第七章真空浓缩设备

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。蒸发器二次蒸气（被冷凝）冷凝水加热蒸气原料液完成液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10～20kPa。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。饱和区沸腾区预热区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30％～50％。真空度较低，为2.0～4.0kPa。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/h•2、进料量：1210kg/h•3、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Φ620mm，用隔板将列管分成两部分。第一部分列管由直径Φ40mm，长6m的43根加热管组成。第二部分由直径Φ40mm，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Φ600mm，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