是一个很重要的问题。雾沫夹带一方面影响浓缩效率和蒸发能力，另一方面将污染二次蒸汽。如果是多效蒸发，二次蒸汽夹带的雾沫将使下效加热器传热面形成污垢和腐蚀。特别是果蔬汁如番茄汁的浓缩时，强腐蚀性的酸雾进入二次蒸汽会带来严重后果。,物料浓缩,除沫器一般安装在蒸发装置分离室的顶部或侧面。其类型很多，可归纳为惯性型、离心型和表面型三类。,惯性型除沫器,。如图,6-17,（,a,）、（,b,）,所示，在二次蒸汽通道上置若干挡板，使蒸汽多次突然改变方向，因携带的液滴惯性较大，与挡板碰撞时附着在板上并集聚流下，与二次蒸汽分离。,离心型除沫器,。图,6-17,（,c,）,的形状与旋风分离器相似，切向导入的汽流产生回转运动，携带的液滴在离心力作用下，沿壁流回蒸发室，二次蒸汽由顶部排出。,表面性除沫器,。如图,6-17,（,d,）、（,e,）,所示，二次蒸汽通过多层金属丝网，液滴附着在网表面，二次蒸汽通过。其特点是气体流速小，阻力损失大。由于填料及金属网不易清洗，故在食品工业中应用较少。,物料浓缩,图617 除沫器的结构示意图,1 二次蒸汽 2 料液回流口 3 二次蒸汽出口 4 真空解除阀,5 视孔 6折流板 7排液口 8 挡板,物料浓缩,（3）,真空泵,真空蒸发除采用水力喷射冷凝器的场合外，当用其它各式冷凝器时，必须配备真空泵。因为冷凝器所能冷凝的气体主要是水蒸汽。而空气等不凝结气体如不设法除去，系统的真空度不可能长久维持。使用真空泵的目的就是抽出这些不凝结气体。真空蒸发所采用的真空泵有往复式真空泵、水环式真空泵、蒸汽喷射真空泵等。如果采用水力喷射真空泵，则它可兼具冷凝器的作用。,物料浓缩,6.3,冷冻浓缩,冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间固液相平衡原理的一种浓缩方法。,在冷冻浓缩过程中，溶液中水分的排除是靠溶液到冰晶的相际传递，而避免了加热蒸发，所以对热敏性物料的浓缩非常有利。同时，为了更好地使操作中形成的冰晶不混有溶质，分离时又不致使冰晶夹带溶质，防止造成过多的溶质损失，操作时应尽量避免局部过冷，分离操作也要很好地加以控制。对于含挥发性芳香物质的食品采用冷冻浓缩，其制品品质将优于蒸发浓缩和膜浓缩法。,物料浓缩,冷冻浓缩也存在着不容回避的缺点：,制品加工后需采取冷冻和热处理方法以抑制细菌与酶活性，以便于保藏。,冷冻浓缩的采用不仅受溶液浓度的限制，而且还取决于冰晶与浓缩液的分离程度。一般而言，溶液的粘度愈高，分离愈困难。,冷冻过程中会造成溶质的损失，生产成本较高。,物料浓缩,6.3.1,冷冻浓缩的理论,冷冻浓缩是在两相中完成的。在第一相中，水变成了冰晶，因此溶液被浓缩；在第二相中，冰晶从浓缩液中分离出来，达到浓缩的目的。即溶液中所含溶质浓度低于低共熔点浓度，冷却时表现为溶剂,(,水分,),成晶体,(,冰晶,),析出。当溶液的浓度高于低共熔点浓度时，冷却溶液，过饱和溶液表现为溶质转化成晶体析出，使溶液变稀，即结晶操作。冷冻浓缩工艺和结晶工艺是相似的过程。要应用冷冻浓缩，溶液必须较稀。其浓度要小于低共熔点浓度。,物料浓缩,理论上，冷冻浓缩过程可以进行到低共熔点。但实际上，多数食品没有明显的低共熔点，而且在未到达低共熔点之前，浓溶液的粘度已经很高，其体积与冰晶相比很小，就不能很好的将冰晶与溶液分离。所以，冷冻浓缩在实际应用中也是有一定限度的。,物料浓缩,6.3.2,冷冻浓缩中的结晶过程,冷冻浓缩中的结晶为溶剂的结晶。冷冻浓缩中，要求冰晶有适当的大小，冰晶的大小不仅影响结晶成本，而且也影响分离的难易程度。一般来说，结晶操作的成本随晶体尺寸的增大而增加。然而结晶操作与分离操作相比较，关键还在于分离。分离操作与生产能力密切相关，分离操作所需的费用以及因冰晶夹带而引起的溶质损失，一般都随晶体的尺寸的减小而大幅度增加。因此，必须确定一个合理的晶体尺寸，使结晶和分离的总成本降低，溶质损失减少。这个合理的冰晶大小，称为最优冰晶尺寸。最优冰晶尺寸决定于溶剂结晶形式、结晶条件、分离形式和浓缩液价值等因素。尤其是浓缩液的价值，它是一个非常重要的因素。浓缩液价值高，要求溶质损失愈小，从而要求形成较大的冰晶体。,物料浓缩,溶剂结晶操作中，最终冰晶体数量和粒度可利用溶剂结晶操作的条件来控制。一般，缓慢冷却时产生数量少的大冰晶体，快速冷却则产生数量多的小冰晶体。另外，在单位时间内，冰晶体的大小取决于晶体的成长速度。冰晶体成长速度与溶质向晶面的扩散作用和晶面上的晶析反应作用有关。这两种作用构成了溶剂结晶过程的双重阻力。当扩散阻力为控制因素时，增加固体和溶液之间的相对速度,(,例如加强搅拌,),就会促进冰晶体的成长。但增加相对速度至一定限度后，扩散阻力转为次要因素，则表面反应居支配因素。此时，再继续增加速度，便无明显效果。,物料浓缩,食品工业上，冷冻浓缩过程的溶剂结晶形式有两种。一种是在管式、板式、转鼓式以及带式设备中进行的，称为层状冻结。另一种是发生在搅拌的冰晶悬浮液中，称为悬浮冻结。这两种结晶形式在晶体成长上有显著的差别。,1,层状冻结,层状冻结也称规则冻结。这种冻结是一种沿着冷却面形成并成长为整体冰晶的冷冻方法。晶层依次层积在先前由同一溶液所形成的晶层之上，冰晶长成为针状或棒状，带有垂直于冷却面的不规则断面。,物料浓缩,影响层状冻结的主要因素有液相的搅拌速度、冰晶的前移速度和冻结初期的过冷度。层状冻结初期冰核的形成对环境条件、溶液物性等有较强的依赖性，因此初期过冷度极不稳定。当受到干扰时，容易形成树枝状冰晶，而导致严重的冰相溶质夹带，降低了冰的纯度，严重时甚至被浓缩液在瞬间全部结晶，导致浓缩过程无法正常进行。增大料液和传热面积可以减小上述因素影响，提高冷冻浓缩效率。,层状冻结有如下特点：,形成一整体的冰晶，液固界面小，使得母液与冰晶的分离变得非常容易；,装置简单，操作控制方便。如能合理设计将会显著降低冷冻浓缩成本。,物料浓缩,2,悬浮冻结,这种冻结是在受搅拌的冰晶悬浮液中进行的。其特征为无数自由悬浮于母液中的小冰晶，在带