12食品机械-浓缩设备

2008-11-12112浓缩设备SCU食品工程系2008-2009学年上期第12周（3学时）2008-11-122主要内容§浓缩概述§真空浓缩设备§真空浓缩设备的操作和检修§冷冻浓缩设备§芳香物质的回收设备2008-11-123一、浓缩概述§浓缩的概念§浓缩的目的§浓缩的一般方法2008-11-124浓缩的概念§概念§指从溶液中出去部分溶剂的操作过程ü是使溶质和溶剂的均匀混合液实现部分分离过程，以使物料最终达到一个低溶剂含量（约30％）的相对稳定状态ü是一个溶剂在物料内部借对流扩散作用从呈液相物料内部到达液相表面而后除去的过程ü一般食品中溶剂为水（如果汁/牛奶等），故食品工业中的浓缩通常指蒸发§浓缩的基本原理§采用浓缩设备把物料加热，使物料的易挥发部分在其沸点温度时不断地由液态变为气态，并将气化时所产生的二次蒸汽不断排除，从而使制品的浓度不断提高，直至达到浓度要求2008-11-125浓缩的目的（*）§浓缩的目的ü作为干燥的预处理，以降低产品的加工能耗ü提高产品质量ü提高产品的保藏性ü减少产品的体积和重量，便于运输ü浓缩用作某些结晶操作的预处理ü提取果汁中的芳香物质2008-11-126浓缩的一般方法§浓缩的一般方法ü按原理和过程的不同来分Ø常压加热浓缩Ø真空浓缩Ø结晶浓缩Ø冷冻浓缩ü按操作空间的压力来分Ø常压浓缩Ø加压浓缩Ø减压（真空）浓缩2008-11-127真空浓缩设备§真空浓缩的原理和特点ü原理ü特点§真空浓缩设备ü分类ü基本结构ü蒸发器的选择ü浓缩附属设备ü单效升膜式浓缩设备ü单效降膜式浓缩设备ü其他单效浓缩设备ü多效浓缩设备2008-11-128§真空浓缩的原理ü溶液受热时，溶剂分子获得动能，当某些溶剂分子获得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。如果热能不断地供给，生成的蒸汽被不断的排除，则可打破溶剂气相与液相之间化学势的平衡，溶剂的气化将持续的进行ü真空浓缩一般在8-18kPa低压状态下，以蒸汽间接加热方式，对料液进行加热，使其在低温下沸腾蒸发真空浓缩的原理2008-11-129§真空浓缩的优点ü在加热蒸汽压力相同的情况下，真空蒸发时，其溶液沸点低，传热温差增大可相应的减小蒸发器的传热面积ü可以蒸发不耐高温的溶液，特别适用于食品生产中的热敏性料液的蒸发ü可以利用低压蒸汽或废蒸汽作为加热剂ü操作温度低，热损失较少ü对料液起加热杀菌作用，有利于食品保藏§真空浓缩的缺点ü附设真空系统，增加了附属机械设备及动力ü由于蒸发潜热随沸点降低而增大，所以热量消耗大ü随着压力的减小，溶液沸点的降低，物料的粘度增大，减小了对流传热系数，从而也使总传热系数减少真空浓缩的特点2008-11-1210§真空浓缩设备的分类真空浓缩设备加热蒸汽和二次蒸汽被利用的次数料液的流程加热器结构型式单效浓缩设备二效浓缩设备多效浓缩设备带有热泵的浓缩设备单程式循环式自然循环强制循环薄膜式非膜式升膜式降膜式片式刮板式离心式盘管式中央循环管式2008-11-1211真空浓缩设备的基本结构§蒸发器ü加热室进行传热ü蒸发室进行汽液分离§除沫器ü使泡沫得到进一步分离§冷凝器ü使二次蒸汽全部冷凝§真空装置ü形成真空条件2008-11-1212蒸发器§按物料特性进行选择蒸发器Ø热敏性：发酵工业的酶液、番茄酱和其他果酱Ø结垢性Ø发泡性Ø结晶性Ø粘滞性Ø腐蚀性§蒸发设备的选择原则Ø满足工艺要求，如溶液的浓缩比，浓缩后的收得率，保持溶液的特性Ø传热效果好，传热系数高，热利用率高Ø结构合理紧凑，操作清洗方便，安全可靠Ø动力消耗小，如搅拌动力或真空动力消耗等Ø易于加工制造，维修方便，即要节省材料、耐腐蚀，又要保证足够的机械强度2008-11-1213§蒸发器的类型Ø蛇管式、夹套式、标准式Ø自然循环式、强制循环式Ø升膜式、降膜式Ø板式、膨胀流动式Ø刮板膜式、离心加热式§蒸发器选择时考虑的因素Ø生产能力，通常以每小时水分蒸发量来表示Ø浓缩度，通常以浓缩制品的固体百分含量来表示Ø制品的热敏性，与停留时间和蒸发温度有关Ø制品粘度Ø挥发物质的回收Ø卫生结构及清洗要求Ø投资费用与操作费用Ø装置大小与厂房大小有关2008-11-12142008-11-1215薄膜蒸发器§蒸发器Ø为升膜式列管换热器Ø生产能力大Ø效率高Ø物料受热时间短§汽液分离器§预热器§简易分离器ü适用于稀溶液的浓缩ü具有良好的耐腐蚀性ü符合食品卫生要求2008-11-1216真空浓缩罐Ø浓缩罐Ø第一冷凝器Ø汽液分离器Ø第二冷凝器Ø冷却器Ø受液桶§浓缩罐为夹套结构，冷凝器为列管式，冷却器为盘管式§适用于制药、食品、化工等行业对料液的浓缩。并且也能回收酒精和简单的回流提取2008-11-1217真空浓缩罐2008-11-1218§球形浓缩罐Ø浓缩罐Ø冷凝器Ø汽液分离器Ø冷却器Ø受液桶§适用于制药、食品、化工等行业对料液的浓缩、蒸馏、回收有机溶媒的工艺§采用减压浓缩，浓缩时间短，对热敏性物料不会破坏其有效成分2008-11-1219§板式蒸发器ØA加热蒸汽入口ØB二次蒸汽出口ØC蒸汽冷凝液出口ØD不冷凝气出口ØE浓溶液出口ØF稀溶液入口Ø用途：广泛用于石油、化工、医药、化肥、造纸、味精、酿酒、制糖等领域2008-11-1220浓缩设备的附属设备§冷凝器Ø作用：将真空浓缩所产生的二次蒸汽进行冷凝，并将其中不凝结气体（如空气、二氧化碳）分离，以减轻真空系统的容积负荷，保证达到所需的真空度Ø种类ü间接式冷凝器/表面式#二次蒸汽与冷却水间接传热，有列管式、板式、螺旋板式和淋水管式#特点：冷凝液可回收利用，但传热效率低，故用作冷凝的较少ü直接式冷凝器/混合式#二次蒸汽与冷却水直接接触而冷凝#分为逆流式和喷射式2008-11-12211．逆流式冷凝器2008-11-12222、喷射式冷凝器安装要求：§水泵至喷射器冷却水入口的管路，尽量减少管件和弯头，减小阻力损失§排水管要求垂直，如必须曲折时，折角不大于45°,转折不多于两次§各接口要求严密，避免泄漏§连接扩散管出口的尾管长度，一般在2m以上，且不伸入循环水池之水中2008-11-1223真空装置n作用：抽出不凝结气体，保证系统的真空度，降低浓缩锅内压力，使料液在低温下沸腾不凝气体来源：①溶解于冷却水中的空气②料液中分解的气体③设备泄漏n常用真空装置①蒸汽喷射器②往复式真空泵③水环式真空泵2008-11-1224蒸汽喷射器§蒸汽喷射泵的优点是抽气量大，真空度高，安装运行和维修简便，价廉，占地面积小§其缺点是要求蒸汽压力较高，蒸汽量稳定，需要较长时间运转，才能达所需真空度。排出的气体还有微小压强2008-11-1225往复式真空泵2008-11-1226水环式真空泵（水环泵）§结构简单§易于制造，操作可靠，转速较高，可与电机直联，内部不需润滑，可使排出气体免受污染，排气量较均匀，工作平稳可靠§但因高速运转，水的冲击使叶轮与轮壳磨损，造成真空度下降，需经常更换零件§效率较低，为30％～50％§真空度较低，为2.0～4.0kPa2008-11-1227n在泵体中装有适量的水作为工作液n当叶轮按图中指示的方向顺时针旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环n水环的上部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的下部内表面刚好与叶片顶端接触（实际上叶片在水环内有一定的插入深度）n此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的上部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外2008-11-1228§捕集器§作用：防止蒸发过程形成的细微液滴被二次蒸汽带出，对汽液进行分离，以减少料液损失，同时避免污染管道及其他蒸发器的加热面§类型：惯性型、离心型、表面型2008-11-1229惯性型捕集器§它是在二次蒸汽流经的管道上，在其内设置若干档板，使带有液滴的二次蒸汽，多次突然改变方向。同时与档板碰撞。由于液滴惯性较大，在突然改受流向时，便从气流中甩去，从而与气体分离§为了提高分离效果，一般捕集器的直径比二次蒸汽的直径大2.5～3倍§阻力损失较大§汽流速度较大时，捕汁效果尚好2008-11-1230离心型捕集器§形状与旋风分离器相似。带有液滴的二次蒸汽沿分离器壳壁成切线方向导入，使气流产生回转运动，液滴在离心力作用下被甩到分离器的壁上，沿壁流下回蒸发器。二次蒸汽由顶部排出§与惯性型相似，只有在蒸汽速度很快（一般12～30m/s），真空操作时为60～70m/s）时，操作性能才较好。阻力损失较大（一般为40～100mmHg柱）2008-11-1231表面型捕集器§在捕集器内装有多层金属丝或瓷环。当二次蒸汽通过网时，液滴被黏附在网上。§特点：是汽速较小，但洗较困难。所以食品行业中用的少2008-11-1232膜式浓缩设备§膜式浓缩设备概念ü使料液在管壁上分散成液膜的形式流动，从而使蒸发面积大大增加，提高蒸发浓缩效率§分类ü按照液膜形成的方式Ø自然循环液膜式Ø强制循环液膜式ü按照液膜的运动方式Ø升膜式Ø降膜式Ø升降膜式§工作原理§特点及应用§结构2008-11-1233§工作原理§料液由加热管底部进入，加热蒸汽在管外将热量传给管内料液§管内料液的加热与蒸发分三部分Ø最底部：管内完全充满料液Ø中间部：开始产生蒸汽泡，使料液产生上升力Ø最高部：料液呈薄膜状在管内上行，在管顶部呈喷雾状，以较高速度进入汽液分离器，在离心力作用下与二次蒸汽分离，二次蒸汽从分离器顶部排出单效升膜式浓缩设备2008-11-1234§特点及应用§应用ü管内的静液面较低，因而由静压头而产生的沸点升高很少ü蒸发时间短，仅几秒到十余秒，适用于热敏性溶液的浓缩ü高速的二次蒸汽（常压时为20-30m/s，减压时为80-200m/s）具有良好的破沫作用，适用于易起泡沫的料液ü二次蒸汽在管内高速螺旋式薄膜状，不适用于粘度较大的溶液ü主要用于果汁及乳制品的浓缩§特点ü占地面积小ü传热效率高ü料液受热时间短，在加热管内停留约10-20sü一次浓缩比不大，操作进料量需要很好控制·进料过多不易成膜·过少则易断膜干壁，影响产品质量2008-11-1235§升膜式蒸发器结构§属于外加热式自然循环的液膜式浓缩设备§组成Ø加热器§一垂直竖立的长形容器，内有许多垂直长管§管子的直径和长度要适当，管径一般在35-80mm§管长l与管径d之比要恰当，一般为100-150Ø分离器Ø雾沫捕集器Ø循环管2008-11-12362008-11-1237单效降膜式浓缩设备§工作原理§结构与升膜式蒸发器类似，只是料液自蒸发器顶部加入，在顶部有料液分布器，使料液均匀地分布在每根加热管内§二次浓缩液与浓缩液一般并流而下，料液沿管内壁下流时因受二次蒸汽的作用使之成膜状§汽液进入蒸发室后进行分离，二次蒸汽从顶部排出，浓缩液则从底部抽出§料液分布器的原理及类型§特点2008-11-12382008-11-1239§料液分布器的原理Ø利用倒流管（板）使料液均匀分布Ø利用筛板或喷嘴Ø利用旋液喷头§常用的料液分布器Ø筛孔板式Ø喷雾型Ø具有锯齿形缘口的导流管Ø带有螺旋沟槽的导流管Ø典型的导流管Ø筛孔板与导流板相结合Ø旋液式2008-11-1240§特点Ø系为单程式浓缩设备，利用液膜重力作为降膜，能蒸发粘度较大的物料，物料的受热时间仅2min左右，故适合于热敏性物料的浓缩Ø物料在加热管表面形成膜状，传热系数高，并可避免泡沫的形成，受热均匀Ø采用热泵，热能经济，冷却水消耗量减少，但生蒸汽的稳定压力需要较高Ø每根加热管上端进口处，虽安有分配器，以期获得厚度一致的薄膜，但由于液位的变化，影响薄膜的形成及厚度的变化，甚至会使加热管内表面暴露而结焦Ø利用二次蒸汽作为热源，由于其夹带微量的料液液滴，加热管外表面易生成污垢，影响传热Ø加热管长度较长，若结焦后清洗困难，不适于高浓度或粘稠性物料的浓缩Ø生产过程中，