《浓缩及设备》PPT课件.ppt

2019/6/11,浓缩与设备,姓名：伍俭 学号：107011508 班级：生化103 指导老师：乔德阳,2019/6/11,浓缩与设备,第一节 浓缩概述 第二节 浓缩的类型 第三节 真空浓缩设备 第四节 单效真空浓缩设备 第五节 真空浓缩装置的附属设备,2019/6/11,第一节 概 述,一、浓缩的概念 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。 浓缩过程中，水分在物料内部借对流扩散作用从液相内部达液相表面而后除去，最低水分含量约为30%（质量），一般为稳定状态的过程。,2019/6/11,二、浓缩的目的,1.除去食品中大量水分，减少包装，贮藏和运输费用。 例如，100T含5%固形物的番茄榨出汁浓缩至含固形物28%的番茄酱，重量减至18T，体积也大大缩小。这样可大大降低包装，贮藏和运输费用。 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使水分活度降低，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。,2019/6/11,3.浓缩经常用作干燥或更安全的脱水的预处理过程。 这种情况特别适用于原液含大量水分，而用浓缩法排除这部分水分比用干燥法更为节约时间，如制造奶粉时，牛奶先经预浓缩至固形物45%52%以后再进行干燥。 4.浓缩用作某些结晶操作的预处理过程。,2019/6/11,第一节 蒸发浓缩,一、蒸发的基本概念 1定义：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条件，达到分离的目的。 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，使溶剂汽化达到使溶质增浓的目的就是蒸发操作。,2019/6/11,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。,2019/6/11,蒸发浓缩,二、蒸发浓缩原理 蒸发作为浓缩的重要手段，生产中应用最早也最广泛，称为蒸发浓缩。 蒸发是将溶液加热至沸腾，使部分溶剂汽化并移除，以提高溶液浓度的操作。也是溶液中挥发性溶剂和不挥发性溶质间的分离过程。 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。 蒸发浓缩的受热时间、浓缩温度（与操作压力等有关）和浓缩工艺和设备是影响浓缩质量的关键因素。温度是蒸发浓缩最重要的控制指标。,2019/6/11,食品物料蒸发浓缩的特点 (了解皆可),热敏性 ：加热温度和加热时间 腐蚀性 ：酸性食品 粘稠性：蛋白质、糖分、果胶 结垢性：蛋白质、糖分、果胶过热 泡沫性 ：物料沸腾时形成 易挥发成分：芳香成分和风味成分,2019/6/11,蒸发设备的要求,1.工艺上的要求 1）适应物料性质，符合工艺要求和食品卫生； 2）保证达到要求的浓度； 2.热能利用上的要求 合理使用加热蒸汽和二次蒸汽，降低全厂耗汽量和燃料耗用量。,2019/6/11,3.设备结构的要求 1）在一定容积内尽量增大其加热面积，以减少金属耗量和占地面积； 2）蒸发效能好，具有较高的传热系数，热能利用率高； 3）结构简单，制造、安装、维修和清洗方便；,2019/6/11,蒸发浓缩操作流程,1.加热室；2.蒸发室；3.混合冷凝器4.分离器；5.缓冲罐；6.真空泵。,单效真空蒸发流程,2019/6/11,加热蒸汽进入蒸发器的加热室1后，在加热室的管间冷凝，放出的热量通过管壁传给了管内溶液，冷凝水从下部排出；被蒸发浓缩后的完成液由蒸发器的底部排出；蒸发时产生的二次蒸汽至冷凝器3与冷却水相混合而被冷却，冷却液从冷凝器底部排出；溶液中的不溶性气体经分离器4和缓冲罐5再由真空泵6抽出排往大气。,2019/6/11,二、蒸发浓缩操作的方式,单效蒸发：产生的二次蒸汽直接被冷凝而不再利用； 多效蒸发：二次蒸汽被引入另一蒸发器作为热源利用的多个蒸发器串联的蒸发操作。 蒸发是在常压下进行称为常压蒸发。,2019/6/11,蒸发在低于大气压力下进行称真空蒸发。 真空蒸发是工业中应用最广的一种蒸发操作，主要优点是：低压下使溶液的沸点降低，溶液可在较低温度下沸腾，使溶剂蒸发。在传热量一定情况下节约传热面积，防止热敏性溶液在高温下的分解或变质。 如葡萄汁采用真空蒸发浓缩，对果汁风味影响很小，比常压蒸发风味好得多，浓缩的葡萄汁含糖量可达60-80%。,2019/6/11,二 冷冻浓缩,冷冻浓缩是利用冰和水溶液之间的固液相平衡原理来实现浓缩的操作方法。当溶液中所含溶质的浓度低于最低共溶浓度时，冷却的结果使溶剂结成晶体(冰晶)析出，使溶质浓度提高。,2019/6/11,图示为蔗糖水溶液的固液相平衡图。平衡图中纵坐标t表示温度，横坐标x表示蔗糖的百分比浓度。AE是冰点曲线，也即冰和溶液的平衡线，其中A点为纯水(溶液浓度X=0)的冰点；EB是溶解度曲线，即固体溶质和溶液的平衡线；E点是最低共溶点，即固体溶质和溶液的平衡点，代表了冰和固体溶质共同熔化的最低温度，称最低共熔点。,蔗糖水溶液固液平衡图,2019/6/11,冷冻浓缩的基本原理: 冷冻浓缩是在溶液浓度低于最低共熔点浓度下进行的。如浓度为X1、温度为t1的溶液对应的冰点为t1，当温度为t1时就有冰晶出现。当温度继续下降至t2时，就会有部分冰晶产生，溶液浓度可增加到X2。温度继续下降，冰晶不断增加，浓度也不断提高. 当温度降至最低共熔点温度以下时，整个溶液全被冷冻成冰晶，达不到分离的目的。,2019/6/11,冷冻浓缩,图3 悬浮结晶冷冻浓缩装置及流程 1、回转制冰机；2、大皮带轮；3、小皮带轮；4、减速电机； 5、制冷机；6、低温药液泵； 7、滤网；8、冰晶；9、药液罐,2019/6/11,冷冻浓缩需分两个步骤进行： 通过冷冻使溶液中的水分部分结晶析出 通过过滤使冰晶与溶液分离。 冷冻浓缩可以防止溶液中的香气损失，特别适用于热敏性强的溶液。但成本较高，有溶质损失。,2019/6/11,三 膜浓缩,蒸发浓缩属于热浓缩工艺，存在着浓缩温度较高、热敏性有效成份容受破坏和挥发性成份容易逸散等影响产品质量的因素。 因此，寻找非热浓缩工艺就成了研究的目标。冷冻浓缩是非热浓缩方法之一，膜浓缩被认为也是一种具有发展前景的非热浓缩新工艺和技术。,2019/6/11,膜浓缩,膜蒸馏浓缩 其传质过程可分为： （1）水分子在热侧膜面处蒸发形成水蒸气； （2）水蒸气通过膜的微孔从膜面的热侧扩散到冷侧； （3）传递到冷侧膜面的水蒸气重新冷凝成水。因而膜蒸馏是一蒸发过程。 与以压力为传质驱动力的膜分离（反渗透）方式不同，膜蒸馏是以温度为驱动力。,2019/6/11,四、吸附分离浓缩,大孔吸附树脂主要由高分子材料制成，利用其具有的很大比表面积、不同大小的孔径和极性特性，可以选择性吸附提取液中一些有用的化合物成份。 近年来，大孔吸附树脂在中药及天然药物活性成份和有效部位的分离、纯化中应用越来越多。适用于： （1）有效成份的粗分和精制； （2）单味药有效部位的制备； （3）复方有效部位的制备； （4）复方制剂中除去糖、氨基酸、多肽等水溶性杂质，以降低服用量或吸湿性。,2019/6/11,吸附分离浓缩,该技术是中药现代化生产关键技术之一，可以提取有效部分，去除无效部分，达到分离、富集或浓缩有效部位（群）或有效成份（群）的目的，显著降低用药剂量。一般可以使中药有效部位（群）或有效成份（群）的含量提高1014倍，临床用药剂量下降67倍。,2019/6/11,第二节 真空浓缩设备概述,浓缩：从溶液中除去部分溶剂的单元操作。 一般食品中溶剂为水，如果汁，牛奶等，故食品工业中的浓缩通常指蒸发。 真空浓缩：在负压下，以较低温度浓缩。 特点： (1) 料液沸点低，浓缩速度快。 (2) 能用低压蒸汽为热源。 (3) 利于保持食品营养成分。 (4) 能耗小。 (5) 真空系统投资大，功耗大。 (6) 沸点降低，蒸发潜热增大。,2019/6/11,1、蒸发器的分类、结构和特点,一、分类 (一)按二次蒸汽利用次数分： 1、单效浓缩装置。 2、多效浓缩装置。 3、带有热泵的浓缩装置。 (二)按料液流程分： 1、循环式：自然与强制循环。 2、单程式： (三)按加热器结构分： 1、盘管式浓缩器。 2、中央循环管式浓缩器。 3、升膜式浓缩器。,4、降膜式浓缩器。 5、片式浓缩器。 6、刮板式浓缩器。 7、外加热式浓缩器。,2019/6/11,三 根据加热器结构型式分,1. 夹套式浓缩器 2. 盘管式浓缩器 3. 标准式浓缩器 4. 强制循环式浓缩器 5. 升膜式浓缩器 6. 降膜式浓缩器 7. 刮板式浓缩器 8. 板式浓缩器 9. 离心式浓缩器,2019/6/11,一、夹套式浓缩器,中小型浓缩设备。 由圆筒形夹套壳体、搅拌器、除沫器等组成。 适于果酱、蜜饯、糖浆、乳品、豆浆晶、食用胶等高粘度料液的浓缩。,主要技术参数 蒸发量 300Lh， 蒸汽耗用量 340kgh， 蒸汽压力196kPa， 真空度 82988.0kPa。,2019/6/11,夹套加热室带搅拌单效浓缩装置,在下锅体外壁有一夹套，在夹套间通入加热蒸汽，对锅内料液进行浓缩，同时通过横卧在下锅体的搅拌器不断进行搅拌。 搅拌以强化流动，不断更新加热面外的料液 ，从而提高浓缩效果和保证产品质量，搅拌转速为1020rpm，搅拌器上有四个浆叶，浆叶与加热面的距离为510mm。,优点：结构简单，操作控制容易。 缺点：加热面积小，生产能力低，不能连续生产。,2019/6/11,二、盘管式浓缩器,亦称盘管式浓缩锅，由上下锅体、加热盘管、汽液分离器等组成。 料液分批浓缩。二次蒸汽由上部排入汽液分离室，成品由锅底卸出。 二次蒸汽进入分离室，在离心力作用下，使夹带的液滴与不凝气体分离，气体排出，被分离后的料液回流再进行蒸发。,2019/6/11,盘管式浓缩罐,1.工作原理及结构 工作原理：它是乳品厂较早采用的一种真空单效浓缩装置。在罐体内有盘管，管内通加热蒸汽，对物料加热。,2019/6/11,盘管一般由45组分层排列，每组有13圈。盘管的蒸汽进口和凝结水出口有两种形式。 盘管多采用扁平椭圆形截面，以减少罐内流体自然循环阻力，而且便于清洗。 各层盘管单独用阀门控制，可根据料液面来调节加热面。,2019/6/11,特点：,（1）结构简单，操作方便，易于控制; （2）可根据料液量，可任意开启各排管的加热蒸汽，以满足操作需要； （3）锅内物料浓度均匀，特别适用于粘度高的物料浓缩； （4）间歇出料，物料受热时间长，对产品质量有影响; （5）设备体积较大，清洗不便，尤其结垢清洗更困难。,2019/6/11,单元操作：蒸发,盘管式真空浓缩机 组成:蒸发器、加热盘管 分离器、仪表箱 水力分离器 特点：体积小、成本低 操作维修方便 型号：1000型 700型 300 型 蒸发量：3001000kg/h 加热面积：310 m2,2019/6/11,三、标准式浓缩器,中央循环管式浓缩锅。 加热室中中央循环管的截面一般为加热管束总面积的40以上。 料液由于受热程度不同，产生重度差，从边上上升、中间下降，在分离室进行汽液分离。 二次蒸汽由顶部排出。料液经中央循环管下降，再进入加热管束，形成自然循环。浓缩后的制品由底部卸出。 该类蒸发器在国内糖厂应用较多。,2019/6/11,标准式浓缩器,（一）作用原理：料液经过加热管加热，水分汽化，料液比重变小，而中央降液管中料液没被加热至沸腾（料液比重较大）。由于传热产生重度差，形成物料在加热管和降液管中的循环，将水分蒸发，达到浓缩的目的。而加热蒸汽释放出潜热后，变成水，从底部排出管排出。,2019/6/11,（二）结构,由加热室和蒸发室组成。 1.加热室： 由加热管、中央降液管和上下管板组成。 中央降液管的作用 形成内循环，它的内截面积是加热管总内截面积的0.25倍。 上下管板的作用 将物料和蒸汽分开。,2019/6/11,四、强制循环式浓缩器,主要由列管式加热器、分离室和料液循环泵组成。 料液强制循环，在加热器出口减压、沸腾，分离室内进行汽液分离； 该蒸发器为分批作业 优点为流速大，达3-4m/s，传热系数较高，可防止料液结垢；当加热蒸汽与料液之间的温差较小时（3-5），仍可进行操作。不足是动力消耗大,2019/6/11,膜式浓缩罐,上述几种浓缩罐，溶液在罐内停留时间比较长，对热敏性物料易产生分解变质。 膜式罐的特点是，溶液通过加热罐的速度快，或只通过加热管一次，不做循环，溶液在加热罐壁上呈膜状蒸发速度快（液体在罐内只停留几秒或几十秒），但传热效率高，对处理热敏性物料特别适宜。现已成为国内外广泛应用的先进蒸发设备。其形式较多，如升膜式、降膜式、刮板式、离心式、和薄板式等，下面着重介绍升膜式、降膜式。,2019/6/11,五、升膜式浓缩器,由加热室、分离室和循环管等组成。 料液在加热管中部沸腾汽化。在上部产生二次蒸汽，流速可达100l60/s。料液沿管内壁成膜状上升，并不断蒸发。 有循环型、非循环型 优点：占地少，传热效率较高，料液受热时间短，在加热管内停留1020s。 适于浓缩热敏、易起泡和粘度低的液料。缺点是一次浓缩比低，进料量需严格控制。,2019/6/11,升膜式浓缩罐,工作原理：原料由加热室下部进料进入加热管内，加热管外部通入加热蒸汽，将热量传给管内的料液，气凝结为水，料液被加热沸腾，便迅速汽化，所产生的二次蒸汽及料液，在管内高速上升（常压下，管的出口处二次蒸汽速度为2050m/s，在减压真空状态下，可达100160m/s），气泡在上升过程中体积增大，很快就充满了整根管子。这些快速流动的蒸汽泡将料液贴管内壁拉成薄膜状，形成液膜而沿管子内壁上升。浓液被高速上升的二次蒸气所带动，沿管内壁成膜状上升不断被加热蒸发。,加热室 二次蒸汽分离室 循环管,2019/6/11,这样料液从加热器底部至管子顶部出口处，逐渐被浓缩，浓缩液以较高的速度以切线方向进入蒸汽分离室，浓缩液从分离器底部排出，二次蒸汽从顶部排出，也有的将浓缩液的一部分通过循环泵，再进入加热器底部，继续浓缩。,2019/6/11,一般料液在管中的长度只达管子高的1/41/5。 加热管的直径、长度选择要适当，一般长管式管长为68m短管长为34m。管径为3050mm，管长与管径之比l/d100150。加热器安装于分离室外侧，便于检修。,2019/6/11,操作时要注意控制进料量和温差。 如果进液量过多，加热蒸汽不足，则管子的下部积液过多，会形成液柱上升而不能形成液膜。失去液膜蒸发的特点。使传热效果大大下降。 如果进液量过少，会发生断膜干壁，结焦现象。温差过大，蒸发量过大，亦产生结焦。从而降低传热效果。,2019/6/11,特点： (1) 料液在管内上升速度快，液膜薄，传热系数高（达20003000w/m ）. (2) 静压影响小，温差损失小。 (3) 物料在管内停留时间短，从而减少了热敏性料液分解的危险，产品质量好。 (4) 料液在管内速度较高，能防止结垢的形成及粘性料液的沉淀。 (5) 管子长清洗不便，操作较难。,2019/6/11,(6)蒸汽出口速度快，雾沫夹带严重。 (7)要求有较大的温差，沸点进料，以产生大量蒸汽推动的膜攀升。 (8)对罐内液位变动很敏感。入料、真空、操作等必须很稳定，否则会结焦或不能形成液膜。 不适宜黏度较大的溶液浓缩（薄膜料液的上升必须克服其重力与管壁的磨擦力阻力），因此，升膜式罐虽然有很多优点，但仍没有广泛应用。,2019/6/11,六、降膜式浓缩器,利用重力作用成膜，能蒸发粘度较大的料液，且受热时间短，适于热敏性强的物料； 料液的沸点均匀，有效温差较大，传热效果好，节约蒸汽。 蒸发管较长，沸腾泡沫易受热破裂，因此适于蒸发易生泡沫的物料； 清洗方便； 适于浓度较大，不易结晶、结垢的物料。 目前这类设备在乳品、果汁等食品工业中应用最广。,特点：,2019/6/11,降膜式浓缩罐,降膜式蒸发罐是在升膜式罐的基础上发展起来的。 1）工作过程 料液同加热蒸汽从顶部加入，液体在重力作用下，沿管内壁成液膜状向下流动，液膜被加热蒸汽加热蒸发，汽体迅速脱离加热面（液膜），沿管子向下流动，汽液进入蒸发分离室，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。,2019/6/11,（1）成膜装置,为了使料液能均匀分布于各加热管，沿管内壁流下，所以在管的顶部或管内安装降膜分离器（成膜器）。 成膜装置是降膜蒸发器的最主要的部件，成膜装置对提供其传热效果有很大的作用，但增加清洗管子的困难。 其型式有（在管子的端部设置加料分布装置）,2019/6/11,2）构造 主要由分配室、成膜装置、加热室和分离室构成。,2019/6/11,1导流管为一有螺旋形沟槽的圆柱体。 2导流管下部是圆锥体，此锥体底部内凹，以免沿锥体面流下的液体再向中央聚集。(倒锥体导流装置)。 3分布器（齿形导流装置） 依靠齿缝使液体沿加热管内壁成水膜状流下。 4分配板式导流装置 一个多孔板，孔的位置正好交错于加热管口。,2019/6/11,（2）降膜式浓缩罐加热管径，管长，管子排列方法和管子的固定方法： 一般加热管的直径采用3050mm（但不宜采用直径小于20mm的管子。因为过细清洗困难，过粗体积大，传热面积小），管壁厚为1.52mm。 加热管的长度，根据设备的型式而定，循环式的一般管长取34mm对单程的（即不循环的），因经蒸发后，流下的液体基本达到需要的浓度，所以管子要有足够的长度，才能保证传热效果，一般管长取68m。,2019/6/11,加热管的排列方法，有正三角形和同心圆排列法。 管子的固定，有胀管法和焊接法，多为前者，便于换管。 管子间距：胀管法 t1.31.5d外 焊接法 t1.25 d外 加热室的内径： D内t（b-1）+4d外 b-管板直径方向的管数 d外-管子外径,2019/6/11,特点：,（1）物料停留时间短（45S），更能保证产品质量，更适宜粘度较多的料液浓缩。 （2）管壁生成气泡易脱离加热面（因液膜由汁汽的推动而沿壁迅速流下）（膜薄），故传热效果好，且垢层生成慢。 （3）液量必须控制足够大且均匀，否则易蒸干，降低传热效果。,2019/6/11,七、刮板式浓缩器,有立式、卧式两类。 加热时间为23S。加热区域可分成几段，采用不同压力的蒸汽 特点：传热系数高，适于高粘度（最高达100Pa.s）的料液或含有悬浮颗粒的料液。,直径：300500mm 最小间隙：1.5士0.3mm 转速：300 800rpm。,2019/6/11,多功能刮板浓缩罐,立式刮板式浓缩器,2019/6/11,八、板式浓缩器,优点：蒸发时间很短，2s左右，液流分布均匀，不易结垢。传热系数高，可达10.4516.72MJ/ M2h。可处理高粘度的料液，结构紧凑，拆卸清洗方便 可用于牛奶、果汁，豆。蛋、糖汁，低盐酱油等多种食品的浓缩。,2019/6/11,板式浓缩装置,2019/6/11,板式四效蒸发器,1效,2效,3效,4效,2019/6/11,第四效蒸发器,2019/6/11,九、离心式浓缩器,特点：结构紧凑，传热效率高，蒸发强度高 料液停留时间极短，约1s， 制品品质优良，能较好保持原有色、香、昧和营养成分。 适于热敏性物料，是一种新型、高效的浓缩设备。 但对粘度大、易结晶的料液不适用，其结构较复杂，造价高。,2019/6/11,单元操作：蒸发,原料液,完成液,加热蒸汽,冷凝水,二次蒸汽,2019/6/11,第四节 单效真空浓缩设备,（一）单效降膜式真空浓缩设备 以德国WINGGAND公司引进的单效降膜式真空浓缩系统为例 主要由加热室、分离室、热压泵（蒸汽喷射器)、物料泵、冷凝水泵、水环式真空泵、螺杆泵及贮料桶等组成。适用于牛乳浓缩。,主要技术参数： 水分蒸发量：800kg/h ； 进料量：1210kgh（进料总乳固体含量 25.65); 生产率：410kgh（出料总乳固体含量74); 蒸汽耗量：465（kgh）（蒸汽表压 800KPa); 耗水量：水压300kPa（表压),2215m3/h； 电机总功率：约10.4kw。 本设备的特点是能量消耗少，操作稳定，清洗方便。,2019/6/11,2019/6/11,（二）单效离心式真空浓缩设备,以瑞典引进的ALFA-LAVAL公司引进的单效离心式真空浓缩设备为例： 设备由双联过滤器、平衡桶、输送泵、离心蒸发器、真空、冷凝和清洗装置等组成。 特点是产品品质优良、浓度高（一次浓缩至84固形物),传热效率高，清洗维护方便。,2019/6/11,单效离心式真空浓缩设备,2019/6/11,单元操作：蒸发,三效逆流真空浓缩机 主要用于果酱的浓缩 蒸发量：12000 kg/h 1效 2效 3效 料液 温度：72 57 42 0C 加热 温度：143 72 57 0C 加热 面积： 15 200 150 m2 成品浓度：528,2019/6/11,一、顺流式双效降膜真空浓缩设备,（一）组成与流程 （二）用途和特点 这种设备适用于牛乳、果汁等热敏性物料的浓缩，效果好，质量高，蒸汽与冷却水的消耗量均较低，并配有清洗装置，操作方便。 (三)主要技术参数 生产能力（水分蒸发量）为1200kgh； 杀菌条件为8692保温24s； 一效加热温度为8390； 一效蒸发温度为7075； 二效加热温度为6874； 二效蒸发温度4852； 物料受热时间为3min； 蒸汽压力（表压）为500kPa；蒸汽消耗量为 620kgh； 冷却水耗量为12t/h。,2019/6/11,顺流式双效降膜真空浓缩设备,2019/6/11,单元操作：蒸发,双效降膜真空浓缩机 主要用于奶、果汁的浓缩 蒸发量：2400 kg/h