液體濃縮的技術(shù)

1、食品技術(shù)原理課程講稿-第八章液體濃縮第 20 頁，共 20 頁第八章液體濃縮技術(shù)一、概述1、濃縮是從溶液中除去部分溶劑的單元操作，是溶質(zhì)和溶劑均勻混合液的部分 分離過程。2、濃縮和干燥的意義不同：濃縮過程中，水分在物料內(nèi)部是借對流擴(kuò)散作用從液相內(nèi)部達(dá)到液相表面而后除去，最低水分含量約30%（質(zhì)量），一般為穩(wěn)定狀態(tài)的過程。而干燥過程中，水分在物料內(nèi)部最終必將借分子擴(kuò)散作用從固相中除去， 且一般為不穩(wěn)定狀態(tài)的過程。二、濃縮方法：從原理上說分平衡濃縮和非平衡濃縮兩種物理方法。 平衡濃縮是利用兩相在分配上的某種差異而獲得溶質(zhì)和溶劑分離的方法。 蒸發(fā)濃縮和冷凍濃縮即屬此法。蒸發(fā)濃縮在實踐上是利用加入熱能

2、使部分溶劑汽化，并將此汽化水分從余下的被濃縮溶液中分離出去。 即使溶劑汽化達(dá)到使溶質(zhì)增濃的目的。 這種方法目前 仍然是食品工業(yè)最廣泛應(yīng)用的一種濃縮方法。冷凍濃縮是利用稀溶液與固態(tài)冰在凝固點下的平衡關(guān)系，即利用有利的液固平衡條件。冷凍濃縮時，部分水分因放熱而結(jié)冰，而后用機(jī)械方法將濃縮液與冰 晶分離。蒸發(fā)和冷凍濃縮，兩相都是直接接觸的，故稱平衡濃縮。 非平衡濃縮：是利用半透膜來分離溶質(zhì)與溶劑的過程，兩相用膜隔開，因此分離不是靠兩相的直接接觸，故稱非平衡濃縮。利用半透膜的方法不僅可以分離溶質(zhì)和溶劑，而且也可用以分離各種不同大小的溶質(zhì)，因此統(tǒng)稱為膜（滲）分離。結(jié)晶是使溶質(zhì)呈結(jié)晶狀從溶液中析出的單元操作

3、，也是溶質(zhì)和溶劑均勻混合物的部分分離過程。結(jié)晶操作與冷凍濃縮操作雖然都是利用固-液平衡條件的操作，它們的不同點：在于分離的目的，在于它們的操作原理及其前提條件。在一 定的條件下，實現(xiàn)的是溶質(zhì)從溶液中析出，而在另一條件下實現(xiàn)的則是溶劑從溶 液中成冰晶析出。濃縮和結(jié)晶操作在食品工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，是食品工程上極其重要的單元操作。這些操作的原理都涉及到溶液的熱力學(xué)問題。第一節(jié)蒸發(fā)及其特點食品工業(yè)濃縮的物料大多數(shù)為水溶液。一般蒸發(fā)就指水溶液的蒸發(fā)。 食品濃縮的物料，有的直接用原液，如牛奶、血液等，有些榨出汁如水果、蔬菜、甘蔗 的榨出汁，也有用萃取液如咖啡、茶、肉、甜菜等。一、蒸發(fā)的基本概念（一）、蒸

4、發(fā)的概念1、定義：蒸發(fā)濃縮是利用溶劑和溶質(zhì)揮發(fā)度的差異，從而獲得一個有利的 汽液平衡條件，達(dá)到分離的目的。2蒸發(fā)原理：按照分子運動學(xué)觀點，溶液受熱時，溶劑分子獲得了動能，當(dāng) 一些溶劑分子的能量足以克服分子間的吸引力時，溶劑分子就會逸出液面進(jìn)入上部空間，成為蒸汽分子，這就是汽化。如果不設(shè)法除去這些蒸汽分子，則汽相與 液相之間，水分的化學(xué)勢將漸趨平衡，汽化過程也相應(yīng)逐漸減弱以至停止進(jìn)行。 故進(jìn)行蒸發(fā)的必要條件就是熱能的不斷供給和生成的蒸氣的不斷排除。一般說來，溶液在任何溫度下都會有水分的汽化。但這種汽化速度很慢， 效率不高，所以工程上多采用在沸騰狀態(tài)下的汽化過程。通常說的蒸發(fā)就是指的這種過程。為了

5、維持溶液在沸騰條件下汽化，需要不斷地供給熱量，通常多采用飽和水蒸氣為熱源。飽和水蒸氣在冷凝過程中放出的汽化潛熱提供蒸發(fā)所需的熱 量。由此可見，從換熱角度看，蒸發(fā)器中進(jìn)行的蒸發(fā)一方是水蒸氣的冷凝放熱， 另一方是溶液的沸騰放熱。(二) 食品濃縮的目的是：(1) 除去食品中大量水分，減少包裝、貯藏和運輸費用。例如100噸含5%固形物的番茄榨出汁濃縮至含固形物 28%的蕃茄醬，重量 將減至18噸，為原重量的1/5左右，體積縮小大致與此相同。 這樣可大大降低包 裝、貯藏和運輸?shù)馁M用。(2) 提高制品濃度，增加制品的保藏性。用濃縮方法提高制品的糖分或鹽分可使水分的活度降低。使制品達(dá)到微生物學(xué)上安全的程度，

6、延長制品的有效保藏期。例如，含鹽的肉類萃取液濃縮到不致 產(chǎn)生細(xì)菌性的腐敗。(3) 濃縮經(jīng)常用作干燥、更完全的脫水或用作某些結(jié)晶的預(yù)處理過程。這種情況特別適用于原液含大量水分，而用濃縮法排除這部分水分比用干燥法更為節(jié)約之時，如制造奶粉時，牛奶先經(jīng)預(yù)濃縮至含固形物4552%以后再進(jìn)行干燥。二、食品物料蒸發(fā)濃縮的特點料液的性質(zhì)對蒸發(fā)有很大影響。特別是食品多屬生物系統(tǒng)的物料，比一般化工上遇到的物料更為復(fù)雜多變。在選擇和設(shè)計蒸發(fā)器時，要充分認(rèn)識這種影響。 食品物料的蒸發(fā)濃縮有如下幾方面特點。1熱敏性：生物系統(tǒng)的物料多由蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、維生素以及其它許多 色、香、味成分組成。這些物質(zhì)在高溫下或長期受熱

7、時要受到破壞、變性、氧化 等作用。所以許多食品的蒸發(fā)要嚴(yán)格考慮加熱溫度和加熱時間。 加熱溫度和加熱時間是不可分割的。食品蒸發(fā)的安全性與此二因素同時相關(guān)。這就是“溫時結(jié)合”。的概念，即把溫度與時間作為統(tǒng)一體來考慮。 從食品蒸發(fā)的安全性看，力求“低溫短時”，但還要考慮工藝上的經(jīng)濟(jì)性。 在保證食品質(zhì)量的前提下，為提高生產(chǎn)能力，常采用“高溫短時”蒸發(fā)。由于料液的沸點與外壓有關(guān)，低溫相應(yīng)就是低壓，所以真空蒸發(fā)是食品工業(yè)蒸發(fā)應(yīng)用的 顯著特點之一。 為了縮短蒸發(fā)操作時的加熱時間，一方面必須減小料液在蒸發(fā)器內(nèi)的平均停留時間，另一方面還要解決局部性的停留時間問題。關(guān)于這一點，目前已發(fā)現(xiàn)長管膜式蒸發(fā)器和攪拌膜式蒸

8、發(fā)器在物料的停留時 間問題上具有很大的優(yōu)點，從而在食品工業(yè)上獲得廣泛的應(yīng)用。2腐蝕性：特別是酸性食品如果汁、蔬菜汁的濃縮，設(shè)計蒸發(fā)器時必須考慮 腐蝕性問題。設(shè)計蒸發(fā)器和其它輔助設(shè)備時，必須選用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料。對于食品，即使是輕度的腐蝕，其所引起的污染往往為產(chǎn)品規(guī)格所不允許。一般蒸發(fā)器接觸液體部分多采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，除非需要昂貴的材料才能滿足要求時，通常設(shè)計成強制循環(huán)式以節(jié)約材料的用量。3粘稠性：許多食品含有豐富的蛋白質(zhì)、 糖分、果膠等成分，其粘稠性較高。 高粘性物料的蒸發(fā)， 首先從流體動力學(xué)觀點看， 有一個層流傾向問題。 即使 物料受到強烈攪拌，在傳熱壁附近總存在不能忽視的層流內(nèi)層，這就會嚴(yán)重影

9、響傳熱的速率。同時，由于上述原因，也還會產(chǎn)生諸如結(jié)垢，局部停留時間等一系 列問題。料液的粘稠性隨濃度而增加，隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，料液粘度也必然逐漸增加， 所以蒸發(fā)過程中的傳熱速率預(yù)感期也會逐漸降低。對于粘性制品的蒸發(fā)， 一般采由外力強制的循環(huán)或攪拌措施。4結(jié)垢性：蛋白質(zhì)、糖和果膠等受熱過便會產(chǎn)生變性、結(jié)塊、焦化等現(xiàn)象。通常在傳熱面附近， 物料溫度最高。容易在傳熱壁上形成污垢，嚴(yán)重影響傳熱速率。解決結(jié)垢問題的積極措施是提高液速。經(jīng)驗證實，在其他條件相同時， 提高液速，可顯著減輕污垢的形成，這是由于高液速的洗刷作用所致。因此在可能發(fā)生嚴(yán)重結(jié)垢現(xiàn)象的情況下，采用強制循環(huán)法是有效的。另外， 對不可避免的結(jié)

10、垢問題，必須有定期的嚴(yán)格清理措施。5泡沫性：某些食品物料沸騰時要形成穩(wěn)定的泡沫，特別是在真空蒸發(fā)和液層靜壓高的場合下更是如此。泡沫的形成與界面張力有關(guān)。界面張力發(fā)生在蒸汽、 過熱液體和懸浮固體之間，固體在形成汽泡時起著核心的作用。一般，可使用表面活性劑以控制泡沫的形成。也可用各種機(jī)械裝置以消滅泡沫。6易揮發(fā)成分：不少液體食品含有芳香成分和風(fēng)味成分，其揮發(fā)性比水大。 料液蒸發(fā)時，這些成分將隨同蒸汽一起逸出，影響濃縮制品的質(zhì)量。低濕濃縮雖然可減少香味成分損失，但更完善的方法是采取回收措施， 回收后再摻入制品中。第二節(jié)蒸發(fā)器類型及其選擇一、蒸發(fā)器的組成蒸發(fā)器主要由加熱室（器）和分離室（器）兩部分組成

11、。加熱室的作用是利用水蒸氣為熱源來加熱被濃縮的料液。加熱室的型式最初采用的是夾套式和蛇管式，其后有臥式短管加熱室和豎式短管加熱室， 為了強化 傳熱過程，采用強制循環(huán)代替自然循環(huán)，也有采用帶葉片的刮板薄膜蒸發(fā)器等。分離室的作用是將二次蒸汽中夾帶的霧沫分離出來。二次蒸汽之所以夾帶霧沫，是因液體沸騰時，汽泡到達(dá)液面破裂后，產(chǎn)生許多小霧滴所造成。為使這些 霧滴下落回到液體中，分離室須具有足夠大的直徑和高度以降低蒸汽流速，并有充分機(jī)會使其返回液體中。分離室的型式，最初是將其置于加熱室之上并與后者并成一體。其后，出現(xiàn)了外加熱型加熱室（加熱器），分離室也就獨立成為分離器。以下簡單介紹幾種食品工業(yè)上常用的典型

12、蒸發(fā)器。（一）標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)圖8-1所示為標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器。蒸發(fā)器由上、下兩部分構(gòu)成，下部為加熱室， 上部為分離室。加熱室由沸騰管、中央循環(huán)管與上、下管板所組成的加熱管束。殼內(nèi)的管外 空間為蒸汽室，蒸汽在此進(jìn)行冷凝。 中央循環(huán)管是一根直徑遠(yuǎn)大于沸騰管直徑的 粗管，其截面積不小于總加熱管束截面積的3540%。因此，一定量溶液在中央管內(nèi)所占有的傳熱面積就相應(yīng)較之在沸騰管中者為小，就產(chǎn)生溶液由中央管下 降，而由沸騰管上升的不斷循環(huán)，因而它是一種自然循環(huán)型蒸發(fā)器。蒸發(fā)器上部為分離室。分離室的圓筒體上有視鏡、人孔、洗滌裝置和照明裝 置等。筒體高度一般不小于 1.82.5m，可保證液滴不被帶出。分離器頂部有

13、捕沫器， 用以分離霧沫，保證二次蒸汽潔凈， 有利于下一效蒸 發(fā)器的加熱。分離器頂部連接二次蒸汽排出管。標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器的缺點是在增強循環(huán)方面有一定限制，因而沸騰液一側(cè)的傳熱膜系數(shù)也受到限制。另外不便清洗和更換管子。n, 3二料細(xì) nrtitSd I 4u Hj *一廿-其中：(1)的導(dǎo)流管具有螺旋形溝槽的圓柱體；(2) 的導(dǎo)流管下端錐體端面向內(nèi)凹入，以免液體再向中央聚集；(3) 是利用加熱管上端管口的齒縫來分配液體；(4) 是靠管子上端的旋液分配器，用于強制循環(huán)降膜蒸發(fā)器中。降膜蒸發(fā)器布膜裝置的好壞，直接影響傳熱效果。降膜蒸發(fā)器因不存在靜液層效應(yīng)，物料沸點均勻，甚為廣泛，例如牛奶、果 汁等散濃縮。

14、升降膜蒸發(fā)器是升膜蒸發(fā)與降膜蒸發(fā)相結(jié)合的蒸發(fā)器。將加熱器豎管束分成兩程，一程作稀液的升膜蒸發(fā)部分，另一程為濃稠液的降膜蒸發(fā)部分。如此結(jié)合，既有以兩程代單程， 縮短加熱器長度的優(yōu)點， 而又可因分段濃縮各取 有利方面以避免固有的缺點。另外還有由機(jī)械的作用形成的刮板薄膜蒸發(fā)器、由板式熱交換器與分離器組合而成的板式蒸發(fā)器等。二、蒸發(fā)器的選用選擇蒸發(fā)器時要考慮多方面的因素，歸納起來有如下幾點：1、生產(chǎn)能力，通常是以每小時的水分蒸發(fā)量來表示；2、濃縮度，通常以濃縮制品的固體百分含量來表示；3、制品熱敏性，與停留時間及蒸發(fā)溫度有關(guān)；4、制品的粘度；5、揮發(fā)性物質(zhì)的回收；6、衛(wèi)生結(jié)構(gòu)及清洗的要求；7、裝置大小

15、，與廠房大小有關(guān)；8、投資費用及操作費用。制品的熱敏性是食品濃縮的一個重要問題。對于熱敏食品，停留時間過長和蒸發(fā)溫度過高均有導(dǎo)致食品變質(zhì)破壞的危險。對于粘性制品，蒸發(fā)器必須要有使料液分散成液膜，并使之以高速流過傳熱面。方法可用攪拌膜式、升降膜式及離心膜式等。如果制品既粘稠，又是熱敏， 蒸發(fā)器還必須滿足熱敏制品的要求。不同蒸發(fā)器能夠處理的最高濃縮粘度見表8-1。加熱溫差大可以節(jié)約蒸發(fā)器的傳熱面而且濃縮度高，因而可縮短停留時間， 為了使蒸發(fā)器能夠在較高的溫差下操作，其結(jié)構(gòu)應(yīng)能正確控制濃膜厚度及液膜沿傳熱面流過的速度。 不過，溫差大對于普通蒸發(fā)器可能有結(jié)焦的危險，特別是對于含有豐富蛋白質(zhì)的制品。綜上

16、所述，對于食品的濃縮，選用蒸發(fā)器時，應(yīng)特別注意制品的熱敏性和粘 性。可參閱表8-1。表8-1蒸發(fā)器的選用制品熱 敏性制品粘度使用的蒸發(fā)類型說明無低或中等管式、板式、固定圓錐式水平管式不適于易結(jié)垢制 品無或小高真空鍋、刮板膜式、旋轉(zhuǎn)圓 錐式洋菜、明膠、肉浸出液的濃 縮可米用間歇式熱敏低或中等管式、板式、固定圓錐式包括牛奶、果汁含固體適度 的制品熱敏高刮板模式、旋轉(zhuǎn)圓錐式包括多數(shù)果汁濃縮液、酵母 浸出液及某些藥品。對漿狀 制品只能用刮板膜式高熱敏低管式、板式、固定圓錐式要求單程蒸發(fā)高熱敏高旋轉(zhuǎn)圓錐式或板式要求單程蒸發(fā)。包括橙汁濃 縮液、蛋白和某些藥物第三節(jié)、蒸發(fā)系統(tǒng)一、單效真空蒸發(fā)（一）單效真空蒸

17、發(fā)的概念凡溶液在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，所產(chǎn)生的二次蒸汽不再加以利用，則此種操作稱 為單效蒸發(fā)，為了濃縮熱敏物料，必須盡可能使操作保持在低溫下進(jìn)行。因為蒸發(fā)時，物系的變化是在定溫定壓下進(jìn)行的相變過程。一定的蒸發(fā)溫 度對應(yīng)于一定的蒸發(fā)壓力，所以可利用降低蒸發(fā)壓力的辦法達(dá)到降低蒸發(fā) 溫度的目的。如蒸發(fā)壓力低于大氣壓，則稱此蒸發(fā)為真空蒸發(fā)。單效真空 蒸發(fā)在食品工業(yè)上如果醬類生產(chǎn)中，采用這種流程較多。（二）單效真空蒸發(fā)裝置如下圖所示。它包括一個長管加熱器和一個分離器。 除了蒸發(fā)器以外單效真空蒸發(fā)裝置一般還應(yīng)有如下的附屬設(shè)備：si?-）削效n空賺發(fā)濤輕1冷凝器：對于單效或多效蒸發(fā)，最后一效的二次蒸汽通常用冷卻水冷

18、凝 的方法來排除，所以冷凝器是蒸發(fā)設(shè)備的重要組成部分。蒸發(fā)器所產(chǎn)生的大量二次蒸汽必須設(shè)法排除掉，方法是將其導(dǎo)入冷凝器進(jìn)行 冷凝。蒸發(fā)裝置中的冷凝器形式很多，有高位氣壓式冷凝器和低位冷凝器，低位冷凝器又有逆流干式、并流干式、并流濕式之分。此外尚有水力噴射冷凝器。當(dāng)冷凝的蒸汽是有價值的物質(zhì)而且不能與冷卻水混合時，則采用表面式冷凝器。這種冷凝器價格高，耗水用最大。所以沒有此必要時，一般均采用混合式冷 凝器。2、真空泵：因為冷凝器所能冷凝的氣體主要為水蒸氣。而空氣等不凝結(jié)氣體如不設(shè)法除去，系統(tǒng)的真空度不可能長久維持。使用真空泵的目的就是抽出這些不凝結(jié)氣體。真空蒸發(fā)所采用的真空泵有往復(fù)式真空泵、水環(huán)式真

19、空泵、蒸汽噴射真空泵和水力噴射器等。 除采用水力噴射冷凝器的場合外，當(dāng)用其它各式冷凝器時， 必須配備真空泵。因為水力噴射冷凝器實際上兼有冷凝器和真空泵的雙重作用。3、疏水器：其作用是使蒸發(fā)器的蒸汽利用經(jīng)濟(jì)、保持傳熱良好。同其他水 蒸氣加熱設(shè)備一樣，必須裝置排除冷凝水的設(shè)備，即疏水器。疏水器的形式甚多， 有浮球式、熱動力式、鐘形浮子式等。4、不凝氣排除裝置：為保持加熱室的傳熱效率，必須設(shè)法不斷排除其中的 不凝結(jié)氣體。方法是在加熱器側(cè)壁上設(shè)抽氣管口，并連以管子和排氣閥門。5、捕沫器：蒸發(fā)操作時，一個很重要的問題是盡量避免或減少霧沫被二次 蒸汽帶出。濃縮時，霧沫夾帶對得率和蒸發(fā)能力均有影響。如果是多

20、效蒸發(fā)，還可能使下一效加熱面形成污垢或腐蝕。特別在果蔬汁如蕃茄汁的濃縮時，強腐蝕性酸霧會帶來嚴(yán)重的后果。造成霧沫夾帶的原因有：（1）泡沫：液料的表面張力減小是造成泡沫的原因之一；（2）蒸汽高速流動：蒸汽流動速度過快，必然促使霧沫伴隨而行；（3）溶液的急劇蒸發(fā)：溶液溫度偏高，而蒸發(fā)溫度偏低，發(fā)生突然閃急蒸發(fā)，形成霧沫。一般而言，絕對防止霧沫的發(fā)生是不可能的，但要盡量減少霧沫夾帶，方法是采用捕沫器（霧沫分離器）。捕沫器的結(jié)構(gòu)原理不外兩種：其一是利用氣流與 擋板的碰撞作用，使霧沫破裂，并使流向急劇改變，阻止其外逸；其二是利用離 心力，便密度較大的液滴與二次蒸汽分離，流回蒸發(fā)器中。（二）真空蒸發(fā)器裝置

21、內(nèi)的傳熱蒸發(fā)過程實質(zhì)上是以傳熱為主的過程。蒸發(fā)器和冷凝器的結(jié)合是兩個熱交換器的串聯(lián)。蒸發(fā)器將熱能從加熱介質(zhì)轉(zhuǎn)移到二次蒸汽中去，然后由冷凝器又將二次蒸汽的熱能轉(zhuǎn)移到冷卻介質(zhì)中去。熱量傳遞的總趨勢是從加熱介質(zhì)放熱開始， 以冷卻介質(zhì)吸熱而告終。若所用的冷凝器為表面式冷凝器， 則整個單效真空蒸發(fā)系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)移一般 包括下述七個階段， 每一階段均包含著傳熱的阻力。每經(jīng)一階段，溫度或多或少都有下降，同時，當(dāng)加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)溫度一定時，蒸發(fā)器內(nèi)沸騰溫度不僅與蒸發(fā)器傳熱有關(guān)，而且也與冷凝器的傳熱有關(guān)。冷凝器的任何傳熱故障都會立即 影響蒸發(fā)器內(nèi)的沸騰溫度，上述七個傳遞阻力如下：（1）蒸發(fā)器加熱側(cè)的傳遞阻力。此

22、項熱阻一般較小，不是全過程的控制因素；（2）蒸發(fā)器傳熱壁熱阻，通常也很小，但管壁形成嚴(yán)重結(jié)垢時，垢層的熱阻可 能占有顯著地位；（3）蒸發(fā)器沸騰側(cè)的傳遞阻力，與上述阻力相比，此項阻力在蒸發(fā)器傳熱中占 有支配地位。由于溶液的沸點升高，二次蒸汽略呈過熱狀態(tài)。（4）二次蒸汽從分離室沿管線向冷凝器轉(zhuǎn)移時，要發(fā)生熱損失和流動阻力。如 無熱損失，蒸汽焓值不變，溫度變化也不大，如熱損失較大，則蒸汽過熱度逐漸 解除，溫度也相應(yīng)有所降低。（5）冷凝器蒸汽側(cè)的傳遞阻力。此項阻力與（1）相似。（6） 冷凝器冷卻壁熱阻。此項阻為與（2）相似。（7）冷凝器冷卻介質(zhì)側(cè)的熱阻為表面式冷凝器的主要熱阻。綜上所述，對于使用 表面

23、式冷凝器的場合，全過程的控制因素是（3）、（7） 兩項；對于使用混合冷凝器的場合，則（5）（ 6）、（ 7）三項阻力或不存在或可忽 略不計，此時主要阻力集中于蒸發(fā)器，而其中又以（3）項阻力為主要控制因素為此。如上所述，熱量自加熱介質(zhì)轉(zhuǎn)移的過程中，要產(chǎn)生溫度的逐步降落。（三）蒸發(fā)裝置內(nèi)的溫差損失由于單效蒸發(fā)系統(tǒng)的地?zé)崃總鬟f， 包括上述7的階段，每個階段都有傳遞阻 力，因此美經(jīng)過一個階段， 溫度都有或多或少的損失。 研究蒸發(fā)裝置內(nèi)的溫差損 失及蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)是一個十分重要的問題。設(shè)采用混合式冷凝器，并由真空泵維持冷凝器在一定真空度下操作。在此真空度下，水蒸氣和水的兩相平衡物系必有一對應(yīng)的溫度，稱

24、為冷凝溫度，以Tk表示。若加熱蒸汽的溫度為 T。則上述熱量轉(zhuǎn)移過程中所產(chǎn)生的全部溫度降落（稱為總溫差）為： To=T 一 Tk.但是，由于各種原因，蒸發(fā)器的傳熱溫差（稱為有效溫差 T）總是小于此總溫差 T。設(shè)蒸發(fā)器內(nèi)沸騰溫度為 t，則有效溫差為： T=T 一 tIii打沙Qtat%4(a1*000c.coaIMt&o亠 r(五) 單效真空蒸發(fā)器計算單效真空蒸發(fā)器的工藝設(shè)計計算項目主要有蒸發(fā)量，熱蒸汽消耗量及傳熱面積。分述如下：1 蒸發(fā)量：蒸發(fā)量計算的原理是質(zhì)量守恒定律，具體方法是物料衡算，取濃縮過程中質(zhì)量不變的物質(zhì)-絕對干固體為計算基準(zhǔn)，較為方便。設(shè) S -原料液量，kg/s;B0 -原料液中

25、的固體含量 %;W -水分蒸發(fā)量，kg/s；B1 -濃縮液的固體含量 %。則有：SB0 - ( -W|)B1或 w =S(I 邑)B1kg/s(8-9)m !t-n _i魚井我創(chuàng)也第*址嵐備就3、平流法：每效都加入原料液的方法，此法每效都平行送入原料液和排出成品。見圖8-18。此法只用于在蒸發(fā)操作進(jìn)行的同時有晶體析出的場合，例如食鹽溶液的濃縮。特點：對結(jié)晶操作較易控制，并省掉了粘稠晶體懸浮液的效間泵送。4、混流法：組合上述備種方法的方法，對于效數(shù)多的蒸發(fā)也搞采用順流和逆流并用，有些效間用順流，有些效間用逆流。參閱圖8-19。適合于在料液黏度隨濃度而顯著增加的場合下。特點：此法起協(xié)調(diào)順流和逆流的

26、優(yōu)缺點的作用，對黏度極高的料液很有用處。5額外蒸汽的運用在多效蒸發(fā)流程中，有時將某一效的二次蒸汽引出一部分用作預(yù)熱蒸發(fā)器的進(jìn)料， 或用作其他的加熱目的。這種中間抽出的二次蒸氣， 稱為額外蒸氣。從蒸發(fā)設(shè)備中引出額外蒸汽作為他用，是一項考慮工廠全局提高能經(jīng)濟(jì)利用的措施。在只需較低溫度和壓力的蒸汽就能滿足要求的地方，直接使用高壓、高溫水蒸氣經(jīng)過減壓是不經(jīng)濟(jì)的。多效蒸發(fā)操作具有蒸汽減壓的作用，所以可按要求引出所需的二次蒸汽。在多數(shù)場合下，額外蒸汽多自第 1至第2效引出。（三）多效蒸發(fā)的溫差分配在多效蒸發(fā)操作中， 蒸發(fā)溫度是逐效降低的， 否則串聯(lián)蒸發(fā)就無法實現(xiàn)。為此，必須保證要有一個逐效降低的壓力。于是

27、整個多效系統(tǒng)中壓力的遞減分配就取決于末效低壓的保持。末效為真空蒸發(fā)的情形下，取決于末效真空度的保持。在多數(shù)多效操作中， 第一效的壓力高于大氣壓。但在多數(shù)食品蒸發(fā)中， 第一效加熱蒸汽壓力為大氣壓或略高于大氣壓。在單效真空蒸發(fā)器一節(jié)中曾述及：在給定的總操作條件下，由于溫差損失，蒸發(fā)器傳熱的有效溫差總是小于總溫差 -Tk。在理想的情況下，如無一切溫差損失，則有效溫差等于總溫差。多效設(shè)備是由單效設(shè)備組成，每一效即為單效蒸發(fā)器。因此，在實際蒸發(fā)操 作中，每效蒸發(fā)器的操作都存在著三種形式的溫差損失。設(shè)第I效加熱蒸汽溫度為，冷凝器的冷凝溫度為Tk，則總溫差為譏話-Tk。 若每效無溫差損失，對 n效蒸發(fā)，顯然

28、每效傳熱溫差為:訂-鮎-Tn 二爲(wèi)二-tn = tn J _TK而總的有效溫差為：-T = （Ti -匕）（匕2）（匕- Tk ） = Ti - Tk = To可見總有效溫差等于總溫差。 在溫差損失不能忽略的情況下，總有效溫差必小于總溫差，其差值即為總溫差損失。即：:訂=訂0式中 a厶為n效溫差損失之和，即：IWinIHinIHI HZ 也=（也 1+ 1+AJ + （也 2 +也 2+也 2）+ + （ n+也 n+ An）當(dāng)有效總溫差確定之后，此溫差必須分配到各效，并滿足各效的傳熱方程，即：Qj = & A，Q2 = K2 A2 =T2Qn = K n An =Tn由此可得有效溫差分配所必

29、須遵循的如下比例關(guān)系:Q1: Q2. ：. QnK1A1 K2A2 KnAn實際上，要確定各效的有效溫差，還必須另加特定的限制原則，實用上有如下幾種：各效等面積原則；相鄰效間等壓差原則（確定各效壓力及其對應(yīng)的飽和 溫度）；各效蒸發(fā)量按經(jīng)驗比例法（對于無額外蒸汽引出的順流操作，各效水 分蒸發(fā)量有按比例進(jìn)行初步估計，求出各效水分蒸發(fā)量后， 則可計箕各效溶液的濃度，從而可進(jìn)一步求算溶液的沸點等。）和其他特殊的限制（最高蒸發(fā)溫度的限制對于熱敏食品的濃縮，常規(guī)定蒸發(fā)溫度的安全極限。如番茄醬濃縮允許的 安全極限溫度為 6065 C,當(dāng)采用多效蒸發(fā)時，第一效的蒸發(fā)溫度不能超過此溫 度）其中各效等面積原則比較

30、常用，按此原則分配溫差，則各效傳熱面積均相等，這樣就便于蒸發(fā)器的制造、安裝、檢修及操作。滿足此原則的有效溫差分配為：訐：汀2：八Q1 Q2Qn： Ki K/Kn采用多效蒸發(fā)的目的，是為了減少加熱蒸器消耗量。由以前討論可知，1千克加熱蒸汽大約可蒸發(fā) I千克的水。實施n效多效操作，理論上每蒸發(fā) I千克 水分只需1/n千克的加熱蒸汽即可，這樣，似乎效數(shù)愈多愈經(jīng)濟(jì)。實際上，由于 多方面的原因，效數(shù)是有限度的。因為： 實際耗汽量大于理論值：由于汽化潛熱隨溫度降低而增大，并且效間存在熱損失。 設(shè)備費用的增加：多效蒸發(fā)雖可節(jié)約蒸汽，但蒸發(fā)器乃甚附屬設(shè)備的費用卻要成倍地增加。及至進(jìn)一步增加效數(shù)所需的設(shè)備費用不

31、能彌補所節(jié)約的燃料費 用時，效數(shù)就達(dá)到了極限。 蒸發(fā)器有效傳熱溫差的極限隨著效數(shù)不斷增加，每效分配到的有效溫差逐減小。根據(jù)經(jīng)驗，每效分配到的溫差最少不得小于57K。否則就不可能維持料液在泡核沸騰區(qū)域內(nèi)。 料液蒸發(fā)溫度的安全極限：由于這個原因，第一效就不能使用溫度過高的加熱蒸汽，因此總溫差減小限制了效數(shù)的增加。 溫差損失的增加：沸點升高、靜壓效應(yīng)和熱損失引起的溫差損失 (要重復(fù)n次)幾乎隨效數(shù)而成比例的增加。當(dāng)效數(shù)增加到一定的數(shù)值之后， 溫差損失的總 和有可能等于總溫差，這實際上意味著各效傳熱推動力的完全消失。所以就溫差損失來看，效數(shù)也是有限度的。多效蒸發(fā)的效數(shù)最常用的是雙效、三效和四效。對于熱

32、敏性高的食品物料， 第1的蒸發(fā)溫度即受到限制，所以很少有超出兩效的設(shè)備。(五)多數(shù)蒸發(fā)的計算多效蒸發(fā)的工藝設(shè)計計算項目主要包括：(1) 水分總蒸發(fā)量和各效蒸發(fā)量(2) 加熱蒸汽消耗量(3) 各效傳熱面積多效蒸發(fā)計算雖較繁復(fù)，基本上與單效同。下面以順流加料，無額外蒸汽引出的多效蒸發(fā)為例討論求得總蒸發(fā)量的計算：多效水分總蒸發(fā)量為各效蒸發(fā)量之和，即：W =Wi W2 Wn(kg/s)對溶液中固體進(jìn)行物料衡算：SB。=(S W)Bi =(S W W0B2 二八二(S W)Bn由此得總蒸發(fā)量W = S(1 - B。)(kg/s)Bn任一效(第1效)中溶液的濃度(即i效的出料濃度)BiSBo100%S -w -她-Wn如已知各效水分蒸發(fā)量，則可按上式求出各效的濃度。但各效的水分蒸發(fā)量 必須通過后面的熱量衡算才能求得。五蒸汽再壓縮蒸發(fā)以多效蒸發(fā)代替單效蒸發(fā)具有顯著的經(jīng)濟(jì)性，已如前述。但提高熱能經(jīng)濟(jì)性 尚有其他方法，例如蒸汽再壓縮方法。1蒸汽再壓縮方法的定義：設(shè)法使蒸發(fā)出來的二次蒸汽的熱力狀態(tài)提高到 接近于原來的水蒸