食品真空浓缩设备.ppt

第六章真空浓缩设备 内蒙古农业大学食品科学学院陈忠军副教授 一 蒸发器的分类 结构和特点二 真空浓缩的附属装置三 单效真空浓缩设备四 多效真空浓缩设备五 蒸发设备选型 主要内容 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 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 第一节蒸发器的分类 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 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 一 夹套式蒸发器 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300L h 蒸汽耗用量340kg h 蒸汽压力 196kPa 真空度82 9 88 0kPa 二 盘管式蒸发器 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 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 300 1000kg h加热面积 3 10m2 三 中央循环管式蒸发器 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 中央循环管蒸发器动画 四 强制循环式蒸发器 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 强制循环蒸发器动画 强制循环蒸发器 这是烧碱厂的强制循环蒸发器 单元操作 蒸发 外循环连续式真空浓缩机生产能力 1000kg h 五 升膜式蒸发器 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100 l60 s 料液沿管内壁成膜状上升 并不断蒸发 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10 20s 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 升膜式蒸发器动画 六 降膜式蒸发器 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 降膜式蒸发器动画 七 刮板式蒸发器 有立式 卧式两类 加热时间为2 3S 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 多功能刮板浓缩罐 立式刮板式浓缩器 八 板式蒸发器 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 板式浓缩装置 板式四效蒸发器 1效 2效 3效 4效 第四效蒸发器 第五章传热 食品工程原理 九 离心式蒸发器 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 单元操作 蒸发 原料液 完成液 加热蒸汽 冷凝水 二次蒸汽 第二节真空浓缩设备的附属装置 主要附属装置 捕集器 冷凝器 蒸汽喷射器和真空装置等 一 捕集器 一 惯性捕集器 在二次蒸汽流的通道上设置挡板 一般其直径比二次热汽入口直径大2 5 3倍 二 离心型捕集器 利用离心力分离 在蒸汽流速较大时 分离效果较好 但阻力亦较大 二 冷凝器 功能 将二次蒸汽冷凝 对不凝气体分离 减轻真空系统负荷 一 间接式冷凝器二次蒸汽与冷却水间接传热 有列管式 板式 螺旋板式和淋水管式 特点 冷凝液可回收利用 但传热效率低 故用作冷凝的较少 二 直接式冷凝器 混合式 分为逆流式和喷射式 二次蒸汽与冷却水直接接触而冷凝 1 逆流式冷凝器 2 喷射式冷凝器 安装要求 水泵至喷射器冷却水入口的管路 尽量减少管件和弯头 减小阻力损失 排水管要求垂直 如必须曲折时 折角不大于45 转折不多于两次 各接口要求严密 避免泄漏 连接扩散管出口的尾管长度 一般在2m以上 且不伸入循环水池之水中 三 真空装置 一 作用 抽出不凝结气体 保证系统的真空度 降低浓缩锅内压力 使料液在低温下沸腾 不凝气体来源 溶解于冷却水中的空气 料液中分解的气体 设备泄漏 二 常用真空装置1 蒸汽喷射器2 往复式真空泵3 水环式真空泵 蒸汽喷射泵 优点是抽气量大 真空度高 安装运行和维修简便 价廉 占地面积小 缺点是要求蒸汽压力较高 蒸汽量稳定 需要较长时间运转 才能达所需真空度 排出的气体还有微小压强 四 真空泵 一 往复式真空泵 二 水环式真空泵 水环泵 结构简单 易于制造 操作可靠 转速较高 可与电机直联 内部不需润滑 可使排出气体免受污染 排气量较均匀 工作平稳可靠 但因高速运转 水的冲击使叶轮与轮壳磨损 造成真空度下降 需经常更换零件 效率较低 为30 50 真空度较低 为2 0 4 0kPa 水环真空泵工作原理 第三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 1210kg h 进料总乳固体含量25 65 生产率 410kg h 出料总乳固体含量74 蒸汽耗量 465 kg h 蒸汽表压800KPa 耗水量 水压300kPa 表压 22 15m3 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 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 单效离心式真空浓缩设备 多效真空浓缩操作流程 三效为例 第四节多效真空浓缩设备 单元操作 蒸发 效 效 效 加热蒸汽 料液 二次蒸汽 完成液 冷凝水 冷凝水 冷凝水 并流 顺流 效蒸发流程图 单元操作 蒸发 效 效 效 加热蒸汽 料液 二次蒸汽 完成液 冷凝水 冷凝水 冷凝水 逆流 效蒸发流程图 单元操作 蒸发 效 效 效 加热蒸汽 料液 二次蒸汽 完成液 冷凝水 冷凝水 冷凝水 平流 效蒸发流程图 完成液 完成液 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 12000kg h1效2效3效料液温度 7257420C加热温度 14372570C加热面积 15200150m2成品浓度 5 28 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1200kg h 杀菌条件为86 92 保温24s 一效加热温度为83 90 一效蒸发温度为70 75 二效加热温度为68 74 二效蒸发温度48 52 物料受热时间为3min 蒸汽压力 表压 为500kPa 蒸汽消耗量为620kg h 冷却水耗量为12t h 顺流式双效降膜真空浓缩设备 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 2400kg h1效2效料液温度 73480C加热温度 84700C加热面积 23 612 2m2成品浓度 45 50 二 混流式三效降膜真空浓缩设备 一 组成与流程 二 用途与特点这种设备适用于牛乳等热敏性液料的浓缩操作 其特点如下 1 采用真空降膜蒸发 液料受热时间短 蒸发温度低 产品质量好 2 三效蒸发 配有热压泵和预热器 节省蒸汽和冷却水用量 3 操作稳定 清洗方便 符合食品卫生要求 4 连续生产 处理量较大 三 主要技术参数处理鲜乳量3600 4000kg h 蒸发温度 第一效70 第二效57 第三效44 进料浓度为12 总乳固体含量 出料浓度为48 总乳固体含量 蒸汽消耗量为800kg h 冷却水消耗量为21t h 以进水温度16 排水温度38 计 电动机总功率为25kW 第五节选型 一 选型要求和应考虑的因素 一 料液的性质包括成分组成 粘滞性 热敏性 发泡性 腐蚀性 是否含有固体 悬浮物 是否易结晶 结垢等 二 工艺要求包括处理量 蒸发量二料液和浓缩液的进出口的浓度和温度 连续作业和间歇作业等 三 产品质量要求符合卫生标准 色 香 味和营养成分等 四 当地资源条件包括热源 气象 水质 水量和原料供给情况等 五 经济性和操作要求包括厂房占地面积和高度 设备投资限额和传热效果 热能利用 操作和维修是否方便等 二 选型原则 一 物料的粘度料液的原有粘度及蒸发过程中粘度不断增大 使物料流速降低 传热系数减少 生产能力下降 对这种物料 宜选强制循环型 刮板式或降膜式蒸发器 二 热敏性对热敏性强的物料 浓缩时要求受热时间短 温度低 否则易引起分解或变质 一般宜选液料在器内停留时间短 真空度较高的薄膜蒸发器 如片式 离心式的蒸发设备 若允许料液在较低温下 较长时间受热 或液料浓度较低 浓缩比不高时 可用盘管式真空蒸发器 三 结垢性结垢是液料在浓缩过程中因粘度增大 悬浮的微粒积沉 局部焦化过热等因素所造成 结垢后 增加热阻 降低传热系数 甚至使作业无法运行 故宜选刮板式或强制循环型蒸发器 四 结晶性若浓缩过程中有晶体析出 易沉积于传热面上 影响传热效果 宜选带搅拌的或强制循环型蒸发器 刮板式蒸发器亦适用 五 发泡性有些液料在浓缩时产生大量汽泡 会污染附属装置 还造成液料的损失 故应考虑消除汽泡 一般采用升膜式 强制循环式蒸发器 因其液料的流速大 具有破泡作用 此外标准式蒸发器装有较大的汽液分离室 亦可使用 对发泡严重的物料 可采用加人适当的消泡剂 黄油 植物油等 的方法 六 腐蚀性液料的酸度高时 在蒸发中易对设备的金属部件产生腐蚀 宜用防腐蚀且导热性良好的蒸发器 七 蒸发量蒸发器生产能力的大小取决于传热速率 一般传热面积小时 宜选用搅拌式浓缩锅 单效膜式等蒸发器 传热面积大时 为减少蒸汽耗量 宜选用多效 膜式 离心式等蒸发设备 八 经济性浓缩设备的热能消耗较大 节能是选型的重要因素 从提高热能的经济性考虑 宜选用带蒸汽喷射器或多效蒸发器 一 了解蒸发器的分类 结构和特点二 熟悉真空浓缩的附属装置及作用三 掌握单效真空浓缩设备工艺流程及特点四 掌握多效真空浓缩设备工艺流程及特点五 能根据工艺要求 进行蒸发设备选型 本章重点内容及要求 样本数据的可比性问题 可比性的极端重要性 如何才能保证产出量数据的可比性 如何才能保证资本投入量数据的可比性 7 2需求函数 一 几个重要概念二 几个重要的单方程需求函数模型及其参数估计三 线性支出系统需求函数模型及其参数估计 四 交叉估计 五 大类商品的数量与价格 DemandFunction D F 一 几个重要概念 需求函数 定义需求函数是描述商品的需求量与影响因素 例如收入 价格 其他商品的价格等之间关系的数学表达式 特定情况下可以引入其他因素 需求函数与消费函数是两个完全不同的概念 为什么 单方程需求函数模型和需求函数模型系统哪类更符合需求行为理论 单方程需求函数模型是经验的产物与需求行为理论不符经常引入其他因素参数的经济意义不明确 需求函数模型系统来源于效用函数由效用函数在效用最大化下导出 符合需求行为理论只包括收入和价格参数有明确的经济意义 从效用函数到需求函数 从直接效用函数到需求函数直接效用函数为 预算约束为 在预算约束下使效用最大 即得到需求函数模型 构造如下的拉格朗日函数 极值的一阶条件 求解即得到需求函数模型 从间接效用函数到需求函数间接效用函数为 利用公式 可以得到所求的使效用达到最大的商品需求函数 需求函数的0阶齐次性 需求的收入弹性 生活必须品的需求收入弹性 高档消费品的需求收入弹性 低质商品的的需求收入弹性 需求的自价格弹性 生活必须品的需求自价格弹性 高档消费品的需求自价格弹性 吉芬品 的的需求收入弹性 需求的互价格弹性 替代品的需求互价格弹性 互补品的需求互价格弹性 互相独立商品的需求互价格弹性 需求函数的0阶齐次性条件当收入 价格 其他商品的价格等都增长倍时 对商品的需求量没有影响 即 需求函数模型的重要特征模型的检验 二 几种重要的单方程需求函数模型及其参数估计 线性需求函数模型 经验中存在缺少合理的经济解释不满足0阶齐次性条件OLS估计 对数线性需求函数模型 经验中比较普遍存在参数有明确的经济意义每个参数的经济意义和数值范围 可否用0阶齐次性条件检验 OLS估计 耐用品的存量调整模型 导出过程 直接估计 参数估计量的经济意义不明确 必须反过来求得原模型中的每个参数估计量 才有明确的经济意义 由4个参数估计量求原模型的5个参数估计量 必须外生给定 常用于估计的模型形式 非耐用品的状态调整模型 Houthakker和Taylor于1970年建议 反映消费习惯等 心理存量 对需求的影响 用上一期的实际实现了的需求 即消费 量作为 心理存量 的样本观测值 三 线性支出系统需求函数模型及其参数估计 LES LinearExpenditureSystem 线性支出系统需求函数模型 Klein Rubin1947年直接效用函数 该效用函数的含义 R Stone 1954年在预算约束 导出需求函数 拉格朗日方程 极值条件 对于前n个方程 消去 可得 LES是一个联立方程模型系统函数的经济意义参数的经济意义模型系统估计的困难是什么 扩展的线性支出系统需求函数模型 ELES ExpendLinearExpenditureSystem 模型的扩展1973年Liuch 两点扩展扩展后参数的经济意义发生了什么变化 为什么扩展后的模型可以估计 扩展的线性支出系统的0阶齐次性证明 扩展的线性支出系统需求函数模型的估计方法 迭代法 首先改写成如下形式 1 其中 再改写成如下形式 2 迭代过程给定一组边际消费倾向b的初始值 计算 1 中X的样本观测值 采用OLS估计 1 得到基本需求量r的第一次估计值 代入 2 中 计算Z和W的样本观测值 采用OLS估计 1 时 应该首先将个方程相加 然后对相加得到的方程进行最小二乘估计 为什么 首先给定b的初始值与首先给定r的初始值 不影响估计结果 为什么 采用OLS估计 2 得到b的第一次估计值 重复该过程 直至两次迭代得到的参数估计值满足收敛条件为止 即完成了模型的估计 截面数据作样本时的最小二乘法 利用截面上价格相同 写成 对模型采用普通最小二乘法进行估计 得到 然后利用参数之间的关系计算 四 交叉估计 问题的提出 收入和价格两类变量对商品需求量的影响是不同的 为什么 商品需求量和收入之间存在长期关系 而价格水平一般只对商品需求量具有短期影响 为什么 时间序列数据适合于短期弹性的估计 截面数据适合于长期弹性的估计 于是就提出了合并时间序列数据和截面数据的估计方法 即交叉估计方法 用截面数据为样本估计模型中的一部分反映长期影响的参数 然后再用时间序列数据为样本估计模型中的另一部分反映短期影响的参数 分两阶段完成模型的估计 用同一组样本数据同时估计需求函数模型的所有参数 在理论上是存在问题的 2 估计方法以对数线性需求函数为例 假设只包括收入和自价格 利用第T年的截面数据 在截面上认为价格是常数 估计得到 当以时间序列数据为样本时 将模型写成 令有估计得到 五 大类商品的数量与价格 1 问题的提出 需求函数研究中的一个实际问题 在采用例如线性支出系统这样的联立方程模型时 必须对商品和服务进行分类 因为不可能将成千上万种商品和服务单独建立模型 那么一个实际问题就是如何计量 类商品 的数量与价格 大类商品的数量与价格 以购买支出额度量数量 以价格指数度量价格例如 模型是否满足0阶齐次性条件 对于具有相同计量单位的类商品的处理 对于具有不同计量单位的类商品的处理 一种经验处理方法 缺少理论支持 7 3消费函数 ConsumptionFunction 一 几个重要的消费函数模型及其参数估计二 消费函数模型的一般形式三 中国居民消费行为实证分析 一 几个重要的消费函数模型及其参数估计 绝对收入假设消费函数模型 消费是由收入唯一决定的 参数的经济意义和数值范围 是否反映消费的边际效用递减规律 变参数模型可以较好地反映边际消费倾向递减规律 相对收入假设消费函数模型 示范性 假设消费函数模型Duesenberry认为 在一个群体收入分布中处于低收入的个体 往往有较高的消费倾向 消费函数 参数的经济意义和数值范围 不可逆性 假设消费函数模型Duesenberry认为当前收入低于曾经达到的最高收入时 往往有较高的消费倾向 消费函数 生命周期假设消费函数模型 Modigliani Brumberg和Ando于1954年提出预算约束为 使得效用函数达到最大 消费是各个时期的收入和贴现率的函数 即 表示为当前收入和资产存量的函数 持久收入假设消费函数模型 Friedman于1957年提出收入与消费都分为两部分 消费函数 对于时间序列数据 第t时刻的持久收入可表示为 如何估计 合理预期的消费函数模型 假设第t期的消费是收入预期值的函数 即 收入预期值是现期实际收入与前一期预期收入的加权和 理论假