一、概述

1、浓缩是从溶液中祛除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。

2、浓缩和干燥的意义不同: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祛除,最低水分含量约30%(质量),一般为不变状态的过程。而干燥过程中,水分在物料内部最终必将借分子扩散作用从固相中祛除,且一般为不不变状态的过程。

二、浓缩方法:

从原理上说分平衡浓缩和非平衡浓缩两种物理方法。

①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。蒸发浓缩和冷冻浓缩即属此法。

蒸发浓缩在实践上是利用加入热能使部分溶剂汽化,并将此汽化水分从余下的被浓缩溶液中分离出去。即使溶剂汽化达到使溶质增浓的目的。这种方法目前仍然是食品工业最广泛应用的一种浓缩方法。

冷冻浓缩是利用稀溶液与固态冰在冰点下的平衡关系,即利用有利的液固平衡前提。冷冻浓缩时,部分水分因放热而上冻,而后用机械方法将浓缩液与冰晶分离。蒸发和冷冻浓缩,两相都是直接接触的,故称平衡浓缩。

②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,因此分离不是靠两相的直接接触,故称非平衡浓缩。利用半透膜的方法不仅可以分离溶质和溶剂,而且也可用以分离各种不同大小的溶质,因此统称为膜 (渗)分离。

结晶是使溶质呈结晶状从溶液中析出的单元操作,也是溶质和溶剂均匀混合物的部分分离过程。结晶操作与冷冻浓缩操作虽然都是利用固-液平衡前提的操作,它们的不同点:在于分离的目的,在于它们的操作原理及其前提早提。在一定的前提下,实现的是溶质从溶液中析出,而在另一前提下实现的则是溶剂从溶液中成冰晶析出。

浓缩和结晶操作在食品工业中有着广泛的应用,是食品工程上极其重要的单元操作。这些个操作的原理都涉及到溶液的热力科学问题。

熬头节 蒸发及其独特的地方

食品工业浓缩的物料大部分数为水溶液。一般蒸发就指水溶液的蒸发。食品浓缩的物料,有的直接用原液,如牛奶、血液等,有些榨出汁如水果、蔬菜、甘蔗的榨出汁,也有用萃取液如咖啡、茶、肉、甜菜等。

一、蒸发的基本概念

(一)、蒸发的概念

1、界说: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汽液平衡前提,达到分离的目的。

2蒸发原理:按照分子运动学概念,溶液受热时,溶剂分子获得了动能,当一些溶剂分子的能量完全可以克服分子间的吸引力时,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。如果不设法祛除这些个蒸汽分子,则汽相与液相之间,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。故进行蒸发的必要前提就是热能的不断供给和天生的蒸气的不断解除。

一般说来,溶液在任何温度下都会有水分的汽化。但这种汽化速度很慢,效率不高,所以工程上多采用在沸腾状态下的汽化过程。通常说的蒸发就是指的这种过程。为了维持溶液在沸腾前提下汽化,需要么断地供给热能,通常多采用饱和水蒸气为热源。饱和水蒸气在冷凝过程中放出的汽化潜热提供蒸发所需的热能。由此可见,从换热角度看,蒸发器中进行的蒸发一方是水蒸气的冷凝放热,另一方是溶液的沸腾放热。

(二)食品浓缩的目的是:

(1)祛除食品中大量水分,减少包装、贮藏和运输费用。

例如100吨含5%固形物的番茄榨出汁浓缩至含固形物28%的蕃茄酱,重量将减至l8吨,为原重量的1/5左右,体积缩小大致与此相同。这样可大大降低包装、贮藏和运输的费用。

(2)提高制品浓度,增加制品的保藏性。

用浓缩方法提高制品的糖分或盐分可以使水分的活度降低。使制品达到微生物学上安全的程度,延长制品的有效保藏期。例如,含盐的肉类萃取液浓缩到不致产生细菌性的腐败。

(3)浓缩时常用作干燥、更完全的脱水或用作某些结晶的预处理过程。

这种环境特别适用于原液含大量水分,而用浓缩法解除这部分水分比用干燥法更为节约之时,如制造牛奶粉时,牛奶先经预浓缩至含固形物45~52%以后再进行干燥。

二、食品物料蒸发浓缩的独特的地方

料液的性质对蒸发有很大影响。特别是食品多属生物系统的物料,比一般化工上遇到的物料更为复杂多变。在选择和设计蒸发器时,要充分熟悉这种影响。食品物料的蒸发浓缩有如下几方面独特的地方。

l 热敏性:生物系统的物料多由氨基酸、脂肪、淀粉、维他命以及其它很多色、香、味成分构成。这些个事物在高温下或长期受热时要受到破坏、变性、氧化等作用。所以很多食品的蒸发要严格考虑加热温度和加热时间。

①加热温度和加热时间是不可分割的。食品蒸发的安全性与此二因素同时相关。这就是“温时结合”。的概念,即把温度与时间作为统一体来考虑。

②从食品蒸发的安全性看,力求 “低温短时”,但还要考虑工艺上的经济性。在保证食品质量的前提下,为提高生产能力,常采用“高温短时”蒸发。由于料液的沸点与外压有关,低温相应就是低压,所以真空蒸发是食品工业蒸发应用的显著独特的地方之一。

③为了缩短蒸发操作时的加热时间,一方面必需减小料液在蒸发器内的平均逗留时间,另一方面还要处理完成局部性的逗留时间问题。

关于这一点儿,目前已发现长管膜式蒸发器和拌和膜式蒸发器在物料的逗留时间问题上具有很大的优点,从而在食品工业上获得广泛的应用。

2 腐化性:特别是酸性食品如果汁、蔬菜汁的浓缩,设计蒸发器时必需考虑腐化性问题。设计蒸发器和其它辅助设备时,必需选用适当的结构材料。对于食品,即使是轻度的腐化,其所引起的污染往往为产品规格所不允许。

一般蒸发器接触液体部分多采用不锈钢结构,除非需要昂贵的材料才能满足要求时,通常设计成强制轮回式以节约材料的用量。

3 粘稠性:很多食品含有丰富的氨基酸、糖分、果胶等成分,其粘稠性较高。

高粘性物料的蒸发,首先从流体动力学概念看,有一个层流倾向问题。即使物料受到强烈拌和,在导热壁附近总存在不能轻忽的层流内层,这就会紧张影响导热的速率。同时,由于上述原因,也还会产生诸如结垢,局部逗留时间等一系列问题。

料液的粘稠性随浓度而增加,跟着蒸发的进行,料液粘度也一定逐渐增加,所以蒸发过程中的导热速率预感期也会逐渐降低。对于粘性制品的蒸发,一般采由外力强制的轮回或拌和办法。

4 结垢性:氨基酸、糖和果胶等受热过便会产生变性、结块、焦化等现象。

通常在导热面附近,物料温度最高。容易在导热壁上形成污垢,紧张影响导热速率。处理完成结垢问题的踊跃办法是提高液速。经验证实,在其他前提相同时,提高液速,可显著减轻污垢的形成,这是由于高液速的洗刷作用所致。

因此在可能发生紧张结垢现象的环境下,采用强制轮回法是有效的。另外,对必然性的结垢问题,必需有按期的严格清理办法。

5 泡沫性:某些食品物料沸腾时要形成不变的泡沫,特别是在真空蒸发和液层静压高的场合下更是如此。泡沫的形成与界面张力有关。界面张力发生在蒸汽、过热液体和悬浮固体之间,固体在形成汽泡时起着核心的作用。一般,可以使用表面活性剂以控制泡沫的形成。也可用各种机械装置以消灭泡沫。

6 易挥发成分:不少液体食品含有芳香成分和风味成分,其挥发性比水大。料液蒸发时,这些个成分将随同蒸汽一起逸出,影响浓缩制品的质量。低湿浓缩虽然可减少香味成分损掉,但更完善的方法是采纳回收办法,回收后再掺入制品中。

第二节蒸发器类型及其选择

一、蒸发器的构成

蒸发器主要由加热室(器)和分离室 (器)两部分构成。

加热室的作用是利用水蒸气为热源来加热被浓缩的料液。加热室的型式最初采用的是夹套式和蛇管式,其后有卧式短管加热室和竖式短管加热室,为了巩固导热过程,采用强制轮回代替自然轮回,也有采用带叶片的刮板薄膜蒸发器等。

分离室的作用是将二次蒸汽中夹带的雾沫分离出来。二次蒸汽之所以夹带雾沫,是因液体沸腾时,汽泡到达液面分裂后,产生很多小雾滴所造成。为使这些个雾滴下落回到液体中,分离室须具有足够大的直径和高度以降低蒸汽流速,并有充分机会使其返回液体中。分离室的型式,最初是将其置于加热室之上并与后者并成一体。其后,出现了外加热型加热室 (加热器),分离室也就独立成为分离器。

以下简单介绍几种食品工业上常用的典型蒸发器。

(一)标准式蒸发器结构

图8-1所示为标准式蒸发器。蒸发器由上、下两部分构成,下部为加热室,上部为分离室。

加热室由沸腾管、中央轮回管与上、下管板所构成的加热管束。壳内的管外空间为蒸汽室,蒸汽在此进行冷凝。中央轮回管是一根直径弘远于沸腾管直径的粗管,其截面积不小于总加热管束截面积的35~40%。因此,一定量溶液在中央管内所占有的导热面积就相应较之在沸腾管中者为小,就产生溶液由中央管下降, 而由沸腾管上升的不断轮回,因而它是一种自然轮回型蒸发器。

蒸发器上部为分离室。分离室的圆筒体上有视镜、人孔、涤荡装置和照明装置等。筒体高度一般不小于1.8~2.5m,可保证液滴不被带出。

分离器顶部有捕沫器,用以分离雾沫,保证二次蒸汽干净,有利于下一效蒸发器的加热。分离器顶部连接二次蒸汽排出管。标准式蒸发器的缺点是在增强轮回方面有一定限定,因而沸腾液一侧的导热膜系数也受到限定。另外不便清洗和更换管子。

为了克服上述缺点,使之更适用于易结垢的物料,出现了标准式的一种变型,即所谓悬筐式蒸发器,见图8-2。为了从中取出加热室,只要把顶盖拿下,把管道拆除,从顶部把它取出即可。这种设备的另一优点是改善了轮回前提。液体回流是经由过程壳与加热室间的环形间隙来进行,环形间隙的截面较易达到所要求的大小。

应用范围:设备适用于中常粘度、轻度结垢的非腐化性料液,并且可以得到较好的蒸发速率。在食品工业上的典型应用例有果汁、麦芽浸出液、蔗糖、葡萄糖等溶液的浓缩。

(二)、加热室在外的蒸发器(自然轮回型和强制轮回型)

加热室在外的蒸发器是现代蒸发器成长的一个独特的地方。这类蒸发器是由加热器、分离器和轮回管三部分构成。

加热室和分离室分开的优点:①可以改变二者之间的距离,并调节轮回速度使料液达到不在加热室中沸腾,亦即整个管子仅用于加热而沸腾恰在高出加热管顶端进行。这样,管子内表面就不为析出晶体所堵塞。②分离器独立后,可改善分离雾沫前提,并有可能将其作成离心分离器的形式。③有可能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。

加热室在外的蒸发器分自然轮回型和强制轮回型。

自然轮回型的轮回原理与标准式同。不过,标准式蒸发器的中央轮回管在加热室内,管内的料液还是受热的。而加热室在外的蒸发器,其轮回管是加热器与分离器间的连接管,管内料液是不受热的。因此,相对于标准式而言,这种蒸发器的轮回前提得到了改善,检修、清洗也较方便。加热室在外的自然轮回型蒸发器,其加热器有垂直放置更为有利。因加热管下端盖子打开后,清洗管子很方便。一般自然轮回型蒸发器,其轮回速度约为lm/s。这类设备灵活性较大,几乎在所有环境下都可采用。

自然轮回型目前广泛应用于果汁、牛奶和肉类浸出汁等热敏料的浓缩,但因料液在器内进行大量反复轮回,固逗留时间较长。不舒服合蒸发粘稠溶液,主如果导热速率降低,污垢易于形成。处理完成的办法是采用强制轮回型,使溶液在管内流速达3~4m/s.

强制特轮回型设备的加热室虽然多数设在外部,但也有将加热室装在管内里面的。

加热室在外的强制型,其加热室有垂直和水平放置的型式。强制手段可用泵或拌和器。泵多采用离心泵和轴流泵,因馏环所需的扬程不大,而轮回流量很大,故用轴流泵更为合适。可把它直接装在设备内。粘度非常高的浆液,可采用正位移泵--齿轮泵或转子泵,某些粘度极高且有结晶析出的物料,可采用内装拌和器构轮回式没备·

(三)长管式蒸发器

上述自然轮回型和强制轮回型蒸发器有一个主要缺点,就是溶液反复轮回,要经受长期加热,亦即溶液在设备中平均逗留时间较长,这对非常热敏的物料来讲是不许可的。对这种料液,有必要尽可能减少轮回甚至不轮回,后者就是所谓单程蒸发。为此目的,蒸发器就要有细长的管子,单程经由过程的时间内,达到全部浓缩的要求,这就是长管式蒸发器的由来。

长管式蒸发器:从加热器出来的汽液混合物经分离器分离后,有的直接作为浓缩液排出,不再经轮回径返回加热器,有的则有部分浓缩液经轮回管返回。这类蒸发器的管束很长,约6~8m,而其截面积则很小。它具有很大的导热面,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,蒸汽从管口流出的速度可达100-l20m/s。蒸汽以这样的速度流动,料液就被带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20m/s,所以这种蒸发器被称为液膜式蒸发器。

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。其构造大体相仿,见下图。

典型升膜蒸发器的管长为6~12m,管径为25~50mm。料液先经预热至接近沸点,从管束的下端引入。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,但导热速率仍不太高。

在上部区域,蒸汽体积急速增大,所产生的高速上升蒸汽使液体在管壁上形成一层薄膜,造成很好的导热前提。

以后,汽液混合物进入分离器进行分离。浓缩液可直接排出,或与原料混合后再轮回,或进入下一效进一步浓缩。

该图为黑龙江华冠科技有限株式会社3效升膜蒸发器底部示意图

这种蒸发器的独特的地方是,在加热器内料液逗留时间短,导热系数高,适于浓缩热敏物料。

升膜蒸发器的缺点:在管内下部区域尚积蓄较多的液体,固而延长了接触时间 (约15~30min)通常还不能经由过程严格单程蒸发达到所要求的浓度,一般尚需部分再轮回,加长了逗留时间,在管子中部易发生结垢和氨基酸沉积的现象。为了较彻底消除因液体积聚所造成的静压效应,并吸取薄膜导热的优点,出现了降膜蒸发器。降膜蒸发器能达到导热效率高,热能经济性好,逗留时间短的目的。

降膜蒸发器与上述升膜式相类似,主要区别是经预热后的料液从管束的顶部加入。这种设备的设计,要害在于必需有料液进管的均匀分配装置。目的是避免局部过热和焦壁。

降膜分布器的型式有多种,图8-6所示为四种较常见的形式。

其中:(1)的导流管具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,以免液体再向中央堆积;

(3)是利用加热管上端管口的齿缝来分配液体;

(4)是靠管子上端的旋液分配器,用于强制轮回降膜蒸发器中。

降膜蒸发器布膜装置的好坏,直接影响导热效果。

降膜蒸发器因不存在静液层效应,物料沸点均匀,甚为广泛,例如牛奶、果汁等散浓缩。升降膜蒸发器是升膜蒸发与降膜蒸发相结合的蒸发器。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膜蒸发部分。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取有利方面以免固有的缺点。

另外还有由机械的作用形成的刮板薄膜蒸发器、由板式热交换器与分离器组合而成的板式蒸发器等。

二、蒸发器的选用

选择蒸发器时要考虑多方面的因素,归纳起来有如下几点:

1、生产能力,通常是以每小时的水分蒸发量来表示;

2、浓缩度,通常以浓缩制品的固体百分含量来表示;

3、制品热敏性,与逗留时间及蒸发温度有关;

4、制品的粘度;

5、挥发性事物的回收;

6、卫生结构及清洗的要求;

7、装置大小,与厂房大小有关;

8、投资费用及操作费用。

制品的热敏性是食品浓缩的一个重要问题。对于热敏食品,逗留时间过长和蒸发温度过高均有导致食品变质破坏的危险。

对于粘性制品,蒸发器必需要有使料液分散成液膜,并使之以高速流过导热面。方法可用拌和膜式、升降膜式及离心膜式等。如果制品既粘稠,又是热敏,蒸发器还必需满足热敏制品的要求。不同蒸发器能够处理的最高浓缩粘度见表8-1。

加热温差大可以节约蒸发器的导热面而且浓缩度高,因而可缩短逗留时间,为了使蒸发器能够在较高的温差下操作,其结构应能不错控制浓膜厚度及液膜沿导热面流过的速度。不过,温差大对于普通蒸发器可能有结焦的危险,特别是对于含有丰富氨基酸的制品。

综上所述,对于食品的浓缩,选用蒸发器时,应特别注意制品的热敏性和粘性。可参看表8-1。

表8-1蒸发器的选用

制品热敏性

制品粘度

使用的蒸发类型

说明

无

低或中常

管式、板式、固定圆锥式

水平管式不舒服于易结垢制品

无或小

高

真空锅、刮板膜式、旋转圆锥式

洋菜、明胶、肉浸出液的浓缩可采用间歇式

热敏

低或中常

管式、板式、固定圆锥式

包括牛奶、果汁含固体适度的制品

热敏

高

刮板模式、旋转圆锥式

包括多数果汁浓缩液、酵母浸出液及某些药品。对浆状制品只能用刮板膜式

高热敏

低

管式、板式、固定圆锥式

要求单程蒸发

高热敏

高

旋转圆锥式或板式

要求单程蒸发。包括橙汁浓缩液、蛋白和某些药物

第三节、蒸发系统

一、单效真空蒸发

(一) 单效真空蒸发的概念

凡溶液在蒸发器内蒸发,所产生的二次蒸汽不再加以利用,则此种操作称为单效蒸发,为了浓缩热敏物料,必需尽可能使操作保持在低温下进行。因为蒸发时,物系的变化是在定温定压下进行的相变过程。一定的蒸发温度对应于一定的蒸发压力,所以可利用降低蒸发压力的办法达到降低蒸发温度的目的。如蒸发压力低于大气压,则称此蒸发为真空蒸发。单效真空蒸发在食品工业上如果酱类生产中,采用这种流程较多。

(二)单效真空蒸发装置如下图所示。它包括一个长管加热器和一个分离器。除了蒸发器以外单效真空蒸发装置一般还应有如下的附属设备:

1、冷凝器:对于单效或多效蒸发,最后一效的二次蒸汽通常用冷却水冷凝的方法来解除,所以冷凝器是蒸发设备的重要构成部分。

蒸发器所产生的大量二次蒸汽必需设法排撤除,方法是将其导入冷凝器进行冷凝。蒸发装置中的冷凝器形式很多,有高位气压式冷凝器和低位冷凝器,低位冷凝器又有逆流干式、并流干式、并流湿式之分。此外尚有水力喷射冷凝器。

当冷凝的蒸汽是有价值的事物而且不能与冷却水混合时,则采用表面式冷凝器。这种冷凝器价格高,耗水用最大。所以没有此必要时,一般均采用混合式冷凝器。

2、真空泵:因为冷凝器所能冷凝的气体主要为水蒸气。而空气等不固结气体如不设法祛除,系统的真空度不可能恒久维持。使用真空泵的目的就是抽出这些个不固结气体。

真空蒸发所采用的真空泵有往复式真空泵、水环式真空泵、蒸汽喷射真空泵和水力喷射器等。除采用水力喷射冷凝器的场合外,当用其它各式冷凝器时,必需配备真空泵。因为水力喷射冷凝器实际上兼有冷凝器和真空泵的双重作用。

3、疏水器:其作用是使蒸发器的蒸汽利用经济、保持导热良好。同其他水蒸气加热设备一样,必需装置解除冷凝水的设备,即疏水器。疏水器的形式甚多,有浮球式、热动力式、钟形浮子式等。

4、不凝气解除装置:为保持加热室的导热效率,必需设法不断解除其中的不固结气体。方法是在加热器侧壁上设抽气嗓口,并连以管子和排气阀门。

5、捕沫器:蒸发操作时,一个很重要的问题是只管即便避免或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响。若是多效蒸发,还可能使下一效加热面形成污垢或腐化。特别在果蔬汁如蕃茄汁的浓缩时,强腐化性酸雾会带来紧张的后果。

造成雾沫夹带的原因有:(1) 泡沫:液料的表面张力减小是造成泡沫的原因之一;(2)蒸汽高速流动:蒸汽流动速度过快,一定促推雾沫陪同而行;(3) 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。

一般而言,绝对防止雾沫的发生是不可能的,但要只管即便减少雾沫夹带,方法是采用捕沫器 (雾沫分离器)。捕沫器的结构原理不外两种:其一是利用气流与挡板的碰撞作用,使雾沫分裂,并使流向急剧改变,阻止其外逸;其二是利用离心力,便密度较大的液滴与二次蒸汽分离,流回蒸发器中。

(二)真空蒸发器装置内的导热

蒸发过程本色上是以导热为主的过程。蒸发器和冷凝器的结合是两个热交换器的串联。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热能转移到冷却介质中去。热能传递的总趋势是从加热介质放热开始,以冷却介质吸热而告终。

若所用的冷凝器为表面式冷凝器,则整个单效真空蒸发系统的热能转移一般包括下述七个阶段,每一阶段均包含着导热的阻力。每经一阶段,温度或多或少都有下降,同时,当加热介质和冷却介质温度一按时,蒸发器内沸腾温度不仅与蒸发器导热有关,而且也与冷凝器的导热有关。冷凝器的任何导热故障都会立即影响蒸发器内的沸腾温度,上述七个传递阻力如下:

(1)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;

(2)蒸发器导热壁热阻,通常也很小,但管壁形成紧张结垢时,垢层的热阻可能占有显著地位;

(3)蒸发器沸腾侧的传递阻力,与上述阻力比拟,此项阻力在蒸发器导热中占有支配地位。由于溶液的沸点升高,二次蒸汽略呈过热状态。

(4)二次蒸汽从分离室沿管线向冷凝器转移时,要发生热损掉和流动阻力。如无热损掉,蒸汽焓值不变,温度变化也不大,如热损掉较大,则蒸汽过热度逐渐解除,温度也相应有所降低。

(5)冷凝器蒸汽侧的传递阻力。此项阻力与(1)相仿。

(6)冷凝器冷却壁热阻。此项阻为与(2)相仿。

(7)冷凝器冷却介质侧的热阻为表面式冷凝器的主要热阻。

综上所述,对于使用表面式冷凝器的场合,全过程的控制因素是(3)、(7)两项;对于使用混合冷凝器的场合,则(5)(6)、(7)三项阻力或不存在或可忽略不计,此时主要阻力集中于蒸发器,而其中又以(3)项阻力为主要控制因素为此。如上,热能自加热介质转移的过程中,要产生温度的逐步降落。

(三)蒸发装置内的温差损掉

由于单效蒸发系统的地热能传递,包括上述7的阶段,每个阶段都有传递阻力,因此美经过一个阶段,温度都有或多或少的损掉。研究蒸发装置内的温差损掉及蒸发器的导热系数是一个十分重要的问题。

设采用混合式冷凝器,并由真空泵维持冷凝器在一定真空度下操作。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TK表示。

若加热蒸汽的温度为T。则上述热能转移过程中所产生的全部温度降落 (称为总温差)为:△To=T一TK. 但是,由于各种原因,蒸发器的导热温差 (称为有效温差ΔT)总是小于此总温差△To。

设蒸发器内沸腾温度为t,则有效温差为:ΔT=T一t

总温差与有效温差的差值称为温差损掉Δ。则△= △To一△T=(T一TK) 一(T一t)= t一TK

由此可知,蒸发操作的温度差损掉为料液沸腾温度与冷凝温度的差值。换言之,温度损掉亦即沸腾温度高于冷凝温度的温度差值。

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降低,则温度差损掉其实不存在,即△=0,但实际上,由于下述三种原因,常引起温差的损掉:

1、由于溶液的沸点升高所引起:由于溶液中水分的化学势小于纯水的化学势,溶液的沸点要比同压下纯水的沸点为高,称为沸点升高。蒸发操作中,溶液沸点升高使得作为导热鞭策力的有效温差减小,这是一种导热鞭策力的损掉。

计算方法:

①在手册日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 (以△a表示),但在食品方面,这类数据甚感缺乏。一般而言,电解质溶液的沸点升高远较非电解质显著,而食品工业上所处理的溶液多为高分子的非电解质或胶体溶液,沸点升高较小,故可近似参考糖液方面的数据。

②杜林规则:这个规则表明,溶液的沸点是相同气压下纯溶剂沸点的线性函数。根据杜林规则,可在坐标纸上给出在各种不同浓度时,溶液沸点对同压下溶剂沸点的一组图线。如:在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。

③吉辛柯公式: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沸点升高△′:

(K)(8一2)

式中T---某压力下水的沸点,K;

L V--- 压力下水的汽化潜热,J/kg

△a--- 常压下溶液的沸点升高,K,

2、由于液层静压效应所引起蒸发器内的沸腾液总是有一定的液层高度,其值与蒸发器的类型和结构有关。处于离液面不同深度的溶液受到不同的静压力,所以液面下周部沸腾温度高于液面上的沸腾温度,亦即高于上述经沸点升高校正后的溶液沸点。液层高度影响沸腾温度的现象,在低压下特别突出。

以lm高的水层为例,液面与底部的压力差等于lmH2O。若液面上绝对压力为10mH2O(接近常压蒸发),则底部与液面的压力差所造成的沸点差约为3K,但如果液面上的绝对压力为0.23mH2O,则液面处溶液沸点约为20℃,而底部溶液沸点为50℃,这种影响引起的沸点升高是十分显著的。由液层静压效应引起的温差损掉也同样减少了导热的鞭策力。

设液面上方的分离室内的压力为 ,溶液液层高度为h,溶液密度为ρ,则溶液中层的压力为 为:(8-3)

又设对应于压力 和 ,溶液的沸点为 则由静压效应历引起的温差损掉为:

(8---4)

通常,近似计算 可直接取用在 压力下水蒸气的饱和温度。

在真空度操作的真空蒸发器,当液层静压效应显著影响沸腾温度时,底层溶液的沸腾往往受到强烈的抑制。实际上,底层溶液其实不沸腾,却跟着溶液向上方流动而达某一高度以后才开始沸腾,沸腾受抑降低了蒸发能力,所以应只管即便避免存在很大静压。

膜式蒸发器就有这样优点,管子虽长,管内为汽液混合物的两相流动,平均密度小,所以缓和了静压郊应。相反,在闪急蒸发器中,却又人为地引入液层的静压,目的在于抑制溶液在管内沸腾,此理当另作别论。

3由蒸汽流动中热损掉引起此项温差损掉与蒸发装置的流程有关。二次蒸汽从分离室到冷凝器的流动管道长度,直径和保温环境均会影响此项损掉。计算时,一般作△'''=0.5~1.5K计。由于上述三项原因,全部温差损掉为:

△ =△'+△''十△'",

有效温差△T则等于总温差减去总温差损掉。即:

(四)蒸发器的导热系数

蒸发器是特殊前提下操作的热交换器,其导热系数K按通用表达式为:

式中: :加热蒸汽向管壁或板壁的冷凝导热膜系数W/m2•K

:从管壁或板壁向被浓缩溶液的沸腾导热膜系数W/m2•K

:管壁或板壁的热阻,δW为管壁或板壁的厚度,m。λW为导热材料的导热系数,W/m•K

:垢层热阻,δS为垢层厚度,m。λS为其导热系数,W/m•K

1 蒸汽泠凝导热膜系数 :即使在膜状冷凝前提下,其值也不高。一般为4,500—18,000 W/m2.K。若蒸汽中含有不固结气体,膜系数则显著降低。所以要采纳解除不固结气体和防止空气漏入蒸汽室的办法。

2溶液沸腾导热膜系数 :沸腾放热热阻往往是诸热阻中起主要作用的热阻。沸腾导热膜系数在很大程度上决定于于导热面上的液速。

3 垢层热阻 :由于食品中热敏有机事物蒸发时因加热受破坏在加热面上形成的垢层成为蒸发的紧张问题。当浓缩粘性制品例如蕃茄酱时,这是占主导的因素,在计算垢层热阻时,如无可靠实验数据。可将垢层厚度按0.5mm估算,其导热系数可取1.5~2W/m·K之间。

4导热壁热阻 :蒸发器的金属壁热阻,在一般环境下此其他各项热阻均小,在设计计算时可以忽略。因此,加热管材料的选择,不只是从导热性能来考虑,而应从耐腐化性及经济性方面来考虑。但是,一般的刮板薄膜蒸发器,其导热壁通常较厚,其热阻占有一定分量,不能任意忽略。

关于蒸发器导热系数K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。各种类型蒸发器的导热系数值可以拜见下的表。

(五)单效真空蒸发器计算

单效真空蒸发器的工艺设计计算项目主要有蒸发量,热蒸汽消耗量及导热面积。分述如下:

1·蒸发量:蒸发量计算的原理是质量守永恒固定律,具体方法是物料衡算,取浓缩过程中质量不变的事物---绝对干固体为计算基准,较为方便。

设S-- 原料液量,kg/s;

B0 -- 原料液中的固体含量%;

W-- 水分蒸发量,kg/s;

B1-- 浓缩液的固体含量%。

则有:

或kg/s(8--9)

上式表示水分蒸发量W,原料液量S 、原料液浓度B0和浓缩液浓度B1,四者之间的关系。给定S,B0、B1,就可求W1,给定S,B0、W,又可求算B1。

2加热蒸汽消耗量D(kg/s):蒸汽消耗量计算的原理是能量守永恒固定律(进入蒸发器的热=离开蒸发器的热)。一般工厂多采用沸点进料,则(Lv为相应温度下的汽化潜热。)

3传导热面积蒸发导热面积的计算仍根据导热基本方程式。

根据则

「例8--1」蕃茄汁在单效薄膜式蒸发器中从固体含量12%浓缩至28%。蕃茄汁已经预热到最高许可温度60℃落伍料。采用加热蒸汽为压力0.7千克/厘米2(表压)的饱和水蒸气。设蒸发导热面积为0.4m2,导热系数为15OOW/ m2..K,试近似估算蒸汽消耗量和原料量。

[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,从水蒸气表查得其饱和温度T1=114.5℃,汽化潜热Lv=2210KJ/KG,计算导热速率,

Q1=K1A1Δt1=1500×0.4×(114.5-60)=32700J/s

计算蒸汽消耗量D1=Q1/Lv=32700/2210000=0.0148kg/s=53.3Kg/h

计算蒸发量 (查得60℃下水的汽化潜热L’V=2304 kJ/kg )计算原料液流量:

W1=Q1/L’V=32700/2340000=0.014kg/s=50.3kg/h

计算原料液流量:

二、多效蒸发

(一)多效蒸发的界说和独特的地方

1界说: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。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。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。

2、多效蒸发的独特的地方:提高了热能的经济性。因为按单效蒸发的结论,1千克加热蒸汽可以蒸发约莫l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汽时(有时将部分加蒸汽抽出,另作别用,称为分外蒸汽),同样在第二效中又可蒸发约莫l千克的二次蒸汽。以资类推,n效串联蒸发操作,1千克加热生蒸汽则可蒸发约n千克的二次蒸汽。

换言之,为完成同一蒸发量使命,采纳n效蒸发,其加热蒸汽消耗热能仅为采用单效者的n分之一,因此,跟着蒸发效数的增加,将大大地提高了热能的经济性。

(二)多效蒸发装置的设备流程

多效蒸发操作的加料可有四种不同的方法:

1、顺流法:料液与蒸汽成顺流的方法,为最常用的一种加料法。蒸汽和料液的流动方向一致,均依效序自第I效到末效。

独特的地方:①由于蒸发室压力依效序递降,故料液在效间流动不需用泵,此为顺流法的一大优点。②由于料液沸点依效序递降,因而当前效料液进入后效时,便在降温的同时放出其显热,供一小部分水分汽化,增加蒸发器的蒸发量。③在顺流法下操作,料液浓度依效序递增。高浓度料液处于低温时对浓缩热敏食品是有利的,④粘度显著升高使末效蒸发增加困难。

2、逆流法:料液与蒸汽成逆流的方,此法料液和蒸汽流动方向相反,如图8-17即原料液由最后一效进入,依次用泵送入前效。最后的浓缩制品从第I效排出。

优点:跟着料液进取效流动,浓度愈来愈高,而蒸发温度也愈来愈高。故粘度增加没有顺流的显著。这对改善轮回前提,提高导热系数均有利。

缺点:①高温加热面上浓溶液的局部过热有引起结焦和营养事物破坏的危险;②效间料液流动要用泵;③与顺流比拟,水分蒸发量稍减。④料液在高温操作的蒸发器内的逗留时间要较顺流为长。

3、平流法:每效都加入原料液的方法,此法每效都平行送入原料液和排出成品。见图8-18。此法只用于在蒸发操作进行的同时有晶体析出的场合,例如食盐溶液的浓缩。

独特的地方:对结晶操作较易控制,并省掉了粘稠晶体悬浮液的效间泵送。

4、混流法:组合上述备种方法的方法,对于效数多的蒸发也搞采用顺流和逆流并用,有些效间用顺流,有些效间用逆流。参看图8-19。适合于在料液黏度随浓度而显著增加的场合下。

独特的地方: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。

5·分外蒸汽的运用在多效蒸发流程中,有时将某一效的二次蒸汽引出一部分用作预热蒸发器的进料,或用作其他的加热目的。这种中间抽出的二次蒸气,称为分外蒸气。

从蒸发设备中引出分外蒸汽作为他用,是一项考虑工厂全局提高能经济利用的办法。在只需较低温度和压力的蒸汽就能满足要求的地方,直接使用高压、高温水蒸气经过减压是不经济的。

多效蒸发操作具有蒸汽减压的作用,所以可按要求引出所需的二次蒸汽。在多数场合下,分外蒸汽多自第1至第2效引出。

(三)多效蒸发的温差分配

在多效蒸发操作中,蒸发温度是逐效降低的,否则串联蒸发就无法实现。为此,必需保证要有一个逐效降低的压力。于是整个多效系统中压力的递降分配就决定于于末效低压的保持。末效为真空蒸发的情形下,决定于于末效真空度的保持。在多数多效操作中,熬头效的压力高于大气压。但在多数食品蒸发中,熬头效加热蒸汽压力为大气压或略高于大气压。

在单效真空蒸发器一节中曾述及:在给定的总操作前提下,由于温差损掉,蒸发器导热的有效温差总是小于总温差 。在理想的环境下,如无一切温差损掉,则有效温差等于总温差。

多效设备是由单效设备构成,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掉。

设第l效加热蒸汽温度为 ,冷凝器的冷凝温度为 ,则总温差为 。

①若每效无温差损掉,对n效蒸发,显然每效导热温差为:

……

而总的有效温差为:

可见总有效温差等于总温差。

②在温差损掉不能忽略的环境下, 总有效温差必小于总温差,其差值即为总温差损掉。即:

式中为n效温差损掉之和,即:

当有效总温差确定然后,此温差必需分配到各效,并满足各效的导热方程,即:

,

……

由此可得有效温差分配所必需遵循的如下比例关系:

实际上,要确定各效的有效温差,还必需另加特别指定的限定原则,实用上有如下几种:①各效等面积原则;②相邻效间等压差原则(确定各效压力及其对应的饱和温度);③各效蒸发量按经验比例法(对于无分外蒸汽引出的顺流操作,各效水分蒸发量有按比例进行开端估计,求出各效水分蒸发量后,则可计箕各效溶液的浓度,从而可进一步求算溶液的沸点等。)和④其他特殊的限定(最高蒸发温度的限定对于热敏食品的浓缩,常规定蒸发温度的安全极限。如番茄酱浓缩允许的安全极限温度为60~65℃,当采用多效蒸发时,熬头效的蒸发温度不能超过此温度)

其中各效等面积原则比较常用,按此原则分配温差,则各效导热面积均相称,这样就便于蒸发器的制造、安装、检修及操作。满足此原则的有效温差分配为:

采用多效蒸发的目的,是为了减少加热蒸器消耗量。 由以前会商可知,1千克加热蒸汽约莫可蒸发l千克的水。实施n效多效操作,理论上每蒸发l千克水分只需1/n千克的加热蒸汽即可,这样,似乎效数愈多愈经济。实际上,由于多方面的原因,效数是有限度的。因为:

①实际耗汽量大于理论值:由于汽化潜热随温度降低而增大,并且效间存在热损掉。

②设备费用的增加:多效蒸发虽可节约蒸汽,但蒸发器乃甚附属设备的费用却要成倍地增加。及至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蒸发器有效导热温差的极限跟着效数不断增加,每效分配到的有效温差逐减小。根据经验,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。

④料液蒸发温度的安全极限:由于这个原因,熬头效就不能使用温度过高的加热蒸汽,因此总温差减小限定了效数的增加。

⑤温差损掉的增加:沸点升高、静压效应和热损掉引起的温差损掉 (要反复n次)几乎随效数而成比例的增加。当效数增加到一定的数值然后,温差损掉的总和有可能等于总温差,这实际上象征着各效导热鞭策力的完全消掉。所以就温差损掉来看,效数也是有限度的。

多效蒸发的效数最常用的是双效、三效和四效。对于热敏性高的食品物料,第1的蒸发温度即受到限定,所以很少有超出两效的设备。

(五)多数蒸发的计算

多效蒸发的工艺设计计算项目主要包括:

(1)水分总蒸发量和各效蒸发量

(2)加热蒸汽消耗量

(3)各效导热面积

多效蒸发计算虽较繁复,基本上与单效同。下面以顺流加料,无分外蒸汽引出的多效蒸发为例会商求得总蒸发量的计算:

多效水分总蒸发量为各效蒸发量之和,即:

(kg/s)

对溶液中固体进行物料衡算:

由此得总蒸发量

(kg/s)

任一效(第1效)中溶液的浓度 (即i效的出料浓度)

如已知各效水分蒸发量,则可按上式求出各效的浓度。但各效的水分蒸发量必需经由过程后面的热能衡算才能求得。

五 蒸汽再压缩蒸发

以多效蒸发代替单效蒸发具有显著的经济性,已如前述。但提高热能经济性尚有其他方法,例如蒸汽再压缩方法。

1、蒸汽再压缩方法的界说:设法使蒸发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,进行加热。

2、其节能的原因是:

假定将绝对压力为1.74*105 温度为1l6℃的饱和水蒸气送入蒸发器,用以浓缩在大气压下沸点为104℃的液体,并假定冷凝水离开的温度为104℃。因116℃饱和水蒸气的焓值为2700kJ/kg,104℃冷凝水的焓值为435kJ/Kg,所以,若将此冷凝水送回锅炉房,则每千克冷凝水至少要加入2270kJ/kg的热能,才能得到与原来加热蒸汽同样的饱和水蒸气。另一方面,上述lkg加热蒸汽所能蒸发出来的二次蒸汽大致也等于lkg,而其恰值为l00℃下饱和水蒸气的焓值2670kJ/kg,与加热蒸汽焓值相差无几。所以将此lkg二次蒸汽在回复到lkg原来状态的水蒸气,仅需加入30kJ/kg的热最即可。

3、压缩二次蒸汽的方法

有如下几种:(1)机械再压缩法;(2)蒸汽喷射再压缩法(热再压缩法);(3)热泵轮回再压缩法。

在实践上,除上述方法单独使用外,也有将上法一种或几种与多效蒸发结合起来。例如,将蒸汽喷射再压缩法与多效蒸发相结合等。

(一)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来实现上述的要求,蒸发器为强制轮回型,经分离室分离后的二次蒸汽再经压缩机压缩后返回加热器。

(二)热再压缩蒸发

机械再压缩法中的压缩机,如用蒸汽喷射器来代替,则称这种蒸发为热再压缩蒸发。所使用的蒸汽喷射器称升压泵。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,至关于lkg工作蒸汽所吸入的二次蒸汽量,称为抽气系数,即:

上式表示采用热再压缩法的经济程度。一般而言,μ的数值根据蒸发压力而定。

对于很多低温操作,当工作蒸汽的压力为8~l0atm时,μ约等于l,其经济程使为:

即每小时蒸发l吨水分的设备,约需工作蒸汽半吨。当μ=2时,则每蒸发1吨水分仅需工作蒸汽1/3吨。

由于工作蒸汽的混合,如果全部二次蒸汽返回再压缩,则加热蒸汽过多。实际上仅需一部分二次蒸汽被抽入升压泵中。所以,热再压缩蒸发设备必需配备冷凝器和真空泵,以祛除骈枝的二次蒸汽。冷凝器的蒸汽负荷约等于工作蒸汽的量。为了提高二次蒸汽的冷凝温度,通常冷凝在升压泵然后。

(三)热泵轮回再压缩法

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,则被压缩的蒸汽体积很大,因而就不经济。热泵蒸发器就是为处理完成这一问题而设计的,其本色是将蒸发操作与制冷轮回结合起来。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,或是经由过程中间冷凝与它进行