食品工厂机械与设备第八章

食品工厂机械与设备第八章浓缩设备第八章浓缩设备浓缩与食品加工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X本章小结

思考题

自测题浓缩与食品加工浓缩----除去局部水分例如鲜乳—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〕别离液等均食品工业的浓缩设备真空蒸发浓缩设备(目前应用最广泛)、冷冻浓缩设备(热敏性挥发性料液)和膜浓缩设备(本质为膜别离设备)等。第一节 真空蒸发浓缩设备主要构成:蒸发器、冷凝器及真空系统等。形式:多种，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。优点：〔1〕在真空状态下料液的沸点降低，加速了水分蒸发，防止了料液的高温处理，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。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。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、典型真空浓缩系统蒸发器是真空蒸发浓缩系统的主体，由加热室与别离室两局部构成，食品料液在此受到加热发生汽化，产生浓缩液和二次蒸汽。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、蒸发器蒸发器分类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；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〕夹套式蒸发器又称夹套式真空浓缩锅属于间歇式中小型食品浓缩设备。结构如图8.1所示，主要由…等组成。工作过程(一)夹套式蒸发器特点加热面积小，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外表料液的流动，减少了加热死角，适宜于果酱、炼乳等高黏度料液的浓缩。结构如图8.2所示，主要由…构成.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。泡沫捕集器为离心式，中心立管与真空系统连接。工作过程泡沫捕集器二次蒸汽出口汽液别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〕盘管式蒸发器加热室设有3~5组(每组1~3圈)加热盘管，分层排列，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，蒸汽进出口布置有两种，如图8.3所示。加热室〔二〕盘管式蒸发器(二)盘管式蒸发器优点：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。缺点：传热面积小，液料对流循环差，易结垢；料液受热时间长特点〔三〕外加热式蒸发器特征:加热室与别离室分开类型:强制循环式,自然循环式操作过程均可以连续或以间歇方式操作。初始,连续进料，非稳定期，不出料，到达预定浓度,可一次性出料,(间歇操作)边进料,边通过离心泵抽吸出料(连续操作)。结构如图8.4〔1〕所示，主要由…等构成。加热器，可水平、垂直或倾斜安装。强制循环式〔三〕外加热式蒸发器结构如图8.4〔2〕所示。除无循环泵以外，根本构成与强制循环式相同。但加热室只能垂直安装。自然循环外蒸发器〔三〕外加热式蒸发器〔三〕外加热式蒸发器特点加热室-别离室分开，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；别离室可实现离心别离，利于改善雾沫别离条件；可几个加热室合用一个别离室，提高了操作的灵活性；循环速度较大,不易结垢；检修、清洗较方便。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。用途热敏性,风味保存要求低的物料,牛乳,浓缩蛋白液等)〔四〕长管式蒸发器属于单程式蒸发器，料液只通过其加热室一次即到达规定的出料浓度。对热敏性成分保存有较严要求的产品，应采用这类蒸发器。一般结构特点：一般用内径25~50mm，长径比100~150长管制成。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，也是典型的膜式蒸发器。〔四〕长管式蒸发器类型〔图8.5)二次蒸汽加热蒸汽近沸点料液浓缩液冷凝水预热至近沸点液进料。在加热作用和减压状态下，局部料液迅速气化，生成的二次蒸汽以80~200m/s的速度带动浓缩液沿管内壁成膜状上升。加热室顶部，浓缩液与二次蒸汽的混合物，以较高速度进入别离室，在惯性力作用下两者别离，浓缩液从室底部排出，二次蒸汽那么从顶部排出。〔四〕长管式蒸发器升膜式〔图8.5－1〕结构原理料液与加热蒸汽呈逆流走向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；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。一次浓缩比不够大，因此一般组成双效或多效流程使用；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。升膜式〔四〕长管式蒸发器特点二次蒸汽进料液冷凝水生蒸汽或二次蒸汽浓缩液加热蒸汽料液由泵升送经过预热器,到达蒸发器顶部,在重力作用下经料液布膜器进入加热管；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液下降，所以传热效果很好。进入蒸发别离室的汽液混合物别离为二次蒸汽由顶部排出，浓缩液那么由底部抽出。降膜式〔图8.5－2〕〔四〕长管式蒸发器结构原理料液与加热蒸汽呈顺流走向料液布膜器料液布膜器〔图8.6〕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。降膜式蒸发器特点〔四〕长管式蒸发器降膜式蒸发器操作动画演示〔五〕刮板式蒸发器也称刮板式薄膜蒸发器，是利用外加动力的膜式蒸发器。结构主体由刮板式加热器〔参见第七章内容〕与别离室构成。两者制成一体，分界面处设浓缩料液引出口，二次蒸汽那么自别离室引出。别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别离室，在此浓缩液从底部流出，而二次蒸汽那么从左上侧引出。加热器可立式和卧式，以立式为多。优点：处理黏度高达50~100Pa·s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。缺点：设备加工精度要求高，生产能力小。因而一般用于后道浓缩。特点〔五〕刮板式蒸发器〔六〕板式蒸发器结构降膜式板式蒸发器升膜式板式蒸发器升降膜式板式蒸发器

特点〔六〕板式蒸发器结构(图8.9)主要由…组合而成.板式加热器〔六〕板式蒸发器板式加热器总体类结构似于第七章的板式换热器;但直接用蒸汽加热;可分升膜式和降膜式两种;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〕板式蒸发器加热板〔图8.8〕逆流顺流通过料液喷咀喷到加热板〔六〕板式蒸发器降膜式板式蒸发器〔图8.9〕结构与降膜式的类似，只是所用的加热板全为升膜式，并且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。浓缩液二次蒸汽混合物通过上方的通道从加热器出来，进入别离器后两者别离。升膜式板式蒸发器〔六〕板式蒸发器结构较为特殊，分别由升膜板、降膜板和蒸汽板交替叠成。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。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别离器别离成浓缩液和二次蒸汽。升降膜式板式蒸发器〔六〕板式蒸发器传热系数高；物料停留时间短〔数秒〕，适用于热敏性物料；体积小，加热面积可随意调整，易清洗；因一次通过的浓缩比不高，因此常常构成二效或三效式蒸发系统；密封垫圈易老化而泄漏，使用压力有限。特点〔六〕板式蒸发器〔七〕离心薄膜蒸发器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。结构工作过程特点结构其结构如图8.10所示。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。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。碟片的下外外表为工作面，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。转鼓上部为浓缩液聚集槽，插有浓缩液引出管。工作过程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。二次蒸汽通过叠锥中央逸出到机壳内，然后排出。浓缩液那么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。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，蒸汽在圆锥外表冷凝，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〕。特点结构紧凑、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。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。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。通常有进料缸、物料泵、冷凝器、真空泵、蒸汽再压缩泵等。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〔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。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。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，否那么需加泵，例如对于降膜式蒸发器，系统的真空度缺乏使料液引入到蒸发器的顶部，因此必须由泵提供动力。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，。循环泵:强制循环式蒸发器中的;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—2.冷凝水排除泵二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备作用:排除负压状态加热器的加热蒸汽冷凝水。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—3.真空泵二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备作用: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.常见形式:复往式、水环式、蒸汽喷射和水力喷射泵等。除水力喷射泵，其它真空泵一般接冷凝器。〔三〕冷凝器二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备作用:冷凝二次蒸汽，别离不凝结气体，以减轻继真空系统负荷。一般以水为冷却介质，直接式:一般二次水蒸汽,多用直接式〔混合式〕冷凝器。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。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。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〕间接式换热器二、真空蒸发浓缩系统的辅助设备作用:对稀料液进行杀菌或预热，可用生蒸汽/二次蒸汽加热。换热器可为单程列管式，单独用生蒸汽加热；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；还可以盘管状结构通过蒸发器列管式加热器的壳体。三、典型真空浓缩系统单效降膜式真空浓缩系统顺流式双效真空降膜浓缩设备混流式三效降膜真空浓缩设备混流式四效降膜真空浓缩设备顺流式双效真空降膜浓缩设备结构组成工作过程适用性及特点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。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〔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℃，蒸发温度70~75℃〕、二效蒸发器〔加热温度68~74℃，蒸发温度48~52℃〕，最后由出料泵抽出。〔86~92℃〕，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，一局部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。混流式三效降膜真空浓缩设备结构组成工作过程适用性及特点结构组成如图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。工作过程平衡槽内〔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，进入第一效别离器别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℃〕。从第三效别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别离器将浓缩液〔固形物含量48%〕抽吸排出，其中不合格产品送回平衡槽。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，一局部通过〔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：第二效别离器所产生的二次蒸汽，被引入第三效蒸发器作为热源蒸汽；第三效别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。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3600~4000kg/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％。混流式四效降膜真空浓缩设备图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。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。采用了多个蒸发器夹套内的预热器，并增设有闪蒸冷却器用于牛乳杀菌后的降温。二次蒸汽的冷凝采用效率较高的混合式冷凝器。第二节

冷冻浓缩设备一般情形根本原理冷冻浓缩的特点冷冻浓缩相关设备一、冷却结晶设备二、冰与浓缩液的别离设备三、冷冻浓缩设备的装置系统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别离两步，因而冷冻浓缩设备主要也由冷却结晶设备和冰晶悬浮液别离设备两大局部组成。冷冻浓缩的一般情形冷冻浓缩是使溶液中的一局部水以冰的形式析出，并将其从液相中别离出去，从而使溶液浓缩的方法。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极低的水平等。浓缩的制品或直接作为成品，或作为冷冻枯燥过程中的半成品使用。冷冻浓缩的根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；将冰晶与母液别离后，即得到增浓的溶液。冷冻浓缩的特点优点：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，可防止低沸点的芳香物质成分因挥发造成的损失。缺点：浓缩比较低，物料最终浓度不超过其低共熔浓度；晶液的别离技术要求高，且溶液的黏度越大，别离越困难，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；生产本钱较高。一、冷却结晶设备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。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局部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。局部水真空蒸发的结晶器直接冷却式真空结晶器的特点应用举例局部水真空蒸发的结晶器工作原理：真空状态下局部水分从溶液中吸收热量发生汽化，而溶液中另一局部水那么因热量的除去而结晶成冰。这种局部水汽化，局部水结冰的过程根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。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，并利用别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。直接冷却式真空结晶器的特点设备费和能耗相对较低。由于减压蒸发时，芳香物也损失了，以致浓缩液质量较差。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。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绝对压强下局部蒸发，局部水分成为冰晶。从结晶器出来的冰晶悬浮液经别离器别离后，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：产生几乎完全固化悬浮液的结晶器产生可泵送浆料的结晶器

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，浓缩液与冰晶的别离比较困难。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〔<50μm〕。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:型式一型式二型式三型式一先使料液过冷，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，防止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。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。从结晶器出来的液体可由泵再循环至换热器，而晶体那么借助泵吸入管路中的过滤器而被截留于结晶器中。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。型式三如图8.17所示。料液先在外部换热器中产生亚临界晶体。局部无晶体液体从结晶器到换热器间再循环。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。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。提高换热器晶核形成速率可使结晶器内晶体平均直径增大。二、冰与浓缩液的别离设备用于冷冻浓缩的冰与浓缩液的别离设备有压榨机、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〕离心机〔三〕洗涤塔〔四〕压榨机与洗涤塔的组合〔一〕压榨机常用液压活塞式压榨机和螺旋式压榨机。采用压榨机别离，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，那么每千克冰中留附量可减少至0.1kg。由于压榨法导致较多的可溶性固体损失，所以这种别离方法只用于作前期别离，为冰与溶液的最后完全别离提供冰含量较高的浆料。〔二〕离心机冷冻浓缩中使用的离心机是过滤式离心机。别离时的溶质损失取决于晶体大小和液体黏度。离心机别离的缺点是当液体从滤饼中流出时，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〕洗涤塔洗涤塔有较好的冰与浓缩液的别离效果，浓缩液不会被稀释，且洗涤塔完全密封，无顶部空间，从而防止了芳香物的损失。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。洗涤别离原理洗涤塔形式洗涤别离原理根本原理：利用冰晶融化水排代晶体间夹带的浓缩液。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，而浓缩液那么从塔底经过滤器排出。塔顶设有融冰器〔加热器〕，使局部冰晶融化成水。融化的水大局部排到洗涤塔外，小局部向下返回，与上浮冰晶逆流接触，洗去冰晶外表的浓缩液。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。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。洗涤水水沿塔高浓度融冰器晶体浆料浓缩液图8.18连续式洗涤塔的工作原理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：浮床式螺旋式活塞式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。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。活塞式以活塞的往复移动为冰床移动的推动力图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。洗涤前沿位置由光电装置通过启闭阀C来控制。洗涤水温度通过进汽阀D调节。塔内已洗涤冰晶层与未稀释浓缩液层相距仅几厘米。塔内出来的融化水中可溶性固体浓度可低至10mg/kg。生产能力取决于冰晶大小和浓缩液黏度，其范围假设以每小时每平方米洗涤塔截面的去冰量计，其范围在3000~10000kg之间。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。假设图示S1位置与刮板之间充满紧密的冰床，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，少局部融化水往下流动用于洗涤夹带在冰晶中的浓缩液，大局部融化水经阀C排走。〔四〕压榨机与洗涤塔的组合可实现最经济的别离过程。图8.21为一个典型实例。过程：从结晶器出来的冰晶悬浮液在压榨机中别离，仍然含有浓缩液约40％的冰饼在混合器中与进料稀液混合，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。组合流程的优点组合流程的优点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。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。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到达完全别离。三、冷冻浓缩设备的装置系统将冷冻结晶装置与冰晶悬浮液别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。单级系统单级冷冻浓缩系统一次性使料液中的局部水分结成冰晶，然后对冰晶悬浮液别离，得到冷冻浓缩液。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，一局部作为浓缩产物排出系统，另一局部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。单级冷冻浓缩装置可将8~14oBx原果汁浓缩至40~60oBx浓缩汁。多级系统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局部水结成冰晶，再进行别离。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。应用举例：三级逆流冷冻浓缩系统三级逆流冷冻浓缩系统系统如图8.23所示。系统构成特点工作过程：原料液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局部溶液混合后，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。此悬浮液别离后，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。抽出的浓缩液一局部与进料液混合后在本级再进行冻结，另一局部那么由泵抽送至第2级进行结晶。第2级和第1级的工作原理根本与第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。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二次蒸汽出稀料液进蒸发浓缩冷却水出冷却水出浓缩液出料进稀料开始进蒸汽产生二次蒸汽二次蒸汽至冷凝器别离的液体回到蒸发器蒸发结束开始进料关闭真空系统出浓料关闭蒸汽加热自然外循环式蒸发器4C生蒸汽进冷凝水出稀料液进二次蒸汽出浓缩液出接冷凝器真空泵连续出料用泵抽出内有真空自动进料WIEGDN单效降膜式真空浓缩设备不凝气1加热室34567水环真空泵9ACBD通大气热水42℃冷却水蒸汽别离室bdac68℃50℃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。降膜式蒸发器所有加热管束使用同一加热蒸汽，但管束内局部隔为加热面积大小不同的两局部，同时冷凝器设置于加热器外侧的夹套内，结构紧凑。热泵将局部二次蒸汽压缩后作加热蒸汽使用；同时，进料缸内引入冷凝水管道及在别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。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。冷凝水物料蒸汽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℃冷却水蒸汽别离室bdac68℃50℃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原料牛乳从贮料筒经流量计进入别离器，利用二次蒸汽间接加热，蒸发局部水分；然后由料液泵送至加热器第一局部加热管束顶部，经分布器使其均匀地流入各加热管内，呈膜状向下流动，同时受热蒸发；经第一局部加热管束蒸发浓缩后的牛乳，由料液泵送入第二局部加热管束进一步加热蒸发，到达浓度后的浓缩牛乳由螺杆泵送出。经别离器排出的二次蒸汽，一局部由蒸汽喷射器增压后送入加热器作为加热蒸汽使用，另一局部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集合在一起，由冷凝水泵送出。本章小结食品料液可用蒸发、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。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。本章小结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。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别离器两大局部组成。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。冰晶溶液别离器可为过滤器、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别离的效果。思考题液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？真空蒸发浓缩设备一般由几局部构成？各局部起什么作用？常有哪些具体型式？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？冷冻浓缩设备系统一般由哪些局部构成？各局部起什么作用？常有哪些具体型式？自测题一、判断题二、填充题三、选择题四、对应题一、判断题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。如果需要回收被浓缩液的香气成分，那么可采用混合式冷凝器。真空蒸发系统的不凝性气体主要来自于料液。管式加热外循环蒸发器的别离器可装在加热器的正上方。过滤型别离器在食品工业中使用很少，原因是它的阻力损失大。水力喷射泵既起冷凝也起抽真空作用。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。用于蒸汽喷射泵的蒸汽压力较高，且要求压力稳定。由于冷冻浓缩在低温下进行，因此有较好的贮藏稳定性。冷冻浓缩可防止芳香成分的损失。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

条件、使几个

共用一个

成为可能。

二、填充题5.升膜式蒸发器的特点是：①

短，适用于

料液；②高速二次蒸汽具有良好的

作用，故尤其适用于

；③

引起沸点升高，故最好控制

进料；④一般组成

效流程使用；⑤不适用于

的料液；⑥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：①加热蒸汽与

呈

流方式；②

短，为

流型，适用于热敏性料液；③不适于

的料液浓缩；④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8.离心薄膜式蒸发器的特点是：①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；②在器内停留时间短〔约s〕，适于热敏物料；③离心力有作用，适合于发泡性物料的蒸发；④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：①传热系数高；②物料停留时间短〔s〕，适用于热敏物料；③小，可随意调整，清洗；④易老化而泄漏，使用有限。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别离器有_______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，外表式后面用式真空泵(多用式泵)；而式冷凝器后常接式真空泵、、不凝气体别离器+式真空泵(如往复式泵)。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别离器；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：结构简单紧凑，易于制造，操作可靠，转速较高，可与电动机直联，内部不需，排气量较均匀；但磨损较大，消耗较大。17.冷冻浓缩的特点是：适用于物料浓缩，可防止的损失；能获得的浓度，且；制品的保存需要其它配合；本钱。三、选择题以下哪种机件不可能在真空蒸发系统中出现。A.冷凝器B.蒸汽喷射泵C.换热器D.热风分配器以下几种真空装置中，产生的真空度最易受季节影响。A.蒸汽喷射泵B.水力喷射泵C.干式真空泵