食品浓缩机械与设备

第八章食品浓缩机械与设备•一、浓缩的概念•浓缩是从溶液中除去部分溶剂的单元操作，是溶质和溶剂均匀混合液的部分分离过程，旨在提高溶液的浓度。•浓缩过程中，水分在物料内部借对流扩散作用从液相内部达液相表面而后除去，最低水分含量约为30%（质量），一般为稳定状态的过程。•常用的浓缩方法：常压浓缩、真空浓缩、冷冻浓缩、结晶浓缩等。•在食品工业中，常用于浓缩果汁、果酱、浓缩乳、功能食品等的生产。•浓缩方法从原理上说分为：平衡浓缩和非平衡浓缩两种方法。•（1）平衡浓缩•是利用两相在分配上的某种差异而获得溶质和溶剂分离的方法，如蒸发浓缩和冷冻浓缩即属此法。•其中蒸发是利用溶剂和溶质挥发度的差异，从而获得一个有利的汽液平衡条件，达到分离的目的，在实践上是利用加入热能使部分溶剂汽化，并将此汽化水分从余下的被浓缩溶液中分离出去，这种方法目前仍然是食品工业最广泛应用的一种浓缩方法。•冷冻浓缩是利用有利的液固平衡条件，冷冻浓缩时，部分水分因放热而结冰，而后用机械方法将浓缩液与冰晶分离。蒸发和冷冻浓缩，两相都是直接接触的，故称平衡浓缩。•（2）非平衡浓缩•是利用半透膜来分离溶质和溶剂的过程，两相用膜隔开，因此分离不是两相的直接接触，故称非平衡浓缩。利用半透膜的方法不仅可以分离溶质和溶剂，而且也可以分离各种不同大小的溶质，因此，统称为膜分离。二、浓缩的目的•1.除去食品中大量水分，减少包装，贮藏和运输费用。•例如，100T含5%固形物的番茄榨出汁浓缩至含固形物28%的番茄酱，重量减至18吨，体积缩小与此相同。这样可大大降低包装，贮藏和运输费用。•2.提高制品浓度，增加制品的保藏性。•用浓缩方法提高制品的糖分或盐分可使水分的活度降低，使制品达到微生物学上安全的程度，延长制品的有效保藏期。•3.满足食品加工过程的工艺要求，浓缩经常用作干燥脱水或结晶的预处理过程。•这种情况特别适用于原液含大量水分，而用浓缩法排除这部分水分比用干燥法更为节约时，如制造奶粉时，牛奶先经预浓缩至固形物45%~52%以后再进行干燥。•4.在浓缩过程中，可提取果汁中的芳香物质。三、食品物料蒸发浓缩的特点：•料液的性质对蒸发有很大的影响，特别是食品多属生物系统的物料，比一般化工遇到的物料更为复杂多变，在选择和设计蒸发器时，要充分认识这种影响。食品物料的蒸发浓缩具有如下几方面的特点：•1.热敏性•生物系统的物料多由蛋白质、脂肪、糖浆、维生素以及其他许多色、香、味成分所组成，这些物质在高温下或长期受热时受破坏，变性、氧化等作用，从而降低产品的质量。•所以，许多食品的蒸发要严格考虑加热温度和加热时间，加热温度和加热时间是不可分割的。食品蒸发的安全性与此二因素同时相关，这就是“温时结合”的概念，即把温度和时间作为统一体来考虑。•从食品蒸发的安全性看，力求“低温短时”，但还要考虑工艺上的经济性。在保证食品质量的前提下，为提高生产能力，常采用“高温短时”蒸发。由于料液的沸点与外压有关，低温相应就是低压，所以真空蒸发是食品工业蒸发应用的显著特点之一。•为了缩短蒸发操作时的加热时间，一方面必须缩小料液在蒸发器内的平均停留时间，另一方面，还要解决局部性的停留时间问题。关于这一点，目前已发现长管膜式蒸发器在物料停留时间问题上具有很大的优点，从而在食品工艺上获得广泛的应用。•2.粘稠性•许多食品含有丰富的蛋白质、糖份、果胶等成分，其粘稠性较高。•高粘性物料的蒸发，首先从流体动力学观点看，有一个层流倾向问题，即使物料受到强烈的搅拌，传热附近总存在不能忽视的层流内层，这就会严重影响传热的速率。同时，由于上述原因，也还会产生结垢，局部停留时间等一系列问题。•料液的粘稠性随浓度而增加，随着蒸发的进行，料液的粘度也必然逐渐增加，所以蒸发过程中的传热速率预期也逐渐降低。对于粘性制品的蒸发，一般采用由外力强制的循环或搅拌措施。•3.结垢性：•蛋白质、糖、果胶等受热过度会产生变性、结块、焦化等现象。通常在传热面附近，物料温度最高。发生这种现象就会在传热壁上形成污垢，严重影响传热速率.•解决结垢问题的积极措施就是提高液速，经验证明，在其他条件相同时，提高液速，可显著减轻污垢的形成，这是由于高液速的洗刷作用所致。因此在可能发生严重结垢现象的情况下，采用强制循环法是有效的。另外，对不可避免的结垢问题，必须有定期的清理措施。•4.泡沫性•某些食品物料沸腾时要形成稳定的泡沫，特别是真空蒸发和液层静压高的场合下更为显著。•泡沫易被二次蒸汽带走，一方面污染其他加热设备，另一方面，增加产品的损失，严重时会造成不能操作。•一般，可使用表面活性剂以控制泡沫的形成，也可用各种机械装置以消灭泡沫。•5.腐蚀性•特别是酸性食品，如果汁、蔬菜汁的浓缩，设计蒸发器必须考虑腐蚀性问题，对于食品，即使是轻度的腐蚀，其所引起污染往往为产品规格所不允许。一般蒸发器接触液体部分多采用不锈钢结构。•6.结晶性•有些溶液在浓度增大时，会有粒晶析出，大量结晶积沉则会妨碍加热面的热传导，严重时会堵塞加热管。•对于这类料液，要选择带搅拌的或强制循环浓缩器。四、对蒸发设备的要求•1.工艺上的要求•1）适应物料性质，符合工艺要求和食品卫生；•2）保证达到要求的浓度；•2.热能利用上的要求•合理使用加热蒸汽和二次蒸汽，降低全厂耗汽量和燃料耗用量。•3.设备结构的要求•1）在一定容积内尽量增大其加热面积，以减少金属耗量和占地面积；•2）蒸发效能好，具有较高的传热系数，热能利用率高；•3）结构简单，制造、安装、维修和清洗方便；第一节真空浓缩设备真空浓缩原理和特点特点：(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)设备热损失相对少。(5)真空系统投资大，功耗大。(6)沸点降低，蒸发潜热增大。真空浓缩设备的分类、结构一、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。3、带有热泵的浓缩装置。(二)按料液流程分：1、循环式：自然与强制循环。2、单程式(三)按料液蒸发时的分布状态分：1、非膜式：分盘管式浓缩器和中央循环管式浓缩器2、薄膜式：分为升膜式、降膜式、片式、刮板式、离心式浓缩器等。二、基本结构加热室、蒸发室所组成的蒸发器，除沫器，冷凝器及真空装置。六真空浓缩装置操作流程•1.单效真空浓缩装置：•是由一台浓缩罐、冷却器和真空泵组成的。目前，果酱类生产中，采用这种流程较多。2.多效真空浓缩流程•1）并流法•2)逆流法•3)平流法•4)混流•5)有额外蒸汽引用的多效蒸发流程1）并流法：•溶液与蒸汽的流动方向相同，即均由第一效顺序至末效。•特点：•原料液由泵泵入一效罐。由于蒸发室压力由一效至末效依次递减，故料液在效间流动不需用泵；•由于料液沸点依效序递降，因而当前效料液进入后效时，便在降温的同时放出其显热，供一小部分水分汽化（自蒸发），可产生更多蒸汽，节省蒸汽;•由于后效溶液浓度较前效大，且温度低，使传热系数降低，影响传热（末效蒸发困难）。•(但高浓度料液处于低温)对浓缩热敏食品是有利的。2)逆流法：•此法料液和蒸汽流动方向相反，即原料由最后一效进入，依次用泵送入前效，最后的浓缩制品从一效排出。蒸汽由一效进入，一效蒸汽进入二效，••••，最后一效蒸汽进入冷凝器。•特点：•随着料液向前流动，浓度愈来愈高，而蒸发温度也愈来愈高。故黏度增加没有顺流的显著。这对改善循环条件，提高传热系数有利。•但高温加热面上浓溶液的局部过热有引起结焦和营养物质破坏的危险。•效间料液流动要用泵，没有自蒸发，水分蒸发量稍减。•适宜处理黏度随温度和浓度变化较大的溶液，不宜处理热敏性物料。3)平流法：•此法每效都平行送入原料液和排出成品。蒸汽的流向由一效至末效依次流动。•此流程适用于在蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。4)混流•顺逆流并用。此法对黏度相当高的料液很有用处。•特点：在料液黏度随浓度显著增加的场合下，可采用混流。5)有额外蒸汽引用的多效蒸发流程•在多效蒸发流程中，有时将一效的二次蒸汽引出一部分用作预热蒸发器的进料，或用做其他的加热目的。这种中间抽出的二次蒸汽，称为额外蒸汽。一、夹套式真空浓缩锅•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、糖浆、乳品、豆浆晶、食用胶等高粘度料液的浓缩。特点结构简单，操作控制容易；传热面积小，受热时间长，生产能力低，不能连续工作。二、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。•二次蒸汽进入分离室，在离心力作用下，使夹带的液滴与不凝气体分离，气体排出，被分离后的料液回流再进行蒸发。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：体积大、结构简单、操作稳定、蒸发速度快、间歇出料型号：1000型700型300型蒸发量：300－1000kg/h加热面积：3－10m2三、标准式浓缩锅•中央循环管式浓缩锅。•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。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．单元操作：蒸发外循环连续式真空浓缩机生产能力：1000kg/h五、升膜式浓缩设备•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—l60m/s。料液沿管内壁成膜状上升，并不断蒸发。•优点：结构简单,占地少，设备投资少，生产能力大,传热效率较高，料液受热时间短，蒸汽消耗量低,设备检修方便。•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,生产需连续进行，管子较长,清洗不方便。六、降膜式浓缩设备•与升膜式浓缩设备结构相似，其主要区别是料液从加热器顶部加入，经分配器导流管分配进入加热管，沿管壁呈膜状向下流，故称降膜式。•为使料液能均匀分布各管道，并沿管内壁下流，在管的顶部或管内安装有降膜分配器。•降膜式浓缩设备特点•①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；•②料液在加热管表面形成膜状，传热系数高，并可避免泡沫的形成；•③采用热泵，热能经济，冷却水消耗量少；•④利用二次蒸汽作为热源，由于其夹带微量的料液液滴，加热管表面易生成污垢，影响传热；•⑤加热管长度较长，如有结焦，清洗困难，不适宜于高浓度及粘稠性物料的浓缩；•⑥生产过程中，不能随意中断生产，否则，易结垢或结晶。•目前这类设备在乳品、果汁等食品工业中应用最广。七、刮板式蒸发器•有立式、卧式两类。•有固定刮板式和活动刮板式两种。•加热时间为2～45S。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，可达10.45～16.72MJ/M2·h·℃。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、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、易发泡的物料，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。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(汽液分离器)（一）惯性捕集器：在二次蒸汽流的通