第七章真空浓缩设备.ppt

乳品机械与设备,第七章真空浓缩设备,第一节蒸发的概述,一、概念,1、浓缩从溶液中除去部分溶剂的单元操作。2、真空浓缩在负压下，以较低温度进行浓缩的单元操作。3、加热蒸汽（饱和蒸汽或生蒸汽）乳及乳制品生产过程中浓缩所需要的不断供给的热量都是来自锅炉房的饱和的水蒸汽。4、二次蒸汽物料中水分蒸发所形成的蒸汽。5、不凝性气体相对于水蒸汽，在一定的压力和温度下不能被凝结的气体，称为不凝性气体，一般是指空气。6、雾沫挟带对于气、液两相的分离设备或反应设备，若气相为连续相、液相为分散相（例如板式蒸馏塔），而气相速度较大，部分液体会被气体吹散成液滴并被气体带出。这种现象称为雾沫夹带。产生雾沫夹带会降低设备的分离效率。,二、浓缩的目的:,1、除去食品中的大量水分，减轻了重量，减小了体积，节省了包装、贮存和运输费用。2、通过了提高食品的浓度，达到贮藏食品的目的。3、满足后续加工工艺过程的要求。,三、浓缩的基本过程,蒸发过程的两个必要组成部分：加热物料使溶剂(水)沸腾汽化与不断除去汽化产生的二次蒸汽。一般前一部分在加热器中进行，后一部分在冷凝器中完成。如图所示：真空蒸发基本流程。,蒸发器实质上是一个换热器，如图所示，由加热室1和汽液分离器4两部分组成。加热室使用的加热介质应用最多的是水蒸汽。通过换热，使间壁另一侧的物料加热、沸腾、蒸发浓缩。料液蒸发出的水蒸汽在分离室4中与溶液分离后从蒸发器上部引出。为防止液滴随蒸汽带出，一般在分离器上都设有除沫装置5。从蒸发器抽出的蒸汽称为二次蒸汽，便于同加热蒸汽相区别。二次蒸汽进入冷凝器6冷凝，冷凝水从下部排出，二次蒸汽中的不凝性气体由真空泵抽出。浓缩后的完成液由蒸发器底部排出。,1.加热器2.加热列管3.中间管4.分离室5.捕沫器6.冷凝器,四、常压蒸发和真空浓缩,蒸发操作可以在常压、加压或减压条件下进行。常压蒸发是指冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力为大气压或稍高于大气压力，此时系统中的不凝性气体依靠本身的压力从冷凝器中排出。减压下的蒸发通常称为真空蒸发，食品工业广泛应用真空蒸发进行浓缩操作。因真空蒸发时冷凝器和蒸发器物料侧的操作压力低于大气压，必须依靠真空泵不断从系统中抽走不凝性气体来维持负压的工作环境。采用真空蒸发的基本目的是降低物料的沸点。,真空浓缩与常压蒸发比较所具有的优点：,1、溶液沸点降低，增大了蒸发器的传热温差，所需的换热面积减小。2、溶液沸点低，可以应用温度较低的低压蒸汽和废热蒸汽作热源，有利于降低产品成本和生产费用。3、蒸发温度低，即物料受热温度低，有利于浓缩热敏性物料。4、蒸发器操作温度低，系统的热损失小。,五、单效浓缩和多效浓缩,浓缩操作的效数是指二次蒸气被利用的次数。如果浓缩生成的二次蒸汽不再被用作加热介质，而是直接送到冷凝器中冷凝的蒸发过程，称为单效浓缩，是浓缩中最简单的一种方法。如果两个蒸发器串联起来，第一个蒸发器产生的二次蒸汽引入第二个蒸发器作为加热蒸汽，第二个蒸发器产生的二次蒸汽送到冷凝器被冷凝后排出，则称为双效蒸发，它是多效蒸发中最简单的一种方法。,.,多效蒸发是将多个蒸发器串联起来的系统，后效的操作压力和沸点均较前效低，仅在压力最高的首效使用生蒸汽作加热蒸汽，产生的二次蒸汽作为后效的加热蒸汽，亦即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，只有末效二次蒸汽才用冷却介质冷凝。可见多效蒸发明显减少加热蒸汽耗量，节约了热能，也明显减少冷却水的耗量。,.,真空浓缩的缺点：蒸发温度低，料液黏度大，传热系数较小，系统内为负压，完成液排出需用泵，冷凝水排出也需要用泵或高位产生压力(液位差)排出。真空泵和输液泵能耗增加。真空浓缩的操作压力取决于冷凝器中水的冷凝温度和真空泵的性能。冷凝器操作压力的极限是冷凝水的饱和蒸汽压，所以它取决于冷凝器的温度。真空泵的作用是抽走系统中的不凝性气体，真空泵的工作能力愈大，就使得冷凝器内的操作压力愈易维持，愈接近冷凝水的饱和蒸汽压。一般真空蒸发时，冷凝器的压力为1020kPa。,六、闪蒸,急剧蒸发简称闪蒸，是一种特殊的减压蒸发。将热溶液的压力降到低于溶液温度下的饱和压力，则部分水将在压力降低的瞬间沸腾汽化，就是闪蒸。水在闪蒸汽化时带走的热量，等于溶液从原压下温度降到降压后饱和温度所放出的显热。,闪蒸的最大优点是避免在换热面上生成垢层。闪蒸前料液加热但并没浓缩，因而生垢问题不突出。而在闪蒸中不需加热，是溶液自身放出显热提供蒸发能量，因而不会产生壁面生垢问题。,七、热泵蒸发,为提高热能利用率，除采用多效蒸发外，还可通过一种通称为热泵的装置，提高二次蒸汽的压力和温度，重新用作蒸发的加热蒸汽，称为热泵蒸发，或称为蒸汽再压缩蒸发。热泵是以消耗一部分高质能（机械能、电能）或高温热能为代价，通过热力循坏，将热由低温物体转移到高温物体的能量利用装置。常用的热泵有蒸汽喷射热泵和机械压缩式热泵。,.,蒸汽喷射热泵使用的蒸汽喷射器类似于蒸汽喷射真空泵，称为热压泵，是在喷嘴附近低压吸入蒸发产生的二次蒸汽，与高温高压的驱动蒸汽混合后，在扩压管处达到蒸发所需加热蒸汽的压力和温度后用作蒸发的加热介质。机械压缩式热泵利用电动机或汽轮机等驱动往复式或离心式压缩机，将二次蒸汽压缩，提高其压力和温度，重新用作蒸发的加热蒸汽。,第二节蒸发器,一、蒸发器的分类,1、根据二次蒸汽被利用的次数分类(1)单效浓缩装置(2)多效浓缩装置(3)带有热泵的浓缩装置,2、根据料液流程分类(1)单程式(2)循环式：自然循环与强制循环,3、根据加热器结构分类(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,二、加热器：,乳品厂中所使用的加热器都属于管式换热器，又称列管式换热器。管束固定在管板上，管板焊接于壳体，管子、管板和壳体焊在一起。物料走列管内，列管外壳体内走加热蒸汽。乳品厂中使用的蒸发器都是非循环型的，物料在蒸发器内经过一次加热、汽化和分离，离开时即达到要求的浓度。料液一般不打循环，在加热器内停留时间短，这对热敏性物料的蒸发有利。这类蒸发器加热室中液体多呈膜状流动，因此又通称为膜式蒸发器。,二、加热器：,常有以下几种型式：长管式、刮板式和板式等。乳品厂应用最多的是长管式蒸发器。长管式蒸发器根据液膜的流动方向，又分为升膜式蒸发器和降膜式蒸发器。,三、升膜蒸发原理,升膜式蒸发器,.,对于升膜式蒸发器，物料从管束下部引入。工作时，物料在加热管内全程形成上、中、下三个不同区域，如图所示，物料在下部，因液层静压作用，物料不沸腾，只起加热作用。在中部温度上升物料沸腾，二次蒸汽形成，蒸汽体积急速增大，管芯形成高速上升气流将液体在管壁压成薄膜向上流动，形成很好的传热条件，传热系数大大增加，使蒸发加快。到达上部后进入饱和区，汽液混合物经管顶进入汽液分离器进行汽液分离。而在降膜式蒸发器中，物料从顶部进入，然后呈膜状蒸发。,降膜式蒸发器,第三节蒸发器的附属设备,一、冷凝器,冷凝器的作用：将二次蒸汽冷凝，同时将不凝性气体分离，以减轻真空系统负荷。冷凝器的分类：直接式和间接式。,（一）间接式冷凝器,二次蒸汽与冷却水间接换热。有列管式、板式、螺旋板式、淋水管式等。间接式冷凝器的特点：冷却水可回收利用，但价格较高，用水量大，传热效率低。,（二）直接式(混合式)冷凝器,直接式冷凝器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、孔板式冷凝器：,淋水板,2、混合式冷凝器,如图所示，在圆筒型冷凝器中，上部装有洒水盘，在其中部装有“隔筒”，用于预热物料的双螺旋盘管盘绕在上面。二次蒸汽和不凝性气体进入混合式冷却器时首先沿“隔筒”的周围从上向下流动，将盘管内的物料预热后，大部分二次蒸汽被冷凝，剩余的二次蒸汽再由“隔筒”的下口向上运动与下落的冷却水相遇混合后被冷凝。因此，确切地说，这种冷凝器是直接混合式与低位组合式冷凝器。,2.混合式冷凝器如图所示,在圆筒型冷凝器中,上部装有洒水盘,在其中部装有“隔筒”,用于预热物料的双螺旋盘管盘绕在上面.二次蒸汽和不凝性气体进入混合式冷却器时首先沿“隔筒”的周围从上向下流动,将盘管内的物料预热后,大部分二次蒸汽被冷凝,剩余的二次蒸汽再由“隔筒”的下口向上运动与下落的冷却水相遇混合后被冷凝.因此,确切地说,这种冷凝器是直接混合式与低位组合式冷凝器.,.,.,上述两种冷凝器，当真空蒸发时，其内部处于负压状态。若无适当措施，冷凝水无法排出。通常采取的措施分两种：低位式和高位式。,高位式冷凝器,1.外壳2.进水口3.冷凝水管4.蒸汽进口5.淋水板6.不凝性气体管7.分离器8.气压管,高位式冷凝器置于10m以上的高位，下部连接一根很长管子，称为气压管（俗称大气腿），靠集于气压管中液体的静液压作用把冷凝水排出。为了防止外部空气进入真空系统，气压管应插入溢流槽中。低位冷凝器可直接安装在地面上，由于高度降低冷凝器产生的冷凝水需用泵抽出。,3、喷射式冷凝器,为水力喷射器，由器盖、喷嘴、喷嘴托板、导向盘、器体、扩散管等组成。工作时具有一定压力的冷水由上部进入后，通过喷嘴喷射，形成低压，将二次蒸汽吸入，在混合室汽与水直接混合，二次蒸汽凝结，并被水束带入下部扩散管，一部分动能转为压力能，从下部管排出。喷射式冷凝器及水力喷射器除有混合冷凝作用外，还具有抽真空的作用，不再需要另装真空泵。,二、汽液分离器(捕沫器),产生雾沫夹带的原因：1、泡沫物料中存在具有表面活性的物质，它降低料液的表面张力，使其在汽化时易形成泡沫。在分离室中，泡沫破裂，其液膜分裂成小雾滴群，易被二次蒸汽夹带。2、蒸汽高速流动蒸汽流速快，必然携带雾沫流动。3、溶液急剧蒸发溶液加热较大，易发生闪急蒸发，形成雾沫。为了汽液更好的分离，分离室要有一定空间，使蒸汽流速降低，较大的液滴在重力作用下返回液面。乳品生产中常采用离心型分离器。,雾沫夹带的危害：,1、污染二次蒸汽；2、影响浓缩效率和蒸发能力，造成物料损失；3、若是多效蒸发，二次蒸汽夹带的雾沫将使下一效加热器传热面形成污垢和腐蚀。,三、真空系统,(一)真空系统的作用是抽吸系统内的不凝性气体，保证蒸发器内处于真空状态。蒸发器内不凝性气体的主要来源：1、设备密封不严；2、溶解在冷却水中的不凝性气体；3、加热蒸汽带入的不凝性气体；4、物料中携带的不凝性气体。不凝性气体的存在不仅影响设备的真空度，而且也使传热效率下降，所以必须将不凝性气体排出。常用的真空装置有蒸汽喷射器、往复式真空泵和水环式真空泵。大多数乳品厂现在使用水环式真空泵。,(一)蒸汽喷射器,(二)往复式真空泵,(三)水环式真空泵,特点,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3050。真空度较低，为2.04.0kPa。,四、牛乳预热器,带列管式预热器的蒸发器1.预热器2.加热器3.分离器,第四节WIEGAND单效降膜式蒸发器,一、用途,适用于在真空条件下蒸发浓缩，呈降膜蒸发，受热时间短，热交换效果好，对粘稠性、热敏性物料的浓缩更为适宜。,二、主要技术参数,1、水发蒸发量：800kg/h2、进料量：1210kg/h3、出料量：410kg/h,三、主要设备结构,整套设备由加热室、热压泵、分离器、冷凝器、平衡槽、物料泵、冷凝水泵、真空泵、螺杆泵等组成。1、加热室全部用不锈钢制成，直径620mm，用隔板将列管分成两部分。第一部分列管由直径40mm，长6m的43根加热管组成。第二部分由直径40mm，长6m的11根加热管组成。列管两端涨接在两端的花板上。2、分离室用不锈钢制成的圆筒，直径600mm，高度1,650mm,内外表面抛光，设有灯孔及视孔，内上部有一圆盘捕沫器固定在器底上，借以捕集二次蒸汽所带走的液沫。3、冷凝器冷凝器位于加热器中部壳体外的夹套内，冷凝器与蒸发器连成一体。此外还有热压泵、真空泵等。,四、工作原理,杀菌后75的牛乳从贮料桶（平衡槽）内，经流量计计量后吸入分离室，部分水分蒸发后，由物料泵送至加热器的第一部分列管，进入分配盘使物料均匀地流入分配板上的小孔，然后流入加热列管内，沿管内壁呈膜状向下流动，在下降的同时与管外的加热蒸汽进行热交换，物料产生激烈的沸腾，在此所形成的二次蒸汽以相同的方向向下流动，使膜加速下降。经第一部分列管加热蒸发的物料，由物料泵送入第二部分列管加热蒸发。经两部分列管加热蒸发后，达到浓度要求的物料，由螺杆泵泵出。牛乳在加热器内的沸腾蒸发温度为68。二次蒸汽进入分离室后一部分再由热压泵增压，送入加热室作为热源。牛乳经加热器加热蒸发，产生的二次蒸汽和部分牛乳沿切线方向进入分离室，借离心力的作用使二次蒸汽与物料分离。从分离器内排出的二次蒸汽，部分抽入热压泵，其余则进入冷凝器冷凝。分离器内蒸发温度为50。,五、工艺特点,1、物料（牛乳）杀菌后以75的温度超沸点进料；2、物料先进入分离器，分离器内的蒸发温度为50；3、物料在蒸发器内流经两次（双程）；4、冷凝器安装在蒸发器壳外的夹套中，节省了占地面积和空间。,第五节双效降膜式蒸发器,.,1.平衡槽2.进料泵3.一效蒸发器4.二效蒸发器5.中间物料泵6.出料泵7.混合冷凝器8.中间冷凝器9.热压泵10.启动蒸汽喷射泵11.一级蒸汽喷射泵12.二级蒸汽喷射泵13.冷凝水泵14冷却水泵,（一）主要技术参数：,1、蒸发量1200kg/h2、进料量1600kg/h3、出料浓度48%4、物料预热杀菌温度4424264647474955、一效加热温度8385二效加热温度70726、管内蒸发温度一效7072二效45507、蒸汽消耗量500kg/h8、冷却水耗量912kg/h,（二）设备流程：预热杀菌,首先进入由浮球阀控制的平衡槽1，然后经离心式进乳泵2、流量计、调节进料的针形直角阀后进入混合式冷凝器7的预热双螺旋盘管，出口温度约42。,再进入二效蒸发器4上部壳层的预热盘管，出口温度约64。,而后至一效蒸发器3上部壳层的预热盘管，出口温度约72,再进入杀菌器的盘管（生蒸汽加热段），温度达到9598,物料由此进入保温管，其流速由1.1m/降至0.1m/s在保温管流经时间约24s，至此完成物料的预热杀菌阶段，物料流经的全程约90m，其中预热盘管80m。,（二）设备流程：蒸发浓缩,物料首先进入一效蒸发器3顶部的液体分配器（分配盘），均匀分布于35根内径40mm、长5m的蒸发管内。,物料沿管壁呈膜状下降，蒸发产生的二次蒸汽与物料同至底部，再与物料一起进入离心式分离器。,此时一效蒸发器3加热壳层的加热温度为8385,管内蒸发温度为7072。,经分离器与二次蒸汽分离的物料浓度约24%（干物质）。,由二效分离器出来的物料浓度达到48%左右。最后由离心式出料泵送至喷雾工段。,然后由中间离心式物料泵送至二效4，重复上述过程。加热温度为7072，蒸发温度为4550。,当出料浓度与要求浓度相差不太大时，调节出料阀与出料管支路上的再循环阀，使部分物料返回二效蒸发器再次循环（小循环），此阀可视为浓度微调阀。,当出料浓度与要求浓度相差很大时，关闭出料阀，打开回流阀，物料回到平衡槽进行大循环（与清洗时一样）。,（1）一效蒸发器的热源一效蒸发器的热源是一效产生的二次蒸汽的50%与生蒸汽以1：1的比例通过热压泵9混合后作为一效加热器的加热热源。,（2）二效蒸发器的热源二效蒸发器的热源是一效产生的二次蒸汽的另外的50%。,3、各效的加热蒸汽（加热热源）,（1）杀菌器加热盘管内物料，由生蒸汽加热，形成的冷凝水靠压差进入一效蒸发器壳层。（2）一效蒸发器加热蒸汽形成的冷凝水，汇同杀菌器的冷凝水靠压差进入二效蒸发器壳层，与二效蒸发器加热蒸气形成的冷凝水一起由冷凝水泵排出。（3）二效（末效）蒸发器产生的二次蒸汽进入冷凝器被冷却水冷凝后排出。这台设备二效的二次蒸汽进入混合式冷凝器，先被盘在内筒上的盘管内的物料冷却（同时将物料预热）剩余部分被由上而下的冷却水直接冷凝，最后经冷却水泵排出。,4、冷凝水,蒸汽形成的冷凝水靠压差进入一效蒸发器壳层,蒸汽形成的冷凝水靠压差进入一效蒸发器壳层,5、真空的形成,在蒸发器内的液体占有很小的体积，可以忽略不计，占有较大体积的二次蒸汽被冷凝器冷凝，真空系统抽吸的只是不凝性气体。这台设备采用的是国内不常见的双级蒸汽喷射泵。正常操作时，混合式冷凝器内的真空度约为101.3kpa，即混合式冷凝器内的压力接近于零，二效分离器内的真空度为91.32kpa,一效分离器内的真空度为69.32kpa。一、二效蒸发器壳层上有上、下两条不凝性气体管路与混合式冷凝器相连，出口处装有不同孔径的流量控制板。,6、冷却水,主要用于中间冷凝器，冷却水来冷凝一级蒸汽喷射泵喷入的蒸汽，以减轻二级喷射泵的负担，并在混合式冷凝器中冷凝二效的二次蒸汽。冷却水由中间冷凝器(列管式冷凝器）下端进入冷凝管内，由上端排出，从上端进入混合式冷凝器内部洒水盘，由上而下经两道伞式折流板分散，把由下而上的二次蒸汽冷凝。冷凝水与冷却水一起由冷却水泵排出。,1.混合式冷凝器2.中间冷凝器3.二级蒸汽喷射泵4.一级蒸汽喷射泵5.启动蒸汽喷射泵,（三）工艺特点,1顺流进料加热蒸汽和物料的流动方向一致。物料浓度依效序递增。低浓度料液在高温下蒸发，而浓度高，粘度大的料液在低温下蒸发，这对热敏性物料十分有利。2连续出料，物料受热时间短。3物料预热温差小物料经三段盘管预热，一段盘管式杀菌，各段物料开始温度及加热温度、最终温度见下表。从表中可见，最高温差为46，而且只是在预热温度只有50的低温阶段，有利于产品的质量。,并流（顺流）,效,效,效,料液,加热蒸汽,二次蒸汽,完成液,冷凝水,冷凝水,冷凝水,逆流,效,效,效,料液,冷凝水,冷凝水,冷凝水,加热蒸汽完成液,二次蒸汽,平流,加热蒸汽料液,效,效,效,完成液,冷凝水,冷凝水,冷凝水,完成液,完成液,.,4节约蒸汽一次蒸汽消耗量与蒸发量即二次蒸汽量的比值为蒸汽系数，从这台设备技术参数上可以看出5001200=0.42，扣除物料杀菌所用的蒸汽后，蒸发系数为0.32，即蒸发1kg水分耗用生蒸汽量仅为0.32kg。5冷却水耗量低，由于二次蒸汽被充分利用，使冷却水的消耗量大大降低。当进水温度为20时冷却水耗量仅为12m3/h，这是由于末效的二次蒸汽的量较少，温度较低。,（三）工艺特点,.,6将杀菌与浓缩两种工序结合在一起的好处：1）节约材料，缩小占地面积；2）避免杀菌乳的再次污染；3）物料超沸点进料，有利于蒸发的进行；4）减少了操作人员。7、如下图所示，液体分布器采用盘式折流分配装置。,（三）工艺特点,盘式折流液体分配器,5.物料进口,4.折流板,3.分配盘,2.管板,1.加热管,.,8、在一效上部的预热盘管和杀菌器的盘管内设计了内部始终充满物料的“自锁”结构，这样可以避免当发生停电等事故时，造成的挂壁、焦管甚至堵塞现象的发生。9、真空的形成采用国内不多见的双级蒸汽喷射泵，中间用表面（中间）冷凝器串联的双级蒸汽喷射泵。为了在启动时尽快达到所要求的真空度，配有启动蒸汽喷射泵。这种真空装置具有抽气量大、真空度高、安装运行简便、价格便宜、占地面积小等优点。其缺点是要求蒸汽压力较高及蒸汽量稳定。,（三）工艺特点,.,10、液体、气体流量的控制1）一效蒸发器物料入口管；2）二效蒸器物物料入口管；3）一效蒸发器冷凝水出口管；4）杀菌器冷凝水出口管；5）一效上部不凝性气体出口管；6）二效上部不凝性气体出口管；7）一效下部不凝性气体出口管；8）二效下部不凝性气体出口管；9）杀菌器蒸汽进口管。,（三）工艺特点,.,11、一效、二效蒸发器的结构基本相同，各连接管路的孔径，方位，标高也一致，这样，结构稍作改动，现用一效蒸发器可作为另一种较大系列设备的二效蒸发器；同样现在的二效蒸发器可以作为另一种较小系列设备的一效蒸发器，有利于设备的系列化。12、杀菌器位于蒸发器下部的壳层内，节省了占地面积。但容易发生焦管甚至堵塞现象,（三）工艺特点,第六节三效降膜式蒸发器,一、主要技术参数,1、蒸发量3200kg/h2、进料量4000kg/h3、蒸汽耗量1100kg/h4、杀菌条件869424s5、蒸发温度一效70二效57三效456、真空度kPa一效69二效83三效907、冷却水耗量912kg/h,二、主要结构,1、进料罐1台圆柱形，密封形式，带人孔，容量1000L,带就地清洗喷头。2、进料泵1台可将牛奶由进料罐泵到预热器、列管式杀菌器、一效蒸发器。3、预热器共有四个盘管式，分别装在混合式冷凝器及一、二、三效加热器上部壳管内。4、牛奶杀菌器1台列管式杀菌器(包括保温管)。5、蒸发器3台列管式换热器，蒸发器有可打开的顶盖，打开顶盖后，是液体分配器，配有3台离心式分离器。6、送料泵3台将物料由分离器输送到下一效的蒸发器。,.,7、冷凝水泵1台将冷凝水从加热器中排出。8、浓奶出料泵1台将浓奶输送到喷雾干燥器的进料罐