第八章浓缩机械及设备

1、第六章第六章 蒸发与结晶设备蒸发与结晶设备常压与真空蒸发设备常压与真空蒸发设备n 生物工业中的蒸发设备生物工业中的蒸发设备n 蒸发设备基本要求蒸发设备基本要求第一节第一节 常压蒸发设备常压蒸发设备第二节第二节 真空蒸发浓缩设备真空蒸发浓缩设备生物工业中的蒸发设备生物工业中的蒸发设备n蒸发浓缩可以采用真空蒸发浓缩设备真空蒸发浓缩设备、冷冻浓缩设备冷冻浓缩设备和膜浓缩设备膜浓缩设备等。n目前，使用最广泛的蒸发浓缩设备是真真空蒸发浓缩设备空蒸发浓缩设备。n冷冻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。n膜浓缩设备膜浓缩设备本质上是膜分离设备。蒸发设备的基本要求蒸发设备的基本

2、要求n 蒸发设备必须满足的基本要求：蒸发设备必须满足的基本要求： 1.充分的加热热源，以维持溶液的沸腾和补充溶剂汽化所带走的热量； 2.保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除； 3.一定的热交换面积，以保证传热量。 蒸发设备一般由热交换器（汽鼓）、蒸发室、冷蒸发设备一般由热交换器（汽鼓）、蒸发室、冷凝器和抽气泵等组成。凝器和抽气泵等组成。第二节第二节真空蒸发浓缩设备真空蒸发浓缩设备n真空蒸发浓缩设备主要由蒸发器蒸发器、冷凝器冷凝器及真空系统真空系统等构成。具体形式较多，主要差异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。n真空蒸发浓缩设备特点一、蒸发器二、典型真空浓缩系统第

3、二节 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、多效浓缩技术装备蒸发器的分类 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n又称为搅拌式真空浓缩锅，属于间歇式中小型浓缩设备。n如图所示，主要由圆筒形夹套壳体、犁刀式搅拌器、汽液分离器等组成。n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

4、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n 结构n 工作过程n 特点结构主要由盘管加热器、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35组加热盘管，分层排列，每盘13圈，各组盘管分别装有可单

5、独操作的加热蒸汽进口及冷凝水出口，进出口布置有两种。盘管的进出口布置工作过程工作时，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0.71.0MPa。盘管式蒸发器

6、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n外加热式蒸发器的特征是加热室和分离室分开。n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所示，主要由列管式加热器、分离室和循环泵等构成。需

7、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。分类n外加热式蒸发器的特征是加热室和分离室分开。n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。 自然循环外蒸发器如图所示。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。 （三）外加热式蒸发器 分类 操作过程 优缺点 用途操作过程 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。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。（三）外加

8、热式蒸发器 分类 操作过程 优缺点 用途优缺点n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1.5 m/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。n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。（三）外加热式蒸发器 分类 操作过程 优缺点 用途用途这种蒸发器可用于对热

9、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。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）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，料液在此受到加热发生汽化，产生浓缩液和二次蒸汽。 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（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。n一般结构特点与类型 升膜式蒸发器 降

10、膜式蒸发器 升降膜式蒸发器一般结构特点与类型n长管式蒸发器一般采用内径2550mm，长径比为100150 的长管制成。n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。n长管式蒸发器可以分为升膜式、降膜式和升降膜式蒸发器。 升膜式、降膜式和升降膜式蒸发器（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。n一般结构特点与类型 升膜式蒸发器 降膜式蒸发器 升降膜式蒸发器1.升膜式蒸发器n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

11、器内呈逆流。n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。n工作过程n特点 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80200m/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。1.升膜式蒸发器n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。n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

12、控制在接近沸点。n工作过程n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。（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。n一般结构特点与类型 升膜式蒸发器 降膜式蒸发器 升降膜式蒸发器2.降膜式蒸发器n结构如图所示，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

13、液在加热管内均匀成膜并阻止二次蒸汽上升。n 工作过程n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。下图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。料液布膜器2.降膜式蒸发器n结构如图所示，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。n 工作过程n特点 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，

14、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。2.降膜式蒸发器n结构如图所示，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。n 工作过程n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

15、于处理易结晶或易结垢的溶液。（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。n一般结构特点与类型 升膜式蒸发器 降膜式蒸发器 升降膜式蒸发器3.升降膜式蒸发器 工作原理 特点 物料先进入升膜加热管，沸腾蒸发后，汽液混合物上升至顶部，然后转入另一半加热管，再进行降膜蒸发，浓缩液从下部进入汽液分离器，分离后，二次蒸汽从分离器上部排入冷凝器，浓缩液从分离器下部出料。 有利于液膜体 均匀分布。 易达到升膜 有利于操作。 两个浓缩过程串联，可提高产品的浓缩比，减低设备高度。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

16、器（四）长管式蒸发器（五）刮板式蒸发器（六）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，料液在此受到加热发生汽化，产生浓缩液和二次蒸汽。 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（五）刮板式蒸发器n结构n特点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n主体由刮板式加热器与分离室构成。n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。n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

17、出，而二次蒸汽则从左上侧引出。n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50100Pas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。（五）刮板式蒸发器n结构n特点也称刮板式薄膜蒸发器，是利用外加动力的膜式蒸发器。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）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，料液在此受到加热发生汽化，

18、产生浓缩液和二次蒸汽。 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（六）离心薄膜蒸发器 结构 工作过程 特点 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n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。n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。n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。n转鼓上

19、部为浓缩液聚集槽，插有浓缩液引出管。离心薄膜式蒸发器结构示意（六）离心薄膜蒸发器 结构 工作过程 特点 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。工作过程n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。n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。n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

20、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）。（六）离心薄膜蒸发器 结构 工作过程 特点 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。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）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，料液在此受到加热发生汽化，产生浓缩液和二次蒸汽。 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

21、此蒸发器有多种形式。 蒸发器的分类第一节 真空蒸发浓缩设备n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。n真空蒸发浓缩设备特点一、蒸发器二、多效浓缩技术装备二、多效浓缩技术装备一、单效真空蒸发装置一、单效真空蒸发装置二、多效真空蒸发装置二、多效真空蒸发装置一、单效真空蒸发装置一、单效真空蒸发装置 当物料进入蒸发器后，引入加热蒸汽，对物料进行加热，产生的二次蒸汽进入冷凝器冷凝,不凝性气体由真空装置抽走。 系统构成 工作过程 系统特点 德国 WIEGDN单效降膜式真空浓缩设备。该系统适用于牛乳的浓缩。它具有

22、能量消耗少、操作稳定、清洗方便等特点。一、单效真空蒸发装置一、单效真空蒸发装置工作过程n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。n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。系统系统特点n主要由降

23、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。n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。n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。 二、多效浓缩技术装备一、单效真空蒸发装置一、单效真空蒸发装置二、多效真空蒸发装置二、多效真空蒸发装置二、多效真空蒸发装置二、多效真空蒸发装置1、并流法2、逆流法3、错流法4、平流法 典型真空

24、浓缩系统1、并流法2、逆流法3、错流法4、平流法 典型真空浓缩系统 溶液与蒸汽的流动方向相同。 料液 蒸汽 特点： （1）进料不用泵。（物料在各效间流动不用泵） （2）从前效到后效，超沸点进料，物料自蒸发，可产生较多蒸汽。 （3）随着浓度增加，温度降低，粘度增加，影响传热效果。 溶液与蒸汽的流向相反。n 物料n 蒸汽 特点： （1）随着物料浓度增加，温度增高，各效间粘度相差不大，有利于提高传热系数。 （2）物料在各效间流动须用泵输送。 （3）低于沸点进料，产生的二次蒸汽较少。 既有并流法，又有逆流法，有优点、又有缺点。但操作较为复杂，实际上用的较少。 物料同时进入各效，完成蒸发后，从各效直接排

25、出。特点：由于这种方法各效间无物料流动，较适合有晶体析出的场合。典型真空浓缩系统1、顺流式双效真空降膜浓缩设备2、混流式三效降膜真空浓缩设备3、混流式四效降膜真空浓缩设备1、顺流式双效真空降膜浓缩设备 n结构组成n工作过程n适用性及特点结构组成n顺流式双效真空浓缩设备流程 ，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。n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。n杀菌器为列管结构。工作过程n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（8692），并在保持管内保持24s ；随后相继通过一效蒸发器（加热温度 8390，蒸发温度7075）、二效蒸发器（加热温度6874，蒸发温度4852），最后由出料泵抽出。n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