第八章 浓缩设备09-10.ppt

食品工厂机械与设备 第八章浓缩设备 食品工厂机械与设备 一 教学目标1 了解浓缩的基本原理和主要做法 2 了解几类设备的工作原理和系统组成 二 教学重点五 教学课时几类设备的介绍4学时三 教学难点六 教学练习各种特点的理解P243 2 3 4 四 教学方法自测题讲述法 第八章浓缩设备 浓缩与食品加工食品工业中的浓缩设备第一节真空蒸发浓缩设备第二节冷冻浓缩设备本章小结思考题自测题 浓缩与食品加工 浓缩是除去食品料液中部分水分的单元操作 在食品加工中有着重要的地位 例如鲜乳 果蔬榨取得到的原汁 植物性提取液 如咖啡 茶 生物处理 酶解 发酵 分离液等均含有大量的水分 为便于运输 贮存 后续加工以及方便使用等 往往需要进行浓缩 食品工业的浓缩设备 食品浓缩可以采用真空蒸发浓缩设备 冷冻浓缩设备和膜浓缩设备等 目前 食品工业使用最广泛的浓缩设备是真空蒸发浓缩设备 冷冻浓缩设备对于含热敏性和挥发性成分料液的浓缩有很大吸引力 膜浓缩设备本质上是膜分离设备 本章不作介绍 可参见本书第四章内容 第一节真空蒸发浓缩设备 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 具体形式较多 主要差异表现在蒸发器的形式和效数 二次蒸汽利用以及操作连续性等方面 真空蒸发浓缩设备特点一 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 真空蒸发浓缩设备特点 优点 1 在真空状态下料液的沸点降低 加速了水分蒸发 避免了料液的高温处理 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 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 蒸发器是真空蒸发浓缩系统的主体 由加热室与分离室两部分构成 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 蒸发器的分类 蒸发器的分类 蒸发器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 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 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 二 盘管式蒸发器 结构工作过程特点 结构 如图8 2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 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8 3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 三 外加热式蒸发器 分类操作过程优缺点用途 分类 外加热式蒸发器的特征是加热室和分离室分开 根据物料在加热室与分离室间循环的方式 可分为强制循环式和自然循环式两种 强制循环外蒸发器如图8 4 1 所示 主要由列管式加热器 分离室和循环泵等构成 需要指出的是 这种蒸发器的加热器 除了如图中所示可水平安装以外 还可以垂直安装或倾斜安装 自然循环外蒸发器如图8 4 2 所示 除无循环泵以外 基本构成与强制循环式相同 但加热室只能垂直安装 操作过程 两种外加热式蒸发器均可以连续方式操作 也可以间歇方式操作 连续操作时 最初的一段时间为非稳定期 这时不出料 当循环内料液浓度达到预定浓度时 通过离心泵抽吸出料 图8 4 2 所示的自然循环蒸发器 也可在浓缩液出口处加接管与出料离心泵相连 间歇操作时 最终出料的体积不得小于加热室与分离室最少能循环的容积 优缺点 优点 蒸发器的加热室与分离室分开后 可调节两者之间的距离和循环速度 使料液在加热室中不沸腾 而恰在高出加热管顶端处沸腾 加热管不易被析出的晶体所堵塞 分离室独立分开后 形式上可以做成离心分离式 从而有利于改善雾沫分离条件 此外 还可以由几个加热室合用一个分离室 提高了操作的灵活性 自然循环外加热式蒸发器的循环速度较大 可达1 5m s 而用泵强制循环的蒸发器 循环速度还要大 这种蒸发器的检修 清洗也较方便 缺点 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 这种蒸发器可用于对热敏性和风味成分保留要求不高的产品浓缩 如用于喷雾干燥前牛乳和蛋白水解液等的浓缩 四 长管式蒸发器 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 一般结构特点与类型升膜式蒸发器降膜式蒸发器 一般结构特点与类型 长管式蒸发器一般采用内径25 50mm 长径比为100 150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 1 升膜式蒸发器 结构如图8 5 1 所示 蒸汽由加热器上部引入 而物料由下部进入 因此蒸汽与物料在加热器内呈逆流 由于从下面进料 所以为防止静压效应引起的沸点升高 进入蒸发器的料液温度应控制在接近沸点 工作过程特点 工作过程 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 特点 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 降膜式蒸发器 结构如图8 5 2 所示 其分离室位于加热室的下方 加热室项部有布膜器 又称料液分布器 其作用是使料液在加热管内均匀成膜并阻止二次蒸汽上升 工作过程特点 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 图8 6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 工作过程 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 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 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 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 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 结构 主要由板式加热器与分离室组合而成 加热器的总体结构与组合方式与本书第七章介绍的板式换热器的类似 但一般直接利用蒸汽或二次蒸汽进行加热 根据料液与蒸汽在加热板上的流动方向 板式蒸发器的加热板有升膜式 降膜式两种结构 出于加热蒸汽分布和产品分布均匀要求 它们的换热板结构与普通板式热交换器的换热板有所不同 主要是供产品进出和加热介质进出的开孔大小 数量 形状位置不同 降膜式板式蒸发器 构成如图8 9图所示 加热板全为降膜式 料液从加热器左上侧进入后分两路均匀地分布在各加热片上 料液流道两侧为加热蒸汽室 也从加热板上方进入 因此 与产品流向相同 为并流 情况与长管降膜式蒸发器类似 浓缩液二次蒸汽混合物通过加热器下方的通道出来 进入分离器后两者分离 浓缩液从分离器下方引出 二次蒸汽则从上方引出 升膜式板式蒸发器 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 进入分离器后两者分离 升降膜式板式蒸发器 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分离器分离成浓缩液和二次蒸汽 特点 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 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 碟片的下外表面为工作面 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 浓缩液则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 蒸汽在圆锥表面冷凝 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 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 一 进料缸 二 泵 三 冷凝器 四 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 物料泵 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 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 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 单效降膜式真空浓缩系统 系统构成 以图8 11所示的德国WIEGDN单效降膜式真空浓缩设备为例 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 系统特点工作过程 系统特点 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 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 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 结构组成 某顺流式双效真空浓缩设备流程如图8 12所示 它主要由一 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 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 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 进入第一效分离器分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 从第三效分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分离器将浓缩液 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 一部分通过 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 第二效分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 第三效分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 一般情形基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 冰与浓缩液的分离设备三 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分离两步 因而冷冻浓缩设备主要也由冷却结晶设备和冰晶悬浮液分离设备两大部分组成 冷冻浓缩的一般情形 冷冻浓缩是使溶液中的一部分水以冰的形式析出 并将其从液相中分离出去 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 或作为冷冻干燥过程中的半成品使用 冷冻浓缩的基本原理 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 将冰晶与母液分离后 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 可避免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 晶液的分离技术要求高 且溶液的黏度越大 分离越困难 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 生产成本较高 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部分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 部分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 部分水真空蒸发的结晶器 工作原理 真空状态下部分水分从溶液中吸收热量发生汽化 而溶液中另一部分水则因热量的除去而结晶成冰 这种部分水汽化 部分水结冰的过程基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 并利用分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绝对压强下部分蒸发 部分水分成为冰晶 从结晶器出来的冰晶悬浮液经分离器分离后 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 浓缩液与冰晶的分离比较困难 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 50 m 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 避免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 而晶体则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 部分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 冰与浓缩液的分离设备 用于冷冻浓缩的冰与浓缩液的分离设备有压榨机 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 采用压榨机分离 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 则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 所以这种分离方法只用于作前期分离 为冰与溶液的最后完全分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 分离时的溶质损失取决于晶体大小和液体黏度 离心机分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分离效果 浓缩液不会被稀释 且洗涤塔完全密封 无顶部空间 从而避免了芳香物的损失 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 洗涤分离原理洗涤塔形式 洗涤分离原理 基本原理 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 而浓缩液则从塔底经过滤器排出 塔顶设有融冰器 加热器 使部分冰晶融化成水 融化的水大部分排到洗涤塔外 小部分向下返回 与上浮冰晶逆流接触 洗去冰晶表面的浓缩液 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 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 其范围若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 假如图示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 少部分融化水往下流动用于洗涤夹带在冰晶中的浓缩液 大部分融化水经阀C排走 四 压榨机与洗涤塔的组合 可实现最经济的分离过程 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分离 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