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1、第五章 真空浓缩设备,原理：利用蒸汽对真空状态下料液进行加热，使料液中的水分在减压状态下因受热气化而蒸发浓缩。,二 真空浓缩的特点,效数：指蒸汽被利用次数。效数越高，热能利用越大，但设备费用越高。一般采用双效或三效。,二 选择与要求,选择设备需对料液的性质进行考虑,结垢性 加热面形成结构热阻传热系数 清洗：化学药品或机械剥除 选择：易结垢的料液，最好选取流速较大的强制循环型或升膜式浓缩设备。结晶性 有些料液浓度增加时，会有晶粒析出，且沉积 传热面上，传热系数，堵塞管道。选择：采用夹套带搅拌的浓缩器或强制循环浓缩器。,粘滞性 有些料液浓度增加时，粘度也会，流速传热系数和生产能力。选择：不宜选自然
2、循环型，可选强制循环型、刮板式或降膜式浓缩器。热敏性 如番茄，加热温度过高，会使其颜色变深，品质。选择：料液停留时间短、蒸发温度，各种薄膜式、真空度高的设备。,发泡性 有些料液浓缩过程中，会有大量气泡，这些泡易被二次蒸汽带走，又污染其它设备。在浓缩器的结构上，要考虑消除发泡的可能性，设法分离回收泡沫。选择：强制循环型和长管薄膜浓缩器，以提高料液在管内流速。腐蚀性 食品料液有些是酸度较高的，所以浓缩设备必须抗腐蚀。选择：不锈钢材或各种防腐涂层材料的钢材,2.对浓缩设备的要求,（1）传热效果好，热能利用率高（2）结构紧凑、操作方便（3）汽液分离效果好（4）设备性能适应食品料液性质，符合生产工艺要求
3、和食品卫生。（粘度高强制循环；热敏性大低温、高速、短时）（5）具有足够的强度、耐腐蚀、易制造，便于检修和清洗。,三 真空浓缩装置操作流程,（一）单效真空浓缩装置流程,结构：浓缩锅、冷凝器、抽真空装置,3.应用：果酱生产中,(二)多效真空浓缩装置流程,并流（顺流）浓缩工艺流程图,2.逆流法（1）定义：溶液与蒸汽的流向相反。（2）流程：4t/h双效三罐番茄酱浓缩装置 料液：由末效进入，依次用泵送入前一效，最终的料液，由第一效排出。蒸汽：由一效通入，二次蒸汽顺序通入各效至末效。3.平流法(1)定义：原料向每效加入，而浓缩液自每效放出的方式。(2)过程：加热蒸汽流向仍由第一效顺序至末效,逆流浓缩工艺流
4、程图,平流浓缩工艺流程图,第二节 单效真空浓缩设备,一、中央循环式（标准式）浓缩锅,1.结构：,锅体、加热室、蒸发室,二 盘管式浓缩锅,盘管：4-5盘，每盘1-3圈，且每盘均有蒸汽进口、冷凝水排出口，各蒸汽进口均设有阀门充志蒸汽的进量。锅体：同标准式浓缩锅一样。料液有过体中部切线方向进入，浓缩液由底部排出，二次蒸汽则由顶部排出。,2.工作流程及参数,加热蒸汽以0.7-1大气压，分别通入各组盘管内，料液以一定速度由锅体中部切线方向进入，与盘管外表面进行热交换，料液因受热汽化而蒸发浓缩。,3.操作与特点,三、夹套加热室带搅拌单效浓缩装置,2.操作和特点,特点：结构简单、操作控制容易；加热面积小、生
5、产能力低，不能连续生产。,第三节 升膜式、降膜式浓缩设备,一、升膜式浓缩设备1.结构：由加热器件、循环管和分离器等加热器件：与标准式浓缩锅的在结构上大同小异，也是由外壳、垂直加热管及管板等组成。蒸汽在管间料液在管内流动。垂直加热管：30-50mm不锈钢管管长与管径比：100-150（长管式：6-8，短管式3-4m）。分离器：不绣钢圆筒，用以将二次蒸汽分离。,2.工作原理及过程料液由底部进入加热器管内，被管束间蒸汽加热后沸腾且迅速汽化，所产生的二次蒸汽及料液便在管内迅速上升，并不断被加热蒸发、浓缩。至管子顶部出口处，二次蒸汽及浓缩液以较高速度切向进入蒸发分离室。在离心力作用下，使浓液与二次蒸汽分
6、离，二次蒸汽从分离室顶部排出，浓缩液一部分通过循环管，在进入加热器底部继续浓缩，达到浓度的部分排出。,3.特点：料液沿管壁成膜状流动，进行连续加热蒸发，传热效率高（可达1744.5W/m2K）。料液在管内流动速度快，则受热时间短。减少了热敏感性料液的分解的危险性。适用于易起泡得料液，同时还能防止结垢的形成及粘性料液的沉淀。缺点是管子较长，清晰不方便。,4.使用操作操作时要控制耗进液量。一般经过一次浓缩的蒸发水分量，不能大于进料量的80%。料液过多，加热蒸汽不足，则管下部积液过多，会形成液柱上升而不能形成液膜，失去液膜蒸发的特点，传热效果大大降低。进料量液不能过小，否则已发生焦管。实践中，料液做
7、好能加热到接近沸点状态，再送入加热器内，以增加液膜在管内比例，从而提高沸腾传热系数。,二 降膜式浓缩设备,原理：料液由加热器顶部加入，在重力作用下沿管壁成液膜状向下流动。,三、升降膜式浓缩设备,第四节 刮板式、离心式薄膜浓缩设备,一 刮板式薄膜浓缩设备,1.结构：分为立式和卧式两类。主要由转轴、刮板、分离圆盘夹套加热室。加热室：为一夹套圆筒体。其直径D应适中。DF，但阻力距T，功耗N；DF，二次蒸汽流速v夹带量效果 一般D=300-800mm，L/D=5-6，F=3-5m2 刮板：4-8块对称安装，并与轴有一转向相同的夹角，成为导向角 推动料液流动 浓缩时间，一般=10 刮板与加热器的最小间隙
8、为1.50.3mm，刮板线速度。,（2）卧式 料液从稳定流量从进料口进入，经刮板在离心力作用下，抛向夹套加热室的内壁，并被刮成薄膜。与此同时在导角的作用下液膜沿轴向向后流动，被加热而蒸发浓缩。最后与二次蒸汽一起进入分离圆盘，料液在重力作用下被分离排出，二次蒸汽则从上部排除。,二 离心式薄膜浓缩设备结构：其构造与碟式分离机相似。工作原理：通过离心圆盘所产生的离心力，使料液分布于离心圆盘表面，形成薄膜，与离心盘的夹套内蒸汽进行热交换，蒸发浓缩。特点：传热效率很高，蒸发强度大的新型浓缩设备；料液受热时间短，约1-2秒，形成0.1mm的液膜。特别适合果汁和其它热敏性液体食品进行浓缩。由于离心盘间的距离
9、小，故对粘度大、易结晶、易结垢的区料不大适用；结构较复杂，造价较高。,3.特点：料液在浓缩时成液膜流动，且不断更新，故传热系数高。结构简单。适合于浓缩高粘度的果汁、蜂蜜或含有悬浮颗粒的料液。,第五节 片式浓缩装置,1.结构：结构同片式换热器完全相同2.工作原理：料液：由泵强制通入加热器体，由片1与片2之间上升，然后从片3与片4间下降。料液加热后，部分水分蒸发为二次蒸汽与浓缩液一起进入底部通道，引入分离时进行分离。蒸汽：通入片2、3间和1、4间，通过片壁使料液加热，冷凝排出。,特点 结构紧凑、占地面积小、料液受热时间短蒸发能力大（2.0kg水/1kg蒸汽）。适于浓缩较高浓度产品，且易清洗。,第六
10、节 真空浓缩装置的附属设备,主要包括：捕集器、冷凝器、真空装置,一 捕集器作用：防止蒸发过程中形成细微液滴被二次蒸汽夹带走，减少料液损失。,2.类型（1）惯性型：在二次蒸汽流经的通道上，设置若干挡板，使带液滴的二次蒸汽多次改变方向，同时与挡板碰撞，从而与气体分离。正常操作时效果较好，但阻力损失大。（2）离心型：与旋风分离器相似。只有蒸汽速度很大时（一般12-30m/s；真空状态下可达60-70m/s），操作性能才较好，但阻力损失大（40-100mmHg）。（3）表面型：靠多层金属网或者磁圈等粘附在其表面。食品工业应用少。,（2）表面式冷凝器结构：由干式真空泵、给水泵、表面冷凝器等。原理和流程：
11、与管壳式热交换器相同。二次蒸汽与冷却水通过管壁间接换热、冷凝。特点：结构较简单。由于间接换热，加之壁垢产生，故二次蒸汽与冷却水终端温差大（一般达10-12）。即冷却水使用不经济。（3）低水位冷凝器,3.对捕集器的要求（1）良好的分离效果；（2）阻力损失小；（3）料液应能顺利流回蒸发室；（4）结构简单、尺寸小、易于清洗。,二 冷凝器1.作用：将真空浓缩产生的二次蒸汽进行冷凝，以减轻真空系统的容积负荷，保证达到所需的真空度。2.真空冷凝装置的种类与构造（1）大气式冷凝器结构：由干式真空泵、给水泵、大气冷凝器和汽液分离器等。冷凝器体：钢板制成的圆筒，同内装有淋水板。淋水板：板面积为冷却器断面积的60
12、-70%。原理和流程：二次蒸汽与冷却水直接逆流混合接触换热、冷凝。,（4）喷射式冷凝器结构：由喷嘴、吸气室、混合室、扩散室组成。喷嘴：按同心圆排列1-3圈，大小按工况选择。圆锥导向挡板：对水流起缓冲、导向作用。混合室：候部截面积F2与喷嘴出口总截面积F1之比F2/F2=3-4。工作原理：工作时，借助离心水泵的动力，将水压入喷嘴，使水流以15-30m/s的高速射入混合室及扩散室，这样在吸气室形成低压区（P+rv2/2g，v P）。因此，二次蒸汽便被不断地吸入，与水流混合、冷却排出，并起抽真空作用。,特点：结构简单、造价低廉；兼有冷凝及抽真空的双重作用，故不必再配真空装置；整个冷凝气功耗小；可用于
13、抽吸腐蚀性气体。但是，不能获得较高的真空度（一般600-700mmHg）,安装注意事项二次蒸汽的吸入管，应按蒸汽流速50-80m/s选择管 径，以尽量减少阻力损失；进水管路应尽量减少管件（如接头、弯管等），减少阻力损失；排水管要求垂直无弯头。若必须曲折，折角不大于45，并折弯不得多于两次。管路及各接口应严密，出水管下端应在水面下约200mm；运转时，供水泵压力要稳定。操作停止时，应先破坏浓缩国内真空度，然后再关闭水泵，避免冷水倒流至浓缩锅内。,三种冷凝装置比较 对同一级蒸汽处理量来说，大气式用水量省，仅为表面和喷射的一半。就功耗而言，喷射式小，一般省功30-40%。又喷射式的冷却水可以循环使用
14、。故在真空度要求不是很高的情况下一般选用喷射式冷凝器。,计算a）冷却水消耗量 由热量平衡进行计算。即二次蒸汽冷凝释放出的热量等于冷却水所吸收的热量 W=D（i-i0）/C（tK-tH）（kg/h）D：二次蒸汽量（kg/h）i：二次蒸汽热焓（J/kg）i0：二次蒸汽冷凝热焓（J/kg）tK：冷却水进口温度（K）tH：冷却水出口温度（K）C：冷却水的比热（J/kgK）,b）抽射系数 0=Va/V Va：被吸入不凝结气体体积流量（m3/h）；V：工作介质（冷水）的体积流量（m3/h）0=K（Pb/Pc）1/2-1c）喷管与喷嘴截面积d）排水管直径,三 真空装置1.作用：抽取不凝结气体，保证整个浓缩装
15、置处于真空状态下，使料液在低温下沸腾蒸发浓缩，以利于提高食品的质量。根据经验，不凝结气体量,G=0.0025（Qg+Qs）+0.01 Qg(kg/h),2.常用真空装置 机械泵：水环式、往复式（湿式、干式）喷射泵：水利喷射、蒸汽喷射（1）湿式真空泵：可将冷却水和不凝结气体一同抽出。机体笨重、真空度低、功耗大、效率差、维护费用高。（2）干式真空泵：与干式逆流冷凝器配合使用，只抽吸不凝结气体。效果较好、使用广泛。一般真空度可达750mmHg。,（3）水环式真空泵：结构类似于离心水泵。利用叶轮在轮壳中旋转，连续不断地抽吸与排出气体。结构简单、紧凑、操作可靠、排气量均匀。但因转速较高，泵内水环冲击磨损
16、是真空度降低。一般极限真空度730-740mmHg。（4）水利喷射泵：同喷射式冷凝器完全一样。,（5）蒸汽喷射泵：原理同水利喷射。主要区别是采用较高压力的蒸汽作为动力源。特点是安装高度（10m），可采用多级串联组合，以达到较高真空度。一般单级真空度最高可达720、双级740-750、三级可达755-758 mmHg。,【蒸发器的选型】考虑原则1.料液在蒸发过程中的停留时间 时间，则热敏性料液的品质 终端料液粘度，传热效果 热敏性料液：应选升降膜式或刮板式2.总传热系数 传热面积和温差一定，传热系数，传热量，蒸发量 高粘度料液：选降膜式 低粘度料液：选升、降膜式、刮板式,3.生产强度：指单位时间
17、内蒸发面积上的蒸发水分量。真空浓缩锅：传热面积小、温差大、生产强度高；多小蒸发器：效数越多，温差损失，生产强度尽管多效了经济性，但生产强度。,蒸发器的主要性质,第七节 真空浓缩装置的主要工艺计算,一 物料衡算（一）单效浓缩设备,蒸发水分量（或二次蒸汽量）：W=S（1-B0/B1）（kg/h）S：料液进料量（kg/h）B0：原料液浓度（%）B1：浓缩液浓度（%）,（二）多效浓缩设备 1.蒸发水分量 W=S（1-B0/Bn）（kg/h）Bn：末效浓缩液浓度（%）2.最终产品的量 S0n=S B0/Bn（kg/h）3.料液最终浓度 Bn=S B0/(S-W1-W2-Wn)（%）Wn：各效所蒸发的水分
18、量（kg/h）,三 热量计算（一）单效浓缩设备1.热能消耗：Q总=Q1+Q2+Q3+Q4 蒸发水分耗热Q1 消耗于进料的加热Q2；如果进料的温度等于料液煮沸的温度t2，则在进料加热上的热损失为零；若t1t2，则热量的消耗为负数；消耗于浓缩器的加热Q3；,消耗于向周围介质热损失Q4 Q1=W L1（J）Q2=SC（t1-t2）（J）Q3=W1C1（t1t2）（J）Q4=（Q1+Q2+Q3）3%（J）式中 L1：二次蒸汽气化潜热（J/kg）L1=i2-t2C C：料液比热（J/kg K）i2：二次蒸汽热焓（J/kg）t1、t2：料液进料温度和浓缩液温度（）t1、t2：浓缩开始温度和浓缩锅蒸发温度（
19、）W1：浓缩锅的重量（kg）C1：浓缩锅的比热（J/kg K）,2.蒸汽消耗量 D=Q总/（i1-iK）（kg/h）i1：加热蒸汽热焓（J/kg）iK：加热蒸汽冷凝水热焓（J/kg）,（二）多效浓缩设备1.自蒸发系数 n=（tn-1-tn）/（i n-tn C）i n：第n效中所产生的二次蒸汽热焓（J/kg）tn-1、tn：分别为n-1、n效中的溶液温度（K）一般并流式n2.蒸发系数 n=（In-tK CK）/（i n-tn C）In：第n效加热蒸汽的热焓（J/kg）tK：第n效加热蒸汽的冷凝水温度（K）如果溶剂是水，则n可近似取1.0,3.蒸发水分量及第一效加热蒸汽量 第n效 Wn=Dnn+
20、（SC-W1-W2-Wn-1）n n 第一效 W1=D11+SC1 1 第二效 W2=D22+（SC-W1）2 2 式中：n：热损失系数（）D1:第一效加热蒸汽量(kg/h)将上面各式变为的函数式 W1=D1a1+b1 W2=D1a2+b2 Wn=D1an+bn 则 W=W1+W2+Wn=A D1+B 化简第一效加热蒸汽 D1=（W-B）/A(kg/h),三 传热面积计算（一）单效浓缩设备 F=Q总/（KT）（m2）K：传热系数（W/m2K）T：加热蒸汽温度（t1）与浓缩 料夜的温度（t2）之差（K）,（二）多效浓缩设备 根据浓缩操作得出，任何效的加热蒸汽温度（T）必须高于溶液的沸点温度（t）
21、，保持一定温差（T-t），浓缩操作才能正常进行。各效温度差用tn表示，则t1=T1-t1，t2=T2-t2，tn=Tn-tn，如果无温度损失t，则溶液的沸点即等于二次蒸汽温度，也等于进入次一效加热蒸汽的温度。,所以各效的总温度差为：t总=t1+t2+tn=T1-TnTn：末效二次蒸汽的温度（K）由于有温度损失，所以t=t总-=n+n+m-nn：溶液沸点升高温度损失（K）；n：溶液的静压引起温度损失（K）；m-n：各效间二次蒸汽在管路中温度损失（K），取1,1.确定各效传热面积相等，对有效温差进行分 以三效浓缩装置为例：F 1t 1=Q 1/K 1；F 2t 2=Q 2/K 2；F 3t 3=Q
22、 3/K 3；F 1=F 2=F 3t 1：t 2：t 3=Q 1/K 1：Q 2/K 2：Q 3/K 3；各效的有效温度差如下：t 1/t=（Q 1/K 1）/（Q 1/K 1+Q 2/K 2+Q 3/K 3）t 2=t（Q 2/K 2）/（Q 1/K 1+Q 2/K 2+Q 3/K 3）t3=t（Q 3/K 3）/（Q 1/K 1+Q 2/K 2+Q 3/K 3）,有此可得多效浓缩锅中任何一效（x）的有效温度差t x t x=t（Q x/K x）/（Q x/K x）如果各效二次蒸汽温度为已知时，则可根据各效温度损失，求出各效溶液的沸点温度，各效的有效温度差，即为各效加热蒸汽温度（T）与各效
23、溶液沸点温度（t）之差。,2.确定各沸点的方法（1）假定各效蒸汽压强之间，具有相等的压强降以P0表示第一效加热蒸汽的压强，PK表示末效二次蒸汽进入冷凝器的压强，则总压降，P=P0-PK，各效压强降Px=P/n，由 Px即可求出各效二次蒸汽温度。,忽略蒸汽管道中的压强降，则第三效蒸发室上部空间压强P3=PK。由P3可查出相应的饱和蒸汽温度T3（即三效的二次蒸汽温度）。第二效蒸发室的压强P2=P3+P/3，由P2可查出相应的饱和蒸汽温度T2，同理，由P1可查出相应的饱和蒸汽温度T1。由各效的二次蒸汽温度和有效温度差，则可求出各效溶液的沸点温度，然后再求出其它参数及核算。,四 蒸发室直径及高度计算,（一）蒸发室直径计算,D：（kg/h）；V0：（m3/kg）；W0：（m/s）,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,
