食品工程原理6

食品工程原理第六章浓缩与结晶浓缩浓缩是从溶液中除去部分溶剂的单元操作，是溶质和溶剂部分分离的过程。浓缩过程中，水分在物料内部是借对流扩散作用从液相内部到达液相表面而后除去的过程。按浓缩的原理，分为平衡浓缩和非平衡浓缩两种。食品浓缩的分类和目的平衡浓缩是利用两相分配上的某种差异而获得溶质和溶剂分离的方法，在分离过程中两相都是直接接触的，故称为平衡浓缩。如蒸发浓缩和冷冻浓缩非平衡浓缩是利用半透膜来分离溶质和溶剂，两相用膜隔开，也称为膜分离。分离不是靠两相直接接触而进行的，故称非平衡浓缩。食品浓缩的分类和目的浓缩在食品工业中已得到广泛的应用，其主要目的有以下几点。①浓缩去除食品中大量的水分，减少质量和体积，从而减少食品包装、储藏和运输费用。②提高制品浓度，延长保质期。③作为干燥、结晶或完全脱水的预处理过程。④改善产品质量。食品浓缩的分类和目的蒸发使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发，所用的设备称为蒸发器。蒸发需要不断的供给热能。热源使溶液溶剂蒸发时产生二次蒸气不断逸出而排除。1．蒸发的概念利用溶质和溶剂之间挥发度的差异，用加入热能的方法使溶剂汽化，而非挥发性的溶质留在溶液中，从而达到分离的目的，所涉及的平衡为汽液平衡。溶液受热时，溶剂分子获得能量汽化。进行蒸发的必要条件是热能的不断供给和生蒸汽的不断排除。蒸发蒸发的流程分类1、按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发单效蒸发：将二次蒸气不在利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作。多效蒸发：若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸气，则可提高加热蒸气（生蒸气）的利用率，这种串联蒸发操作称为多效蒸发。2、按二次蒸气的利用情况分：单效和多效蒸发料液在蒸发浓缩过程中发生的变化对浓缩液品质有很大的影响。一般来讲，食品物料的蒸发具有如下特性：（1）热敏性（2）腐蚀性（3）粘稠性（4）结垢性（5）泡沫性（6）易挥发成分食品物料蒸发操作的特点在蒸发器内原料被加热溶剂汽化，产生的二次蒸汽引出后冷凝或排空，不再被利用。单效蒸发是最基本的蒸发流程。进行单效蒸发时常采用单效真空蒸发。单效蒸发蒸发操作的快慢主要取决于蒸发器加热室热交换的换热量Q。Q=KA∆t在蒸发过程中对传热量Q影响最显著的是传热温度差∆t∆t=T-t1单效蒸发1．蒸发器的温度差损失一定压强下，料液的沸点较纯水的沸点T′要高，两者沸点之差称为温度差损失∆，∆=t1-T′（1）因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失Δ′；（2）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失Δ″；（3）因管路流体阻力而引起的温度差损失。单效蒸发总温度差损失为：TtA（5-4）式中tA——溶液沸点，℃，主要与溶液的类别、浓度及操作压强有关。T′——与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的饱和温度，℃在文献和手册中，可以查到常压（1atm）下某些溶液在不同浓度时的沸点数据。1溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失液层内的溶液的沸点高于液面的，液层内部沸点与表面沸点之差即为因液柱静压强而引起的温度差损失。式中pm——液层中部的平均压强，Pap′——液面的压强，即二次蒸气的压强，Pal——液层深度，m简化处理：计算时以液层中部的平均压强pm及相应的沸点tAm为准，中部的压强为：2glppm（5-10）2液柱静压强引起的温度差损失常根据平均压强pm查出纯水的相应沸点tpm，故因静压强而引起的温度差损失为：Δ″=tpm-tp′（5-11）式中tpm——与平均压强pm相对应纯水的沸点，℃tp′——与二次蒸气压强p′相对应的水的沸点，℃影响Δ″的因素：（1）沸腾时液层内混有气泡，液层的实际密度较计算公式所用的纯液体密度要小，使得算出的Δ″值偏大；（2）当溶液在加热管内的循环速度较大时，就会因流体阻力使平均压强增高。采用多效蒸发时，二次蒸气在离开前一效蒸发室流往后一效加热室的过程中要克服管道的流动阻力，从而导致蒸汽温度下降。此项温度差损失与蒸汽的流速、物性和管道的尺寸有关，一般取0.5~1.5℃。3）因管路流体阻力而引起的温度差损失传热的有效温度差式中Δt——传热的有效温度差，℃T——纯水在操作沸点，℃Ts——加热蒸气的温度，℃Δt=Ts-T-Δ=Ts-T-)(单效蒸发的计算项目有：（1）蒸发量；（2）加热蒸气消耗量；（3）蒸发器的传热面积二、单效蒸发的计算加热室蒸发室qmF,x0,t0,h0qmD,T,HqmW,T’,H’qmD,T,hwqmF-qmW,x1t1,h1QL式中qmF—原料液流量qmW—蒸发量x0—原料液的质量组成x1—完成液的组成对单效蒸发器作溶质衡算，得10)(xqqxqmWmFmF)1(10xxqqmFmW1蒸发量蒸发操作中，加热蒸气的热量一般用于将溶液加热至沸点，将水分蒸发为蒸气以及向周围散失的热量。2加热蒸气消耗量若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失，计算式可简化为：rrqqmWmDrrqqemWmD式中e——蒸发1kg水分时，加热蒸气的消耗量，称为单位蒸气耗量，kg/kg。由于蒸汽的汽化热随压强变化不大，即r≈r′，所以单效蒸发操作中e≈1，每蒸发1kg的水分约消耗1kg的加热蒸气。实际蒸发操作中e值约为1.1或更大；（1）温度差的损失的存在；（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单位蒸气消耗量蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：mtAKQmtKQA3传热面积A多效蒸发时要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效低，引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率。多效蒸发一、多效蒸发原理效数单效双效三效四效五效理论最小值11/21/31/41/5实际最小值1.10.570.40.30.27单位蒸气消耗量蒸发量与传热量成正比，多效蒸发并没有提高蒸发量，而只是节约了加热蒸汽，其代价则是设备投资增加。在相同的操作条件下，多效蒸发器的生产能力并不比传热面积与其中一个效相等的单效蒸发器的生产能力大。错误观点：多效蒸发器的生产能力是单效蒸发器的若干倍。蒸气和料液的流动方向一致，均从第一效到末效。二、多效蒸发流程1顺流法缺点：沿料液流动方向浓度逐渐增高，致使传热系数下降，在后二效中尤为严重。优点：在操作过程中，蒸发室的压强依效序递减，料液在效间流动不需用泵；料液的沸点依效序递降，使前效料进入后效时放出显热，供一部分水汽化；料液的浓度依效序递增，高浓度料液在低温下蒸发，对热敏性物料有利。二、多效蒸发流程料液与蒸气流动方向相反。2逆流法优点：浓度较高的料液在较高温度下蒸发，粘度不高，传热系数较大。缺点：（1）各效间需用泵输送；（2）无自蒸发；（3）高温加热面上易引起结焦和营养物的破坏。2逆流法3平流法原料液分别加入各效中，完成液也分别自各效底部取出，蒸气流向仍是由第一效流至末效。此种流程适用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。原料液加热蒸汽至冷凝器完成液123冷凝水冷凝水冷凝水完成液完成液平流加料法的三效蒸发装置流程示意图效数多时，也可采用顺流和逆流并用的操作，称为混流法，这种流程可协调两种流程的优缺点，适于粘度极高料液的浓缩。4混流法蒸发设备包括蒸发器和辅助设备两大部分。蒸发器主要由加热室(器)和分离室(器)两部分组成。按照溶液在蒸发器中流动情况，分为循环型和单程型两大类。一、循环型（非膜式）蒸发器特点：溶液在蒸发器内作连续的循环运动，以提高传热效果、缓和溶液结垢情况。分类：自然循环和强制循环自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同，产生了密度差而引起的循环运动；强制循环：依靠外加动力迫使溶液沿一个方向作循环运动。加热室由垂直管束组成，管束中央有一直径较大的管子。循环产生的原因：细管内单位体积液体受热面大，受热良好，致使细管内汽液混和物比粗管内小，密度差促使溶液循环。1中央循环管式（或标准式）蒸发器优点：（1）溶液循环好，传热效率高；（2）结构紧凑，制造方便，操作可靠，应用广泛，有“标准蒸发器”之称。缺点：（1）完成液粘度大，沸点高；（2）加热室不易清洗；适于处理结垢不严重，腐蚀性小的溶液。此蒸发器为中央循环管蒸发器的改进。加热蒸汽由中央蒸汽管进入加热室，加热室悬挂在器内，可取出，便于清洗及更换，循环通道由加热室与蒸发器外壳壁面内的环隙组成。优点：（1）溶液循环速度较高，约在1—1.5m/s之间；（2）改善了加热管内结垢情况，并提高了传热速率。缺点：设备耗材量大，占地面大，加热管内溶液滞留量大。该蒸发器适用蒸发有晶体析出的溶液。2悬筐式蒸发器外加热式蒸发器的特点是将加热室与分离室分开。它由加热室、分离室和循环管三部分组成。外加热式蒸发器非膜式蒸发器的主要缺点是加热室内滞料量大，致使物料在高温下停留时间过长，不适于处理热敏性物料。膜式蒸发器只通过加热室一次即可达到所需浓度，停留时间短，操作时，溶液沿加热管呈传热效果最佳的膜状流动。膜式蒸发器和非膜式蒸发器的比较：二、膜式（单程）蒸发器加热室由单根或多根垂直管组成。原料液由加热室底部引入，为高速上升的二次蒸气所带动，沿壁面边呈膜状流动。适于处理蒸发量大的稀溶液以及热敏性或易生泡的溶液；不适于处理高粘度、有结晶析出或易结垢的溶液。1升膜式蒸发器加热室与升膜式蒸发器类似。原料液由加热室顶部加入，经液体分布器均匀地流入加热管内，在溶液自身重力作用下，溶液沿管内壁呈膜状下流，并进行蒸发。适用于处理热敏性物料，但不适于处理易结晶、结垢或粘度大的溶液。2降膜式蒸发器由升膜管束和降膜管束组合而成，蒸发器底部封头内有一隔板，将加热管束均分为二。适于处理粘度变化大的溶液，或厂房高度有一定限制的场合。原料液在预热器中加热达到或接近沸点后，引入升膜加热管束的底部，汽液混合物经管束由顶部流入降膜加热管束，然后转入分离器，完成液由分离器底部取出。3升—降膜式蒸发器加热管是一根垂直的空心管，圆管外有夹套，内通加热蒸气，圆管内装可以旋转的搅拌叶片。原料液沿切线方向进入管内，由于受离心力、重力及叶片的刮带作用，在管壁上形成旋转下降的薄膜，并不断的被蒸发，完成液由底部排出。适用于高粘度、易结晶、易结垢或热敏性溶液的蒸发。缺点：结构复杂，动力耗费大，传热面小，处理能力不大。4刮板搅拌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而成，其厚度为1~1.5㎜，四周用橡胶垫圈密封，板与板之间形成蒸汽与料液流动通道。加热板排成四片一组，蒸汽在4～1和2～3板间冷凝，料液在1～2板间升膜流动，在3～4板间降膜流动。视生产能力的需要可增减板的组数。蒸发形成的汽液混合物进入离心分离器进行分离。５板式蒸发器优点：单位体积的传热面积大，效率高；操作灵活，传热面积可按要求随意增减，装拆方便；所需厂房高度小。缺点：垫圈密封要求较高，操作温度有限，不宜处理含固体微粒的料液。５板式蒸发器辅助设备（1）汽液分离器（捕沫器）从蒸发器溢出的二次蒸汽带有液沫，需要加以分离和回收。在分离室上部或分离室外面装有阻止液滴随二次蒸汽跑出的装置，称为分离器或捕沫器。装于蒸发器顶盖下面的分离器(a)(c)(b)(d)图11-14汽液分离器图：装于蒸发器外面的分离器（a）隔板式，（b）（c）（d）旋风分离器，其分离效果较好。（2）蒸汽冷凝器在蒸发操作过程中，二次蒸汽若是有用物料或会产生严重污染时，应采用间壁式冷凝器回收；二次蒸汽不被利用时，必须冷凝成水方可排除，同时排除不凝性气体。对于水蒸气的冷凝，可采用汽、水直接接触的混合式冷凝器。（3）真空装置水环真空泵、往复式真空泵及喷射泵是常用作抽真空的设备。水环泵水力喷射泵往复泵蒸发器的选用溶液的粘度热敏性晶体析出起沫性腐蚀性结垢性处理量结晶固体有晶体和非晶体两种状态晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，具有长程有序，并成周期性重复排列。非晶体是内部质点在三维空间不成周期性重复排列的