第十章--浓缩设备

第十章浓缩设备浓缩正趋向低温、快速、连续的方向发展。浓缩浓缩是从溶液中除去部分溶剂的单元操作，是溶质和溶剂均匀混合液的部分分离过程。在浓缩操作中，物料中液体汽化所生成的蒸汽称为二次蒸汽，以区别于加热蒸汽。二次蒸汽必须不断地用冷凝等方法加以去除，否则，蒸汽和料液渐渐趋于平衡，将使蒸发操作无法进行。第一节概述平衡浓缩非平衡浓缩冷冻浓缩蒸发浓缩常压蒸发真空浓缩食品浓缩的目的①作为干燥的预处理，以降低产品的加工热耗。②提高产品质量。③提高产品的保藏性。④减少产品的体积和重量，便于运输。⑤浓缩用作某些结晶操作的预处理。⑥提取果汁中的芳香物质。浓缩方法从原理上分为平衡浓缩和非平衡浓缩两种物理方法。•（1）平衡浓缩•利用两相在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即属此法。•①蒸发浓缩采用浓缩设备把物料加热，使物料中易挥发部分水分在其沸点温度下不断地由液态变为汽态，并将汽化时产生的二次蒸汽不断排除，从而使制品浓度不断提高，直至达到浓度要求。这种方法目前仍然是食品工业最广泛应用的一种浓缩方法。•②真空蒸发浓缩利用真空蒸发或机械分离等方法达到物料浓缩，一般在在18.8kPa下，以蒸汽间接加热方式，对物料加热，使其在低温下沸腾蒸发。•（2）非平衡浓缩•是利用半透膜来分离溶质和溶剂的过程，两相用膜隔开，因此分离不是两相的直接接触，故称非平衡浓缩。利用半透膜的方法不仅可以分离溶质和溶剂，而且也可以分离各种不同大小的溶质，因此，统称为膜分离。•③冷冻浓缩•利用有利的液固平衡条件，冷冻浓缩时，部分水分因放热而结冰，而后用机械方法将浓缩液与冰晶分离。•蒸发和冷冻浓缩，两相都是直接接触的，故称平衡浓缩。•浓缩设备的分类及特点•蒸发浓缩设备一般由蒸发器、冷凝器和抽气泵等部件组成。根据不同的分类依据可分成不同类型。•根据蒸发面上的压力分为•1常压蒸发浓缩设备溶剂气化后直接排入大气，蒸发面上为常压，其设备结构简单、投资少、维修方便，但蒸发速率较低。•2真空蒸发浓缩设备溶剂从蒸发面上气化后进入负压状态，速度较快。循环式单程式真空浓缩设备的分类根据加热蒸汽被利用的次数单效浓缩设备多效浓缩设备带有热泵的浓缩设备按料液的流程按料液蒸发时的分布状态非膜式薄膜式（盘管式浓缩器中、央循环管式浓缩器）蒸发器：升膜式、降膜式、片式、刮板式、离心式特点：水分蒸发快、蒸发面积大、热利用率高，结构较复杂。（自然循环式强制循环式）•1、加热蒸汽与沸腾液体之间的温度差t可以增大。•2、可利用压强较低的蒸汽作为加热蒸汽。•3、由于低温浓缩，有利于食品溶液进行浓缩，减少体积及重量，便于运输及储存。•4、由于溶液沸点较低，使浓缩设备的热损失减少。•5、对料液起加热杀菌作用，有利于食品保藏。真空浓缩特点•1、由于真空浓缩，须有抽真空系统，从而增加附属机械设备及动力。•2、由于蒸发潜热随沸点降低而增大，所以热量消耗大。优点：不足之处：（1）传热效果好，热能利用率高，即传热系数高和有效温度差大。（2）结构紧凑、操作方便。（3）汽液分离效果好。（4）设备性能适应食品料液的性质，符合生产工艺要求和食品卫生。（5）易于制造、检修、清洗。（6）具有足够的机械强度，金属消耗量少，耐腐蚀。对浓缩设备的要求单效升膜式蒸发器属于液膜式浓缩器，液体沿管壁成膜状流动，进行连续蒸发，液体在浓缩器停留时间较短，约几秒至几十秒。(一)单效浓缩设备（一）结构由多根垂直管束的加热器体和一个蒸发分离室及循环管组成。为自然循环式。管内料液的加热与蒸汽分为三部分：最低部分管内完全充满料液，热量靠对流传递；料液在中间部分开始产生蒸汽泡并上升；在管上部分由于膨胀的二次蒸汽而产生强的上升力，使料液成薄膜状在管内上升，在管顶部成喷雾状，以较高速度进入气液分离器，在离心力的作用下使气液分离。结构特点工作原理料液从加热器底部进入管内，加热蒸汽在管束间通过管壁加热、冷凝。料液在管内被加热迅速汽化，所产生的二次蒸汽及料液沿管内高速上升。溶液被高速上升的二次蒸汽带动，在壁内成膜状上升，不断被加热蒸发。料液被逐渐浓缩，二次蒸汽从顶部排出，浓缩液从蒸发分离室底部排出。•注意事项•注意进料量、温度、黏度对成膜的影响。•特点•结构简单，制造方便，占地面积及空间体积小，投资少，经济实用。减少了热敏性料液的分解，形成泡沫少，适用于易起泡的料液；能防治结垢，适用于果汁及乳制品的生产。单效降膜式蒸发器结构汽液分离器液体分布器加热器工作过程料液从顶部进入加热器内，在降膜分布器的作用下，均匀地进人加热管中，受二次蒸汽的快速流动和本身重力作用物料沿管内壁呈膜状自然向下流动，并受热不断蒸发浓缩料液分布器作用：使料液均匀地分布到各加热管型式筛板或喷嘴导流管旋液喷头特点由于利用液膜的重力作用降膜，故能蒸发粘度较大的料液，且受热时间短，适于热敏性强的物料料液的沸点均匀，有效温差较大，传热效果好，节约蒸汽由于蒸发管较长，液料沸腾时所生成的泡沫易在管壁上受热破裂，因此适于蒸发易生泡沫的物料；清洗方便；适于浓度较大，不易结晶、结垢的物料主要用于果酱、果汁、炼乳等的生产中央循环管式蒸发器•（一）作用原理•食品料液经过由沸腾管和中央循环管所组成的竖式管加热面进行加热，由于传热产生重度差，形成了自然循环，而将其水分蒸发，从而达到浓缩目的。•（二）主要构造•1.加热器•由沸腾管及中央循环管、中央循环管和上下管板所组成的竖式加热管束组成。•中央循环管和沸腾加热管一般采用胀管法或焊接法固定在上下管板上，组成一个竖式加热管束。料液在管内流动，加热蒸汽在管束间流动。•中央循环管是位于加热器中央的一根直径较大的管子，截面积为总加热管束总面积的40%-50%，材料为不锈钢或其他耐腐蚀材料。•为提高传热效果，可在管间增设若干挡板或抽去几排加热管，形成蒸汽通道，同时配合不凝性气体排出管的合理分布，有利于加热蒸汽均匀分布，从而提高传热及冷凝效果。•2.蒸发室•加热室上部的圆筒体，连接在加热体上部。料液经加热汽化产生的二次蒸汽中夹带有大量的液滴，直接冷凝造成料液损失，在多效浓缩时还会将下效加热室污染，并降低传热效果，所以蒸发室要具有一定的高度和空间。一般为加热管长度的1.1-1.5倍。•蒸发室外侧有视镜、人孔、洗水、照明、仪表、取样等装置。在顶部又捕集器，以对二次蒸汽夹带的汁液进行分离，保证二次蒸汽的洁净，减少料液的损失。二次蒸汽由顶部的二次蒸汽出口排出。•(三)特点•优点：•结构简单、操作方便、传热效果好、锅内液面容易控制、投资费用少；•缺点：•清洗检修较麻烦，黏度大时循环效果较差、循环速度低、且因料液循环使蒸发器中溶液浓度总是接近于完成液浓度，黏度较大，影响传热效果。盘管式蒸发器•1.工作原理及结构•它是乳品厂较早采用的一种真空单效浓缩装置。在罐体内有盘管，管内通加热蒸汽，对物料加热。•盘管一般由4—5组分层排列，每组有1-3圈。盘管的蒸汽进口和凝结水出口有两种形式：•盘管多采用扁平椭圆形截面，以减少罐内流体自然循环阻力，而且便于清洗。•各层盘管单独用阀门控制，可根据料液面来调节加热面。设备工作时，料液自切线方向进入锅内。加热蒸汽在盘管内对管外的料液进行加热，其受热后体积膨胀，密度减小，因浮力使料液上升，到达液面时气化，使其浓度提高，密度增大。但浓缩盘管中心处的料液，相对来说距加热管较远，与同一液位的料液相比，其密度较大，呈下降趋势，故受热蒸发的那部分料液不但密度大，而且液位又高，必向盘管中心处下落，从而形成了料液自锅壁及盘管处上升，又沿盘管中心向下的反复循环状态。产生的二次蒸汽，从浓缩锅上部中央，以切线方向进入分离器，在离心力的作用下，料液微粒与蒸汽分离，二次蒸汽则上升进入冷凝器，经冷凝器冷凝成水而排除。2．盘管式的工作原理3.特点•优点：结构简单、制造方便、操作稳定、易于控制；盘管为扁圆形截面，液料流动阻力小，通道大，适于黏度较高的液料；由于加热管较短，管壁温度均匀，冷凝水能及时排除，传热面利用率较高；便于根据料液的液面高度独立控制各层盘管内加热蒸汽通断及其压力，以满足生产或操作的需要。•缺点：传热面积小，液料对流循环差，易结垢；料液受热时间长，在一定程度上对产品质量有影响。•食品厂大量使用的浓缩装置•结构特点•下锅体底部有一夹套，在夹套内通入蒸汽加热浓缩物料，锅体内装有搅拌器，搅拌器上有4片桨叶，通过其搅拌可以使锅内壁表面被加热的物料层不断更换，使水蒸气蒸发，上锅体的二次蒸汽出口处接有汽液分离器。夹套加热带搅拌浓缩器•工作原理•工作时，先通入加热蒸汽赶走锅内空气，再启动抽真空装置，造成锅内真空将物料吸入锅内，达到容量要求后，开启蒸汽阀门，使蒸汽进入夹套加热，同时开启搅拌器，不断搅拌强化流动，不断更新加热面外的物料，使其均匀浓缩，产生的二次蒸汽不断抽出，以保证锅内的真空度。•优点•结构简单，操作方便。•缺点•加热面积小，生产能力低，不能连续生产。•适用于浓料液和黏度大的料液增浓，如果酱、蜜饯、炼乳。多效真空浓缩设备操作流程大致可分为顺流、逆流、平流、混流和额外蒸汽运用。(二)多效浓缩设备在蒸发生产中，二次蒸气的产量较大，且含大量的潜热，故应将其回收加以利用，若将二次蒸气通人另一蒸发器的加热室，只要后者的操作压强和溶液沸点低于原蒸发器中的操作压强和沸点，则通入的二次蒸气仍能起到加热作用，这种操作方式即为多效蒸发。在多效蒸发操作中，蒸发温度是逐级降低的，其多效操作的压力是自动分配的，且逐级降低。1）并流法：•溶液与蒸汽的流动方向相同，即均由第一效顺序至末效。•特点：•原料液由泵泵入一效罐。由于蒸发室压力由一效至末效依次递减，故料液在效间流动不需用泵；•由于料液沸点依效序递降，因而当前效料液进入后效时，便在降温的同时放出其显热，供一小部分水分汽化（自蒸发），可产生更多蒸汽，节省蒸汽;•由于后效溶液浓度较前效大，且温度低，使传热系数降低，影响传热（末效蒸发困难）。•(但高浓度料液处于低温)对浓缩热敏食品是有利的。2)逆流法：•此法料液和蒸汽流动方向相反，即原料由最后一效进入，依次用泵送入前效，最后的浓缩制品从一效排出。蒸汽由一效进入，一效汁汽进入二效，••••，最后一效汁汽进入冷凝器。•特点：•随着料液向前流动，浓度愈来愈高，而蒸发温度也愈来愈高。故黏度增加没有顺流的显著。这对改善循环条件，提高传热系数有利。•但高温加热面上浓溶液的局部过热有引起结焦和营养物质破坏的危险。•效间料液流动要用泵，没有自蒸发，水分蒸发量稍减。•适宜处理黏度随温度和浓度变化较大的溶液，不宜处理热敏性物料。3)平流法：•此法每效都平行送入原料液和排出成品。蒸汽的流向由一效至末效依次流动。•此流程适用于在蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。4)混流•顺逆流并用。此法对黏度相当高的料液很有用处。•特点：在料液黏度随浓度显著增加的场合下，可采用混流。5)有额外蒸汽引用的多效蒸发流程•在多效蒸发流程中，有时将一效的二次蒸汽引出一部分用作预热蒸发器的进料，或用做其他的加热目的。这种中间抽出的二次蒸汽，称为额外蒸汽。多效浓缩的效数1.实际耗气量大于理论值2.设备费用增加3.蒸发器有效传热温差的极限多效浓缩中所采用的效数是受限制的，原因大致有：典型多效真空浓缩设备1.双效升膜式浓缩设备2.双效降膜式浓缩设备3.三效降膜式浓缩设备4.四效降膜式浓缩设备1.双效升膜式浓缩设备结构组成工作过程适用性及特点2.双效降膜式浓缩设备结构组成工作过程适用性及特点结构组成•某顺流式双效真空浓缩设备流程如图8.12所示，它主要由一、二效蒸发器、热泵、杀菌器、水力喷射器、预热器、液料泵等构成。•一、二效蒸发器结构相同，内部除蒸发管束外，还设有预热盘管。•杀菌器为列管结构。食品工厂机械与设备——第八章浓缩设备杀菌段86～92℃预热Ⅰ预热Ⅱ预热Ⅲ工作过程•工作时，料液由泵从平衡槽抽出，通过由二效蒸发器二次蒸汽加热的预热器，然后依次经二效、一效蒸发器内的盘管进一步预热。预热后的料液在列管式杀菌器杀菌（86～92℃），并在保持管内保持24s；随后相继通过一效蒸发器（加热温度83～90℃