食品工程原理第十一章溶液浓缩.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,第十一章 溶液浓缩,掌握蒸发浓缩的操作原理、特点及其,工艺计算方法；,熟悉单效真空的工艺设备的配置；,了解多效蒸发流程及计算原理。,本章重点和难点：,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。,浓缩方法：平衡浓缩（利用在分配上某种差异而获得溶质和溶剂分离的方法）、非平衡浓缩,蒸发,利用溶质和溶剂挥发度的差异，将溶液加热至沸腾，使溶剂汽化并排除。所涉及的平衡是,汽液平衡,。,结晶,则是利用溶质之间溶解度的差异使溶质从过饱和的溶液中析出，,固液平衡,。,冷冻浓缩,利用稀溶液与固态溶剂在凝固点下的平衡关系，使溶剂从溶液中结晶析出。,固液平衡,。,1.1,蒸发的定义,1.2,加热蒸气和二次蒸气,使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为,蒸发,，所用的设备称为蒸发器。,蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸气也是水蒸气。为了易于区别，前者称为,加热蒸气或生蒸气,，后者称为,二次蒸气,。,1,概述,1.3,分类,1、按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发,单效蒸发,：将二次蒸气不在利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作。,多效蒸发,：若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸气，则可提高加热蒸气（生蒸气）的利用率，这种串联蒸发操作称为多效蒸发。,2、按二次蒸气的利用情况分：单效和多效蒸发,1.4,蒸发操作的特点,1、传热性质：,属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。,2、溶液性质：,热敏性、腐蚀性、结晶性、结垢性、泡沫、粘度等。,3、沸点升高：,当加热蒸气一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发纯水的温度差。,4、泡沫挟带：,二次蒸气中带有大量泡沫，易造成物料损失和冷凝设备污染。,5、能源利用：,二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。,溶液的沸点升高,：一定压强下，溶液的沸点较纯水高，两者之差，称为,溶液的沸点升高,。,稀溶液或有机溶液沸点升高值较小无机盐溶液较大。,对于同一种溶液，沸点升高值随溶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。,2,单效蒸发,2.1,溶液的沸点升高和温度差损失,溶液沸点升高的计算公式：,式中,t,0,溶液的沸点升高，,T,s,溶液的沸点，,T,V,与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的,饱和温度，,式中,t,1,溶液的沸点，,计算公式为：,t,=,T,s,-,t,1,实际传热温度即有效温差为,（1）因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失,；,（3）因管路流体阻力而引起的温度差损失 。,（2）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失,；,总温度差损失为：,蒸发过程中引起温度差损失的原因有：,1.,溶液的沸点升高值可以通过查手册的数据表，查图线或通过计算求得，,稀溶液,K,b,m,b,K,b,沸点升高常数，,kg/mol,，若水为溶剂，,K,b,0.51,kg/mol,M,b,溶质的质量摩尔浓度，,mol/kg,减压,下的沸点升高，可由常压下沸点升高按吉辛柯公式计算,T,某压力下水的沸点温度,K,r,某压力下水的汽化热,J/kg,常压下溶液的沸点升高,食品料液的 可近似用糖液的数据代替。,在食品工业上，,不大。,2.,由液层静压效应而引起的温差损失,加热管内溶液液位维持一定，处于不同深度的溶液受到不同的静压强，所以溶液内部的沸点比液面处高，两者之差即,。,液层内的平均压力,P,m,P,m,=P+,gh/2,P,为液面上方分离室内的压力,Pa,T,m,T,对应的,P,m,与,P,相应的沸点。,3.,二次蒸汽由分离器到冷凝器的流动中，在管道内会产生阻力损失，也可能会散失热量，这些能量消耗造成的温差损失 一般取,0.5,1.5,例：用连续真空蒸发器将桃浆从含固形物,11,浓缩至,40,。蒸发器内真空度为,93,kPa,，液层深度为,2,m,，加热蒸汽绝对压力为,0.1,MPa,的饱和蒸汽，桃浆的密度为,1180,kg/m,3,.,求温差损失及蒸发器的有效温差。,解：蒸发器内的绝对压力,101,93,8,kPa,，对应的沸点,T,为,41.3,，汽化热,r=2.40,MJ/,kg,1.,取料液浓度为制品浓度,40,，参考糖液数据，,2.,计算,P,m,=P+,gh/2=8+1.180,9.81,2/2=19.6kPa,T,m,=59.6,=59.6-41.3=18.3,3.,计算,t,单效蒸发的计算项目有：,（1）蒸发量；,（2）加热蒸气消耗量；,（3）蒸发器的传热面积,通常生产任务中已知的项目有：,（1）原料液流量、组成与温度；,（2）完成液组成；,（3）加热蒸气压强或温度；,（4）冷凝器的压强或温度。,3,单效蒸发的计算,加热室,蒸发室,F,x,0,t,0,h,0,D,T,H,W,T,H,D,T,h,w,(,F-W),x,1,t,1,h,1,Q,L,式中,F,原料液流量,W,二次蒸汽,流量,P,完成液流量,x,F,原料液的质量组成,x,P,完成液的组成,对单效蒸发器作溶质衡算，得,(1),蒸发量,w,加热室,蒸发室,F,x,0,t,0,h,0,D,T,H,W,T,H,D,T,h,w,(,F-W),x,1,t,1,h,1,Q,L,(2).,蒸发器的热量衡算,进入系统的热流量等于离开系统的热流量加上热量损失,C,pF,原料液的比热容,J/,kg.k,C,pw,水的比热容,J/,kg.k,t,1,-,溶液的沸点,加热室,蒸发室,F,x,0,t,0,h,0,D,T,H,W,T,H,D,T,h,w,(,F-W),x,1,t,1,h,1,Q,L,式中,D,加热蒸气的消耗量,kg/h,r,s,加热蒸气的汽化热,J/kg,r,v,二次蒸气的汽化热,J/kg,Q,L,热损失,J/h,对单效蒸发器作物料的热量衡算，得,加热蒸气消耗量,D,若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失，上式简化为：,式中,e,蒸发1,kg,水分时，加热蒸气的消耗量，称为,单位蒸气耗量,，,kg/kg,单效蒸发时,e=1,实际,1,一般,若沸点进料的蒸发操作，消耗,1Kg,加热蒸汽，产生约,1kg,的二次蒸汽,蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：,式中,S,0,蒸发器的传热外表面积，,m,2,K,0,基于外表面积的总传热系数；,kw/(m,2,),t,m,平均传热温度差，,Q蒸发器的热负荷，即蒸发器的传热速率,kw,。,(3),传热面积,S,0,在蒸发过程中，加热两侧流体均处于恒温、变相状态下，故：,t,m,=T,s,-t,1,式中,T,s,加热蒸气的温度，；,t,1,溶液的沸点温度，。,a,平均温度差,t,m,式中,a,对流传热系数，,W/(m,2,),d,管径，,m,R,i,垢层热阻，,m,2,/W,b,管壁厚度，,m,管材的导热系数，,W/(m),下标,i,表示管内侧、,o,表示外侧、,m,表示平均。,b,基于传热外面积的总传热系数,K,0,若加热蒸气的冷凝水在饱和温度下排除，且忽略热损失，则蒸发器的热负荷为：,Q=Dr,c,蒸发器的热负荷,Q,例题 稳态下在单效蒸发器中浓缩苹果汁。已知原料温度,43.3,，浓度,11,，比热容,3.9kJ/kg.k,，进料流量,0.67kg/s,蒸发室沸点温度,60.1,，完成液浓度,75,。加热蒸汽绝对压力为,300kPa.,加热室外表面传热系数为,943w/m,2,.k,，蒸汽为饱和冷凝，忽略能量损失。计算,1.,蒸发量和完成液流量,2.,加热蒸汽消耗量,3.,单位蒸汽消耗量,4.,蒸发器的换热面积,解：,例题,3.,单位蒸气消耗量,D,4.,蒸发器换热面积,多效蒸发时要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效低，引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽。,一般多效蒸发装置的末效或后几效总是在真空下操作，由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作为下一效的加热蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，即经济性。,4,多效蒸发,(1),多效蒸发原理,如果第一个蒸发器产生的二次蒸汽引入第二个蒸发器作为加热蒸汽两个蒸发器串联工作，第二个蒸发器产生的二次蒸汽送到冷凝器排出，则称为双效蒸发。,效数,单效,双效,三效,四效,五效,理论最小值,1,1/2,1/3,1/4,1/5,实际最小值,1.1,0.57,0.4,0.3,0.27,表 单位蒸气消耗量,强调,：,蒸发量与传热量成正比，多效蒸发并没有提高蒸发量，而只是节约了加热蒸汽，其代价则是设备投资增加。在相同的操作条件下，多效蒸发器的生产能力并不比传热面积与其中一个效相等的单效蒸发器的生产能力大。,错误观点,：,多效蒸发器的生产能力是单效蒸发器的若干倍。,蒸气和料液的流动方向一致，均从第一效到末效。,缺点：沿料液流动方向浓度逐渐增高，致使传热系数下降，在,后二效中尤为严重。,优点：,在操作过程中，蒸发室的压强依效序递减，料液在效间流动不需用泵；,料液的沸点依效序递降，使前效料进入后效时放出显热，供一部分水汽化；,料液的浓度依效序递增，高浓度料液在低温下蒸发，对热敏性物料有利。,(2),多效蒸发流程,a,顺流法,原料液,加热蒸汽,至冷凝器,完成液,1,2,3,冷凝水,冷凝水,冷凝水,并流加料法的三效蒸发装置流程示意图,并流加料法的三效蒸发,料液与蒸气流动方向相反。原料由末效进入，用泵依次输送至前效，完成液由第一效底部取出。加热蒸气的流向仍是由第一效顺序至末效。,优点：浓度较高的料液在较高温度下蒸发，粘度不高，传热系,数较大。,缺点：,（1）,各效间需用泵输送；,（2）,无自蒸发；,（3）,高温加热面上易引起结焦和营养物的破坏。,b,逆流法,原料液,加热蒸汽,至冷凝器,完成液,1,2,3,冷凝水,冷凝水,冷凝水,逆流加料,法的三效蒸发装置流程示意图,效数多时，也可采用顺流和逆流并用的操作，称为混流法，这种流程可协调两种流程的优缺点，适于粘度极高料液的浓缩。,c,平流法,原料液分别加入各效中，完成液也分别自各效底部取出，蒸气流向仍是由第一效流至末效。此种流程适用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。,d,混流法,原料液,加热蒸汽,至冷凝器,完成液,1,2,3,冷凝水,冷凝水,冷凝水,完成液,完成液,平流加料法的三效蒸发装置流程示意图,(3),多效蒸发的温差分配,由于存在温差损失，蒸发器有效换热温差总是小于理想温差。,多效蒸发器是由单效蒸发设备组成的，每效都相当于单效蒸发器。因此，在实际操作中，每效都存在温差损失。此时，各效有效温差之和 必小于总温差 。其总差值为总温差损失 。,第,i,效的有效传热温差。,第,i,效的温差损失。,有效总温差,有效总温差确定之后，此温差必须分配到各效，并满足各效的换热基本方程。,效有效总温差分配到各效，除总的应满足 及各效满足其换热方程之外，还应另加特定的限制原则。,a.,各效等面积原则。,按此原则分配有效温差，各效换热面积均相等。由此，,b.,各效等压原则,设,Ps,为首效加热蒸汽压力，,Pc,为冷凝器内压力，则总压差：,若各效加热蒸汽与料液侧分离室的压力差分别为 ，则按此原则，各效压力差应符合下式：,可依次确定各效分离室的压力以及对应的饱和温度。,c.,各效蒸发量经验比例原则,对无额外蒸汽引出的顺流操作，各效水分蒸发量可按一定比例设计。例如对三效顺流蒸发，可按下列比例：,由总蒸发量及上述比例，可确定各效蒸发量，则可计算各效料液的浓度，从而进一步算出溶液沸点，则可得到温差分配结果。,(,4,),多效计算,1.,总蒸发量的计算,各效蒸发量之和,物料衡算,第一效和第二效的出料浓度,2.,加热蒸汽耗量及各效蒸发量,单效蒸发,a,1,第一效的蒸发因数，,1kg,加热蒸汽冷凝时放出的热量所能蒸发出溶液中的千克数,a,1,1,1,第一效的自蒸发系数，料液进入蒸发器放出显热，引起料液部分,水分汽化能力的大小,1,0,，,T,F,t,1,放出显热促进水的汽化,1,0,，,T,F,t,1,需吸收显热，削弱了水的汽化,1,因存在热损失对,W,1,产生影响，第一效的热利用因数,。,1,0.98,3.,各效换热面积,例：在双效顺流蒸发设备中将番茄法从固形物质量分数,4.3,浓缩到,28,，进料流量,1.39,kg/s,，沸点进料，第一效沸点,60,，加热蒸汽绝对压力为,118,kPa,，冷凝器真空度为,93,kPa,.,第一效采用自然循环，总传热系数为,900,W.(m,2,K);,第二效采用强制循环，总传热系数为,1800,W.(m,2,K),.,除效间外，温差损失可忽略不计。试计算（,1,）蒸发量；（,2,）各效蒸发量；（,3,）加热蒸汽耗量；（,4,）单位蒸汽消耗量；（,5,）换热面积。,解：总蒸发量,据已知条件，假定效间流动温差损失为,1K,，查表，列出各热参数值见表。,换热面积,单位蒸发消耗量,11.2,冷冻浓缩,冷冻浓缩,是利用,冰,与水,溶液之间的,固液相,平衡原理的一种浓缩方法。,将稀溶液中的水分冻结成冰晶,，并去除这部分冰晶从而使溶液中的溶质浓度得到提高。,适用于热敏性食品物料的浓缩，可避免芳香物质因加热造成的挥发损失。,已应用于果汁、咖啡、果酒和乳品类液体食品的浓缩。,将某种液体在低温（,-10,）下进行冷却，当冷却到某一个阶段（例如为,-10,时），溶液中有晶核出现，此时，溶液的浓度上升了，再继续冷却，当溶液的浓度达到了无法浓缩的浓度，这种浓度称为,共晶浓度,（或称,低共熔浓度,）,.,将某种液体在共晶温度以下（全部冻结），达到的浓缩浓度点称为某种溶液的,共晶点,（即,低共熔点,），也就是说,共晶点是指物料中水分完全冻结成冰晶时的温度。,11.2.1,在食品工业中的应用,1.,冷冻浓缩方法的优点：,（,1,）挥发性芳香成分损失和酶，色素等热敏性成分变化极少；,（,2,）可避免操作中微生物的增殖；,（,3,）不存在膜分离中的泄漏短路危险；,（,4,）可避免因蒸馏引起的聚合反应和冷凝反应；,（,5,）含多种溶质的溶液浓缩时，仅去除水分，不会造成母液组成的变化。,主,要缺点：,冷冻浓缩过程本身不具有杀菌灭酶作用，因此浓缩制品必须冻藏或再加热处理，才能保存。,制品的浓度不仅受低共熔浓度限制，也受冰晶浓缩液分离的难易程度影响，一般而言，浓度越高，黏度也越大，分离也就越困难,过程中会造成不可避免的溶质损失，且成本高。,2,.,应用,（,1,）咖啡工业：雀巢公司,1986,年采用冷冻浓缩设备与喷雾设备相结合的方法，使咖啡的质量达到自然冲调的品质；咖啡浓缩,（,2,）啤酒工业：使啤酒的体积减少到原来的,1/4,，只要加入水和,CO,2,可制成与原来啤酒从感官上无法辨别的啤酒,（,3,）乳品工业：代替炼乳，制成的浓缩奶冲释后可制成与鲜牛奶毫无差别,（,4,）果汁工业：,2000,年我国进口美国和巴西的冷冻浓缩果汁,5999,吨，,2001,年接近,1,万吨。浓度为,65Bx,。主要为巴西的圣保罗和美国佛罗里达，其余为墨西哥，西班牙和地中海地区，利用内衬聚乙烯袋的,50,加仑铁桶或大罐销往各地。,（,5,）番茄汁：先用膜浓缩将番茄汁浓缩至,20%,，再用冷冻浓缩继续浓缩至,40.8%,。,11.2.,2,冷冻浓缩操作原理,冷冻浓缩的溶液浓度必须低于最低共熔点浓度，且固相为溶剂冰晶与溶液成平衡，而不是溶质固体。,冰点下降,对于稀溶液,T,i,为冰点下降，,K,R,为气体常数，,8.314kJ/kg,k,T,0,为水的温度，,K,x,B,为溶液的摩尔分数,r,cr,为结晶热，,J/kg,A,B,E,D,T,1,T,2,F,C,x,1,x,2,T,i,由于一般过程为,可逆的等温等压,过程，帮，,r,cr,/T,0,=,S,结合溶液渗透压的计算式可推得：,S,为水转化为冰的熵变，,J/,（,kg,k,）,0,为水的密度，,kg/m,3,/,T,i,为渗透压与冰点下降的比值，约为,1.210,6,Pa/K,如果,溶液由,A,点继续冷却到,C,点，温度为,T,2,，此溶液为过冷溶液，温差（,T,1,T,2,）称为,溶液的过冷度,。,过冷度是不稳定状态的溶液，分为互相平衡的两个相，即,浓缩液相,和,冰晶相,。,图中,B,点为浓缩液，,F,点为冰晶，浓缩液浓度为,x,2,，若原料液的总量为,F,，冰晶量为,G,，浓缩液量为,S,，则由物料的溶质衡算：,A,B,E,D,T,1,T,2,F,C,x,1,x,2,T,i,可利用一些管式、板式、搅拌夹套式的热交换器和真空结晶器、内冷转鼓式结晶器、带式冷却结晶器等各种设备。,一般冷冻过程的结晶有两种形式：一种是,层状冻结,，另一种是,悬浮冻结,。,1.,层状冻结,是一种单向冻结，在管式、板式以及转鼓式、带式设备中进行。晶层依次沉积在先前由同一溶液形成的晶层之上。一般为针状或棒状。,2.,悬浮冻结,在受搅拌的冰晶浮液进行的。,11.2.3,冰晶浓缩液的分离,悬浮液过滤，过滤床层为冰晶床（冰床），滤液即为浓缩液。,F,进料量，,kg/h,X,0,进料质量分数,S,浓缩液量，,kg/h,X,2,浓缩液质量分数,G,冰晶量，,kg/h,单位质量冰量所夹带的浓缩液量,由于夹带损失的溶质量与制品中溶质量相比甚小，则,溶质损失率,冰晶夹带损失之溶质量与原料液中原有溶质质量之比,蒸发设备,蒸发器的结构：加热室、分离器等,特点：溶液在蒸发器内作连续的循环运动，以提高传热效果、,缓和溶液结垢情况。,按加热室的结构和操作时溶液的流动情况分：,循环型（非膜式）和单程型（膜式）两大类。,一、循环型（非膜式）蒸发器,分类（引起循环运动的原因）：自然循环和强制循环,自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同，产生了密度差而引起的循环运动；,强制循环：依靠外加动力迫使溶液沿一个方向作循环运动。,加热室由垂直管束组成，管束中央有一直径较大的管子。,循环产生的原因：,粗管降液管或中央循环管，其截面积为加热管总截面积40100,细管沸腾管或加热管，直径,2575mm，长径比2040,细管内单位体积液体受热面大，受热良好，致使细管内汽液混和物比粗管内小，密度差促使溶液循环。,1,中央循环管式（或标准式）蒸发器,此蒸发器为中央循环管蒸发器的改进。加热蒸汽由中央蒸汽管进入加热室，加热室悬挂在器内，可取出，便于清洗及更换，,循环通道由加热室与蒸发器外壳壁面内的环隙组成,。,优点：（1）溶液循环速度较高，约在11.5,m/s,之间；,（2）改善了加热管内结垢情况，并提高了传热速率。,缺点：设备耗材量大，占地面大，加热管内溶液滞留量大。,该蒸发器适用,蒸发有晶体析出,的溶液。,2 悬筐式蒸发器,结构特点：,由于循环管内的溶液未受蒸汽加热，其密度较加热管内大，因此形成溶液沿循环管下降而沿加热管上升的循环运动，循环速度可达1.5,m/s,。,加热室较长，其长径比为50100；,加热室和分离室分开。,物料的运动：,3 外热式蒸发器,优点：利用外加动力（泵）进行循环，适于处理粘度大，易结晶或易结垢的溶液。,缺点：动力消耗大，通常为0.40.8,kw/（m,2,传热面），使用此蒸发器时加热面受到一定限制。,4,强制循环蒸发器,非膜式蒸发器,的主要缺点是加热室内滞料量大，致使物料在高温下停留时间过长，不适于处理热敏性物料。,膜式蒸发器,只通过加热室一次即可达到所需浓度，停留时间短，操作时，溶液沿加热管呈传热效果最佳的膜状流动。,膜式蒸发器和非膜式蒸发器的比较：,二、膜式（单程）蒸发器,结构：加热室由单根或多根垂直管组成，其长径比100150。,原理,：原料液经预热至沸点或接近沸点后，由加热室底部引入管内，为高速上升的二次蒸气所带动，沿壁面边呈膜状流动，边进行蒸发，在加热室顶部可达到所需的浓度，完成液由分离室底部排出。,注意：溶液应预热至沸点或接近沸点后再引入蒸发器；二次蒸气在加热管内的速度不应小于10,m/s,，,一般为20,50,m/s,，,减压下可高达100,160,m/s,。,该蒸发器适于处理蒸发量大的稀溶液以及热敏性或易生泡的溶液；不适于处理高粘度、有结晶析出或易结垢的溶液。,1,升膜式蒸发器,结构：其加热室与升膜式蒸发器类似。,为了使溶液能在壁上均匀分布，且防止二次蒸气由加热管顶端直接窜出，加热管顶部必须设置加工良好的液体分布器。,原理：原料液由加热室顶部加入，进管端的液体分布器均匀地流入加热管内，在溶液自身重力作用下，溶液沿管内壁呈膜状下流，并进行蒸发。,降膜式蒸发器适用于处理热敏性物料，但不适于处理易结晶、结垢或粘度大的溶液。,2 降膜式蒸发器,结构：加热管是一根垂直的空心管，圆管外有夹套，内通加热蒸气，圆管内装可以旋转的搅拌叶片。,原理：原料液沿切线方向进入管内，由于受离心力、重力及叶片的刮带作用，在管壁上形成旋转下降的薄膜，并不断的被蒸发，完成液由底部排出。,缺点：结构复杂，动力耗费大，传热面小，处理能力不大。,该蒸发器适用于高粘度、易结晶、易结垢或热敏性溶液的蒸发。,3,刮板搅拌薄膜蒸发器,