第八章 第八章 食品浓缩机械与设备.ppt

1、第八章 食品浓缩机械与设备,郭红英 湖南农业大学食品科技学院,浓缩正趋向低温、快速、连续的方向发展。,浓缩旨在提高溶液的浓度，是从溶液中除去部分溶剂的单元操作。,在浓缩操作中，物料中液体汽化所生成的蒸汽称为二次蒸汽，以区别于加热蒸汽。二次蒸汽必须不断地用冷凝等方法加以去除，否则，蒸汽和料液渐渐趋于平衡，将使蒸发操作无法进行。,平衡浓缩 非平衡浓缩,冷冻浓缩 蒸发浓缩,常压蒸发 真空浓缩,食品浓缩的目的 作为干燥的预处理，以降低产品的加工热耗。 提高产品质量。 提高产品的保藏性。 减少产品的体积和重量，便于运输。 浓缩用作某些结晶操作的预处理。 提取果汁中的芳香物质。,第一节 真空浓缩设备,真空

2、蒸发的优点 加热蒸汽与沸腾液料之间的温度差t 可以增大。 可以利用低压蒸汽或废蒸汽作加热蒸汽。 有利于保存食品中的营养成分及色香味。 操作温度低，热损失较少。,真空蒸发的缺点 真空浓缩，须有抽真空系统，从而增加附属机械设备及动力。 蒸发潜热随沸点降低而增大，所以热量消耗大。,第一节 真空浓缩设备,循环式 自然循环式 强制循环式 单程式,一、真空浓缩设备的分类与选择,（一）分类,根据加热蒸汽被利用的次数,单效浓缩设备 多效浓缩设备 带有热泵的浓缩设备,按料液的流程,按料液蒸发时的分布状态,非膜式 薄膜式,盘管式浓缩器 中央循环管式浓缩器,蒸发器：升膜式、降膜式、片式、刮板式、离心式 特点：水分蒸

3、发快、蒸发面积大、热利用率高，结构较复杂。,热敏性 酶、果蔬汁 低温短时或高温瞬时（薄膜式或高真空度蒸发器） 结垢性 高流速（升膜式或强制循环式）、电磁或化学防垢 结晶性 搅拌或强制循环式浓缩器 黏滞性 明胶、肉浸出液 强制循环式、刮板式、降膜式 发泡性 高流速（升膜式或强制循环式） 腐蚀性 高酸 不锈钢或具有防腐涂层的钢材,（二）蒸发器的选择,一、真空浓缩设备的分类与选择,1. 按物料特性进行选择, 传热效果好， 热能利用率高。 结构合理紧凑，操作清洗方便，安全可靠。 满足工艺要求，如浓缩比、得率、物料特性的保持等。 动力消耗要小，如搅拌动力、真空动力消耗等。 易于加工制造，维修方便，节材耐

4、蚀，强度高。,2选择原则,一、真空浓缩设备的分类与选择,二、真空浓缩设备操作流程,(一) 单效真空浓缩设备操作流程,单效,浓缩器、分离器、冷凝器、抽真空装置 料液进入浓缩器后，加热蒸汽对溶液进行加热浓缩，二次蒸汽进入冷凝器冷凝，不凝结气体由真空装置抽出，使整个装置处于真空状态。,果酱,(二) 多效真空浓缩设备操作流程,二、真空浓缩设备操作流程,顺流 逆流 平流 混流,效序 ，压力 ，液体在效间的输送不用泵； ，沸点 ，后效中的液体可自行蒸发一部分（自然蒸发或闪蒸）； ，浓度 ，末效高浓度低温,优点：,1. 顺流法,缺点：后效传热系数逐渐下降,(二) 多效真空浓缩设备操作流程,2. 逆流法,优点

5、：浓度增加时，温度也增加，溶液粘度变化不大，各效传热系数相差不大。 缺点：效间用泵送，进料温度低于沸点，不能产生更多的蒸气，高温停留时间长。,处理粘度随温度和浓度变化较大的物料，而不宜处理热敏性物料。,适用：,逆流加料法的三效蒸发装置流程示意图,(二) 多效真空浓缩设备操作流程,3. 平流法,各效平行加入料液，并排出成品,特点：料液不进行二次、三次蒸发。适于有结晶析出的料液。,4. 混流法,适用：处理黏度极高的料液，特别是料液黏度随浓度而显著增加的场合。,平流加料法的三效蒸发装置流程示意图,三、单效真空浓缩设备,(一)中央循环管式浓缩器,1. 作用原理,加热室由沸腾管束和中央循环管组成，中央循

6、环管的截面积是沸腾管束总截面积的40100%。当沸腾管内液体被加热沸腾时，由于中央循环管截面积大，溶液达不到沸腾管中的温度，气液混合物的平均密度较大。在密度差的作用下，溶液由中央循环管下降，而由沸腾管上升，形成了自然循环。液面上的水汽向上部负压空间迅速蒸发，从而达到浓缩的目的。,二次蒸汽出口,料液进口,加热蒸汽进口,加热蒸汽进口,除沫器,蒸发室,中央循环管,冷凝水出口,浓缩液出口,外壳,加热室,(一)中央循环管式浓缩器,2. 主要构造,（1）加热器体 由沸腾加热管、中央循环管（l=0.62.0m， l/d=2040）及上下管板所组成 。 （2）蒸发室 料液液面上部的圆筒空间。作用是保证汽液能很

7、好的分离。蒸发室必须具有一定的高度，否则二次蒸汽会将少量料液微粒带走造成损失，还会降低传热效果。,3. 特点,1.泡沫捕集器；2.二次蒸汽出口；3.蒸发室；4.蒸气总管；5. 加热蒸汽包；6.盘管；7.分气阀；8.浓缩液出口；9.取样口；10.疏水器,1,10,9,8,7,6,5,4,3,2,(二) 盘管式浓缩设备,1. 盘管式浓缩设备的结构,由加热盘管、蒸发室、冷凝器、抽真空装置、雾沫分离器、进、出料阀及各种控制仪表所组成。,加热盘管：35组，分层排列，每盘13圈,冷凝水出口,蒸汽进口,(二) 盘管式浓缩设备,借离心水泵的动力，将水压入喷嘴后，由于喷嘴面积小，水流将以1530m/s的速度射入

8、混合室及扩散室。这样在喷咀出口处形成真空（低压区），不断地吸入二次蒸汽与冷水混合，并一同排出，完成二次蒸汽的冷凝及抽真空作用。,雾沫分离器采用离心式，有蒸汽管与分离器相连。分离器中心装有立管与水力喷射泵（配有水力喷射器及离心水泵）连接。,水力喷射器的工作原理：,(二) 盘管式浓缩设备,设备工作时，料液自切线方向进入锅内。加热蒸汽在盘管内对管外的料液进行加热，其受热后体积膨胀，密度减小，因浮力使料液上升，到达液面时气化，使其浓度提高，密度增大。但浓缩盘管中心处的料液，相对来说距加热管较远，与同一液位的料液相比，其密度较大，呈下降趋势，故受热蒸发的那部分料液不但密度大，而且液位又高，必向盘管中心处

9、下落，从而形成了料液自锅壁及盘管处上升，又沿盘管中心向下的反复循环状态。产生的二次蒸汽，从浓缩锅上部中央，以切线方向进入分离器，在离心力的作用下，料液微粒与蒸汽分离，二次蒸汽则上升进入冷凝器，经冷凝器冷凝成水而排除。,2盘管式浓缩设备的工作原理,(二) 盘管式浓缩设备,3盘管式浓缩设备的特点,由上锅和下锅体组成，下锅体的底部为夹套，内通蒸汽加热，锅内装有横轴式搅拌器，以强化物料循环，不断更新加热面外的料液。上锅体设有料孔、视镜及汽液分离器等装置。产生的二次蒸汽由水力喷射器或其他真空装置抽出。,搅拌式夹套蒸发器,（三）带搅拌的夹套式真空浓缩设备,料液进口,二次蒸汽出口,泡沫捕集器,搅拌器,浓缩液

10、出口,1. 结构,工作时先通入加热蒸汽于锅内赶出空气，然后启动真空系统使浓缩锅处于真空状态。当稀料液被吸入锅内，达到容量要求后，即开启蒸汽阀门和搅拌器。物料浓缩达到所需浓度时，解除真空即可出料。,2. 工作过程,（三）带搅拌的夹套式真空浓缩设备,3特点,膜式浓缩设备的特点： 料液在管壁或器壁上分散成液膜形式流动，而使蒸发面积大大增加，提高蒸发浓缩效率。,四、膜式真空浓缩设备,液膜形成的方式,自然循环液膜式蒸发器 强制循环液膜式蒸发器,液膜的运动方向,升膜式 降膜式 升降膜式,主要由加热器、分离器、雾沫捕集器、水力喷射器、循环管等部分组成。加热器为一垂直竖立的长形容器，内有许多垂直长管。管径不宜

11、过大，一般在3050mm之间，长径比约为100150，这样加热面才能供应足够成膜的气流。,（一）升膜式浓缩设备,1. 结构,物料自加热器体的底部进入管内，加热蒸汽将热量传给管内料液。料液被加热沸腾，便迅速汽化，并高速上升。常压下，管的出口处二次蒸汽速度一般为2050 m/s ，在真空状态下，可达100160 m/s，料液被高速上升的二次蒸汽所带动，沿管内壁成膜状上升不断被加热蒸发浓缩。然后以较高速度沿切线方向进入分离器，在离心力作用下与二次蒸汽分离。二次蒸汽从分离器顶部排出，浓缩液一部分通过循环管再进人加热器体底部继续浓缩，另一部分达到浓度的浓缩液，可从分离室底部放出。二次蒸汽夹带的料液液滴从

12、分离器顶部进人雾沫捕集器进一步分离后，二次蒸汽导人水力喷射器冷凝。,（一）升膜式浓缩设备,2. 工作原理,（一）升膜式浓缩设备,控制进料量，过多，液柱上升 过少，管壁结焦 预热到接近沸点状态时进入加热器，这样会增加液膜 在管内的比例，以提高沸腾和传热系数,3. 操作要点,4. 工作特点,（二）降膜式浓缩设备,结构及工作原理,料液由加热器体顶部加入，在顶部降膜的作用下，均匀地进入加热管中。料液受生成的快速流动的二次蒸汽的诱导，以及本身的重力作用，沿管壁成液膜状向下流动。已浓缩的料液沉降于底部，直接抽出或加入重新蒸发。分离室则实现二次蒸汽与夹带料液的分离（二次蒸汽由顶部排出，浓缩液则由底部抽出）。

13、,（二）降膜式浓缩设备,关键：使料液均匀地分布于各加热管，不产生偏流。降膜分配器的作用原理: 一是利用导流管 (板)使料液均布 二是利用筛板或喷嘴使料液均布； 三是利用旋液喷头。,降膜分配器,(1)型为筛孔板式，筛板一般采用二层，也有采用一层筛板的; (2)型是喷雾型分布器，料液经泵加压后再经喷嘴喷成均匀液滴; (3)型是具有锯齿形管口的导流管，料液通过齿缝均匀布于加热管内壁; (4)型是一种带有2一3条螺旋沟槽的导流管，料液沿螺旋沟槽均匀分布于管内壁; (5)型是一种典型的导流管，导流管下部扩大段的沿口直径与加热管内径相当，而且沿口加工成锯齿形，料液通过齿缝均布于管内壁; (6)型是筛孔板与

14、导流管相结合的形式; (7)型为旋液导流式，料液经泵加压后进人旋流式分布器，利用离心力使料液均布于管的四周。,降膜分配器,由转轴、料液分配盘、刮板、蒸发室和夹套加热室等所组成 类型：立式 卧式,（三）刮板式薄膜蒸发器,1. 结构,刮板式薄膜浓缩设备 (1)立式 (2)卧式 1一电动机 2一转轴 3一液沫分离叶板 4一旋转分配盘 5一刮板 6一夹套加热室,2. 工作原理,（三）刮板式薄膜蒸发器,立式刮板薄膜浓缩器，它的料液从上部的进料管以稳定流量进入，转轴带动旋转分配盘，在离心力的作用下，把料液均匀抛向夹套加热室的内壁。同时，装在转轴上的刮板把料液刮成薄膜，料液受加热面的加热而蒸发。由于料液在重

15、力及离心力的作用下不断更新液膜，最后流集于底部。二次蒸汽以逆流方向上升到浓缩器顶部，经旋转的带孔叶板，把夹带的液沫分离。从顶部排出进入冷凝器。,刮板式薄膜浓缩设备适合于浓缩 高黏度的或含有悬浮颗粒 料液。,(四)离心式薄膜浓缩设备,离心式薄膜浓缩设备：一种薄膜浓缩装置，依靠高速旋转的锥形碟片将液料分布于传热器表面，不断受热蒸发进行浓缩的装置。,具有旋转的空心碟片，料液在碟片上形成一层厚度约0.1的薄膜，由于离心力的作用，液料受热时间仅为ls左右。 离心式薄膜浓缩设备常用于果汁等热敏性原料的浓缩。,(四)离心式薄膜浓缩设备,气液分离器 蒸气冷凝器 抽真空系统,五、真空浓缩装置的附属设备,作用：防

16、止蒸发过程形成的细微液滴被二次蒸汽带出，对汽液进行分离，以减少料液损失，同时避免污染管道及其他蒸发器的加热面。,（一）气液分离器,气液分离器的型式很多，可分为碰撞型和离心型、过滤型等类型。,大气式冷凝器 表面式冷凝器 低水位冷凝器 喷射式冷凝器 （水力喷射器）,五、真空浓缩装置的附属设备,（二）蒸气冷凝器,作用：将二次蒸汽冷凝，对不凝气体分离，减轻抽真空系统负荷。,工作时，冷却水自器身顶部进入，经交错分布并具小孔的淋水板均匀地分散而淋下。二次蒸汽则由底部侧面进入，经淋水板的折流由下往上流动，使其与冷却水保持充分的接触而被冷凝。冷却水及冷凝液借液位差由气压腿自行排出系统之外，不凝缩气体从气液分离

17、器顶部由真空泵抽走，其中的水分被分离出来后由回流管导入气压腿而排出。气压腿的安装高度应足以克服大气压力，一般为11m左右，多架于室外。,1大气式冷凝器,2表面式冷凝器,亦称间接式冷凝器，在冷凝过程中，二次蒸汽与冷却水不直接接触，而是利用金属壁隔开间接传热，其结构有列管式、板式、螺旋板式和淋水管式。特点是冷凝液可以回收利用，但传热效率低。,3低水位冷凝器,结构与大气式冷凝器基本相同，均属接触式冷凝器。 低位冷凝器将大气式冷凝器的气压腿由贮液槽4和抽水泵代替。这样可降低冷凝器的高度。有时，在其顶端还连接有真空泵或蒸汽喷射泵。低位冷凝器由于降低了安装高，可安装在室内。它要求配置的抽水泵具备较高的允许

18、真空吸头，管路应严密，以免发生冷却水倒吸入浓缩设备。但由于多配置了一套抽水泵，投资费用有所增加。,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。,4喷射式冷凝器 （水力喷射器）,兼有抽真空和冷凝作用,1 湿式真空泵 常与并流式冷凝器配合使用，通过活塞往复运动把冷凝器内的冷凝水和不凝结气体一起排出，保证系的真空度。但设备大、真空度低、功率消耗大、维修费用高，目前较少采用。 2 干式真空泵 常与干式逆流冷凝器配合使用，仅把冷凝器内的不凝结气体抽出，工作效果比湿式真空泵好。 3 水环式真空泵(简称水环泵),五、真空浓缩装置的附属设备,（三）真空泵,水环式真空泵是食品工业中常用的真空装置，其结构主要由泵体、泵壳组成。,作用：一是抽取不凝性气体，便整个浓缩设备处于真空状态；二是降低料液表面压力，使料液在低温下沸腾，有利于提高产品质量。,（三）真空泵,（三）真空泵,水环式真空泵的工作原理 启动前，工作室内注入适量水，工作时，电机驱动叶轮转动，叶轮带动叶片间的水一起转动，水在离心力作用下被甩至泵壁形成