食品技术原理-浓缩技术

1、 一、液体浓缩技术概述一、液体浓缩技术概述 1、浓缩是从溶液中除去部分溶剂的单元操作，、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。是溶质和溶剂均匀混合液的部分分离过程。2、浓缩和干燥的区别、浓缩和干燥的区别浓缩过程中，水分在物料内部是借对流扩散作用从浓缩过程中，水分在物料内部是借对流扩散作用从液相内部达到液相表面而后除去，液相内部达到液相表面而后除去，最低水分含量约最低水分含量约30%(质量质量)，一般为稳定状态的过程。，一般为稳定状态的过程。干燥过程中，水分在物料内部借分子扩散作用从固干燥过程中，水分在物料内部借分子扩散作用从固相中相中几乎完全几乎完全除去，

2、且一般为不稳定状态的过程。除去，且一般为不稳定状态的过程。二、浓缩方法二、浓缩方法平衡浓缩是利用两相在分配上的某种差平衡浓缩是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。异而获得溶质和溶剂分离的方法。蒸发浓缩蒸发浓缩冷冻浓缩（自学）冷冻浓缩（自学）非平衡浓缩：是利用半透膜来分离溶质非平衡浓缩：是利用半透膜来分离溶质与溶剂的过程，两相用膜隔开，因此分离与溶剂的过程，两相用膜隔开，因此分离不是靠两相的直接接触，故称非平衡浓缩。不是靠两相的直接接触，故称非平衡浓缩。膜浓缩膜浓缩 内容：内容：蒸发的基本概念蒸发的基本概念 蒸发器类型及其选择蒸发器类型及其选择 单效真空蒸发单效真空蒸发 多效蒸

3、发多效蒸发蒸汽再压缩蒸发蒸汽再压缩蒸发重点：重点：蒸发器结构、多效蒸发蒸发器结构、多效蒸发流程流程难点：难点：蒸发计算、蒸汽再压缩蒸发蒸发计算、蒸汽再压缩蒸发第一节第一节 蒸发及其特点蒸发及其特点l一、蒸发的基本概念一、蒸发的基本概念l1 1定义：定义：蒸发浓缩是利用溶剂和溶质蒸发浓缩是利用溶剂和溶质挥发度的差异，从而获得一个有利的挥发度的差异，从而获得一个有利的汽液平衡条件，达到分离的目的。汽液平衡条件，达到分离的目的。l即溶液中溶质的挥发性小，溶剂具有即溶液中溶质的挥发性小，溶剂具有明显挥发性时，工业上常用加热方法，明显挥发性时，工业上常用加热方法，使溶剂汽化达到使溶质增浓的目的就使溶剂汽

4、化达到使溶质增浓的目的就是蒸发操作。是蒸发操作。l食品工业浓缩的物料大多数为水溶液。食品工业浓缩的物料大多数为水溶液。蒸发就指水溶液的蒸发。蒸发就指水溶液的蒸发。2、蒸发原理、蒸发原理l按照分子运动学观点，溶液受热时，溶剂分子按照分子运动学观点，溶液受热时，溶剂分子获得了动能，当一些溶剂分子的能量足以克服获得了动能，当一些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。入上部空间，成为蒸汽分子，这就是汽化。l如果不设法除去这些蒸汽分子，则汽相与液相如果不设法除去这些蒸汽分子，则汽相与液相之间，水分的化学

5、势将渐趋平衡，汽化过程也之间，水分的化学势将渐趋平衡，汽化过程也相应逐渐减弱以至停止进行。相应逐渐减弱以至停止进行。l蒸发的必要条件：热能的不断供给（饱和蒸汽）蒸发的必要条件：热能的不断供给（饱和蒸汽）和生成的蒸气的不断排除和生成的蒸气的不断排除。3、食品浓缩的目的、食品浓缩的目的l除去食品中大量水分，减少包装、贮藏和运输除去食品中大量水分，减少包装、贮藏和运输费用。费用。l提高制品浓度，增加制品的保藏性。提高制品浓度，增加制品的保藏性。l浓缩经常用作干燥或更完全的脱水的预处理过浓缩经常用作干燥或更完全的脱水的预处理过程。程。l 浓缩用作某些结晶的预处理过程浓缩用作某些结晶的预处理过程。二、食

6、品物料蒸发浓缩的特点二、食品物料蒸发浓缩的特点l热敏性热敏性 ：加热温度和加热时间：加热温度和加热时间l腐蚀性腐蚀性 ：酸性食品：酸性食品l粘稠性：蛋白质、糖分、果胶粘稠性：蛋白质、糖分、果胶 l结垢性：蛋白质、糖分、果胶过热结垢性：蛋白质、糖分、果胶过热 l泡沫性泡沫性 ：物料沸腾时形成：物料沸腾时形成l易挥发成分：芳香成分和风味成分易挥发成分：芳香成分和风味成分 三、蒸发对食品的影响三、蒸发对食品的影响风味风味 风味物质损失风味物质损失 解决方法包括：解决方法包括：A将浓缩物与部分新鲜物料混合，将浓缩物与部分新鲜物料混合，以提高风味；以提高风味；B风味物质回收风味物质回收 风味劣变风味劣变

7、 颜色：加深颜色：加深 营养物质损失营养物质损失 第二节第二节 蒸发器类型及其选蒸发器类型及其选择择l一、蒸发器的组成一、蒸发器的组成蒸发器主要由加热室蒸发器主要由加热室(器器)和分离室和分离室 (器器)两部分两部分组成。组成。加热室的作用是利用水蒸气为热源来加热被浓缩加热室的作用是利用水蒸气为热源来加热被浓缩的料液。的料液。蒸发器分离室的作用是将二次蒸汽中夹带的雾沫蒸发器分离室的作用是将二次蒸汽中夹带的雾沫分离出来。分离出来。 二、食品工业上常用的典型蒸发器二、食品工业上常用的典型蒸发器l标准式蒸发器标准式蒸发器l悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器l加热室在外的蒸发器加热室在外的蒸发器l长管式蒸发器长

8、管式蒸发器l刮板薄膜蒸发器刮板薄膜蒸发器l板式板式 (片式片式)蒸发器蒸发器(一一)标准式蒸发器标准式蒸发器标准式标准式蒸发器由上、蒸发器由上、下两部分构成，下下两部分构成，下部为加热室，上部部为加热室，上部为分离室。为分离室。加热室由沸腾管、加热室由沸腾管、上、下管板所组成上、下管板所组成的加热管束。的加热管束。分离器顶部有捕沫器，用以分离雾沫，分离器顶部有捕沫器，用以分离雾沫，保证二次蒸汽洁净，有利于下一效蒸发保证二次蒸汽洁净，有利于下一效蒸发器的加热。分离器顶部连接二次蒸汽排器的加热。分离器顶部连接二次蒸汽排出管。出管。标准式蒸发器的缺点标准式蒸发器的缺点在增强循环方面有一定限制，因而沸

9、在增强循环方面有一定限制，因而沸腾液一侧的传热膜系数也受到限制。腾液一侧的传热膜系数也受到限制。不便清洗和更换管子。不便清洗和更换管子。 (二二)悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器l悬筐式蒸发器适用悬筐式蒸发器适用于中等粘度、轻度于中等粘度、轻度结垢的非腐蚀性料结垢的非腐蚀性料液，并且可以得到液，并且可以得到较好的蒸发速率。较好的蒸发速率。l在食品工业上：果在食品工业上：果汁、麦芽浸出液、汁、麦芽浸出液、蔗糖、葡萄糖等溶蔗糖、葡萄糖等溶液的浓缩。液的浓缩。(三三)加热室在外的蒸发器加热室在外的蒸发器(自然循环型和强制循环型自然循环型和强制循环型)蒸发器是由加热器、分离器和循环管三部分组蒸发器是由加热器、

10、分离器和循环管三部分组成成 优点：优点：可以改变两者之间的距离，并调节循环速度使料液可以改变两者之间的距离，并调节循环速度使料液达到不在加热室中沸腾达到不在加热室中沸腾可改善分离雾沫条件，并有可能将其作成离心分离可改善分离雾沫条件，并有可能将其作成离心分离器的形式。器的形式。可将几个加热器共用一个分离器，从而必要时可灵可将几个加热器共用一个分离器，从而必要时可灵活轮流使用每个加热器。活轮流使用每个加热器。循环条件得到了改善，检修、清洗也较方便循环条件得到了改善，检修、清洗也较方便 l自然循环型设备不适用于蒸发粘稠溶液，自然循环型设备不适用于蒸发粘稠溶液，主要是传热速率降低，污垢易于形成。主要是

11、传热速率降低，污垢易于形成。 l 解决的办法是采用强制循环型，使溶液解决的办法是采用强制循环型，使溶液在管内流速达在管内流速达34m/s. ( (四四) )长管式蒸发器长管式蒸发器l蒸发器采用细长的管子，单程通过的时间内，蒸发器采用细长的管子，单程通过的时间内，达到全部浓缩的要求，这就是长管式蒸发器达到全部浓缩的要求，这就是长管式蒸发器l蒸发器的管束很长，约蒸发器的管束很长，约68m，其截面积很小，其截面积很小，具有很大的传热面，溶液送入管束后很快强烈具有很大的传热面，溶液送入管束后很快强烈沸腾，管子的中央部分充满料液蒸汽，蒸汽从沸腾，管子的中央部分充满料液蒸汽，蒸汽从管口流出的速度高达管口流

12、出的速度高达100-l20m/s。料液就被带。料液就被带动而沿管子内壁形成上升或下降的液膜。被蒸动而沿管子内壁形成上升或下降的液膜。被蒸汽带动而沿管壁流动的液体速度可达汽带动而沿管壁流动的液体速度可达20m/s，所以这种蒸发器被称为液膜式蒸发器。所以这种蒸发器被称为液膜式蒸发器。长管蒸发器的分类长管蒸发器的分类l长管蒸发器根据浓膜的流动方向可分为升长管蒸发器根据浓膜的流动方向可分为升膜蒸发器、降膜蒸发器及升降膜蒸发器。膜蒸发器、降膜蒸发器及升降膜蒸发器。 1 1、升膜蒸发器、升膜蒸发器l料液先经预热至接近沸点，从管束的下端引入。料液先经预热至接近沸点，从管束的下端引入。 l操作时，管内有三段不

13、同的区域。操作时，管内有三段不同的区域。在底部，因液层静压力的作用，不发生沸腾，只在底部，因液层静压力的作用，不发生沸腾，只是起着加热的作用。是起着加热的作用。在中部，温度显著升高并开始沸腾产生蒸汽，但在中部，温度显著升高并开始沸腾产生蒸汽，但传热速率仍不太高。传热速率仍不太高。在上部区域，蒸汽体积急速增大，所产生的高速在上部区域，蒸汽体积急速增大，所产生的高速上升蒸汽使液体在管壁上形成一层薄膜，造成很上升蒸汽使液体在管壁上形成一层薄膜，造成很好的传热条件。好的传热条件。 l升膜蒸发器底部结构图升膜蒸发器底部结构图特点特点l优点：在加热器内料液停留时间短，传优点：在加热器内料液停留时间短，传热

14、系数高，适于浓缩热敏物料。热系数高，适于浓缩热敏物料。l缺点：缺点：在管内下部区域尚积存较多的液在管内下部区域尚积存较多的液体，故而延长了接触时间体，故而延长了接触时间 (约约1530min)通常还不能通过严格单程蒸发达到所要通常还不能通过严格单程蒸发达到所要求的浓度，一般尚需部分再循环，加长求的浓度，一般尚需部分再循环，加长了停留时间，在管子中部易发生结垢和了停留时间，在管子中部易发生结垢和蛋白质沉积的现象。蛋白质沉积的现象。 2 2、降膜蒸发器、降膜蒸发器l降膜蒸发器能较彻底降膜蒸发器能较彻底消除因液体积聚所造消除因液体积聚所造成的静压效应成的静压效应,达到传达到传热效率高，热能经济热效率

15、高，热能经济性好，停留时间短的性好，停留时间短的目的。目的。l特点：特点：经预热后的料液从管束经预热后的料液从管束的顶部加入的顶部加入 料液进管必须有均匀分料液进管必须有均匀分配装置配装置 降膜分布器的型式降膜分布器的型式l导流管具有螺旋形沟槽的圆柱体导流管具有螺旋形沟槽的圆柱体:l导流管下端锥体端面向导流管下端锥体端面向 内凹入，以免液体再向内凹入，以免液体再向 中央聚集中央聚集;l利用加热管上端管口的利用加热管上端管口的 齿缝来分配液体齿缝来分配液体;l靠管子上端的旋液分配靠管子上端的旋液分配 器，用于强制循环降膜器，用于强制循环降膜 蒸发器中。蒸发器中。降膜蒸发器应用降膜蒸发器应用l降膜

16、蒸发器因不存在静液层效应，物料降膜蒸发器因不存在静液层效应，物料沸点均匀，使用广泛，例如牛奶、果汁沸点均匀，使用广泛，例如牛奶、果汁和糖浆等浓缩。和糖浆等浓缩。 3 3、升降膜蒸发器、升降膜蒸发器l是升膜蒸发与降膜蒸发相结合的蒸发器。是升膜蒸发与降膜蒸发相结合的蒸发器。l将加热器竖管束分成两程，一程作稀液将加热器竖管束分成两程，一程作稀液的升膜蒸发部分，另一程为浓稠液的降的升膜蒸发部分，另一程为浓稠液的降膜蒸发部分。膜蒸发部分。l如此结合，既有以两程代单程，缩短加如此结合，既有以两程代单程，缩短加热器长度的优点，而又可因分段浓缩各热器长度的优点，而又可因分段浓缩各取有利方面以避免固有的缺点。取

17、有利方面以避免固有的缺点。 ( (五五) )刮板薄膜蒸发器刮板薄膜蒸发器l刮板薄膜蒸发器或称搅拌薄膜蒸发器，刮板薄膜蒸发器或称搅拌薄膜蒸发器，是另一种薄膜式蒸发器。是另一种薄膜式蒸发器。l其薄膜不是因为蒸汽的拖曳而是由机械其薄膜不是因为蒸汽的拖曳而是由机械的作用而形成。的作用而形成。l由夹套外壳和在壳内旋转的转动件组成，由夹套外壳和在壳内旋转的转动件组成，转动件上装有若干刮板。转动件上装有若干刮板。 刮板薄膜蒸发器应用刮板薄膜蒸发器应用l刮板薄膜蒸发器刮板薄膜蒸发器能处理粘度高达能处理粘度高达50，000l00，000cP的粘性料液，一般用于的粘性料液，一般用于后道浓缩操作。后道浓缩操作。 l

18、在浓缩热敏物料如番茄酱、咖啡茶、牛在浓缩热敏物料如番茄酱、咖啡茶、牛奶、麦芽汁和乳清等方面比较合适。奶、麦芽汁和乳清等方面比较合适。刮板薄膜蒸发器特点优点优点可处理粘性极大的物料可处理粘性极大的物料 可浓缩浆状和带泡沫物可浓缩浆状和带泡沫物停留时间短停留时间短蒸发速率高蒸发速率高可在传热温差很小的条件下操作，消除结垢现象。可在传热温差很小的条件下操作，消除结垢现象。缺点缺点刮板和壁速之间的间隙小，转动件要精密对中，因刮板和壁速之间的间隙小，转动件要精密对中，因而结构成本较高而结构成本较高不易清洗不易清洗一般情况只能用于单效蒸发，耗汽量大一般情况只能用于单效蒸发，耗汽量大投资费和操作费用大。投资

19、费和操作费用大。( (六六) )板式板式 (片式片式)蒸发器蒸发器l板式蒸发器是由板式热交换器与分离器板式蒸发器是由板式热交换器与分离器组合而成的一种蒸发器，也是一种薄膜组合而成的一种蒸发器，也是一种薄膜式蒸发器。式蒸发器。l与升膜式、降膜式、刮板薄膜式相比较，与升膜式、降膜式、刮板薄膜式相比较，差别在于以成型加热板上形成的液膜来差别在于以成型加热板上形成的液膜来代替管壁或壳上形成的液膜。代替管壁或壳上形成的液膜。板式板式 蒸发器蒸发器l近代板式蒸发器在国外使用已很普遍。近代板式蒸发器在国外使用已很普遍。虽然工业上应用始于虽然工业上应用始于1950年。但早在年。但早在1928年已运用板式热交换

20、器的原理作成年已运用板式热交换器的原理作成第一台板式蒸发器，并用于果酱的浓缩。第一台板式蒸发器，并用于果酱的浓缩。随着食品浓缩低温、短时的要求愈来愈随着食品浓缩低温、短时的要求愈来愈高，板式蒸发器已广泛应用于食品工业，高，板式蒸发器已广泛应用于食品工业，特别是乳品工业。特别是乳品工业。l 板式蒸发器将前述升降膜原理应用于板板式蒸发器将前述升降膜原理应用于板式换热器内部。通常的用法是将加热板式换热器内部。通常的用法是将加热板排成四片一组。蒸汽在排成四片一组。蒸汽在34板间沸腾成降板间沸腾成降膜，板组的数目可以变动，视生产能力膜，板组的数目可以变动，视生产能力需要而定。需要而定。板式蒸发器与管式蒸

21、发器比较板式蒸发器与管式蒸发器比较l板间的沸腾机理与管内发生的不完全相同，单板间的沸腾机理与管内发生的不完全相同，单位高度的传热面积，板式远大于管式，停留时位高度的传热面积，板式远大于管式，停留时间则板式远小于管式。间则板式远小于管式。l如果板式蒸发的板隙和板宽加以适当改变，就如果板式蒸发的板隙和板宽加以适当改变，就可控制蒸汽速度，提高传热效率，而传热板仍可控制蒸汽速度，提高传热效率，而传热板仍能保持适度润湿。能保持适度润湿。l对各种不同粘度、不同浓缩比要求、不同沸腾对各种不同粘度、不同浓缩比要求、不同沸腾温度的物料，调整传热板的尺寸可满足最佳操温度的物料，调整传热板的尺寸可满足最佳操作条件的

22、要求。作条件的要求。 板式蒸发器的板组板式蒸发器的板组 (4片成片成1板板组组)按所需传热面积顺序装于机架上，对所有板按所需传热面积顺序装于机架上，对所有板组而言，加料是平流的。组而言，加料是平流的。 英国英国APV公司新型板式蒸发器公司新型板式蒸发器l这种设备没有升膜段，全部料液以降膜方这种设备没有升膜段，全部料液以降膜方式流过加热板，而加热板则比普通板式蒸式流过加热板，而加热板则比普通板式蒸发器的大。如此，一片降膜进料板紧接一发器的大。如此，一片降膜进料板紧接一片蒸汽加热板，即两片成一组，板的长度片蒸汽加热板，即两片成一组，板的长度为以前的升膜板和降膜板长度之和，而板为以前的升膜板和降膜板

23、长度之和，而板宽则比以前增加宽则比以前增加50%，因此，为完成同一，因此，为完成同一任务，需要板数较少，组合后长度较短。任务，需要板数较少，组合后长度较短。料液在此设备内不再循环，且停留时间极料液在此设备内不再循环，且停留时间极短。短。板式蒸发器优点板式蒸发器优点l灵活性大，传热面积可按需要而随意增灵活性大，传热面积可按需要而随意增减减l整个装置所需的厂房高度小整个装置所需的厂房高度小l具有良好的卫生结构设计，传热面装拆具有良好的卫生结构设计，传热面装拆方便方便l可进行多效操作可进行多效操作l用途可变性大，包括热敏制品的浓缩。用途可变性大，包括热敏制品的浓缩。 板式蒸发器的局限性板式蒸发器的局

24、限性l因为使用橡皮垫圈密封，故不能处理有因为使用橡皮垫圈密封，故不能处理有机溶剂的溶液，同时操作温度上也有限机溶剂的溶液，同时操作温度上也有限度度l 为保证适当的升降膜操作条件，板间间为保证适当的升降膜操作条件，板间间隙小，故不能处理悬浮固体的料液。同隙小，故不能处理悬浮固体的料液。同时处理一般料液，也有必要在生产线上时处理一般料液，也有必要在生产线上安装过滤器，防止液体颗粒进入蒸发器安装过滤器，防止液体颗粒进入蒸发器l设备生产能力受限制设备生产能力受限制三、蒸发设备的选择三、蒸发设备的选择生产能力，通常是以每小时的水分蒸发量来表示生产能力，通常是以每小时的水分蒸发量来表示物料需要浓缩的程度：

25、通常以浓缩制品的固体百分含量物料需要浓缩的程度：通常以浓缩制品的固体百分含量来表示来表示物料的热敏性：与停留时间及蒸发温度有关物料的热敏性：与停留时间及蒸发温度有关是否需要回收风味物质是否需要回收风味物质 卫生结构及清洗的要求：清洁的容易程度卫生结构及清洗的要求：清洁的容易程度 操作的方便性操作的方便性 装置大小，相对于蒸发能力的蒸发器大小，与厂房大小装置大小，相对于蒸发能力的蒸发器大小，与厂房大小有关有关投资费用及操作费用：相对于蒸发能力和产品质量的操投资费用及操作费用：相对于蒸发能力和产品质量的操作费用作费用 四、影响蒸发经济性的因素四、影响蒸发经济性的因素由于发泡和夹带等引起的物料损失由

26、于发泡和夹带等引起的物料损失 能量消耗，减少能量消耗的方法能量消耗，减少能量消耗的方法 二次蒸汽再压缩二次蒸汽再压缩 二次蒸汽再加热二次蒸汽再加热 多效蒸发（多效系统的数量取决于节省多效蒸发（多效系统的数量取决于节省的能量与操作费用的增加比较）的能量与操作费用的增加比较） 第三节、蒸发系统第三节、蒸发系统l一、单效真空蒸发一、单效真空蒸发l(一一)定义：凡溶液在蒸发器内蒸发，所产定义：凡溶液在蒸发器内蒸发，所产生的二次蒸汽不再加以利用，则此种操生的二次蒸汽不再加以利用，则此种操作称为单效蒸发作称为单效蒸发 l为了浓缩热敏物料，必须尽可能使操作为了浓缩热敏物料，必须尽可能使操作保持在低温下进行。

27、当蒸发压力低于大保持在低温下进行。当蒸发压力低于大气压，则称此蒸发为真空蒸发。气压，则称此蒸发为真空蒸发。(二二)单效真空蒸发装置单效真空蒸发装置l蒸发器为升膜式，蒸发器为升膜式， 它包括一个长管加它包括一个长管加 热器和一个分离器热器和一个分离器 以及附属设备以及附属设备 ： 冷凝器冷凝器 、真空泵、真空泵 、 不凝气排除不凝气排除 装置装置 、 疏水器、捕沫器。疏水器、捕沫器。 附属设备附属设备l1、冷凝器：蒸发器所产生的大量二次蒸、冷凝器：蒸发器所产生的大量二次蒸汽必须设法排除掉，方法是将其导入冷汽必须设法排除掉，方法是将其导入冷凝器进行冷凝。一般均采用混合式冷凝凝器进行冷凝。一般均采用

28、混合式冷凝器器 l2、疏水器：为求蒸发器的蒸汽利用经济、疏水器：为求蒸发器的蒸汽利用经济、保持传热良好。同其他水蒸气加热设备保持传热良好。同其他水蒸气加热设备一样，必须装置排除冷凝水的设备，即一样，必须装置排除冷凝水的设备，即疏水器。疏水器。3、真空泵：因为冷凝器所能冷凝的气体主、真空泵：因为冷凝器所能冷凝的气体主要为水蒸气。而空气等不凝结气体如不设要为水蒸气。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。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。使用真空泵的目的就是抽出这些不凝结气体。4、不凝气排除装置：为保持加热室的传热、不凝气排除装置：为保

29、持加热室的传热效率。效率。方法是在加热器侧壁上设抽气管口，并连以管方法是在加热器侧壁上设抽气管口，并连以管子和排气阀门。子和排气阀门。 5、捕沫器：蒸发操作时，应尽量避免或、捕沫器：蒸发操作时，应尽量避免或减少雾沫被二次蒸汽带出。减少雾沫被二次蒸汽带出。浓缩时，雾沫夹带对得率和蒸发能力均有影浓缩时，雾沫夹带对得率和蒸发能力均有影响。如果是多效蒸发，还可能使下一效加热响。如果是多效蒸发，还可能使下一效加热面形成污垢或腐蚀。面形成污垢或腐蚀。特别在果蔬汁如蕃茄汁的浓缩时，强腐蚀性特别在果蔬汁如蕃茄汁的浓缩时，强腐蚀性酸雾会带来严重的后果。酸雾会带来严重的后果。 造成雾沫夹带的原因造成雾沫夹带的原因

30、l泡沫泡沫:液料的表面张力减小是造成泡沫的原因液料的表面张力减小是造成泡沫的原因之一之一l蒸汽高速流动蒸汽高速流动:蒸汽流动速度过快，必然促使蒸汽流动速度过快，必然促使雾沫伴随而行。雾沫伴随而行。l溶液的急剧蒸发：溶液温度偏高，而蒸发温溶液的急剧蒸发：溶液温度偏高，而蒸发温度偏低，发生突然闪急蒸发，形成雾沫。度偏低，发生突然闪急蒸发，形成雾沫。 (三三)单真空蒸发器装置内的传热单真空蒸发器装置内的传热l蒸发过程实质上是以传热为主的过程蒸发过程实质上是以传热为主的过程 。l从整个单效真空蒸发系统来看：蒸发器从整个单效真空蒸发系统来看：蒸发器和冷凝器的结合是两个热交换器的串联。和冷凝器的结合是两个

31、热交换器的串联。蒸发器将热能从加热介质转移到二次蒸蒸发器将热能从加热介质转移到二次蒸汽中去，然后由冷凝器又将二次蒸汽的汽中去，然后由冷凝器又将二次蒸汽的热能转移到冷却介质中去。热量传递的热能转移到冷却介质中去。热量传递的总趋势是从加热介质放热开始，以冷却总趋势是从加热介质放热开始，以冷却介应吸热而告终。介应吸热而告终。整个单效真空蒸发系统的热量转移七个阶整个单效真空蒸发系统的热量转移七个阶段。段。1、蒸发器加热侧的传递阻力。此项热、蒸发器加热侧的传递阻力。此项热阻一般较小，不是全过程的控制因素。阻一般较小，不是全过程的控制因素。2、蒸发器传热壁热阻，通常也很小。、蒸发器传热壁热阻，通常也很小。

32、3、蒸发器沸腾侧的传递阻力，与上述、蒸发器沸腾侧的传递阻力，与上述阻力相比，此项阻力在蒸发器传热中占阻力相比，此项阻力在蒸发器传热中占有支配地位。有支配地位。4、二次蒸汽从分离室沿管线向冷疑器转移、二次蒸汽从分离室沿管线向冷疑器转移时，要发生热损失和流动阻力。时，要发生热损失和流动阻力。5、冷凝器蒸汽侧的传递阻力。此项阻力与、冷凝器蒸汽侧的传递阻力。此项阻力与1相似。相似。6、冷凝器冷却壁热阻。此项阻力与、冷凝器冷却壁热阻。此项阻力与2热阻相热阻相似。似。7、冷凝器冷却介质侧的热阻：表面式冷凝、冷凝器冷却介质侧的热阻：表面式冷凝器的主要热阻。器的主要热阻。(四)蒸发装置内的温差损失l当采用混合

33、式冷凝器，由真空泵维持冷凝当采用混合式冷凝器，由真空泵维持冷凝器在一定真空度下操作。器在一定真空度下操作。l在此真空度下，水蒸气和水的两相平衡物在此真空度下，水蒸气和水的两相平衡物系必有一对应的温度，称为冷凝温度，以系必有一对应的温度，称为冷凝温度，以TK表示。表示。l若加热蒸汽的温度为若加热蒸汽的温度为T， 则上述热量转移则上述热量转移过程中所产生的全部温度降落过程中所产生的全部温度降落 (称为总温差称为总温差)为为:To=T一一TK. l设蒸发器内沸腾温度为设蒸发器内沸腾温度为t，则蒸发器的传热温差称为，则蒸发器的传热温差称为有效温差为有效温差为T : T=T一一t TTo（=T一一TK）

34、l总温差总温差To与有效温差与有效温差T的差值称为温差损失的差值称为温差损失。l故有故有= To一一T=(T一一TK) 一一(T一一t)= t一一TKl因此，蒸发操作的温度差损失为料液沸腾温度与冷凝因此，蒸发操作的温度差损失为料液沸腾温度与冷凝温度的差值。温度的差值。引起温差损失的原因引起温差损失的原因如蒸发料液为纯水，且无其他原因引起液体如蒸发料液为纯水，且无其他原因引起液体的沸点升高，也不存在蒸汽在输送中温度的的沸点升高，也不存在蒸汽在输送中温度的降低，则温度差损失并不存在，即降低，则温度差损失并不存在，即=o，但，但实际上，由于下述三种原因，常引起温差的实际上，由于下述三种原因，常引起温

35、差的损失。损失。 1、由于溶液的沸点升高所引起、由于溶液的沸点升高所引起l在手册和文献中可以查得常压下某些溶在手册和文献中可以查得常压下某些溶液在不同浓度下沸点升高的数据液在不同浓度下沸点升高的数据 (以以a表表示示)。 吉辛柯公式吉辛柯公式l如能查到常压下水溶液的沸点升高如能查到常压下水溶液的沸点升高a，则可按下面吉辛柯公式计算非常压下的则可按下面吉辛柯公式计算非常压下的沸点升高沸点升高： 式中：式中：T - 某压力下水的沸点，某压力下水的沸点，K； LV - 压力下水的汽化潜热，压力下水的汽化潜热，J/kg a- 常压下水溶液的沸点升高，常压下水溶液的沸点升高，K l杜林法则：这个法则表明

36、，溶液的沸杜林法则：这个法则表明，溶液的沸点是相同气压下纯溶剂沸点的线性函数。点是相同气压下纯溶剂沸点的线性函数。 淀粉糖厂的设计中得到的经验公式：淀粉糖厂的设计中得到的经验公式： 式中为各效排出液浓度。式中为各效排出液浓度。2、由于液层静压效应所引起、由于液层静压效应所引起 l在低压下，液层高度会影响沸腾温度。l 可直接取用在 压力下水蒸气的 饱和温度 为液面上方的分离室内的压力，溶液液层高度为h，溶液密度为，则溶液中层的压力为： 3、由蒸汽流动中热损失引起、由蒸汽流动中热损失引起l此项温差损失与蒸发装置的流程有关。此项温差损失与蒸发装置的流程有关。l计算时，一般作计算时，一般作=0.51.

37、5K 全部温差损失全部温差损失l =+十十 l有效温差有效温差T则等于总温差减去总温差损则等于总温差减去总温差损失。即失。即: T=To一一 (五五)蒸发器的传热系数蒸发器的传热系数l传热系数：蒸发器是特殊条件下操作的传热系数：蒸发器是特殊条件下操作的热交换器，其传热系数热交换器，其传热系数K按通用表达式按通用表达式为为蒸发器传热系数蒸发器传热系数K值，除上述按公式计算外，比值，除上述按公式计算外，比较可靠的办法是根据生产实践中的直接经验数据较可靠的办法是根据生产实践中的直接经验数据(六六)单效真空蒸发器计算单效真空蒸发器计算l单效真空蒸发器单效真空蒸发器 的工艺设计计算的工艺设计计算 项目主

38、要有：项目主要有： 1 1蒸发量蒸发量 2 2热蒸汽消耗量热蒸汽消耗量 3 3传热面积。传热面积。 l1 1蒸发量蒸发量 W1：取浓缩过程中质量不变的物质取浓缩过程中质量不变的物质-绝对绝对 干固体为计算基准干固体为计算基准设：设：S-S-原料液量，原料液量，kg/s:kg/s: B B。-原料液中的固体含量原料液中的固体含量% % W W1 1- - 水分蒸发量，水分蒸发量，kg,/S:kg,/S: B B1 1-浓缩液的固体含量浓缩液的固体含量% %l 则有则有：2加热蒸汽消耗量（沸点进料）加热蒸汽消耗量（沸点进料） KgKg /s /s 式中：式中：Q - Q - 传热速率传热速率 J/

39、s J/s L Lv v - - 汽化潜热汽化潜热 KJ/Kg KJ/Kg 3 3传热面积传热面积 :蒸发传热面积的计算仍根据传蒸发传热面积的计算仍根据传热基本方程式。热基本方程式。 A=Q/(K T) m2 式中：式中： K-传热系数传热系数习题习题1l蕃茄汁在单效薄膜式蒸发器中从固体含蕃茄汁在单效薄膜式蒸发器中从固体含量量12%浓缩至浓缩至28%。蕃茄汁已经预热到。蕃茄汁已经预热到最高许可温度最高许可温度60后进料。采用加热蒸后进料。采用加热蒸汽为压力汽为压力0.7公斤公斤/厘米厘米2(表压表压)的饱和水蒸的饱和水蒸气。设蒸发传热面积为气。设蒸发传热面积为0.4m2，传热系数，传热系数为为

40、1500W/ m2.K，试近似估算蒸汽消耗，试近似估算蒸汽消耗量和原料量。量和原料量。 l解：适当选取操作的真空度，保证器内料液沸点为60、根据加热饱和水蒸气的压力，从水蒸气表查查得其饱和温度T1=114.5，汽化潜热Lv=2.210KJ/KG，计算传热速率Q1=K1A1t1=15000.4(114.5-60)=32700J/sl计算蒸汽消耗量 D1=Q1/Lv=32700/2210000=0.0148kg/s=53.3Kg/hl计算蒸发量 (查得60下水的汽化潜热LV=2304 kJ/kg ) W1=Q1/LV=32700/2340000=0.014kg/s=50.3kg/hl计算原料液流量

41、： hkgBBWS/88281213 .501101二、多效蒸发二、多效蒸发(一一)多效蒸发的定义和特点多效蒸发的定义和特点蒸发过程汽化所产生的水蒸气叫做二次蒸汽，以区蒸发过程汽化所产生的水蒸气叫做二次蒸汽，以区别作为热源的生蒸汽。别作为热源的生蒸汽。蒸发操作中，将二次蒸汽直接冷凝不再利用者，称蒸发操作中，将二次蒸汽直接冷凝不再利用者，称为单效蒸发。为单效蒸发。1、定义：如将二次蒸汽引入另一蒸发器作为、定义：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，称为多效蒸发。热源进行串联蒸发操作，称为多效蒸发。对于单效或多效蒸发，最后一效的二次蒸汽通对于单效或多效蒸发，最后一效的二次蒸汽通常用冷

42、却水冷凝的方法来排除，所以冷凝器是常用冷却水冷凝的方法来排除，所以冷凝器是蒸发设备的重要组成部分。蒸发设备的重要组成部分。2、多效蒸发的特点、多效蒸发的特点提高了热能的经济性。提高了热能的经济性。按单效蒸发的结论，按单效蒸发的结论，1千克加热蒸汽可以蒸千克加热蒸汽可以蒸发大约发大约l千克二次蒸汽，千克二次蒸汽，如果将此二次蒸汽全部用作第二效的加热蒸如果将此二次蒸汽全部用作第二效的加热蒸汽时，同样在第二效中又可蒸发大约汽时，同样在第二效中又可蒸发大约l千克千克的二次蒸汽。的二次蒸汽。以此类推，以此类推，n效串联蒸发操作，效串联蒸发操作，1千克加热生千克加热生蒸汽则可蒸发约蒸汽则可蒸发约n千克的二

43、次蒸汽。千克的二次蒸汽。l多效蒸发图多效蒸发图（降膜蒸发器机组）降膜蒸发器机组）(二二)多效蒸发装置的设备流程多效蒸发装置的设备流程l多效蒸发操作的加料可有四种不同的方多效蒸发操作的加料可有四种不同的方法法:料液与蒸汽成顺流的方法，称顺流法料液与蒸汽成顺流的方法，称顺流法料液与蒸汽成逆流的方法，称逆流法料液与蒸汽成逆流的方法，称逆流法每效都加入原料液的方法，称平流法每效都加入原料液的方法，称平流法组合上述备种方法的方法，简称混流法组合上述备种方法的方法，简称混流法 l顺流法顺流法l逆流法逆流法l平流法平流法 混流法混流法l对于效数多的蒸发也搞采用顺流和逆流对于效数多的蒸发也搞采用顺流和逆流并用

44、，有些效间用顺流，有些效间用逆并用，有些效间用顺流，有些效间用逆流。流。l此法起协调顺流和逆流的优缺点的作用，此法起协调顺流和逆流的优缺点的作用，对黏度极高的料液很有用处，特别是在对黏度极高的料液很有用处，特别是在料液黏度随浓度而显著增加的场合下，料液黏度随浓度而显著增加的场合下，可以采用此法。可以采用此法。 l额外蒸汽的运用额外蒸汽的运用 (三三) 多效蒸发的温差分配多效蒸发的温差分配l多效设备是由单效设备组成，每一效即为单效蒸发器。因此，在实际蒸发操作中，每效蒸发器的操作都存在着三种形式的温差损失。l设第1效加热蒸汽温度为T1 ，冷凝器的冷凝温度为Tk，则总温差为 l若每效无温差损失，对n

45、效蒸发，显然每效传热温差为： 而总的有效温差为：可见总有效温差等于总温差 l在温差损失不能忽略的情况下，在温差损失不能忽略的情况下， 总有效总有效温差必小于总温差，其差值即为总温差损温差必小于总温差，其差值即为总温差损失。即失。即 l式中式中 为为n效温差损失之和，即：效温差损失之和，即：l当有效总温差确定之后，此温差必须分配当有效总温差确定之后，此温差必须分配到各效，并满足各效的传热方程，即：到各效，并满足各效的传热方程，即：l由此可得有效温差分配所必须遵循的如下比例由此可得有效温差分配所必须遵循的如下比例关系：关系：确定各效的有效温差，需另加特定的限制原则确定各效的有效温差，需另加特定的限

46、制原则 各效等面积原则；各效等面积原则；相邻效间等压差原则（确定各效压力及其对应的饱相邻效间等压差原则（确定各效压力及其对应的饱和温度）；和温度）；各效蒸发量按经验比例法各效蒸发量按经验比例法其他特殊的限制（最高蒸发温度的限制对于热敏食其他特殊的限制（最高蒸发温度的限制对于热敏食品的浓缩，常规定蒸发温度的安全极限。品的浓缩，常规定蒸发温度的安全极限。 （四）多效蒸发的计算（四）多效蒸发的计算l多效蒸发的工艺设计计算项目主要包括多效蒸发的工艺设计计算项目主要包括l(1) 水分总蒸发量和各效蒸发量水分总蒸发量和各效蒸发量l(2) 加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量;l(3) 各效传热面积。各效传热面积。

47、(1)总蒸发量的计算总蒸发量的计算蒸发操作时，如无额外蒸汽抽出，因各效蒸发蒸发操作时，如无额外蒸汽抽出，因各效蒸发量大致相等量大致相等Q1Q2； T1= T2=（T1一一Tk）/2 由此可见，如果单效设备的传热面积与双效的由此可见，如果单效设备的传热面积与双效的每效面积相同时，由于单效的传热温差是双效每效面积相同时，由于单效的传热温差是双效的每效温差的一倍，故单效蒸发的传热量就等的每效温差的一倍，故单效蒸发的传热量就等于双效中每效传热量之和。从而，单效的蒸发于双效中每效传热量之和。从而，单效的蒸发量就大致等于双效的全部蒸发量。量就大致等于双效的全部蒸发量。 l水分总蒸发量为各效蒸发量之和水分总

48、蒸发量为各效蒸发量之和 WW1+W2+Wn (kg/s) 对溶液中固体进行物料衡算：对溶液中固体进行物料衡算： SB0=(S-W1)B1 =(S-W1-W2)B2=(S-W)Bn (kg/s)由此得出总蒸发量：由此得出总蒸发量： W=S(1-B0/Bn) (kg/s)l已知各效汁汽量已知各效汁汽量E1、E2.En和末效蒸发量和末效蒸发量Wn，计算蒸发水量。计算蒸发水量。 Wn = En Wn-1= En-1+En W2= E2+ E3+ E4+ En W1=E1+ E2+ E3+ E4+ En总蒸发水量：总蒸发水量：W=W1+ W2+ Wn-1+ Wn =n En +(n-1) En-1+2E

49、2+E1蒸汽消耗量蒸汽消耗量l升温耗热量：液体在沸点以下进入蒸发罐，加升温耗热量：液体在沸点以下进入蒸发罐，加热至沸腾温度所需热量也称显热。热至沸腾温度所需热量也称显热。 Q1=S0C0(t沸沸-t1)l汽化耗热量：物料进入蒸发罐升温至沸点后，汽化耗热量：物料进入蒸发罐升温至沸点后，水分又开始由液态变成汽态，沸点下汽化所消水分又开始由液态变成汽态，沸点下汽化所消耗的热量也称为潜热耗的热量也称为潜热Q2=W rl热损失热损失 Q损损0.05(Q1+ Q2)l加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量 D=Q/Lv各效传热面积的计算各效传热面积的计算l各效传热面积的计算各效传热面积的计算 第四节第四节 蒸汽再压

50、缩蒸发蒸汽再压缩蒸发提高经济性措施：提高经济性措施：多效蒸发代替单效蒸发多效蒸发代替单效蒸发蒸汽再压缩方法。蒸汽再压缩方法。一、蒸汽再压缩的基本概念和原理一、蒸汽再压缩的基本概念和原理l1、蒸汽再压缩方法的定义：设法使蒸发、蒸汽再压缩方法的定义：设法使蒸发出来的二次蒸汽的热力状态提高到接近出来的二次蒸汽的热力状态提高到接近于原来的水蒸气的状态，作为热源，进于原来的水蒸气的状态，作为热源，进行加热的方法。行加热的方法。2 2、蒸汽再压缩蒸汽再压缩节能的原理节能的原理假定：假定：将绝对压力为将绝对压力为1.741.7410105 5N/mN/m2 2，温度为，温度为1l6 1l6 的饱和水蒸气送入

51、蒸发器，用以浓缩在大气压的饱和水蒸气送入蒸发器，用以浓缩在大气压下沸点为下沸点为100100的液体，并假定冷凝水离开的温的液体，并假定冷凝水离开的温度为度为104104。因因116116饱和水蒸气的焓值为饱和水蒸气的焓值为2700kJ/kg2700kJ/kg，104104冷凝水的焓值为冷凝水的焓值为435kJ/Kg435kJ/Kg，若将此冷凝水送回锅炉房，则每千克冷凝水至少要若将此冷凝水送回锅炉房，则每千克冷凝水至少要加入加入2265kJ/kg2265kJ/kg的热量，才能得到与原来加热蒸汽同的热量，才能得到与原来加热蒸汽同样的饱和水蒸气。样的饱和水蒸气。而焓值为而焓值为l00l00下饱和水蒸

52、气的焓值下饱和水蒸气的焓值2670kJ/kg2670kJ/kg，与，与原加热蒸汽焓值相差原加热蒸汽焓值相差30kJ/Kg 30kJ/Kg 。所以将此所以将此lkglkg二次蒸汽在回复到二次蒸汽在回复到lkglkg原来状态的水原来状态的水蒸气，仅需加入蒸气，仅需加入30kJ/kg30kJ/kg的热最即可。的热最即可。二、压缩二次蒸汽的方法二、压缩二次蒸汽的方法l机械再压缩法机械再压缩法l蒸汽喷射再压缩法蒸汽喷射再压缩法(热再压缩法热再压缩法)l热泵循环再压缩法热泵循环再压缩法1 1、机械再压缩蒸发、机械再压缩蒸发l机械再压缩蒸发机械再压缩蒸发是利用机械压缩机的绝热压缩是利用机械压缩机的绝热压缩来

53、实现。来实现。l由于此法每蒸发由于此法每蒸发1吨水分约耗电吨水分约耗电2946kWh，只，只适用于电力发达而电费便宜的场合。适用于电力发达而电费便宜的场合。l另外，机械再压缩蒸发只适用于粘度低的稀溶另外，机械再压缩蒸发只适用于粘度低的稀溶液，因该法只有和传热温差很小时才比较经济。液，因该法只有和传热温差很小时才比较经济。如果料液沸点升高显著，或有严重结垢现象，如果料液沸点升高显著，或有严重结垢现象，就不宜采用。就不宜采用。2 2、热再压缩法、热再压缩法l机械再压缩中的压缩机，如用蒸汽喷射器代替机械再压缩中的压缩机，如用蒸汽喷射器代替机械压缩则称为热再压缩蒸发，所使用的蒸汽机械压缩则称为热再压缩

54、蒸发，所使用的蒸汽喷射器称为升压泵。喷射器称为升压泵。l升压泵的作用与蒸汽喷射真空泵不同之点在于升压泵的作用与蒸汽喷射真空泵不同之点在于其吸入气为水蒸气而由扩压管压缩其吸入气为水蒸气而由扩压管压缩.相当于相当于lkg工工作蒸汽所吸入的二次蒸汽量，称为抽气系数作蒸汽所吸入的二次蒸汽量，称为抽气系数， 则则 式中：式中： GX-被吸入的二次蒸汽量被吸入的二次蒸汽量 G工作工作-工作蒸汽量消耗量工作蒸汽量消耗量升压泵送入蒸发器加热室的蒸汽量升压泵送入蒸发器加热室的蒸汽量D加热加热等于被吸入等于被吸入的二次蒸汽量和工作蒸汽量之和的二次蒸汽量和工作蒸汽量之和 D加热加热 =G工作工作GX。将。将GX=

55、G工作工作代入得：代入得： 或或上式表示采用热再压缩法的经济程度。上式表示采用热再压缩法的经济程度。一般而言，一般而言，的数值根据蒸发压力而定。的数值根据蒸发压力而定。对于许多低温操作，当工作蒸汽的压力为对于许多低温操作，当工作蒸汽的压力为8l0atm时，时，约等于约等于l，其经济程度为，其经济程度为:G/D=1/(1+) =0.5 即每小时蒸发即每小时蒸发l吨水分的设备，约需工作蒸汽半吨。吨水分的设备，约需工作蒸汽半吨。当当=2时，则每蒸发时，则每蒸发1吨水分仅需工作蒸汽吨水分仅需工作蒸汽1/3吨。吨。 3、热泵循环再压缩法、热泵循环再压缩法l采用上述两种方法直接压缩二次蒸汽时，如果采用上述两种方法直接压缩二次蒸汽时，如果蒸发需要在极低的温度和压力下进行时，则被蒸发需要在极低的温度和压力下进行时，则被压缩的蒸汽体积很大，因而就不经济。压缩的蒸汽体积很大，因而就不经济。l热泵蒸发器就是为解决这一问题而设计的，其热泵蒸发器就是为解决这一问题而设计的，其实质是将蒸发操作与制冷循环结合起来。实质是将蒸发操作与制冷循环结合起来。 l根据热泵蒸发系统中冷冻机的制冷剂是直接与根据热泵蒸发系统中冷冻机的制冷剂是直接与被浓缩料液进行热交换，或是通过中间冷凝与被浓缩料液进行热交换，或是通过中间冷凝与它进行热交换，而分为直接热泵蒸发器和间接它进行热交换，而分为直接