食品工厂机械与设备第八章

1、食品工厂机械与设备第八章 浓缩设备第八章 浓缩设备l浓缩与食品加工l食品工业中的浓缩设备(真空冷冻膜)第一节 真空蒸发浓缩设备第二节 冷冻浓缩设备Xl本章小结 思考题 自测题l浓缩与食品加工浓缩-除去部分水分例如鲜乳炼乳-乳粉、原果汁-浓缩果汁-果汁粉、植物提取液（如咖啡、茶）-速溶咖啡、茶 生物处理（酶解、发酵）分离液等均l食品工业的浓缩设备l真空蒸发浓缩设备(目前应用最广泛)、l冷冻浓缩设备(热敏性挥发性料液)l和膜浓缩设备(本质为膜分离设备)等。第一节 真空蒸发浓缩设备l 主要构成:蒸发器、冷凝器及真空系统等。l 形式:多种，l 主要差异:蒸发器形式和效数、二次蒸汽利用以及操作连续性等。

2、n 优点：（1）在真空状态下料液的沸点降低，加速了水分蒸发，避免了料液的高温处理，适合于处理热敏性物料。 （2）热源可以采用低压蒸汽或废热蒸汽。（3）由于料液的沸点较低，使浓缩设备的热损失减少。（4）对料液起加热杀菌作用，有利于食品的保藏。n 缺点：（1）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，所以热能消耗大。 l真空蒸发浓缩设备特点第一节 真空蒸发浓缩设备第一节 真空蒸发浓缩设备一、蒸发器二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备三、典型真空浓缩系统l 蒸发器是真空蒸发浓缩系统的主体，由加热室与分离室两部分构成，食品料液在此受到加热发生汽化，产生浓缩液和二次蒸汽

3、。l 食品物料蒸发浓缩往往需要考虑其热敏性、结垢性、发泡性、结晶性、黏滞性等特点，要求的浓缩程度也不一致，因此蒸发器有多种形式。 一、蒸发器l 蒸发器分类n 按料液流程可分为循环式（有自然循环式与强制循环式之分）和单程式；n 按加热器结构可分为夹套式、盘管式、中央循环管式、升膜式、降膜式、片式、刮板式、离心外加热式浓缩器等。一、蒸发器一、蒸发器（一）夹套式蒸发器（二）盘管式蒸发器（三）外加热式蒸发器（四）长管式蒸发器（五）刮板式蒸发器（六）板式蒸发器（七）离心薄膜蒸发器（一）夹套式蒸发器l 又称夹套式真空浓缩锅l 属于间歇式中小型食品浓缩设备。l 结构如图8. 1所示，主要由等组成。l 工作过

4、程(一)夹套式蒸发器l 特点加热面积小，料液温度不均衡，加热时间长，料液通道宽，通过强制搅拌加强了加热器表面料液的流动，减少了加热死角，适宜于果酱、炼乳等高黏度料液的浓缩。l 结构如图8. 2所示，主要由构成.l 锅体为立式圆筒密闭结构，上部空间为蒸发室，下部空间为加热室加热室。l 泡沫捕集器为离心式，中心立管与真空系统连接。l 工作过程泡沫捕集器二次蒸汽出口汽液分离室蒸汽总管加热蒸汽包盘管分汽阀浓缩液出口疏水器取样口（二）盘管式蒸发器n加热室设有35组(每组13圈)加热盘管，分层排列，n各组盘管分别装有可单独操作的加热蒸汽进口及冷凝水出口，n蒸汽进出口布置有两种，如图8. 3所示。l加热室（

5、二）盘管式蒸发器(二)盘管式蒸发器l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；可根据需要灵活调节加热面积。l缺点：传热面积小，液料对流循环差，易结垢；料液受热时间长l特点（三）外加热式蒸发器l特征:加热室与分离室分开l类型:强制循环式, 自然循环式l操作过程n均可以连续或以间歇方式操作。n初始,连续进料，非稳定期，不出料，n达到预定浓度, 可一次性出料, (间歇操作)n边进料, 边通过离心泵抽吸出料(连续操作)。n结构如图8. 4（1）所示，主要由等构成。n加热器

6、，可水平、垂直或倾斜安装。l强制循环式（三）外加热式蒸发器n结构如图8. 4（2）所示。n除无循环泵以外，基本构成与强制循环式相同。n但加热室只能垂直安装。（三）外加热式蒸发器（三）外加热式蒸发器l 特点特点n 加热室-分离室分开，可调节两者距离和循环速度，料液不在加热室沸腾，不易堵塞加热管；n 分离室可实现离心分离，利于改善雾沫分离条件；n 可几个加热室合用一个分离室，提高了操作的灵活性；n 循环速度较大,不易结垢；n 检修、清洗较方便。n 溶液反复循环，在设备中平均停留时间较长，对热敏性物料不利。l 用途 热敏性,风味保留要求低的物料,牛乳,浓缩蛋白液等)（四）长管式蒸发器l属于单程式蒸发

7、器，料液只通过其加热室一次即达到规定的出料浓度。l对热敏性成分保留有较严要求的产品，应采用这类蒸发器。l一般结构特点：n一般用内径2550mm，长径比100150长管制成。n因长径比大，单位体积料液受热面积较大，因而，料液进入加热器后很快汽化而使浓缩液呈膜状在管内移动，n也是典型的膜式蒸发器。（四）长管式蒸发器l类型（图8.5)加热蒸汽加热蒸汽l预热至近沸点液进料。l在加热作用和减压状态下，部分料液迅速气化，生成的二次蒸汽以80200m/s的速度带动浓缩液沿管内壁成膜状上升。l加热室顶部，浓缩液与二次蒸汽的混合物，以较高速度进入分离室，在惯性力作用下两者分离，浓缩液从室底部排出，二次蒸汽则从顶

8、部排出。（四）长管式蒸发器l升膜式（图8.51）结构原理结构原理n 料液在加热室内停留时间很短，传热系数高，适用于热敏性料液浓缩；n 高速二次蒸汽具有良好的破沫作用，故尤其适用于易起泡沫的料液。n 一次浓缩比不够大，因此一般组成双效或多效流程使用；n 由于薄膜料液的上升必须克服自身重力与管壁的摩擦阻力，故不适用于处理高黏度、易结垢或易结晶的溶液。l升膜式（四）长管式蒸发器特点特点二次二次蒸汽蒸汽进料液冷凝水生蒸汽或二次蒸汽浓缩液加热蒸汽n料液由泵升送经过预热器,达到蒸发器顶部, 在重力作用下经料液布膜器进入加热管；n沿管内壁成液膜状向下流动，并受到加热很快沸腾汽化，产生的二次蒸汽能高速度带动料

9、液下降，所以传热效果很好。n进入蒸发分离室的汽液混合物分离为二次蒸汽由顶部排出，浓缩液则由底部抽出。l降膜式（图8.52）（四）长管式蒸发器结构结构原理原理料液布膜器n料液布膜器（图料液布膜器（图8.6）l降膜式（四）长管式蒸发器操作关键是使料液在加热管内均匀布膜。导流管是有螺旋形沟槽的圆柱体导流管下端锥体端面向内凹入，以免液体再向中央聚集；利用加热管上端管口的齿缝来分流液体是靠管子上端的旋液器分流液体（1）加热蒸汽与料液呈并流方式。（2）蒸发时间短，为单流型，适用于热敏性料液浓缩。（3）大多以双效或多效形式组成蒸发设备，以提高浓缩比。（4）不适于:高黏度、易结晶或易结垢料液。l降膜式蒸发器特

10、点降膜式蒸发器特点（四）长管式蒸发器l降膜式蒸发器操作动画演示降膜式蒸发器操作动画演示（五）刮板式蒸发器l也称刮板式薄膜蒸发器，是利用外加动力的膜式蒸发器。l结构n主体由刮板式加热器（参见第七章内容）与分离室构成。n两者制成一体，分界面处设浓缩料液引出口，二次蒸汽则自分离室引出。n分离室也可加热室分开，如图（8.7）所示。浓缩液与二次蒸汽一起流入分离室，在此浓缩液从底部流出，而二次蒸汽则从左上侧引出。n加热器可立式和卧式，以立式为多。n 优点：处理黏度高达50100Pas的黏性料液时仍能保持较高的传热速率。故特别适用于浓缩糖含量高、蛋白含量高的物料，如鸡蛋、蜂蜜和麦芽汁等料液。n 缺点：设备加

11、工精度要求高，生产能力小。因而一般用于后道浓缩。l特点特点（五）刮板式蒸发器（六）板式蒸发器l结构l降膜式板式蒸发器 l升膜式板式蒸发器l升降膜式板式蒸发器 l特点（六）板式蒸发器l 结构(图8.9)n主要由组合而成.板式加热器（六）板式蒸发器l 板式加热器n总体类结构似于第七章的板式换热器;n但直接用蒸汽加热;n可分升膜式和降膜式两种;n加热板结构与普通换热板有差异:加热介质和产品流动的开孔大小、数量、形状和位置等。（六）板式蒸发器l加热板（图8.8）逆流逆流顺流顺流通过料液喷咀喷到加热板（六）板式蒸发器l降膜式板式蒸发器（图8. 9）n 结构与降膜式的类似，只是所用的加热板全为升膜式，并且

12、稀料液与加热蒸汽的走向为逆流，情形与长管升膜式蒸发器的类似。n 浓缩液二次蒸汽混合物通过上方的通道从加热器出来，进入分离器后两者分离。l升膜式板式蒸发器（六）板式蒸发器n 结构较为特殊，分别由升膜板、降膜板和蒸汽板交替叠成。n 由蒸汽板、升膜板、蒸汽板、降膜板和蒸汽板构成一个蒸发单元，一个加热器的蒸发单元数根据产量而进行调整。n 这种蒸发器中，料液输入口及浓缩液-二次蒸汽混合的输出口均位于加热器的下方。混合物从加热器出来后在分离器分离成浓缩液和二次蒸汽。 l升降膜式板式蒸发器（六）板式蒸发器n传热系数高；n物料停留时间短（数秒），适用于热敏性物料；n体积小，加热面积可随意调整，易清洗；n因一次

13、通过的浓缩比不高，因此常常构成二效或三效式蒸发系统；n密封垫圈易老化而泄漏，使用压力有限。l特点特点（六）板式蒸发器（七）离心薄膜蒸发器l离心薄膜蒸发器是一种利用锥形蒸发面高速旋转时产生的离心力使料液成膜及流动的高效蒸发设备。l结构l工作过程l特点l结构l 其结构如图8. 10所示。l 真空壳体内设置一高速旋转的转鼓，转鼓由锥形空心碟片叠装而成。l 碟片间保持有一定加热蒸发空间，空心夹层内通加热蒸汽，外圆径向开有与外界连接的通孔，供加热蒸汽进入和冷凝水离开。l 碟片的下外表面为工作面，故整机具有较大的工作面，外圈开有环形凹槽和轴向通孔，定向叠装后形成浓缩液环形聚集区和连续的轴向通道。l 转鼓上

14、部为浓缩液聚集槽，插有浓缩液引出管。 l工作过程l 料液经真空壳体上的分配管穿过叠锥转鼓的中心部，注入旋转圆锥的下面。注入后很快展成厚0.1mm的液膜，在1s左右的时间内沿加热面流过。因液膜很薄，水分很快汽化。l 二次蒸汽通过叠锥中央逸出到机壳内，然后排出。浓缩液则聚集于圆锥外缘内侧的一组圆环内，经竖向孔道引至叠锥上方的排料室，最后由固定于机壳上的排料管排出。l 蒸汽从下部进入，经空心轴至叠锥外缘的汽室，然后流经圆环上的小孔进入锥形元件之间的空间，蒸汽在圆锥表面冷凝，且一旦形成水滴，立即被离心力甩向外锥体排出，故不存在冷凝液膜，减小了传热热阻，传热系数可达 8000W/(m2 K）。l特点l

15、结构紧凑、传热效率高、蒸发面积大、料液受热时问很短、具有很强的蒸发能力，特别适合果汁和其它热敏性液体食品的浓缩。l 由于料液呈极薄的膜状流动，流动阻力大，而流动的推动力仅为离心力，故不适用于黏度大、易结晶、易结垢物料的浓缩。l 设备结构比较复杂，造价较高，传动系统的密封易泄漏，影响高真空。二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备l 蒸发器是真空蒸发浓缩系统的主要设备，但它必须与适当的附属设备配合，才能在真空状态下对料液进行正常的蒸发浓缩操作。l 通常有进料缸、物料泵、冷凝器、真空泵、蒸汽再压缩泵等。l 蒸发器与这些辅助设备进行适当的配合，可以得到不同形式的真空蒸发浓缩系统。二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备

16、（一）进料缸（二）物料泵 冷凝水排除泵 真空泵 （三）冷凝器（四）间接式换热器l 进料缸用于稀料液的缓冲暂存。稀料液通过进料管进入缸体。缸内的液位由浮球阀控制维持相对稳定。l 系统浓缩液的输出一般装有支路，当浓度达不到要求时由此支路管回流到进料缸，重新与稀料液混合后再进行蒸发浓缩。l 另外当浓缩操作结束后，进料缸通入清水后也可作为就地清洗的清水缸用。（一）进料缸二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备（一）进料缸二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备l 进料缸与蒸发器之间一般利用管路连接就可进料，前提是必须克服料液流动阻力，否则需加泵，例如对于降膜式蒸发器，系统的真空度不足使料液引入到蒸发器的顶部，因此必须由泵

17、提供动力。l 加工过程简单的生产线，尤其是产量不大的间歇式生产线，不一定设进料缸，可直接将前道工序的料罐作为进料缸用。（二）相关泵1.物料泵二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备l 出料泵:系统处于负压状态，因此，连续蒸发操作时，浓缩液的出料一般要用泵抽吸完成。多用正位移泵,可用离心泵，。l 循环泵:强制循环式蒸发器中的;l 内部输送泵:多效蒸发系统，上一效蒸浓缩液进入下一效蒸发器，一般也须用泵输送。（二）相关泵（二）相关泵2.冷凝水排除泵冷凝水排除泵二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备l 作用: 排除负压状态加热器的加热蒸汽冷凝水。l 当蒸发器的加热器与真空系统相连，进入加热器的蒸汽（生蒸汽、二次蒸汽或两

18、者的混合物）均可通过适当形式的调节控制，成为负压状态（负压状态的蒸汽对应的温度低于100）。此时加热器的冷凝水也为负压，必须通过离心泵抽吸才能排出加热器。（二）相关泵（二）相关泵3.真空泵真空泵二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备l 作用:为蒸发系统,排除不凝气体(来源:料液,冷却水), 提供所需的真空度。为负压加器提供必要的真空度.l 常见形式: 复往式、水环式、蒸汽喷射和水力喷射泵等。l 除水力喷射泵，其它真空泵一般接冷凝器。（三）冷凝器（三）冷凝器二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备l 作用: 冷凝二次蒸汽，分离不凝结气体，以减轻继真空系统负荷。l 一般以水为冷却介质，l 直接式: 一般二次水蒸汽,

19、多用直接式（混合式）冷凝器。l 间接式:回收芳香成分的料液，含有机溶剂的料液（如乙醇提取液），为了回收有机溶剂。l 无论是间接式还是直接式冷凝器，均有不凝性气体排出口与真空泵相连。l 在真空度要求不高的蒸发系统中，可用水力喷射泵来对二次蒸汽进行冷凝，同时将系统的不凝性气体抽走。（四）间接式换热器（四）间接式换热器二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备l 作用:对稀料液进行杀菌或预热，可用生蒸汽/二次蒸汽加热。l 换热器可为单程列管式，单独用生蒸汽加热；l 可与蒸发器的列管式换热器并联，用相同负压蒸汽进行加热；l 还可以盘管状结构通过蒸发器列管式加热器的壳体。三、典型真空浓缩系统1.单效降膜式真空浓缩系

20、统2.顺流式双效真空降膜浓缩设备3.混流式三效降膜真空浓缩设备4.混流式四效降膜真空浓缩设备2.顺流式双效真空降膜浓缩设备 l结构组成l工作过程l适用性及特点l适用性及特点该设备适用于牛乳、果汁等热敏性料液的浓缩，效果好，质量高，蒸汽与冷却水的消耗量较低，并配有就地清洗装置，使用、操作方便。 l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（8692），并在保持管内保持24s ；随后相继通过一效蒸发器（加热温度 8390，蒸发温度7075）、二效蒸发器（加热温度6874，蒸发温度4852），最后由出料泵

21、抽出。（8692），l生蒸汽（500kPa）经分汽包分别向杀菌器、一效蒸发器和热压泵供汽。一效蒸发器产生的二次蒸汽，一部分通过热压泵作为一效蒸发器的加热蒸汽，其余的被导入二效蒸发器作为加热蒸汽。二效蒸发器产生的二次蒸汽，先通过预热器，在对料液进行预热的同时受到冷凝，余下二次蒸汽与不凝性气体一起由水力喷射器冷凝抽出。各处加热蒸汽产生的冷凝水由泵抽出。贮槽内的酸碱洗涤液用于设备的就地清洗。3.混流式三效降膜真空浓缩设备 l结构组成l工作过程l适用性及特点l结构组成如图8. 13所示，全套设备包括三个降膜式蒸发器、混合式冷凝器、料液平衡槽、热压泵、液料泵和水环式真空泵等，其中第二效蒸发器为组合蒸发器

22、。l工作过程l 平衡槽内（固形物含量12%）的料液由泵抽吸供料，经预热器预热后，先进入第一效蒸发器（蒸发温度70），通过降膜受热蒸发，进入第一效分离器分离出的初步浓缩料液，由循环液料泵送入第三效蒸发器（蒸发温度57）。从第三效分离器出来的浓缩液由循环液料泵送入第二效蒸发器（蒸发温度44），最后由出料泵从第二效分离器将浓缩液（固形物含量48%）抽吸排出，其中不合格产品送回平衡槽。l 生蒸汽首先被引入第一效蒸发器和与第一效蒸发器连通的预热器；第一效蒸发器产生的二次蒸汽，一部分通过（与生蒸汽混合的）热压泵增压后作为第一效蒸发器和预热器的加热蒸汽使用：第二效分离器所产生的二次蒸汽，被引入第三效蒸发器作

23、为热源蒸汽；第三效分离器处的二次蒸汽导入冷凝器，经与冷却水混合冷凝后由冷凝水泵排出。各效产生的不凝气体均进入冷凝器，由水环式真空泵抽出。l适用性及特点该套设备适用于牛乳等热敏性料液的浓缩，料液受热时间短、蒸发温度低、处理量大，蒸汽消耗量低。例如，处理鲜乳36004000kg/h，每蒸发1kg水仅需0.267kg生蒸汽，比单效蒸发节约生蒸汽76%，比双效蒸发节约46。4.混流式四效降膜真空浓缩设备 l图8. 14所示为一混流式四效降膜真空浓缩设备流程，用于牛乳的杀菌与浓缩。l牛乳首先经预热后进行杀菌，然后顺序经由第四效、第一效、第二效和第三效蒸发器进行浓缩。l采用了多个蒸发器夹套内的预热器，并增

24、设有闪蒸冷却器用于牛乳杀菌后的降温。l二次蒸汽的冷凝采用效率较高的混合式冷凝器。第二节 冷冻浓缩设备l一般情形l基本原理l冷冻浓缩的特点l冷冻浓缩相关设备一、冷却结晶设备二、冰与浓缩液的分离设备三、冷冻浓缩设备的装置系统l冷冻浓缩相关设备冷冻浓缩主要包括料液冷却结晶和冰晶与浓缩液分离两步，因而冷冻浓缩设备主要也由冷却结晶设备和冰晶悬浮液分离设备两大部分组成。l冷冻浓缩的一般情形l 冷冻浓缩是使溶液中的一部分水以冰的形式析出，并将其从液相中分离出去，从而使溶液浓缩的方法。l 冷冻浓缩特别有利于热敏性食品的浓缩，具有以下优点：低温操作、气液界面小、微生物增殖少、溶质劣化及挥发性芳香成分损失可控制在

25、极低的水平等。l 浓缩的制品或直接作为成品，或作为冷冻干燥过程中的半成品使用。l冷冻浓缩的基本原理 水溶液均有如图8.15所示的平衡关系（冻结曲线）。利用冰与水溶液之间的固-液相平衡原理，使低于低共熔点浓度的溶液冷却，其结果表现为溶剂（水）呈晶体（冰晶）析出；将冰晶与母液分离后，即得到增浓的溶液。 l冷冻浓缩的特点l 优点：由于是在低温下对溶液的浓缩，因而，对热敏性物料，尤其是食品物料的浓缩非常有利；冷冻浓缩中溶剂水的排除不是通过加热蒸发，而是依靠从溶液到冰晶的相际传递，因此，可避免低沸点的芳香物质成分因挥发造成的损失。l 缺点：浓缩比较低，物料最终浓度不超过其低共熔浓度；晶液的分离技术要求高

26、，且溶液的黏度越大，分离越困难，冰晶的夹带损失也越大；成品中的微生物活性未能受到抑制，加工后仍需采用加热等后处理或需要冷冻贮藏；生产成本较高。一、冷却结晶设备l 冷冻浓缩中的冷却结晶设备实现两个功能：冷却除去结晶热和进行结晶。l 根据冷却方法可分为直接冷却式结晶器和间接冷却式结晶器，间接式又可分为内冷式结晶器与外冷式结晶器。（一）直接冷却式真空结晶器（二）内冷式结晶器（三）外冷式结晶器（一）直接冷却式真空结晶器l 直接冷却式结晶是指结晶热直接由溶液中发生汽化相变为另一部分物质带走的结晶方法。发生汽化的物质可以是水，也可以是制冷剂。l 部分水真空蒸发的结晶器 l 直接冷却式真空结晶器的特点 l

27、应用举例l部分水真空蒸发的结晶器l 工作原理：真空状态下部分水分从溶液中吸收热量发生汽化，而溶液中另一部分水则因热量的除去而结晶成冰。这种部分水汽化，部分水结冰的过程基本可使体系的温度保持稳定。例如，在绝对压力 267Pa直接冷却式结晶器中，溶液所对应的沸腾约为-3，此时每蒸发掉1kg水需要吸收的蒸发潜热可使7.14kg的水结晶成冰。l 直接冷却比间接冷却有两大明显的优点。首先，它省掉了冷却面，不用昂贵的刮板式换热器。其次，如果能将低压力二次蒸汽再压缩提高其绝对压力，并利用分离到的冰晶对此压缩后的二次蒸汽进行冷凝，还可进一步降低能耗。l直接冷却式真空结晶器的特点l设备费和能耗相对较低。l由于减

28、压蒸发时，芳香物也损失了，以致浓缩液质量较差。l对于多数果汁，如果能用吸收器吸收芳香物，就能减少芳香物的损失。 l应用举例图8. 16为一种具有芳香物回收的真空结晶装置。料液进入真空结晶器后，在267Pa绝对压强下部分蒸发，部分水分成为冰晶。从结晶器出来的冰晶悬浮液经分离器分离后，冰晶排出，浓缩液从顶部进入吸收器。而从真空结晶器出来的带芳香物的蒸汽先经冷凝器除去水分后，从底部进入吸收器。在吸收器内，浓缩液与芳香物的惰性气体逆流流动，芳香物被浓缩液吸收，然后惰性气体由吸收器顶部排出，而吸收了芳香物的浓缩液从吸收器底部排出。（二）内冷式结晶器这类结晶器有两种：l产生几乎完全固化悬浮液的结晶器l产生

29、可泵送浆料的结晶器 l产生几乎完全固化悬浮液的结晶器这种结晶器中，没有搅拌的液体与冷却壁面相接触，直至水分几乎完全固化，所以在原理上它属于层状冻结。冻结的晶体成片状或“雪”状，然后用机械方法除去。在这种结晶器中，即使非常稀的溶液也能一步浓缩至40浓度的浓缩液，甚至还可能更高。但是由于冰晶非常薄，浓缩液与冰晶的分离比较困难。l产生可泵送浆料的结晶器这种结晶器产生可泵送悬浮液，在冷冻浓缩中多数结晶器属于这种。典型的设备中，晶体悬浮液在冷却结晶器中仅停留几分钟。由于停留时间短，故晶体非常小（50m）。刮板式换热器是典型的产生可泵送冰晶悬浮液的结晶器。（三）外冷式结晶器外冷式结晶器有三种主要型式:l型

30、式一l型式二l型式三l型式一l 先使料液过冷，过冷度高达-6 。过冷的无晶体料液在结晶器中释放出“冷量”。为了减少冷却器中的晶核形成和结晶器中的意外事件，避免可能导致流体流动的堵塞，与料液相接触的冷却器壁面必须抛光或涂以憎水塑料。l 这种结晶器内的局部过冷实际上可得到抑制。对30的葡萄糖溶液，在结晶器中平均停留时间仅0.5h 时，即可获得大约0.2mm粒度的晶体。l 从结晶器出来的液体可由泵再循环至换热器，而晶体则借助泵吸入管路中的过滤器而被截留于结晶器中。l型式二特征是整个悬浮液在结晶器与换热器之间不断循环。晶体在换热器内的停留时间比在结晶器内的停留时间短，所以晶体的成长主要在结晶器内。l型

31、式三l 如图8. 17所示。料液先在外部换热器中产生亚临界晶体。部分无晶体液体从结晶器到换热器间再循环。l 刮板式换热器的热通量很高，这导致强烈的晶核形成。在换热器中晶体的停留时间只有几秒钟，所以产生的晶体特别小。l 当其连续地进入结晶器后，在此停留时间至少0.5h。由于在结晶器中停留时间相对较长，其主体过冷度很小，约 -0.02。进入结晶器的料液中的小晶体在这样的环境下呈亚临界结晶状态，与含有大晶体的悬浮液混合时即被溶化。料液中小晶体的溶化热来自于大晶体的生长。二、冰与浓缩液的分离设备 用于冷冻浓缩的冰与浓缩液的分离设备有压榨机、过滤式离心机、洗涤塔，以及这些设备组合形式等。（一）压榨机（二

32、）离心机（三）洗涤塔（四）压榨机与洗涤塔的组合（一）压榨机l常用液压活塞式压榨机和螺旋式压榨机。l采用压榨机分离，可溶性固体的损失量取决于已压缩冰饼中夹带的浓液量。冰饼中的夹带量与压榨机采用的压力有关，例如在1MPa压力下，每千克冰中大致留附0.65kg液体,而在10MPa压力下并且压缩时间较长时，则每千克冰中留附量可减少至0.1kg。l由于压榨法导致较多的可溶性固体损失，所以这种分离方法只用于作前期分离，为冰与溶液的最后完全分离提供冰含量较高的浆料。（二）离心机l 冷冻浓缩中使用的离心机是过滤式离心机。l 分离时的溶质损失取决于晶体大小和液体黏度。l 离心机分离的缺点是当液体从滤饼中流出时，

33、芳香物质将受到损失，这是液体与大量空气密切接触所致。 （三）洗涤塔l 洗涤塔有较好的冰与浓缩液的分离效果，浓缩液不会被稀释，且洗涤塔完全密封，无顶部空间，从而避免了芳香物的损失。从洗涤塔出来的浓缩液用纯水复原时，在分析上和外观、味感、芳香物质等方面与未浓缩过的原液几乎没有什么区别。l洗涤分离原理 l洗涤塔形式l洗涤分离原理l基本原理：利用冰晶融化水排代晶体间夹带的浓缩液。l连续式洗涤塔的工作原理如图8. 18 ，从结晶器来的晶体浆料从塔底进入，因冰晶密度比浓缩液小，故冰晶逐渐上浮到塔顶，而浓缩液则从塔底经过滤器排出。l塔顶设有融冰器（加热器），使部分冰晶融化成水。融化的水大部分排到洗涤塔外，小

34、部分向下返回，与上浮冰晶逆流接触，洗去冰晶表面的浓缩液。l沿塔高方向冰晶夹带的溶质浓度逐渐降低，冰晶随浮随洗，夹带的溶质越来越少。l当向下流动的洗涤水量占融化水量的比率提高时，其洗涤效果明显提高。 洗涤水洗涤水水水沿沿塔塔高高浓浓 度度融冰器融冰器晶体浆料晶体浆料浓浓缩缩液液图8. 18连续式洗涤塔的工作原理l洗涤塔形式 按塔中冰晶沿塔移动的推动力不同，洗涤塔可分以下三种：n浮床式n螺旋式n活塞式n浮床式 这种洗涤塔中，冰晶与液体作逆向运动，其推动力是晶体和液体两相的密度差。 n螺旋式这种洗涤塔是以螺旋推送为两相相对运动的推动力，如图8. 19 所示，晶体悬浮液进入两同心圆筒的环状空间，在此空

35、间内螺旋在旋转。螺旋具有棱镜状断面，除迫使冰晶沿塔体移动外，还有搅动晶体的作用。 n活塞式u以活塞的往复移动为冰床移动的推动力u图8. 20所示洗涤塔由洗涤塔筒体、塔下部活塞、顶部刮板装置等组成。u洗涤前沿位置由光电装置通过启闭阀C来控制。u洗涤水温度通过进汽阀D调节。u塔内已洗涤冰晶层与未稀释浓缩液层相距仅几厘米。u塔内出来的融化水中可溶性固体浓度可低至10 mg/kg。u生产能力取决于冰晶大小和浓缩液黏度，其范围若以每小时每平方米洗涤塔截面的去冰量计，其范围在300010000kg之间。 l活塞多孔的活塞连着一个中央进料管，并可在下部液压缸驱动下作往复运动。假如图示S1位置与刮板之间充满紧

36、密的冰床，当关闭B、C，开启A阀时，在结晶器浆料过压与液压缸的作用下，活塞向下运动，活塞上方空间将充以晶体浆料。当活塞抵达位置S3时，关闭A，开启B，活塞在液压缸作用下向上运动，此时浓缩液穿过活塞上的多孔网被滤走，并经阀B从洗涤塔排出，而冰晶留在活塞上方。当活塞抵达S2位置时，活塞上方建立起一个冰床，冰床在顶部挤压刮板，刮下的冰屑与其融化水一起在换热器内循环，少部分融化水往下流动用于洗涤夹带在冰晶中的浓缩液，大部分融化水经阀C排走。（四）压榨机与洗涤塔的组合l可实现最经济的分离过程。l图8. 21为一个典型实例。l过程：从结晶器出来的冰晶悬浮液在压榨机中分离，仍然含有浓缩液约40的冰饼在混合器

37、中与进料稀液混合，成为含冰晶的中浓缩液。此含冰晶的中浓缩液在洗涤塔内被完全洗涤。纯水与中浓缩液分别从塔顶侧排出，而进入结晶器的中浓缩液与压榨机来的浓缩液相混合。l 组合流程的优点l组合流程的优点l 只需采用简单的洗涤塔，而不必使用价格昂贵得多的复杂洗涤塔。l 洗涤塔处理的是经进料稀液混合过的中等浓度料液，而不是直接从压榨机来的浓缩液，浓度的降低使黏度剧烈下降，从而使洗涤塔生产能力大增。l 即使离开结晶器的晶体悬浮液黏度很高，或者晶体平均直即使离开结晶器的晶体悬浮液黏度很高，或者晶体平均直径很小，这种组合方法仍能使冰晶与浓缩达到完全分离。径很小，这种组合方法仍能使冰晶与浓缩达到完全分离。三、冷冻

38、浓缩设备的装置系统 将冷冻结晶装置与冰晶悬浮液分离装置有机地结合在一起，便可构成冷冻浓缩装置系统。冷冻浓缩装置系统可以分为单级系统和多级系统。l单级系统l 单级冷冻浓缩系统一次性使料液中的部分水分结成冰晶，然后对冰晶悬浮液分离，得到冷冻浓缩液。l 系统流程举例（图8. 22）：原料罐中稀溶液通过循环泵首先输入到刮板式热交换器，在冷媒作用下冷却，生成细微的冰晶，然后进入再结晶罐（成熟罐）。结晶罐保持一个较小的过冷却度，溶液的主体温度将介于该冰晶体系的大、小晶体平衡温度之间，高于小晶体的平衡温度而低于大晶体的平衡温度。小冰晶开始融化，大冰晶成长。结晶罐下部有一个过滤网，通过滤网从罐底出来的浓缩液，

39、一部分作为浓缩产物排出系统，另一部分与进料液一道再循环冷却进行结晶。未通过滤网的大冰晶料浆从罐底出来后进入活塞式洗涤塔。洗涤塔出来的浓缩液再循环冷却结晶，融化的冰水由系统排出。l 单级冷冻浓缩装置可将814oBx原果汁浓缩至4060oBx浓缩汁。l多级系统l 多级冷冻浓缩系统将前一级的浓缩液作为原料液进一步地通过更低的温度使部分水结成冰晶，再进行分离。l 控制料液在结晶器中的循环速度，可以使料液获得不同的过冷度，从而可以利用同一状态制冷剂实现多级冷冻浓缩所要求的冻结温度差异。l 应用举例：三级逆流冷冻浓缩系统 n三级逆流冷冻浓缩系统 u 系统如图8. 23所示。系统构成特点u 工作过程：原料液

40、进入进料罐后与从洗涤塔排代出来的稀溶液混合后由泵抽出，与第3级结晶罐中抽出的一部分溶液混合后，通过3级旋转刮板冻结器冷却成过冷液，进入第3级成熟罐。在此形成大的冰晶悬浮液。此悬浮液分离后，浮在上面的冰晶浆由泵抽至洗涤塔洗涤融化成水，沉在下层的浓缩液通过过滤网被泵抽出。抽出的浓缩液一部分与进料液混合后在本级再进行冻结，另一部分则由泵抽送至第2级进行结晶。第2级和第1级的工作原理基本与第3级的类似，但此二级成熟罐上层冰晶浆料是由螺旋输送器输送至下级成熟罐的，另外，第1级的浓缩液有一部作为最终浓缩物形式输出系统。u系统构成特点该系统所用的洗涤塔与上面所介绍的单级冷冻浓缩系统相同。此洗涤塔上面的融冰加

41、热器利用制冷系统压缩机出来的高压制冷蒸气。此加热器实际上也是制冷系统冷凝器，制冷剂蒸气在将冰水加热融化的同时，自身被冷凝为液体，从而有能量回收利用功能。夹套式蒸发器工作原理蒸汽进蒸汽进二次蒸二次蒸汽出汽出稀料液进蒸发浓缩稀料液进蒸发浓缩冷却水出冷却水出冷却水出冷却水出浓缩液出料浓缩液出料进稀料进稀料开开始始进进蒸蒸汽汽产生产生二次蒸汽二次蒸汽二次蒸汽至二次蒸汽至冷凝器冷凝器分离的液体回到蒸发器分离的液体回到蒸发器蒸发结束蒸发结束开始进料开始进料关闭真空系关闭真空系统统出浓料出浓料关关闭闭蒸蒸汽汽加加热热自然外循环式蒸发器4C生蒸汽进生蒸汽进冷凝水出冷凝水出稀料液进稀料液进二次蒸汽出二次蒸汽出浓

42、缩液出浓缩液出接冷凝器真空泵接冷凝器真空泵连续出料用泵抽出连续出料用泵抽出内有真空自动进料内有真空自动进料WIEGDN单效降膜式真空浓缩设备不凝气不凝气1加热室34567水环真空泵9ACBD通大气热水42冷却水蒸汽分离室bdac6850冷凝水冷凝室冷凝水泵螺杆泵中间泵2中间泵1贮料缸蒸汽喷射泵(热泵)浓缩液至后继工段l主要由降膜式蒸发器、蒸汽喷射器（热泵）、料液泵（离心泵和螺杆泵）、水泵、真空泵及贮料缸等组成。l降膜式蒸发器所有加热管束使用同一加热蒸汽，但管束内部分隔为加热面积大小不同的两部分，同时冷凝器设置于加热器外侧的夹套内，结构紧凑。l热泵将部分二次蒸汽压缩后作加热蒸汽使用；l同时，进料

43、缸内引入冷凝水管道及在分离室内设置夹套预热装置，对原料进行预热，提高了能量利用效率。 l该系统适用于牛乳的浓缩。它具有能量消耗少、操作稳定、清洗方便等特点。冷凝水冷凝水物料物料蒸汽蒸汽WIEGDN单效降膜式真空浓缩设备物料汽汽蒸汽汽冷凝水冷却水不凝气1加热室34567水环真空泵9ACBD通大气热水42冷却水蒸汽分离室bdac6850冷凝水冷凝室冷凝水泵螺杆泵中间泵2中间泵1贮料筒蒸汽喷射泵(热泵)浓缩液至后继工段工作过程l原料牛乳从贮料筒经流量计进入分离器，利用二次蒸汽间接加热，蒸发部分水分；l然后由料液泵送至加热器第一部分加热管束顶部，经分布器使其均匀地流入各加热管内，呈膜状向下流动，同时受

44、热蒸发；l经第一部分加热管束蒸发浓缩后的牛乳，由料液泵送入第二部分加热管束进一步加热蒸发，达到浓度后的浓缩牛乳由螺杆泵送出。l经分离器排出的二次蒸汽，一部分由蒸汽喷射器增压后送入加热器作为加热蒸汽使用，另一部分进入位于加热室外侧夹套内的冷凝器，在冷却水盘管作用下冷凝成水，并与加热器内的冷凝水汇合在一起，由冷凝水泵送出。l本章小结l 食品料液可用蒸发、冷冻浓缩和膜浓缩等方式进行浓缩。目前，食品工业使用最广泛的浓缩设备是各种形式的真空蒸发浓缩设备。 l 真空蒸发浓缩设备主要由蒸发器、冷凝器及真空系统等构成。蒸发器的型式有夹套式、盘管式、外加热式、长管式、板式和离心薄膜式等，其中，以长管式的升降膜蒸

45、发器应用最为普遍。冷凝器多采用高位或低位式混合式冷凝器。真空设备可采用湿式或干式机械真空泵、蒸汽喷射泵和水力喷射泵等。l本章小结l 先进的真空蒸发浓缩设备多为多效式，并且常容预热、杀菌、热能回收、芳香成分回收、物料冷却和CIP清洗等功能于一体。l 冷冻浓缩设备对于含热敏性和挥发性成分料液的浓缩极为有利，通常由冷却结晶器和冰晶溶液分离器两大部分组成。结晶器有真空式、内冷式和外冷式等，其中真空式结晶器容易造成料液中芳香成分的损失。外冷式结晶器一般为刮板式换热器，它的夹套是制冷系统的蒸发器。冰晶溶液分离器可为过滤器、压榨机和洗涤塔等，压榨机与洗涤塔结合可获得较好的冰晶与溶液分离的效果。l思考题1.液

46、体食品物料可用哪些类型的设备浓缩？最常用的是哪些类型？2.真空蒸发浓缩设备一般由几部分构成？各部分起什么作用？常有哪些具体型式？3.需回收溶液中的芳香成分，真空蒸发浓缩设备的冷凝器应采用什么型式？4. 冷冻浓缩设备系统一般由哪些部分构成？各部分起什么作用？常有哪些具体型式？ l自测题一、判断题二、填充题三、选择题四、对应题一、判断题一、判断题10. 使用水力喷射泵的真空蒸发系统一般不再专门设二次蒸汽冷凝器。11. 如果需要回收被浓缩液的香气成分， 则可采用混合式冷凝器。12. 真空蒸发系统的不凝性气体主要来自于料液。13. 管式加热外循环蒸发器的分离器可装在加热器的正上方。14. 过滤型分离器

47、在食品工业中使用很少，原因是它的阻力损失大。15. 水力喷射泵既起冷凝也起抽真空作用。16. 虽然湿式往复式真空泵可以抽水汽，但在食品工业中使用不多。17. 用于蒸汽喷射泵的蒸汽压力较高，且要求压力稳定。18. 由于冷冻浓缩在低温下进行，因此有较好的贮藏稳定性。19. 冷冻浓缩可避免芳香成分的损失。二、填充题二、填充题1食品料液可用 、 或 方式进行浓缩，其中以 方式最为常用。2自然循环管式浓缩锅的特点是： 、 、 、 。3带搅拌的夹套式真空浓缩锅的特点是结构简单， 容易，适用 的料液增浓。但 小， 长， 低，不能连续生产。4. 外加热式强制循环式真空蒸发浓缩锅的特点是:可调节 速度、可改善

48、条件、使几个 共用一个 成为可能。 二、填充题二、填充题5. 升膜式蒸发器的特点是： 短，适用于 料液；高速二次蒸汽具有良好的 作用，故尤其适用于 ； 引起沸点升高，故最好控制 进料； 一般组成 效流程使用； 不适用于 的料液； 加热蒸汽与 呈 流。6. 降膜式蒸发器 顶部设有将 均匀分布到 内使其形成 的料液 。操作时，一般料液以 状态进料。 这种蒸发器的特点是： 加热蒸汽与 呈 流方式； 短，为 流型，适用于热敏性料液；不适于 的料液浓缩； 大多组成 效、 效的蒸发设备。 7. 刮板薄膜式蒸发器的特点是： 适用于 料液的浓缩，但 小，设备 要求高。二、填充题二、填充题8. 离心薄膜式蒸发器

49、的特点是： 很高（ 力将料液作用成约 mm的膜而蒸发， 被离心力甩出，即成滴状冷凝状态； 在器内停留时间短（约 s），适于热敏物料； 离心力有 作用，适合于发泡性物料的蒸发； 高。9. 板式蒸发器有两种型式，即： 式和 式。 板式蒸发器的特点是：传热系数高； 物料停留时间短（ s），适用于热敏物料； 小， 可随意调整， 清洗； 易老化而泄漏，使用 有限。二、填充题二、填充题10. 真空浓缩系统常见的辅助设备有 _、_、_。常用于真空浓缩系统的汽液分离器有_型、_型和_型三种， 其中， 型虽然 小， 小，但由于 不易清洗，因此在食品工业中很少采用。11. 真空蒸发浓缩系统中的冷凝器主要作用是将来

50、自 的 冷凝成水，从而降低了后续 系统的负荷。冷凝器有 式和 式两种型式。一般的蒸发系统多采用 者， 从这种型式的冷凝器出来的不凝性气体主要来自 和 。不凝性气体可用 或 加以抽吸。12. 水力喷射泵是一种起 和 双重作用的装置.其特点是：结构简单，本身 运动部件，造价 ；能耗 ；适于抽 气体；但不能获得 (其大小与 有关)。二、填充题二、填充题13. 蒸汽喷射泵是一种采用 作动力源的 装置；可采用 级 联组合，以使蒸发系统获得高 ，（在各级泵之间一般配置 式冷凝器）。蒸汽喷射泵的特点： 大， 高，安装运行和维修简便，价廉，占地面积 ；但要求较高的 压力，且 要稳定。14. 通常在真空蒸发浓缩系统中， 表面式 后面用 式真空泵(多用 式泵)；而 式冷凝器后常接 式真空泵、 、不凝气体分离器+ 式真空泵(如往复式泵)。二、填充题二、填充题15. 往复式 有 式和 式之分， 者仅适合于抽吸冷凝器中的 气体，常需要在其前面再设一个 分离器； 者可以把冷凝器中的水蒸气和不凝气体一起抽出，这种形式的 在食品工业中使用 多。16. 水环式 是一种 式真空泵，可以将 气体与 一起抽走。它的特点：