《食品加工机械与设备》教学课件-07-食品浓缩机械与设备

第八章浓缩设备

第一节概述

第二节蒸发器

第三节多效浓缩设备

第四节

真空浓缩的辅助设备

第五节典型真空浓缩系统

第一节概述l．浓缩目的除去食品原料中的大部分水分，以减少包装、贮藏和运输的费用。通过提高制品的浓度，达到增加制品贮藏性的目的。满足食品加工的工艺过程要求，如作为产品干燥脱水或结晶的预处理。2.浓缩机械与设备分类（1）按压力分

常压浓缩设备和真空浓缩设备常压浓缩设备：蒸发面为常压，溶剂气化后直接排入大气。特点：设备结构简单、投资省、维修方便，但蒸发速率低，能量损耗大，易破坏物料中营养成分。

2.浓缩机械与设备分类真空浓缩设备：溶剂从蒸发面上气化后处于负压状态。优点：①加热蒸汽与沸腾液体之间的温度差可以增大，减少了传热面积；②可利用压强较低的蒸汽作为加热介质；③浓缩设备的热损失减少。

缺点：①增加附属设备及动力，成本高；②热量消耗大（沸点低，蒸发潜热大）。5单效浓缩设备：一次利用双效浓缩设备：二次利用多效浓缩设备：三次或三次以上利用带有热泵的浓缩设备：热泵再次加热利用（2）按蒸汽利用的次数分6薄膜式：分散成薄膜状，蒸发面大，蒸发快。它分为升膜式、降膜式、升降膜式、片式、刮板式和离心式薄膜蒸发器。非膜式：大蒸发面。它按料液管路中流动，管路又分为盘管式浓缩器、中央循环管式浓缩器（3）按料液的分布状态7升降模式降膜式升膜式带搅拌的夹套加热式盘管式外加热式中央循环管式片式离心式管式薄膜蒸发器刮板式薄膜式非膜式8（1）物料自身的特性热敏性：酶、番茄酱等后果：失活，色泽和风味改变，产品质量降低。措施：低温短时，各种薄膜式或真空度较高的蒸发浓缩器结垢性：后果：积垢热阻蒸发效能停产措施：高速流防止积垢生成，采用流速大的升膜式强制循环的蒸发设备，或电磁防垢、化学防垢，易于清洗。3.蒸发浓缩设备的选择9发泡性：浓缩液中产生大量气泡后果：溶液损失、产品损耗；污染其它设备，停产。措施：增加流速，高速流冲破泡沫。降低二次蒸汽流速，防跑泡现象或设法分离回收泡沫，消除发泡。管内流速很大的升膜式或强制循环、长管薄膜式10结晶性后果：浓度增加时晶粒析出传热措施：夹套带搅拌浓缩器或强制循环粘滞性：后果：浓度增大粘度增大流速传热措施：选用强制循环，刮板式或降膜式腐蚀性措施：不锈钢、石墨加热管或耐酸搪瓷夹层蒸发器112、满足工艺要求：如浓缩比，浓缩比的收缩率，能否保持溶液特性；3、传热效果好，传热系数高，热利用率高；4、结构合理紧凑，操作清洗更换方便，且安全可靠5、尽可能小的功率消耗，如搅拌动力或真空动力消耗等6、合理选择材质和制造维修方便；7、符合食品卫生法要求；8、有一定的安全防护措施；第二节

蒸发器一管式蒸发器

二

中央循环管式蒸发器三盘管式蒸发器四带搅拌的夹套式浓缩锅五刮板式蒸发器对热敏性成分保留有较严要求的产品，应当采用单程式蒸发器，料液只通过其加热室一次即达到需要的浓度。长管式蒸发器一般采用内径25~50mm，长径比为100~300的长管制成。由于长径比大，单位体积料液的受热面积较大，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，因此这种蒸发器也是典型的膜式蒸发器。长管式蒸发器可以分为升膜式、降膜式和升降膜式蒸发器(图8.5)。一、管式蒸发器151.升膜式蒸发器工作原理：预热后接近沸点的料液从加热室底部进入，自下而上流动。在加热作用和减压状态下，部分料液迅速气化，产生二次蒸汽，并以80~200m/s的速度带动浓缩液沿管内壁成膜状上升。在加热室顶部，达到所需浓度的浓缩液与二次蒸汽的混合物，以较高的速度进入分离室，在离心力作用下两者产生分离，浓缩液从分离室底部排出，二次蒸汽则从顶部排出。16一般用直径为30～50mm的管子，其长径比为100～150，一般长管式的管长为6～8m，短管式的3～4m。长管式加热器结构比较复杂，壳体应考虑热应力对结构的影响，需采用或在加热器壳体上加膨胀节。有时可采用套管办法来缩短管长。加热管的结构18操作时，应严格控制进料量，防管壁结焦现象发生；料液一般先预热到沸点状态进入加热器体，以增加液膜比例，提高沸腾和传热系数；各管路密封性能要好，连接可靠；定期对密封垫进行更换和检查。注意事项19优点：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。缺点：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。升膜式浓缩设备的特点202.降膜式蒸发器工作原理：液体在重力作用下经料液分布器进入加热管，然后沿管内壁成液膜状向下流动，由于单位体积料液的受热面积大，所以料液很快沸腾汽化，又由于向下加速，克服的流动阻力比升膜式小，产生的二次蒸汽能以很高的速度带动料液下降，所以传热效果好。汽液混合物进入蒸发分离室进行分离，二次蒸汽由分离室顶部排出，浓缩液则由底部抽出。降膜式的料液经蒸发后，流下的液体基本达到需要的浓度。料液布膜器这种蒸发器操作关键是使料液在加热管内均匀布膜。在降膜蒸发器中，只有在蒸发器换热管内壁的表面形成均匀的下降的液膜，才能有效地进行传热,液膜越薄越均匀传热效果越好。图为几种常用的布膜器。图中（1）的导流管是有螺旋形沟槽的圆柱体；（2）的导流管下端锥体端面向内凹入，以免液体再向中央聚集；（3）是利用加热管上端管口的齿缝来分流液体；（4）是靠管子上端的旋液器分流液体。筛板式布膜器降膜式浓缩蒸发器的特点（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）不适于高黏度的料液浓缩。（4）大多以双效或多效形式组成蒸发设备，以提高浓缩比。（5）不适用于处理易结晶或易结垢的溶液。由沸腾管和中央循环管组成的竖式管加热器，管间物料和管外加热蒸汽通过管与上下密封端板在加热室分隔。加热管内物料受热较好，溶液汽化较多，因而形成的汽液混合物的密度比在中央循环管内料液的密度小，至使蒸发器中的溶液形成由中央循环管下降，其他加热管上升的循环流动，由于溶液密度差引起的自然循环。1-外壳2-加热室3-中央循环管4-蒸发室

二、中央循环管式浓缩器25三、盘管式蒸发器如图所示，主要由盘管加热器、蒸发室、泡沫捕集器、进出料阀及各种控制仪表所组成。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，安装于浓缩锅的上部外侧。泡沫捕集器中心立管与真空系统连接。1.结构加热室

加热室设有3~5组加热盘管，分层排列，每盘1~3圈，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，进出口布置有两种，如图所示。工作过程工作时，料液沿锅体切线方向通过进料管进入锅内。外层盘管间料液受热后体积膨胀而上浮，盘管中部位的料液，因受热相对较少，密度大，自然下降回流。从而形成了料液沿外层盘管间上升，又沿盘管中心下降回流的自然循环。蒸发产生的二次蒸汽从浓缩锅上部中央排出，二次蒸汽中夹带的料液雾滴在捕集器的作用下被分离下降流回锅中。当浓缩锅内的物料浓度经检测达到要求时，即可停止加热，打开锅底出料阀出料。操作过程中，不得往露出液面的盘管内通蒸汽，只有液料淹没后才能通蒸汽。由于盘管结构尺寸较大，加热蒸汽压力不宜过高，一般为0.7~1.0MPa。盘管式蒸发器的特点优点：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。四、夹套式蒸发器又称为搅拌式真空浓缩锅，属于间歇式中小型食品浓缩设备。如图8.1所示，主要由圆筒形夹套壳体、犁刀式搅拌器、汽液分离器等组成。被浓缩的料液投入锅内，通过供入夹套内的蒸汽进行加热，在搅拌器的强制性翻动下，料液形成对流而受到较为均匀的加热，并释放出二次蒸汽。二次蒸汽从上部抽出。夹套式蒸发器的特点这种蒸发器的加热面积小，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。（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。结构特点刮板式薄膜蒸发器结构主体由刮板式加热器（参见第七章内容）与分离室构成。分离室与加热器制成一体，在加热室与分离室的分界面处设浓缩料液引出口，二次蒸汽则自分离室引出。分离室也可加热室分开，如右图所示。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。根据刮板加热器轴线的取向，这种加热器有立式和卧式两种类型，但以立式为多。特点优点：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。35第三节多效蒸发浓缩装置一、多效蒸发的原理生产中往往为了降低蒸汽的消耗量，充分利用二次蒸汽的热量来完成单效蒸发达不到浓缩目的，而采用多效蒸发。实施多效蒸发的条件是各效蒸发器中的加热蒸汽的温度或压强要高于该效蒸发器中的二次蒸汽的温度和压力，也就是说，两者有温度差存在，才能使引入的加热蒸汽起加热作用。多效蒸发中，蒸发温度逐渐降低。操作压力是自动分配的，逐效降低。压力的递减分配取决于末效真空度的保持，通常为大气压或略高于大气压。36二、多效蒸发的效数单效蒸发：

1千克加热蒸汽可以蒸发大约l千克二次蒸汽，全部用作第二效的加热蒸汽时，在第二效中又可蒸发大约1千克的二次蒸汽n效蒸发：n效串联蒸发操作，l千克加热生蒸汽则可蒸发约n千克的二次蒸汽。即：为完成同一蒸发量任务，其加热蒸汽消耗量仅为采用单效者的n分之一。由于以下原因，效数不能无限增加37

1．实际耗汽量大于理论值。效数实际耗汽量理想耗汽量

单效1.11.0

双效0.570.5

三效0.400.33

四效0.300.25

五效0.270.2038进一步增加效数所需的设备费用不能弥补所节约的燃料费用时，效数就达到了极限。

3．蒸发器有效传热温差的极限。每效分配到的温差最少不得小于5～7K。否则就不可能维持料液在泡核沸腾区域内。2．设备费用的增加。394．料液蒸发温度的安全极限。第一效就不能使用温度过高的加热蒸汽，总温差减小限制了效数的增加。5．温差损失的增加。沸点升高、静压效应和热损失引起的温差损失（要重复n次）几乎随效数而成正比例的增加。当效数增加到一定的数值之后，温差损失的总和有可能等于总温差。401．并流(ForwardFeeding)：料液和蒸汽流向相同。三、多效蒸发浓缩流程并流流程各效压力递减，其优点为：料液可以利用各效间的压力差自行输送，不必另设料泵。相应于压力，后一效溶液的沸点也比前一效低，所以溶液由前一效进入后一效时，往往由于过热而自行闪蒸，于是后一效可多产生一些二次蒸汽。422．逆流(BackwardFeeding)：料液与蒸汽流动方向相反。逆流流程的特点43各效间溶液需要用泵输送。当溶液由后一效进入前一效时，无闪蒸，且尚需一些热量将溶液加热至沸点。各效溶液粘度比较接近，其传热系数也比较接近。适于粘度随浓度和温度变化较大的溶液，而不适于热敏性物料的浓缩。443．平流(ParallelFeeding)

特点：料液由各效分别加入，完成液也由各效分别取出。主要用于蒸发过程中容易析出结晶的场合第四节真空浓缩的辅助设备真空蒸发浓缩系统的主要设备是蒸发器，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。真空蒸发浓缩系统的辅助设备通常有进料缸、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。进料缸、泵、冷凝器、间接式换热器一、进料缸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。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，例如对于升膜式蒸发器，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、泵真空蒸发系统中所用的泵有以下三类：物料泵、冷凝水排除泵、真空泵真空蒸发浓缩系统处于负压状态，因此，连续蒸发操作时，浓缩液的出料一般要用泵抽吸完成。所用的泵可以用离心泵，但多用正位移泵。除了强制循环式蒸发器中的循环泵以外，多效蒸发系统中，上一效蒸发器出来的浓缩液进入下一效蒸发器，一般也须用泵输送。1.物料泵冷凝水排除泵此类泵用于排除负压状态加热器中加热蒸汽产生的冷凝水。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。真空泵真空泵为蒸发系统提供所需的真空度。通常采用的真空泵形式有复往式真空泵、水环式真空泵、蒸汽喷射泵和水力喷射泵等。除了水力喷射泵以外，其它形式的真空泵一般接在冷凝器后面。真空泵的另一个作用是排除系统中产生的不凝性气体。系统的不凝性气体主要来自二次蒸汽，直接式冷凝器用的冷却水也夹带不凝性气体。因此，除了与冷凝器相连接以外，真空泵还与再利用二次蒸汽作加热剂的加热器相连。三、冷凝器作用:对系统产生的二次蒸汽冷凝，同时使其中的不凝结气体分离，以减轻后面真空系统的负荷，维持系统所要求的真空度。冷凝器一般以水为冷却介质，对于以水为溶剂的料液，真空蒸发系统中多采用直接式（混合式）冷凝器。而对于需要回收芳香成分的料液，则需要采用间接式冷凝器。对于含有机溶剂的料液（如乙醇提取液），为了回收有机溶剂，也需要采用间接式冷凝器。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、间接式换热器间接式热交换器对稀料液进行杀菌或预热，这种热交换器可由生蒸汽也可以用二次蒸汽加热。这些换热器可以为单程列管式换热器，单独用生蒸汽加热；或与蒸发器的列管式换热器并联，用相同的负压蒸汽进行加热；还可以盘管状结构通过蒸发器列管式加热器的壳体。第四节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食品工厂机械与设备——第八章浓缩设备单效降膜式真空浓缩系统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、真空泵及贮液筒等组成。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。系统中的热泵用来将部分二次蒸汽压缩后作为加热蒸汽使用；同时，通过在进料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，回收了冷凝水和二次蒸汽的残留热量，提高了能量利用效率。食品工厂机械与设备——第八章浓缩设备工作过程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；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，同时受热蒸发；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。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。节流孔板a、b、c、d用于流量控制所需的在线流量检测。食品工厂机械与设备——第八章浓缩设备顺流式双效真空降膜浓缩设备结构组成主要由一、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。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。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