蒸发单元操作的主要设备是蒸发器,还需要冷凝器、真空泵、疏水器和捕沫器等辅助设备。蒸发器是浓缩设备的工作部件,主要是由加热室(器)和分离室(器)两部分组成。加热室的作用是利用水蒸气加热物料,使其中的水分汽化。
加热室的形式随着技术的发展而不断改进。最初采用的是夹层式和蛇(盘)管式,其后有各种管式、板式等换热器形式。为了强化传热,采用强制循环替代自然循环,也有采用带叶片的刮板薄膜蒸发器和离心薄膜蒸发器等。
蒸发器分离室的作用是将二次蒸汽中夹带的料液分离出来。为了使雾沫中的液体回落到料液中,分离室须具有足够大的直径和高度以降低蒸汽流速,并有充分的机会使其返回液体中。早期的分离室位于加热室之上,并与加热器合为一体。由于出现了外加热型加热室(加热器),分离室也能独立成为分离器。
(一)循环型蒸发器
循环型蒸发器的特点是溶液在蒸发器中循环流动,以提高传热效率。根据引起溶液循环运动的原因不同可分为自然循环和强制循环。自然循环是由于液体受热程度不同产生密度差引起的,强制循环是由外加机械力迫使液体沿一定方向流动。
1.中央循环管式蒸发器
该蒸发器主要由下部加热室和上部蒸发室两部分构成,如图2-20所示。食品料液经过加热管面进行加热,由于传热产生密度差,形成了对流循环,液面上的水蒸气向上部负压空间迅速蒸发,从而达到浓缩的目的。有时,也可以通过搅拌来促进流体流动。二次蒸汽夹带的部分料液在分离室分离,而剩余少量料液被蒸发室顶部捕集器截获。
图2-20 中央循环管式蒸发器
1—加热室 2—分离室(蒸发器)
中央循环管式蒸发器结构简单,操作方便,但清洗困难,料液在蒸发器中停留时间长,黏度高时循环效果差。这种蒸发器在食品工业中应用已不再普遍。但是,在制糖工业中还用到它,主要是用在从原料中结晶精制糖。
2.外循环管式蒸发器
外循环管式蒸发器的加热室在蒸发器的外面,因此便于检修和清洗,并可调节循环速度,改善分离器中的雾沫现象。循环管内的物料是不直接受热的,故可适用于果汁、牛奶等热敏性物料的浓缩。如图2-21、图2-22所示为自然循环与强制循环的外循环管式蒸发器的示意图。
图2-21 自然循环外加热式蒸发器
1—蒸气入口 2—料液入口 3—抽出口 4—二次蒸汽出口 5—冷凝水出口 6—不凝汽出口 7—浓缩液出口 8—分离器9—加热器 10—循环管
图2-22 强制循环外加热式蒸发器
1—加热器 2—循环管 3—二次蒸汽出口4—分离器 5—浓缩液出口 6—循环泵7—加料口
(二)膜式蒸发器
根据料液成膜作用力及加热特点,膜式蒸发器有:升(降)膜式蒸发器、刮板式和离心式薄膜蒸发器、板式薄膜蒸发器。
升(降)膜式蒸发器是典型的膜式蒸发器,是一种外加热式蒸发器。溶液通过加热室一次达到所需的浓度,且溶液沿加热管壁呈膜状流动进行传热和蒸发,故其传热效率高,蒸发速度快,溶液在蒸发器内停留时间短,特别适用于热敏性溶液的蒸发。
1.升膜式蒸发器
升膜式蒸发器如图2-23所示。加热室由列管式换热器构成,常用管长6~12m,管长径之比为100~150。料液的加热与蒸发分三部分。在底部,管内完全充满料液,由于液柱的静压作用,一般不发生沸腾,只起加热作用,随着温度升高,在中部开始沸腾产生蒸汽,使料液产生上升力。到了上部,蒸汽体积急剧增大,产生高速上升蒸汽使溶液在管壁上抹成一层薄膜,使传热效果大大改善。在管顶部呈喷雾状,快速进入分离室分离,浓缩液由分离室底部排出。
图2-23 升膜式蒸发器
升膜式蒸发器由于蒸发时间短(仅几秒到十余秒),具有良好的破乳作用,所以适用于蒸发量大、热敏性及易生成泡沫的溶液浓缩,一次通过浓缩比可达4倍,它已成功地应用于乳品和果汁工业中,但不适于高黏度、易结晶或结垢物料的浓缩。
2.降膜式蒸发器
降膜式蒸发器如图2-24所示。与升膜式蒸发器不同的是,料液由加热室的顶部进入,在重力作用下沿管壁内呈膜状下降,浓缩液从下部进入分离器。为了防止液膜分布不均匀,出现局部过热和焦壁现象,在加热列管的上部设置有各种不同结构的料液分配器装置,并保持一定的液柱高度。
降膜式蒸发器因不存在静液层效应,物料沸点均匀,传热系数高,停留时间短,但液膜的形成仅依靠重力及液体对管壁的亲润力,故蒸发量较小,一次蒸汽浓缩比一般小于7。
3.升—降膜蒸发器
升—降膜蒸发器是将加热器分成两程:一程做稀溶液的升膜蒸发;另一程为浓稠液的降膜蒸发,如图2-25所示。这种蒸发器集中了升、降膜蒸发器的优点。
图2-24 降膜式蒸发器
图2-25 升—降膜式蒸发器
4.刮板式薄膜蒸发器(www.xing528.com)
如图2-26所示,刮板式薄膜蒸发器有立式和卧式两种。加热室壳体外部装有加热蒸汽夹套,内部装有可旋转的搅拌叶片,原料液受刮板离心力、重力以及叶片的刮带作用,以极薄液膜与加热表面接触,迅速完成蒸发。
图2-26 刮板式薄膜蒸发器
1—电动机 2—转轴 3—分离器 4—分配盘 5—刮板 6—夹套加热室
刮板式蒸发器有多种不同结构。按刮板的装置方式有固定式刮板和离心式刮板之分;按蒸发器的放置形式有立式、卧式和卧式倾斜放置之分;按刮板和传热面的形状有圆柱形和圆锥形两种。
刮板式薄膜蒸发器可用于易结晶、易结垢、高黏度或热敏性的料液浓缩。但该结构较复杂,动力消耗大,处理量较小,浓缩比一般小于3。
板式蒸发器是由板式换热器与分离器组合而成的一种蒸发器,见图2-27。通常由两个加热板和两个蒸发板构成一个浓缩单元,加热室与蒸发室交替排列。实际上料液在热交换器中的流动如升降膜形式,也是一种膜式蒸发器(传热面不是管壁而是平板)。数台板式热交换器也可串联使用,以节约能耗与水耗。通过改变加热系数,可任意调整蒸发量。由于板间液流速度高,传热快,停留时间短,也很适于果蔬汁物料的浓缩。板式蒸发器的另一显著特点是占地少,易于安装和清洗,也是一种新型蒸发器。其主要缺点是制造复杂,造价较高,周边密封橡胶圈易老化。
(三)多效蒸发
单效真空蒸发广泛应用于食品浓缩。单效真空蒸发的最大优点是容易操作控制,可依据物料黏性、热敏性,控制蒸发温度(通过控制加热蒸汽及真空度)及蒸发速率。但由于物料在单效蒸发器内停留时间长,会带来热敏性成分的破坏问题,且物料在不断浓缩过程中,其沸点温度随着浓度的提高而增大,黏度也随浓度及温度的变化而改变,因此浓缩过程要合理选择控制蒸发温度。由于液层静压效应引起的液面下局部沸腾温度高于液面上的沸腾温度,也是单效真空蒸发中容易出现的问题。料液黏度增大,物料在蒸发过程中湍动小,更易增大这种差异,甚至加热面附近料液温度接近加热面温度引起结垢、焦化,影响热的传递。
图2-27 板式蒸发器
单效蒸发存在热耗多、传热面积不大等缺点,限制其蒸发能力的提高。对于生产量大的现代食品工厂,单效蒸发已逐步被多效真空浓缩所代替。
1.多效真空蒸发浓缩的原理
从理论上,1kg水蒸气可蒸发1kg水,产生1kg二次蒸汽。若将二次蒸汽全部用作第二效的加热蒸汽,同样应该可蒸发产生1kg的蒸汽。但实际上,由于汽化潜热随温度降低而增大,且效间存在热量损失,蒸发1kg水所消耗的加热蒸汽量常高于理论上的消耗量。从总的蒸发效果看,由于汽化潜热随温度升高而减小,随着效数的增加,蒸发所需的蒸汽消耗量愈小,见表2-4。
表2-4 蒸发效数与蒸汽耗量的关系 单位:kg(汽)/kg(水)
多效真空蒸发器内的绝对压力依次下降,每一效蒸发器中的料液沸点都比上一效低,因此任何一效蒸发器中的加热室和蒸发室之间都有热传递所必须的温度差和压力差,这是多效蒸发的原理所在。
2.多效真空浓缩流程
由几个蒸发器相连接,以蒸汽加热的蒸发器为第一效,利用第一效产生的二次蒸汽加热的蒸发器为第二效,依此类推。按照多效蒸发加料方式与蒸汽流动方向,有顺流式、逆流式和平流式蒸发器。如图2-28所示为三效真空浓缩装置流程图。
(1)顺流加料法 如图2-28(1)所示,料液和蒸汽的流向相同,均由第一效顺序至末效,故也称并流加料法,这是工业上常用的一种多效流程。这种流程的优点:第一,由于后一效蒸发室的压力比前一效低,料液在效间的输送不用泵而可利用各效间的压力差;第二,后一效料液的沸点较前一效低,当料液进入下一效时发生闪蒸现象,产生较多的二次蒸汽;第三,浓缩液的温度依效序降低,对热敏性物料的浓缩有利。缺点是:料液浓度依效序增高,而加热蒸汽温度依效序降低,所以当溶液黏度升高较大时,传热系数下降,增加了末效蒸发的困难。
(2)逆流加料法 如图2-28(2)所示,原料液由末效进入,用泵依次输送至前一效,浓缩液由第一效下部排出。加热蒸汽的流向则由第一效顺序至末效。因蒸汽和料液的流动方向相反,故称逆流加料法。逆流加料法的优点是:随着料液向前一效流动,浓度愈来愈高,而蒸发温度也愈来愈高,故各效料液黏度变化较小,有利于改善循环条件,提高传热系数。缺点是:第一,高温加热面上的浓料液的局部过热易引起结垢和营养物质的破坏;第二,效间料液的输送需用泵,使能量消耗增大;第三,与顺流相比,水分蒸发量稍低,热量消耗稍大;第四,料液在高温操作的蒸发器内停留时间比顺流长,对热敏性食品不利。通常逆流法适于黏度随温度和浓度变化大的料液蒸发。
(3)平流加料法 如图2-28(3)所示,每效都平行送入原料液和排出浓缩液。加热蒸汽则由第一效依次至末效。平流法适用于在蒸发进行的同时有晶体析出的料液的浓缩,如食盐溶液的浓缩结晶。这种方法对结晶操作较易控制,并省掉了黏稠晶体悬浮液体的效间泵送。
(4)混流加料法 有些多效蒸发过程同时采用顺流和逆流加料法,即某些效用顺流,某些效用逆流,充分利用各流程的优点。这种称为混流加料法,尤其适用于料液黏度随浓度而显著增加的料液蒸发。
(5)额外蒸汽运用 根据生产情况,在多效蒸发流程中,有时将某一效的二次蒸汽引出一部分用于预热物料或用作其他加热目的,其余部分仍进入下一效作为加热蒸汽。被引出的二次蒸汽,称为额外蒸汽。从蒸发器中引出额外蒸汽作为它用,是一项提高热能经济利用的措施。一般情况下,额外蒸汽多自第1、2效引出。
(四)多效蒸发的效数
多效蒸发的最大优点是热能的充分利用。但实际应用中,多效蒸发的效数是受到限制的,原因如下所述。
1.实际耗气量大于理论值
由于汽化潜热随温度降低而增大,并且效间存在热损失,因此总热损随着效数增加而增加。
图2-28 三效真空浓缩装置流程图
2.设备费用增加
多效蒸发虽可节约蒸汽,但蒸发设备及其附属设备的费用却随着效数的增加而成倍的增加,当增加至不能弥补所节约的燃料费时,效数就到了极限。以牛奶浓缩为例,日处理鲜奶量10~20t,可选2~3效;日处理量为20~50t,选3~4效;日处理量为50~100t,选4~5效;日处理量为100~200t,选5~6效。
3.物料性质的限制
由于食品物料的性质,蒸发的最高温度和最终温度都有一定限制,使蒸发的总温差有限。据经验,当各效的传热有效温差小于5℃时,将大大降低传热效率,使传热面积增大。例如考虑牛奶蒸发过程的黏度变化,其最高浓缩温度为68℃,浓缩终温通常是42℃,则总传热温差是26℃,分配到各效,温差和效数就有限了。
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