第七章食品浓缩机械与设备思维导图

U184885065

2024-12-15

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机械设备

设备分类

应用实例

冷冻浓缩，设备分类，浓缩目的内容讲解

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思维导图大纲

浓缩的基本原理

从溶液中除去大部分溶剂的操作是溶质与溶剂部分分离的过程，指提高料液浓度的操作过程

浓缩的分类

平衡浓缩

蒸发浓缩

通过加热物料，使物料的易挥发部分在其沸点温度时由液态变为气态，并将汽化时所产生的二次蒸汽排除，从而使料液的浓度提高。

冷冻浓缩

减压蒸发在蒸发液面上方的压力低于大气压下进行蒸发。真空浓缩设备比较复杂，一般由加热器、蒸发室、抽真空装置、冷凝器等部分组成，如升膜式浓缩设备、中央循环式浓缩设备等，其蒸发温度低，速率高。

特点

在加热蒸汽温度不变的情况下，真空蒸发使物料的沸点降低

由于物料的沸点降低可以利用低温低压的蒸汽作为热源有利于节能

低温防止了热敏性物料的变形和分解

低温增大了溶液的粘度使传热系数降低

真空蒸发系统要求有抽真空的装置，投资费用和操作费用会提高

利用冰与水溶液固液相平衡的原理，将水以固态形式从溶液中去除的一种浓缩方法。当溶液中所含溶质浓度低于其共熔浓度时，冷却过程中溶剂会变逐渐变成晶体析出，从而使溶液中的溶质浓度不断提高。

非平衡浓缩

膜分离

是一种以半透膜为分离介质，膜两侧压力差或电位差作为动力的单元操作。

浓缩的目的

除去食品中大量水分，减少食品包装、贮藏与运输费用

提高制品浓度，降低水分活度增加制品保藏性

作为制品干燥或更完全脱水的预处理过程

作为结晶操作的预处理过程

蒸发

概念

使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作，所用设备为蒸发器

分离依据

溶质与溶剂的挥发性不同

操作目的

浓缩溶液

脱除溶剂，制取浓缩液

净化溶液

脱除溶质，制取纯净的溶剂

蒸发的基本过程

加热料液使溶剂沸腾汽化，在蒸发器中进行

生蒸汽(一次蒸汽):从系统外引来用加热蒸汽的水蒸气

不断除去汽化产生的水蒸气，在冷凝器中完成

二次蒸汽:蒸发操作中产生的蒸汽

浓缩设备的分类

按蒸发表面上的压力分类

常压浓缩设备

常压下使溶液进行蒸发。常压浓缩设备比较简单，一般由加热器、蒸发器组成，如煮沸锅等，操作方便，溶剂汽化后直接排入大气，蒸发温度高，能耗较大，蒸发速率低。

加压浓缩设备

加压蒸发

真空浓缩设备

按加热蒸汽被利用的次数分类

单效浓缩设备

单效蒸发

蒸汽生成的二次蒸汽不再被利用直接送入冷凝器中冷凝指用于加热物料的加热蒸汽仅利用一次。设备所需热量除用于设备加热，散热等损失外，还有物料升温所需的热量和物料中的水分蒸发所需的热量，蒸汽耗用大，电耗量小。

多效浓缩设备

多效蒸发

将蒸汽产生的二次蒸汽遇到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸汽可提高加热蒸汽(生蒸汽)的利用率，用于加热物料的加热蒸汽被多次利用，其所需热量为单效除去重复利用所回收的热量，蒸汽耗用量随重复利用的次数增加而减少，占地面积大，体积大，电耗增加。

顺流(并流)加料蒸发

概念

蒸汽和料液的流动方向一致从第效果到末效

过程

生蒸汽通入第一效加热室，蒸发出的二次蒸汽进入第二效的加热室作为加热蒸汽，第二效的二次蒸汽又进入第三效的加热室作为加热蒸汽，第三效的二次蒸汽则送至冷凝器全部冷凝。原料液进入第一效，浓缩后由底部排出，依次进入后面各效时，完成液由末效底部取出。

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减使前效料液进入后效时发生迅速汽化

料液浓度依效序递减，高浓度料液在低温下蒸发，对热敏性物料有利

缺点

沿料液流动方向浓度逐渐升高，溶液粘度逐渐增高，致使传热系数下降

平流加料蒸发

概念

原料液分别加入各效中，完成液也分别自各效中底部取出，蒸汽流向仍是由第一效流向末效

特点

该方法适用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液

逆流加料蒸发

概念

蒸汽和料液的流动方向相反

过程

原料液由末效进入，用泵依次输送至前效，完成液由第一效底部取出。加热蒸汽的流向仍是由第一效顺序至末效。

优点

浓度较高的料液在较高温度下蒸发，各效中的传热系数大致相同

缺点

各效间需用泵输送

无法出现闪蒸现象

不适用于处理热敏性物料

按料液的流程分类

单程式

料液只经过一次浓缩达到所需浓度

循环式

自然循环是物料受热后的上升规律进行的循环，用于结构较简单的浓缩设备;强制循环则需借助于搅拌器或刮板的动力，用于结构复杂的浓缩设备。一般来说，循环式比单程式的热利用率高。

按加热器内料液的状态分类

非膜式

料液在浓缩设备内聚集在一起，只是翻滚或在管中流动没有形成薄膜状的大蒸发面。非膜式蒸发器传热系数小，料液受热蒸发速度慢，加热时间长

薄膜式

料液在加热器内表面被分散成薄膜状，蒸发面大，热利用率高，水分蒸发快，但结构比非膜式复杂。

按加热器结构形式分类

盘管式浓缩锅

升膜式浓缩锅

中央循环管式浓缩锅

刮板式浓缩器

降膜式浓缩器

蒸发操作的特点

传热性质

属于壁面两侧流体均有相态变化的恒温传热过程

沸点升高

含有不挥发溶质的溶液，其沸点高于纯溶剂(水)的沸点

溶液性质

泡沫夹带

二次蒸汽中含有大量泡沫，易造成物料损失和冷凝设备污染

能源利用

二次蒸汽可利用

浓缩设备的选择

热敏性

结晶性

发泡性

结垢性

腐蚀性

粘滞性

挥发性

其他

单效蒸发和多效蒸发的比较

温度差损失

多效蒸发的温度差因为经过多次的损失，所以总温度差损失较单效蒸发时更大。且效数越多，温度差损失越大。

经济效益

多效蒸发提高了加热蒸汽(生蒸汽)的利用率，所以经济效益要高于单效蒸发。

设备投资

多效蒸发虽然提高了蒸汽的利用率，但也增加了效数，效数增加使蒸发器及附属设备的投资也增加。

常压蒸发浓缩设备

麦芽汁煮沸锅

主要结构

麦芽汁煮沸锅整体呈球形，多采用紫铜或不锈钢薄板等比较薄的材料制成，具有足够的机械强度和刚度，搅拌功率消耗小，同时清洗方便。

小型的蒸沸锅通常采用外凸锅底，并在锅底装置加热夹套。而对于大型的煮沸锅，由于锅的直径与容量较大，若采用整体加热夹套，会导致设备受热面积小、传热系数低，不能满足加热速度的要求，因而多采用内凸锅底，以增大加热面积，促进物料对流循环，改善受力状态，提高锅体刚度。

对于大型麦芽汁煮沸锅，近年来也有采用内置中心加热器的自然循环形式，可根据液面高度，自动调控加热蒸汽的温度。此种设备传热系数较高，加热速度快，麦芽汁的成分可充分分解和凝固，有助于提高啤酒质量，但结垢后的清洗较为困难。

特点

优点

结构简单、操作维修方便、技术要求较低、投资少

缺点

在浓缩后期，料液的许多成分容易在高温条件下焦化、氧化、分解，使产品质量下降

夹层锅

主要结构

夹层锅又名夹层蒸汽锅，通常由内外半球形的锅体和支脚组成，夹层可通入蒸汽加热。夹层外设有进汽管、不凝性气体排放管和冷凝水排放口，在锅底的正中位置开有排料接口。当夹层锅容积较大或用于黏稠物料的浓缩时，需配置锚式或桨式搅拌装置

特点

优点

结构和操作简单，适用于多种操作和处理，安全可靠，夹层锅内层锅体多采用耐酸耐热的不锈钢制造，配有压力表和安全阀，安装容易，操作方便

缺点

生产能力有限，操作劳动强度大，工作时会产生大量水汽，需要有排气通风辅助措施

适用范围

夹层锅在食品工业中多用于各种物料的漂烫处理，亦可用于糖果、糕点、调味品配制、溶糖化糖及肉类、卤味制品熬煮等操作。

冷冻浓缩

工作原理

冷冻浓缩操作中的相平衡

冷冻浓缩的溶液浓度必须低于最低共熔点浓度，且固液相平衡中的固相指的是溶剂形成的冰晶，液相指的是其余溶液。

冷冻浓缩中的结晶过程

冷冻浓缩的结晶指的是溶剂结晶

冷冻浓缩时，冰晶粒度和冰晶成本，分离操作和溶质损失有关

冰晶粒度增大，结晶成本增加，冰晶越容易与浓缩液分离(分离成本减小)

冰晶粒度减小，溶质损失增加，冰晶越难与浓缩液分离(分离成本增加)

两种结晶生成方式

层状冻结

也称规则冻结，是一种单向冻结，在管式、板式以及转鼓式、带式设备中进行。

悬浮冻结

这种冻结是在受搅拌的冰晶悬浮液中进行的。悬浮冻结如果是在连续操作的结晶器内进行，则产生的晶体粒度与溶液浓度、溶液主体过冷度、晶体在结晶器内的停留时间等因素有关。

冰晶与浓缩液的分离

冷冻后的物系，为冰晶和浓缩液组成的悬浮液。通常用过滤的方法加以分离

在分离操作中，可能会由于冰晶携带着溶质被分离出去，而造成溶质的损失

分离操作中，生产能力与溶液的黏度成反比。随着溶液浓度的增加，分离操作会越来越困难

冷冻浓缩操作的优缺点

优点

低温操作，适用于热敏性物料的浓缩

料液中水分的除去不是以加热蒸发的方法，而是靠从溶液到冰晶的相间传递，因此可避免因加热造成的芳香性挥发物的损失

热量消耗少，理论上冷冻浓缩所需要的热量约为蒸发浓缩热量的1/7

缺点

冷冻浓缩过程本身不具有杀菌灭酶作用，成品中的微生物活性未能受到抑制，加工后仍需采用加热等后处理或需要冷冻贮藏

浓缩制品的浓度，受最低共熔点浓度和冰晶可分离程度的制约，通常浓缩浓度不能超过55%

冷冻浓缩过程中，分离操作会造成一定的溶质损失

生产成本高，只适用于一些高档饮品、生物制品、药品等浓缩

操作步骤

结晶

将部分水分从水溶液中结晶析出

分离

将冰晶与浓缩液分离

冷冻浓缩装置

悬浮式冷冻浓缩

无数自由悬浮于溶液中的小冰晶，在带搅拌的低温罐中长大并不断排除，使溶液浓度增加，从而实现浓缩。

渐进式冷冻浓缩

随着冰层在冷却面上生成并成长，界面附近的溶质被排除到液相侧，液相中溶质质量浓度逐渐升高，利用这一现象的浓缩方法即为渐进冷冻浓缩法，也称层状结晶法。渐进式冷冻浓缩法能够形成单一的冰晶整体，溶液与冰晶分离容易，装置简单，控制方便。

真空蒸发浓缩设备

非膜式浓缩器

中央循环管式浓缩器

主要结构

主要由蒸发浓缩锅、冷凝器及抽真空装置组合而成

加热器一般由沸腾加热管、中央循环管及上下管板组成

蒸发室的高度一般为加热管长的1.1~1.5倍，主要根据防止料液被二次蒸汽夹带的速度所决定，此外还要方便清洗和维修。蒸发室顶部有捕集器，可分离蒸汽夹带的汁液，保证二次蒸汽的洁净提高传热效果，减少料液的损失

特点

优点

结构简单

操作方

传热系数大

缺点

整体循环速度较低(一般在0.5m/s以下);

随着溶液的不断循环，溶液的浓度会不断升高，因此溶液的沸点高，有效温差较小，浓缩黏度较大的料液时循环效果差;

设备的清洗和检修也不够方便。

盘管式浓缩锅

主要结构

盘管式浓缩锅主要由加热盘管、蒸发室、冷凝器、抽真空装置、泡沫捕集器、进料阀及各种控制仪表所组成。该设备的锅体为立式圆筒形，锅体上部空间为蒸发室，下部空间为加热室，可以通过调节阀门来控制蒸汽的流量。

工作原理

工作时，料液沿切线方向通过进料管进入锅内。盘管内的加热蒸汽对管外的料液进行加热，在盘管壁面处的料液受热后因体积膨胀、密度减小而上升。

蒸发产生的二次蒸汽从浓缩锅上部中央排出，沿切线方向进入泡沫捕集器产生旋涡，在离心力的作用下，料液中的物料微粒被分离积聚在一起，下降流回锅中;蒸汽则进入冷凝器，冷凝成水排出。

在浓缩盘管中心处的料液，因距加热管较远，受热相对较少，密度较大，呈下降趋势，从而形成了料液沿外层盘管间上升，又沿盘管中心下降的自然循环状态。

该设备连续进料、间歇出料。操作过程时要注意，不得向露出液面的盘管内通蒸汽，需待料液浸没盘管后方可从下而上将已浸没的蒸汽阀拧开;当液面降低，盘管露出时，应立即从上而下依次关闭蒸汽阀

特点

优点

料液在锅内混合均匀，适合黏度高的物料生产。

传热面利用率较高，蒸发速率快;

可根据料液液位的高低开启或关闭任一盘管的加热蒸汽，并调整蒸汽压力的高低

缺点

传热面积小，料液循环差，盘管表面易结垢，清洗比较困难;

间歇出料，生产能力有限，不能连续操作，液料受热时间较长，在一定程度上对产品品质有影响。

搅拌式真空浓缩锅

主要结构

搅拌式真空浓缩锅主要由上下锅体、气液分离器、抽真空装置等组成。浓缩锅由上锅体和下锅体组成，下锅体外壁有一夹套，内通加热蒸汽，对锅内物料进行浓缩。上锅体设有料、视镜、照明、仪表及气液分离器等装置，产生的二次蒸汽由水力喷射器抽出，保证浓缩锅内达到预定的真空度。

工作原理

操作开始时，先通入加热蒸汽于锅内赶出空气，再开动抽真空系统，造成锅内真空，当物料被吸入锅内，达到容量要求后，开启蒸汽阀门和搅拌器，当浓缩到所需浓度时解除真空即可出料。

特点

优点

结构简单，操作控制容易;强制搅拌加强了料液的流动，减少了加热死角，适于浓缩黏度较大的料液，如果酱、牛乳等。

缺点

传热面积小，受热时间长，生产能力低，不能连续生产。

膜式浓缩器

单效升膜式浓缩器

主要结构

主要由加热器、蒸发分离、循环管等部分构成。加热器为一垂直竖立的长形容器，内部有许多垂直长管。蒸发分离室在加热器上部，由进料管相连接。分离室顶部的二次蒸汽出口中央有泡沫捕集器，可以分离料液与二次蒸汽，使二次蒸汽被真空装置抽出。

工作原理

在加热室顶部，二次蒸汽和已浓缩的料液沿切线方向高速进入分离室，在离心力和泡沫捕集器的作用下气液分离。

进料量必须与出料量及蒸发量相平衡，如果进料量过多，加热蒸汽不足，则管的下部积液过多，形成液柱上升而不能形成液膜，会使传热效果大大降低;如果进料量过少，则会发生管壁结焦现象，不易清洗。

特点

优点

高速二次蒸汽具有良好的破沫作用，适于浓缩起泡性物料;

可连续出料生产能力大

缺点

管子较长清洗较不方便

由于料液上升需克服重力和摩擦阻力，不适宜于浓缩高黏度、易结垢、易结晶;

单效降膜式浓缩器

主要结构

降膜式与升膜式浓缩器设备的结构相似，都属于自然循环液膜式浓缩设备。主要区别是降膜式浓缩设备的蒸发分离室位于加热室下部。为提高降膜式浓缩设备的蒸发效率，使料液均匀成膜，不发生偏留，一般在管的顶部或管内安装降膜分配器。

工作原理

汽液混合物以切线方向进入蒸发分离室，二次蒸汽经捕集器分离出其中的液滴后，从分离室顶部排出，浓缩液则从底部抽出。

特点

优点

传热系数高，可避免泡沫的形成。适宜热敏性物料的浓缩

缺点

不能随意中断生产，否则易结垢或结晶，不适宜高浓度及粘稠性物料的浓缩

多效浓缩设备

三效顺流蒸发器

食品浓缩机械与设备的应用实例

在果汁、茶饮等行业的应用

在乳制品、调味品等行业的应用

在其他食品领域的应用及案例分析

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