第八章濃縮設備

第一節概述

第二節蒸發器

第三節多效濃縮設備

第四節

真空濃縮的輔助設備

第五節典型真空濃縮系統

第一節概述l．濃縮目的除去食品原料中的大部分水分，以減少包裝、貯藏和運輸的費用。通過提高制品的濃度，達到增加制品貯藏性的目的。滿足食品加工的工藝過程要求，如作為產品干燥脫水或結晶的預處理。2.濃縮機械與設備分類（1）按壓力分

常壓濃縮設備和真空濃縮設備常壓濃縮設備：蒸發面為常壓，溶劑氣化后直接排入大氣。特點：設備結構簡單、投資省、維修方便，但蒸發速率低，能量損耗大，易破壞物料中營養成分。

2.濃縮機械與設備分類真空濃縮設備：溶劑從蒸發面上氣化后處于負壓狀態。優點：①加熱蒸汽與沸騰液體之間的溫度差可以增大，減少了傳熱面積；②可利用壓強較低的蒸汽作為加熱介質；③濃縮設備的熱損失減少。

缺點：①增加附屬設備及動力，成本高；②熱量消耗大（沸點低，蒸發潛熱大）。5單效濃縮設備：一次利用雙效濃縮設備：二次利用多效濃縮設備：三次或三次以上利用帶有熱泵的濃縮設備：熱泵再次加熱利用（2）按蒸汽利用的次數分6薄膜式：分散成薄膜狀，蒸發面大，蒸發快。它分為升膜式、降膜式、升降膜式、片式、刮板式和離心式薄膜蒸發器。非膜式：大蒸發面。它按料液管路中流動，管路又分為盤管式濃縮器、中央循環管式濃縮器（3）按料液的分布狀態7升降模式降膜式升膜式帶攪拌的夾套加熱式盤管式外加熱式中央循環管式片式離心式管式薄膜蒸發器刮板式薄膜式非膜式8（1）物料自身的特性熱敏性：酶、番茄醬等后果：失活，色澤和風味改變，產品質量降低。措施：低溫短時，各種薄膜式或真空度較高的蒸發濃縮器結垢性：后果：積垢熱阻蒸發效能停產措施：高速流防止積垢生成，采用流速大的升膜式強制循環的蒸發設備，或電磁防垢、化學防垢，易于清洗。3.蒸發濃縮設備的選擇9發泡性：濃縮液中產生大量氣泡后果：溶液損失、產品損耗；污染其它設備，停產。措施：增加流速，高速流沖破泡沫。降低二次蒸汽流速，防跑泡現象或設法分離回收泡沫，消除發泡。管內流速很大的升膜式或強制循環、長管薄膜式10結晶性后果：濃度增加時晶粒析出傳熱措施：夾套帶攪拌濃縮器或強制循環粘滯性：后果：濃度增大粘度增大流速傳熱措施：選用強制循環，刮板式或降膜式腐蝕性措施：不銹鋼、石墨加熱管或耐酸搪瓷夾層蒸發器112、滿足工藝要求：如濃縮比，濃縮比的收縮率，能否保持溶液特性；3、傳熱效果好，傳熱系數高，熱利用率高；4、結構合理緊湊，操作清洗更換方便，且安全可靠5、盡可能小的功率消耗，如攪拌動力或真空動力消耗等6、合理選擇材質和制造維修方便；7、符合食品衛生法要求；8、有一定的安全防護措施；第二節

蒸發器一管式蒸發器

二

中央循環管式蒸發器三盤管式蒸發器四帶攪拌的夾套式濃縮鍋五刮板式蒸發器對熱敏性成分保留有較嚴要求的產品，應當采用單程式蒸發器，料液只通過其加熱室一次即達到需要的濃度。長管式蒸發器一般采用內徑25~50mm，長徑比為100~300的長管制成。由于長徑比大，單位體積料液的受熱面積較大，因而，料液進入加熱器后很快汽化而使濃縮液呈膜狀在管內移動，因此這種蒸發器也是典型的膜式蒸發器。長管式蒸發器可以分為升膜式、降膜式和升降膜式蒸發器(圖8.5)。一、管式蒸發器151.升膜式蒸發器工作原理：預熱后接近沸點的料液從加熱室底部進入，自下而上流動。在加熱作用和減壓狀態下，部分料液迅速氣化，產生二次蒸汽，并以80~200m/s的速度帶動濃縮液沿管內壁成膜狀上升。在加熱室頂部，達到所需濃度的濃縮液與二次蒸汽的混合物，以較高的速度進入分離室，在離心力作用下兩者產生分離，濃縮液從分離室底部排出，二次蒸汽則從頂部排出。16一般用直徑為30～50mm的管子，其長徑比為100～150，一般長管式的管長為6～8m，短管式的3～4m。長管式加熱器結構比較復雜，殼體應考慮熱應力對結構的影響，需采用或在加熱器殼體上加膨脹節。有時可采用套管辦法來縮短管長。加熱管的結構18操作時，應嚴格控制進料量，防管壁結焦現象發生；料液一般先預熱到沸點狀態進入加熱器體，以增加液膜比例，提高沸騰和傳熱系數；各管路密封性能要好，連接可靠；定期對密封墊進行更換和檢查。注意事項19優點：料液在加熱室內停留時間很短，傳熱系數高，適用于熱敏性料液濃縮；高速二次蒸汽具有良好的破沫作用，故尤其適用于易起泡沫的料液。缺點：一次濃縮比不夠大，因此一般組成雙效或多效流程使用；由于薄膜料液的上升必須克服自身重力與管壁的摩擦阻力，故不適用于處理高黏度、易結垢或易結晶的溶液。升膜式濃縮設備的特點202.降膜式蒸發器工作原理：液體在重力作用下經料液分布器進入加熱管，然后沿管內壁成液膜狀向下流動，由于單位體積料液的受熱面積大，所以料液很快沸騰汽化，又由于向下加速，克服的流動阻力比升膜式小，產生的二次蒸汽能以很高的速度帶動料液下降，所以傳熱效果好。汽液混合物進入蒸發分離室進行分離，二次蒸汽由分離室頂部排出，濃縮液則由底部抽出。降膜式的料液經蒸發后，流下的液體基本達到需要的濃度。料液布膜器這種蒸發器操作關鍵是使料液在加熱管內均勻布膜。在降膜蒸發器中，只有在蒸發器換熱管內壁的表面形成均勻的下降的液膜，才能有效地進行傳熱,液膜越薄越均勻傳熱效果越好。圖為幾種常用的布膜器。圖中（1）的導流管是有螺旋形溝槽的圓柱體；（2）的導流管下端錐體端面向內凹入，以免液體再向中央聚集；（3）是利用加熱管上端管口的齒縫來分流液體；（4）是靠管子上端的旋液器分流液體。篩板式布膜器降膜式濃縮蒸發器的特點（1）加熱蒸汽與料液呈并流方式。（2）蒸發時間短，為單流型，適用于熱敏性料液濃縮。（3）不適于高黏度的料液濃縮。（4）大多以雙效或多效形式組成蒸發設備，以提高濃縮比。（5）不適用于處理易結晶或易結垢的溶液。由沸騰管和中央循環管組成的豎式管加熱器，管間物料和管外加熱蒸汽通過管與上下密封端板在加熱室分隔。加熱管內物料受熱較好，溶液汽化較多，因而形成的汽液混合物的密度比在中央循環管內料液的密度小，至使蒸發器中的溶液形成由中央循環管下降，其他加熱管上升的循環流動，由于溶液密度差引起的自然循環。1-外殼2-加熱室3-中央循環管4-蒸發室

二、中央循環管式濃縮器25三、盤管式蒸發器如圖所示，主要由盤管加熱器、蒸發室、泡沫捕集器、進出料閥及各種控制儀表所組成。鍋體為立式圓筒密閉結構，上部空間為蒸發室，下部空間為加熱室。泡沫捕集器為離心式，安裝于濃縮鍋的上部外側。泡沫捕集器中心立管與真空系統連接。1.結構加熱室

加熱室設有3~5組加熱盤管，分層排列，每盤1~3圈，各組盤管分別裝有可單獨操作的加熱蒸汽進口及冷凝水出口，進出口布置有兩種，如圖所示。工作過程工作時，料液沿鍋體切線方向通過進料管進入鍋內。外層盤管間料液受熱后體積膨脹而上浮，盤管中部位的料液，因受熱相對較少，密度大，自然下降回流。從而形成了料液沿外層盤管間上升，又沿盤管中心下降回流的自然循環。蒸發產生的二次蒸汽從濃縮鍋上部中央排出，二次蒸汽中夾帶的料液霧滴在捕集器的作用下被分離下降流回鍋中。當濃縮鍋內的物料濃度經檢測達到要求時，即可停止加熱，打開鍋底出料閥出料。操作過程中，不得往露出液面的盤管內通蒸汽，只有液料淹沒后才能通蒸汽。由于盤管結構尺寸較大，加熱蒸汽壓力不宜過高，一般為0.7~1.0MPa。盤管式蒸發器的特點優點：結構簡單、制造方便、操作穩定、易于控制；盤管為扁圓形截面，液料流動阻力小，通道大，適于黏度較高的液料；由于加熱管較短，管壁溫度均勻，冷凝水能及時排除，傳熱面利用率較高；便于根據料液的液面高度獨立控制各層盤管內加熱蒸汽通斷及其壓力，以滿足生產或操作的需要。缺點：傳熱面積小，液料對流循環差，易結垢；料液受熱時間長，在一定程度上對產品質量有影響。四、夾套式蒸發器又稱為攪拌式真空濃縮鍋，屬于間歇式中小型食品濃縮設備。如圖8.1所示，主要由圓筒形夾套殼體、犁刀式攪拌器、汽液分離器等組成。被濃縮的料液投入鍋內，通過供入夾套內的蒸汽進行加熱，在攪拌器的強制性翻動下，料液形成對流而受到較為均勻的加熱，并釋放出二次蒸汽。二次蒸汽從上部抽出。夾套式蒸發器的特點這種蒸發器的加熱面積小，料液溫度不均衡，加熱時間長，料液通道寬，通過強制攪拌加強了加熱器表面料液的流動，減少了加熱死角，適宜于果醬、煉乳等高黏度料液的濃縮。（五）刮板式蒸發器也稱刮板式薄膜蒸發器，是利用外加動力的膜式蒸發器。結構特點刮板式薄膜蒸發器結構主體由刮板式加熱器（參見第七章內容）與分離室構成。分離室與加熱器制成一體，在加熱室與分離室的分界面處設濃縮料液引出口，二次蒸汽則自分離室引出。分離室也可加熱室分開，如右圖所示。濃縮液與二次蒸汽一起流入分離室，在此濃縮液從底部流出，而二次蒸汽則從左上側引出。根據刮板加熱器軸線的取向，這種加熱器有立式和臥式兩種類型，但以立式為多。特點優點：處理黏度高達50~100Pa?s的黏性料液時仍能保持較高的傳熱速率。故特別適用于濃縮糖含量高、蛋白含量高的物料，如雞蛋、蜂蜜和麥芽汁等料液。缺點：設備加工精度要求高，生產能力小。因而一般用于后道濃縮。35第三節多效蒸發濃縮裝置一、多效蒸發的原理生產中往往為了降低蒸汽的消耗量，充分利用二次蒸汽的熱量來完成單效蒸發達不到濃縮目的，而采用多效蒸發。實施多效蒸發的條件是各效蒸發器中的加熱蒸汽的溫度或壓強要高于該效蒸發器中的二次蒸汽的溫度和壓力，也就是說，兩者有溫度差存在，才能使引入的加熱蒸汽起加熱作用。多效蒸發中，蒸發溫度逐漸降低。操作壓力是自動分配的，逐效降低。壓力的遞減分配取決于末效真空度的保持，通常為大氣壓或略高于大氣壓。36二、多效蒸發的效數單效蒸發：

1千克加熱蒸汽可以蒸發大約l千克二次蒸汽，全部用作第二效的加熱蒸汽時，在第二效中又可蒸發大約1千克的二次蒸汽n效蒸發：n效串聯蒸發操作，l千克加熱生蒸汽則可蒸發約n千克的二次蒸汽。即：為完成同一蒸發量任務，其加熱蒸汽消耗量僅為采用單效者的n分之一。由于以下原因，效數不能無限增加37

1．實際耗汽量大于理論值。效數實際耗汽量理想耗汽量

單效1.11.0

雙效0.570.5

三效0.400.33

四效0.300.25

五效0.270.2038進一步增加效數所需的設備費用不能彌補所節約的燃料費用時，效數就達到了極限。

3．蒸發器有效傳熱溫差的極限。每效分配到的溫差最少不得小于5～7K。否則就不可能維持料液在泡核沸騰區域內。2．設備費用的增加。394．料液蒸發溫度的安全極限。第一效就不能使用溫度過高的加熱蒸汽，總溫差減小限制了效數的增加。5．溫差損失的增加。沸點升高、靜壓效應和熱損失引起的溫差損失（要重復n次）幾乎隨效數而成正比例的增加。當效數增加到一定的數值之后，溫差損失的總和有可能等于總溫差。401．并流(ForwardFeeding)：料液和蒸汽流向相同。三、多效蒸發濃縮流程并流流程各效壓力遞減，其優點為：料液可以利用各效間的壓力差自行輸送，不必另設料泵。相應于壓力，后一效溶液的沸點也比前一效低，所以溶液由前一效進入后一效時，往往由于過熱而自行閃蒸，于是后一效可多產生一些二次蒸汽。422．逆流(BackwardFeeding)：料液與蒸汽流動方向相反。逆流流程的特點43各效間溶液需要用泵輸送。當溶液由后一效進入前一效時，無閃蒸，且尚需一些熱量將溶液加熱至沸點。各效溶液粘度比較接近，其傳熱系數也比較接近。適于粘度隨濃度和溫度變化較大的溶液，而不適于熱敏性物料的濃縮。443．平流(ParallelFeeding)

特點：料液由各效分別加入，完成液也由各效分別取出。主要用于蒸發過程中容易析出結晶的場合第四節真空濃縮的輔助設備真空蒸發濃縮系統的主要設備是蒸發器，但它必須與適當的附屬設備配合，才能在真空狀態下對料液進行正常的蒸發濃縮操作。真空蒸發濃縮系統的輔助設備通常有進料缸、物料泵、冷凝器、真空泵、蒸汽再壓縮泵等。蒸發器與這些輔助設備進行適當的配合，可以得到不同形式的真空蒸發濃縮系統。進料缸、泵、冷凝器、間接式換熱器一、進料缸進料缸用于稀料液的緩沖暫存。稀料液通過進料管進入缸體。缸內的液位由浮球閥控制維持相對穩定。系統濃縮液的輸出一般裝有支路，當濃度達不到要求時由此支路管回流到進料缸，重新與稀料液混合后再進行蒸發濃縮。另外當濃縮操作結束后，進料缸通入清水后也可作為就地清洗的清水缸用。進料缸與蒸發器之間一般利用管路連接就可進料，前提是必須克服料液流動阻力，否則需加泵，例如對于升膜式蒸發器，系統的真空度不足使料液引入到蒸發器的頂部，因此必須由泵提供動力。加工過程簡單的生產線，尤其是產量不大的間歇式生產線，不一定設進料缸，可直接將前道工序的料罐作為進料缸用。二、泵真空蒸發系統中所用的泵有以下三類：物料泵、冷凝水排除泵、真空泵真空蒸發濃縮系統處于負壓狀態，因此，連續蒸發操作時，濃縮液的出料一般要用泵抽吸完成。所用的泵可以用離心泵，但多用正位移泵。除了強制循環式蒸發器中的循環泵以外，多效蒸發系統中，上一效蒸發器出來的濃縮液進入下一效蒸發器，一般也須用泵輸送。1.物料泵冷凝水排除泵此類泵用于排除負壓狀態加熱器中加熱蒸汽產生的冷凝水。當蒸發器的加熱器與真空系統相連，進入加熱器的蒸汽（生蒸汽、二次蒸汽或兩者的混合物）均可通過適當形式的調節控制，成為負壓狀態（負壓狀態的蒸汽對應的溫度低于100℃）。此時加熱器的冷凝水也為負壓，必須通過離心泵抽吸才能排出加熱器。真空泵真空泵為蒸發系統提供所需的真空度。通常采用的真空泵形式有復往式真空泵、水環式真空泵、蒸汽噴射泵和水力噴射泵等。除了水力噴射泵以外，其它形式的真空泵一般接在冷凝器后面。真空泵的另一個作用是排除系統中產生的不凝性氣體。系統的不凝性氣體主要來自二次蒸汽，直接式冷凝器用的冷卻水也夾帶不凝性氣體。因此，除了與冷凝器相連接以外，真空泵還與再利用二次蒸汽作加熱劑的加熱器相連。三、冷凝器作用:對系統產生的二次蒸汽冷凝，同時使其中的不凝結氣體分離，以減輕后面真空系統的負荷，維持系統所要求的真空度。冷凝器一般以水為冷卻介質，對于以水為溶劑的料液，真空蒸發系統中多采用直接式（混合式）冷凝器。而對于需要回收芳香成分的料液，則需要采用間接式冷凝器。對于含有機溶劑的料液（如乙醇提取液），為了回收有機溶劑，也需要采用間接式冷凝器。無論是間接式還是直接式冷凝器，均有不凝性氣體排出口與真空泵相連。在真空度要求不高的蒸發系統中，可用水力噴射泵來對二次蒸汽進行冷凝，同時將系統的不凝性氣體抽走。四、間接式換熱器間接式熱交換器對稀料液進行殺菌或預熱，這種熱交換器可由生蒸汽也可以用二次蒸汽加熱。這些換熱器可以為單程列管式換熱器，單獨用生蒸汽加熱；或與蒸發器的列管式換熱器并聯，用相同的負壓蒸汽進行加熱；還可以盤管狀結構通過蒸發器列管式加熱器的殼體。第四節典型真空濃縮系統單效降膜式真空濃縮系統順流式雙效真空降膜濃縮設備混流式三效降膜真空濃縮設備混流式四效降膜真空濃縮設備食品工廠機械與設備——第八章濃縮設備單效降膜式真空濃縮系統主要由降膜式蒸發器、蒸汽噴射器（熱泵）、料液泵（離心泵和螺桿泵）、水泵、真空泵及貯液筒等組成。降膜式蒸發器所有加熱管束使用同一加熱蒸汽，但管束內部分隔為加熱面積大小不同的兩部分，同時冷凝器設置于加熱器外側的夾套內，結構緊湊。系統中的熱泵用來將部分二次蒸汽壓縮后作為加熱蒸汽使用；同時，通過在進料缸內引入冷凝水管道及在分離室內設置夾套預熱裝置，對原料進行預熱，回收了冷凝水和二次蒸汽的殘留熱量，提高了能量利用效率。食品工廠機械與設備——第八章濃縮設備工作過程原料牛乳從貯料筒經流量計進入分離器，利用二次蒸汽間接加熱，蒸發部分水分；然后由料液泵送至加熱器第一部分加熱管束頂部，經分布器使其均勻地流入各加熱管內，呈膜狀向下流動，同時受熱蒸發；經第一部分加熱管束蒸發濃縮后的牛乳，由料液泵送入第二部分加熱管束進一步加熱蒸發，達到濃度后的濃縮牛乳由螺桿泵送出。經分離器排出的二次蒸汽，一部分由蒸汽噴射器增壓后送入加熱器作為加熱蒸汽使用，另一部分進入位于加熱室外側夾套內的冷凝器，在冷卻水盤管作用下冷凝成水，并與加熱器內的冷凝水匯合在一起，由冷凝水泵送出。節流孔板a、b、c、d用于流量控制所需的在線流量檢測。食品工廠機械與設備——第八章濃縮設備順流式雙效真空降膜濃縮設備結構組成主要由一、二效蒸發器、熱泵、殺菌器、水力噴射器、預熱器、液料泵等構成。一、二效蒸發器結構相同，內部除蒸發管束外，還設有預熱盤管。殺菌器為列管結構。工作過程工作時，料液由泵從平衡槽抽出，通過由二效蒸發器二次蒸汽加熱的預熱器，然后依次經二效、一效蒸發器內的盤管進一步預熱。預熱后的料液在列管式殺菌殺菌（86~92℃），并在保持管內保持24s；隨后相繼通過一效蒸發器（加熱溫度83~90℃，蒸發溫度70~75℃）、二效蒸發器（加熱溫度68~74℃，蒸發溫度48~52℃），最后由出料泵抽出。生蒸汽（500kPa）經分汽包分別向殺菌器、一效蒸發器和熱壓泵供汽。一效蒸發器產生的二次蒸汽，一部分通過熱壓泵作為一效蒸發器的加熱蒸汽，其余的被導入二效蒸發器作為加熱蒸汽。二效蒸發器產生的二次蒸汽，先通