食品工程原理

食品工程原理，第六章浓缩和结晶、浓缩、浓缩是从溶液中去除部分溶剂的单元操作，是将溶质和溶剂部分分离的过程。在浓缩过程中，水分是在材料内部通过对流扩散从液体到达液体表面后去除的过程。根据浓缩原理，分为平衡集中和不平衡浓缩两种。食品富集的分类和目的，平衡富集是利用两相分配的任何差异获得溶质和溶剂分离的方法，在分离过程中两相都直接接触，称为平衡富集。蒸发浓缩和冷冻浓缩非平衡富集是利用反渗透膜分离溶质和溶剂，两相分为膜，也称为膜分离。分离不是由两相直接接触引起的，所以被称为不平衡浓缩。食品浓缩的分类和目的，浓缩在食品工业中广泛使用，其主要目的是：浓缩从食品中去除大量水分，减少质量和体积，减少食品包装、储存和运输成本。提高产品浓度，延长保质期。干燥、结晶或完全脱水预处理工艺。改善产品质量。通过去除食品浓缩的分类和目的、蒸发、不挥发的含有溶质的溶液，去除沸腾汽化和蒸汽，提高溶液溶质浓度的单位工作称为蒸发，使用的装置称为蒸发器。蒸发需要不断地供给热量。热源在溶液溶剂蒸发时，二次蒸汽继续逸出，排除。1 .蒸发的概念是利用溶质和溶剂之间挥发性的差异添加热能的方法使溶剂汽化，非挥发性溶质留在溶液中，以达到分离的目的。相关平衡是汽液平衡。溶液加热后，溶剂分子获得能量汽化。蒸发的必要条件是热能的持续供给和蒸汽的持续排除。蒸发，蒸发过程，分类，1，按操作室压力：大气压，加压，减压(真空)蒸发，单效蒸发：不利用二次蒸汽，直接送到冷凝器冷凝液中去除的蒸发操作。多效果蒸发：将二次蒸汽通过压力低的其他蒸发器，可以提高加热蒸汽(产生蒸汽)的利用率，这种串联蒸发操作称为多效果蒸发。2，取决于二次蒸汽的使用程度：单效和多效蒸发，蒸发浓缩过程中物质的变化对浓缩液的质量有很大影响。一般来说，食物材料的蒸发具有以下特性：(1)热(2)腐蚀性(3)粘性(4)结垢(5)泡沫(6)挥发性成分，蒸发器内的原料被加热溶剂汽化，产生的二次蒸汽排出后凝结或空出，不再使用的食物材料的蒸发操作。单效蒸发是最基本的蒸发过程。单效蒸发经常使用单效真空蒸发。单效蒸发，蒸发运行速度主要取决于蒸发器加热室热交换q。Q=kat对蒸发过程中传热q影响最大的传热温差TT=t-t1，单效蒸发，1。蒸发器的温差损失在一定压力下，水的沸点比纯净水的沸点高T ，两个沸点的差距称为温差损失，=t1-t 1)溶液蒸气压下降引起的温差损失，(2)加热管的静压引起的温差损失；(3)管道流体阻力引起的温差损失。单效蒸发，总温差损失：(5-4)，风格tA溶液沸点，c，主要与溶液种类、浓度和工作压力有关。T可以在溶液压力相等时找到水的沸点，即二次蒸汽的饱和温度，c，文献和手册中，在大气压(1atm)下，特定溶液的浓度不同的沸点数据。1溶液蒸气压下降引起的温差损失，液体层内溶液沸点高于液体层，液体层内沸点与表面沸点的差异是液体柱正压引起的温差损失。，pm液体层中间的平均压力，Pap液面压力，二次蒸汽的压力，Pal液体层深度，m，简单处理：计算中液体层中间的平均压力pm及其沸点tAm，中间的压力为：(5-10 c-TP 影响与二次蒸气压强p 相对应的水的沸点，c，的因素：(1)沸腾时液体层中混合了气泡，液体层的实际密度小于计算公式中使用的纯液体密度，因此计算出的值过大。(2)溶液在加热管内循环得更快，由于流体阻力，平均压力增加。使用多效蒸发时，二次蒸汽在离开第一蒸发室前离开第一加热室期间克服管道的流动阻力，从而降低蒸汽温度。这种温差损失与蒸汽的流速、物理性质和管道的大小有关，通常采取0.5 1.5 。3)管道内流体阻力引起的温差损失，传热的有效温度差，式 t 传热的有效温度差，C. t 纯操作沸点，C. ts 加热蒸汽温度，c， t=ts-t-，单个(1)蒸发；(2)加热蒸汽消耗；(3)蒸发器的传热面积，2，单效率蒸发计算，风格qmF原料液流量qmW蒸发x0原料液的质量组成x1成品液的组成，单效果蒸发器的溶质平衡计算，1蒸发量，蒸发操作中加热蒸汽的热量一般加热到溶液沸腾点，以及，2加热蒸汽消耗，原料溶液预热到沸点，进入蒸发器，如果忽略热量损失，计算方法可以简化如下：在式e中蒸发1公斤水分时加热蒸汽消耗，单位蒸汽消耗，kg/kg。蒸汽的汽化热不会随压力而发生很大变化，因此在单效蒸发作业中，e 1，蒸发1kg的水分消耗了约1kg的加热蒸汽。在实际蒸发操作中，e值约为1.1或更高。(1)温差的存在；(2)二次蒸汽的气化潜热总是大于加热蒸汽的气化潜热。e值是衡量蒸发装置经济程度的指标。3个单位的蒸汽消耗，蒸发器的传热面积是传热速度公式，即，3传热面积a，多效蒸发要求后效果工作压力和溶液的沸点都低，将前效果二次蒸汽引入后效果加热介质，即后效果加热室必须消耗前效果二次蒸汽的冷凝器，只有第一效果才能消耗原始蒸汽，因此原始蒸汽的利用率提高。多效果蒸发1，多效果蒸发原理，单位蒸汽消耗，蒸发与传热成正比，多效果蒸发不增加蒸发量，只节约加热蒸汽，其成本是设备投资增加。在相同的运行条件下，多效蒸发器的生产能力不大于传热面积与其中之一效果相同的单效蒸发器的生产能力。错误的看法：多效蒸发器的生产能力是单效蒸发器的几倍。蒸汽和液体的流动方向从第一个效果到最后一个效果是相同的。第二，多效蒸发过程1流法，缺点：沿液体流动方向的浓度逐渐增加，传热系数减小后，在2效应中尤为严重。优点：运行中，蒸发室压力顺序下降，液体在效果之间流动，没有泵；物质的沸点为特定水的气化，反应后产生效果时释放的热量，根据效果依次减少；物质的浓度依次增加，高浓度物质在低温下蒸发，有利于热敏材料。第二，多效蒸发工艺，液体和蒸汽流动相反方向。2逆流方法，优点：高浓度液体在高温下蒸发，粘度不高，传热系数大。缺点：(1)每个效果必须通过泵传递。(2)没有自身蒸发；(3)高温加热面容易发生结焦和营养物质破坏。，2逆流法，3二流法原料液分别添加到各效果中，完成的液体也分别从各效果的底部分离出来，蒸汽的流动仍然从一次效果到结束作用。该工艺适合于处理蒸发过程中伴随结晶析出的溶液。二流供给法的三效蒸发装置流程图，效果长，使用下游和逆流，也称为混合流动法，该工艺调节了两种工艺的优缺点，适合于粘度很高的液体浓缩。4蒸发装置，包括混合流动方法、蒸发器和辅助装置。蒸发器主要由加热室(气)和分离室(气)两部分组成。根据溶液在蒸发器上流动的情况分为循环型和单程型两类。一、循环(非膜)蒸发器，特点：溶液在蒸发器内连续循环运动，提高传热效果，缓解溶液结垢。自然循环和强制循环自然循环：由于溶液在加热室的不同位置加热到不同程度，密度差而产生的循环运动；强制循环：依赖外力使溶液在一个方向循环。加热室由垂直管束组成，直径大的管位于管束的中心。循环的原因：管内单位体积的液体受热面大，受热效果好，管内蒸汽-液体混合物比粗管内部小，密度差导致溶液循环。1中央循环管(或标准)蒸发器，优点：(1)溶液循环，传热效率高；(2)结构紧凑，制造方便，操作可靠，被称为广泛使用的“标准蒸发器”。缺点：(1)完成流体粘度大，沸点高。(2)加热室不容易打扫。适合处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液。这种蒸发器是中央循环管蒸发器的改进。加热蒸汽通过中央蒸汽管流入加热室，加热室挂在装置上，便于拆卸和更换，循环通道由加热室和蒸发器外壳壁内的环隙组成。优点：(1)溶液循环速度，约在1-1.5m/s之间；(2)供热管道结垢得到改善，传热速度提高。缺点：设备消耗品多，占地面很多，加热管内还残留着很多溶液。蒸发器适用于蒸发晶体沉淀物。2篮子蒸发器，外部加热蒸发器的特点是将加热室从分离室分离出来。由加热室、分离室和循环管三部分组成。外部加热蒸发器、非膜蒸发器的主要缺点是加热室内歇斯底里大，不适合在高温下长期停留，处理对热敏感的物质。膜蒸发器通过加热室只达到所需浓度一次，停留时间短，运行时溶液沿加热管显示出最佳膜流。膜蒸发器与非膜蒸发器的比较：2，膜(单程)蒸发器，加热室由单个或多个垂直管组成。原料液体被引入加热室底部，由高速上升的二次蒸汽驱动，沿着壁边像膜一样流动。适用于蒸发量大的稀溶液和对热敏感或容易起泡的溶液。不适合高粘度、结晶沉淀或结垢溶液。1升膜蒸发器，加热室类似于上升膜蒸发器。原料液体被添加到加热室上方，通过液体分布器均匀地流入加热管道，溶液通过溶液本身的重力沿着管子内壁像膜一样流下来蒸发。适用于热敏性物质处理，但不适用于结晶、结垢或高粘度溶液处理。2降膜蒸发器，升膜管束和降膜管束组合，将蒸发器底部封头内部的隔板、加热管束分成两部分。适用于粘度大幅度变化的溶液或厂高有限制的情况。原料溶液在预热器上到达或接近沸点后，引入上膜加热管束的底部，蒸汽-液体混合物通过管束从顶部流入下降膜加热管束，然后转移到分离器，液体从分离器底部去除。3升-降膜蒸发器，加热管为垂直空心管，管外装有夹套，内通加热蒸汽，管内装有可旋转搅拌叶片。离心力、重力和叶片的划痕导致离心力、重力和叶片在管壁上形成旋转的下降膜，不断蒸发，排出地面上完成的液体。适用于高粘度、结晶、结垢或热敏感溶液的蒸发。缺点：结构复杂，功耗大，传热面小，处理能力大。4刮板混合薄膜蒸发器，板式蒸发器由板式换热器和分离器组合而成。加热板用不锈钢冲压，厚度为1 1.5平方米，周围用橡胶垫圈密封，在板和板之间形成蒸汽和材料-液体流动通道。加热板排列成4组，蒸汽在4-1和2-3板之间凝结，液体在1-2板之间上升，薄膜在3-4板之间流动。根据生产能力增减主板的组数。蒸发形成的汽液混合物进入离心机分离。5板蒸发器，优点：单位体积的传热面积大，效率高；灵活操作，传热面积可根据需要自由增减，安装方便。所需工厂的高度小。缺点：垫圈密封要求高，工作温度有限，不适于处理包含固体颗粒的液体。5板蒸发器，辅助设备，(1)蒸汽-液体分离器(鼓泡器)，蒸发器溢出的二次蒸汽具有泡沫，必须分离回收。在分离室上方或分离室外部，防止二次蒸汽滴漏的装置称为分离器或鼓泡器。安装在蒸发器顶部下方的分离器上，图：安装在蒸发器外部的分离器，(a)分区，(b)(c)(d)旋流器，分离效果更好。(2)蒸汽冷凝器在蒸发操作中，如果二次蒸汽是有用物质或造成严重污染，应使用厚壁冷凝器回收。不使用二次蒸汽时，必须凝结在水中排除，不凝结的气体除外。水蒸气的凝结可以使用蒸汽，水直接接触的混合式冷凝器。(3)真空装置水环真空泵、往复真空泵和喷射泵通常用作真空泵。水环泵、液压射流泵、往复泵、蒸发器选择、溶液粘度感温性决定沉淀泡腾性腐蚀性结垢吞吐量、结晶、固体结晶和非结晶两种状态决定是内部粒子在三维空间中周期性重复排列的固体，以长顺序和周期性重复排列。非晶质是内部粒子在三维空间中不周期性重复的固体，有近对齐，但没有长对齐。像玻璃一样。形状不规则的固体。基本概念和理论，晶体的有形晶体内部结构的粒子(原子、离子、分子)有规律地在三维空间中有规律地重复排列，形成一定形式的晶格，在外形上表现为一定形状的多面体。晶体有三个特征(1)晶体有规则的几何。(2)晶体具有固定的熔点，在熔化过程中温度始终保持不变。(3)晶体具有各向异性的特性。基本概念和理论，晶体细胞：完全反映晶体内部原子或离子在三维空间中分布的平行六面体单位。具体形状大小表征为三个棱镜长度a、b、c和棱镜交叉alpha、。单位细胞系是晶体的最小单位。晶体的代表性表现在以下两个方面：第一，表示晶体的化学组成。第二种是晶体的对称，即与晶体相同的对称元素。一般来说，细胞系是平行六面体。可以认为整个晶体没有无数细胞膜。根据晶体的特征，对称元素可以根据晶体的理想形状或综合宏观物理特性中提出的特征对称元素，分为立方、六方、三方、四方、正交、单斜、三方等7个晶体系统。基本概念和理论，结晶过程形成过饱和溶液；生成核。细胞核在良好的环境中生长。过度饱和是结晶的动力，其大小影响结晶核的形成速度和晶体的生长速度，影响最终结晶产品的粒度和结晶粒度分布。基本概念和理论，成核的三种形式：(1)一阶均质核溶液在没有外部物体的情况下自动生成核。(2)初级异质性核由外来物体(如大气微尘、小细菌、溶液中其他不溶性固体粒子等)诱导，产生结晶核。(3)在二次成核溶液中已经存在溶质晶体的条件下形成结晶核。晶体的生长溶质由扩散通过晶体表面附近的晶体层，从溶液输送到晶体表面；到达结晶表面的溶质拉长结晶面，增加结晶度，同时释放结晶热。结晶传热返回溶液。根据基本概念和理论，上述扩散学说，溶质依靠分子扩散作用通过晶体表面的维持层到达晶体表面；此时扩散的动力是液态体的浓度和晶体表面的浓度下降。溶质长入晶面的第二步是晶体表面浓度和饱和浓度的差异，基本概念和理论，影响晶体生长速度的因素杂质：晶体和