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1、第十章 浓缩设备浓缩正趋向低温、快速、连续的方向发展。浓缩浓缩是从溶液中除去部分溶剂的单元操作，是溶质和溶剂均匀混合液的部分分离过程。在浓缩操作中，物料中液体汽化所生成的蒸汽称为二次蒸汽，以区别于加热蒸汽。二次蒸汽必须不断地用冷凝等方法加以去除，否则，蒸汽和料液渐渐趋于平衡，将使蒸发操作无法进行。第一节 概述平衡浓缩非平衡浓缩冷冻浓缩 蒸发浓缩 常压蒸发真空浓缩食品浓缩的目的 作为干燥的预处理，以降低产品的加工热耗。提高产品质量。提高产品的保藏性。减少产品的体积和重量，便于运输。浓缩用作某些结晶操作的预处理。提取果汁中的芳香物质。浓缩方法从原理上分为平衡浓缩和非平衡浓缩两种物理方法。（1）平衡
2、浓缩利用两相在分配上的某种差异而获得溶质和溶剂分离的方法，如蒸发浓缩和冷冻浓缩即属此法。蒸发浓缩采用浓缩设备把物料加热，使物料中易挥发部分水分在其沸点温度下不断地由液态变为汽态，并将汽化时产生的二次蒸汽不断排除，从而使制品浓度不断提高，直至达到浓度要求。这种方法目前仍然是食品工业最广泛应用的一种浓缩方法。真空蒸发浓缩利用真空蒸发或机械分离等方法达到物料浓缩，一般在在18.8kPa下，以蒸汽间接加热方式，对物料加热，使其在低温下沸腾蒸发。（2）非平衡浓缩 是利用半透膜来分离溶质和溶剂的过程，两相用膜隔开，因此分离不是两相的直接接触，故称非平衡浓缩。利用半透膜的方法不仅可以分离溶质和溶剂，而且也可
3、以分离各种不同大小的溶质，因此，统称为膜分离。冷冻浓缩 利用有利的液固平衡条件，冷冻浓缩时，部分水分因放热而结冰，而后用机械方法将浓缩液与冰晶分离。蒸发和冷冻浓缩，两相都是直接接触的，故称平衡浓缩。浓缩设备的分类及特点 蒸发浓缩设备一般由蒸发器、冷凝器和抽气泵等部件组成。根据不同的分类依据可分成不同类型。根据蒸发面上的压力分为 常压蒸发浓缩设备 溶剂气化后直接排入大气，蒸发面上为常压，其设备结构简单、投资少、维修方便，但蒸发速率较低。真空蒸发浓缩设备 溶剂从蒸发面上气化后进入负压状态，速度较快。循环式 单程式真空浓缩设备的分类根据加热蒸汽被利用的次数单效浓缩设备多效浓缩设备带有热泵的浓缩设备按
4、料液的流程按料液蒸发时的分布状态非膜式薄膜式（盘管式浓缩器中、央循环管式浓缩器）蒸发器：升膜式、降膜式、片式、刮板式、离心式特点：水分蒸发快、蒸发面积大、热利用率高，结构较复杂。（自然循环式 强制循环式）1、加热蒸汽与沸腾液体之间的温度差t可以增大。2、可利用压强较低的蒸汽作为加热蒸汽。3、由于低温浓缩，有利于食品溶液进行浓缩，减少体积及重量，便于运输及储存。4、由于溶液沸点较低，使浓缩设备的热损失减少。5、对料液起加热杀菌作用，有利于食品保藏。真空浓缩特点 1、由于真空浓缩，须有抽真空系统，从而增加附属机械设备及动力。2、由于蒸发潜热随沸点降低而增大，所以热量消耗大。优点：不足之处：（1）传
5、热效果好，热能利用率高，即传热系数高和有效温度差大。（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的性质，符合生产工艺要求和食品卫生。（5）易于制造、检修、清洗。（6）具有足够的机械强度，金属消耗量少，耐腐蚀。对浓缩设备的要求 单效升膜式蒸发器属于液膜式浓缩器，液体沿管壁成膜状流动，进行连续蒸发，液体在浓缩器停留时间较短，约几秒至几十秒。(一)单效浓缩设备（一）结构 由多根垂直管束的加热器体和一个蒸发分离室及循环管组成。为自然循环式。管内料液的加热与蒸汽分为三部分：最低部分管内完全充满料液，热量靠对流传递；料液在中间部分开始产生蒸汽泡并上升；在管上部分由于膨胀的二次
6、蒸汽而产生强的上升力，使料液成薄膜状在管内上升，在管顶部成喷雾状，以较高速度进入气液分离器，在离心力的作用下使气液分离。结构特点工作原理料液从加热器底部进入管内，加热蒸汽在管束间通过管壁加热、冷凝。料液在管内被加热迅速汽化，所产生的二次蒸汽及料液沿管内高速上升。溶液被高速上升的二次蒸汽带动，在壁内成膜状上升，不断被加热蒸发。料液被逐渐浓缩，二次蒸汽从顶部排出，浓缩液从蒸发分离室底部排出。注意事项 注意进料量、温度、黏度对成膜的影响。特点 结构简单，制造方便，占地面积及空间体积小，投资少，经济实用。减少了热敏性料液的分解，形成泡沫少，适用于易起泡的料液；能防治结垢，适用于果汁及乳制品的生产。单效
7、降膜式蒸发器 结构汽液分离器液体分布器加热器 工作过程料液从顶部进入加热器内，在降膜分布器的作用下，均匀地进人加热管中，受二次蒸汽的快速流动和本身重力作用物料沿管内壁呈膜状自然向下流动，并受热不断蒸发浓缩 料液分布器 作用：使料液均匀地分布到各加热管 型式 筛板或喷嘴 导流管 旋液喷头 特点 由于利用液膜的重力作用降膜，故能蒸发粘度较大的料液，且受热时间短，适于热敏性强的物料 料液的沸点均匀，有效温差较大，传热效果好，节约蒸汽 由于蒸发管较长，液料沸腾时所生成的泡沫易在管壁上受热破裂，因此适于蒸发易生泡沫的物料；清洗方便；适于浓度较大，不易结晶、结垢的物料 主要用于果酱、果汁、炼乳等的生产中央
8、循环管式蒸发器（一）作用原理 食品料液经过由沸腾管和中央循环管所组成的竖式管加热面进行加热，由于传热产生重度差，形成了自然循环，而将其水分蒸发，从而达到浓缩目的。（二）主要构造 1.加热器 由沸腾管及中央循环管、中央循环管和上下管板所组成的竖式加热管束组成。中央循环管和沸腾加热管一般采用胀管法或焊接法固定在上下管板上，组成一个竖式加热管束。料液在管内流动，加热蒸汽在管束间流动。中央循环管是位于加热器中央的一根直径较大的管子，截面积为总加热管束总面积的40%-50%，材料为不锈钢或其他耐腐蚀材料。为提高传热效果，可在管间增设若干挡板或抽去几排加热管，形成蒸汽通道，同时配合不凝性气体排出管的合理分
9、布，有利于加热蒸汽均匀分布，从而提高传热及冷凝效果。2.蒸发室 加热室上部的圆筒体，连接在加热体上部。料液经加热汽化产生的二次蒸汽中夹带有大量的液滴，直接冷凝造成料液损失，在多效浓缩时还会将下效加热室污染，并降低传热效果，所以蒸发室要具有一定的高度和空间。一般为加热管长度的1.1-1.5倍。蒸发室外侧有视镜、人孔、洗水、照明、仪表、取样等装置。在顶部又捕集器，以对二次蒸汽夹带的汁液进行分离，保证二次蒸汽的洁净，减少料液的损失。二次蒸汽由顶部的二次蒸汽出口排出。(三)特点 优点：结构简单、操作方便、传热效果好、锅内液面容易控制、投资费用少；缺点：清洗检修较麻烦，黏度大时循环效果较差、循环速度低、
10、且因料液循环使蒸发器中溶液浓度总是接近于完成液浓度，黏度较大，影响传热效果。盘管式蒸发器 1.工作原理及结构 它是乳品厂较早采用的一种真空单效浓缩装置。在罐体内有盘管，管内通加热蒸汽，对物料加热。盘管一般由45组分层排列，每组有1-3圈。盘管的蒸汽进口和凝结水出口有两种形式：盘管多采用扁平椭圆形截面，以减少罐内流体自然循环阻力，而且便于清洗。各层盘管单独用阀门控制，可根据料液面来调节加热面。设备工作时，料液自切线方向进入锅内。加热蒸汽在盘管内对管外的料液进行加热，其受热后体积膨胀，密度减小，因浮力使料液上升，到达液面时气化，使其浓度提高，密度增大。但浓缩盘管中心处的料液，相对来说距加热管较远，
11、与同一液位的料液相比，其密度较大，呈下降趋势，故受热蒸发的那部分料液不但密度大，而且液位又高，必向盘管中心处下落，从而形成了料液自锅壁及盘管处上升，又沿盘管中心向下的反复循环状态。产生的二次蒸汽，从浓缩锅上部中央，以切线方向进入分离器，在离心力的作用下，料液微粒与蒸汽分离，二次蒸汽则上升进入冷凝器，经冷凝器冷凝成水而排除。2盘管式的工作原理 3.特点 优点：结构简单、制造方便、操作稳定、易于控制；盘管为扁圆形截面，液料流动阻力小，通道大，适于黏度较高的液料；由于加热管较短，管壁温度均匀，冷凝水能及时排除，传热面利用率较高；便于根据料液的液面高度独立控制各层盘管内加热蒸汽通断及其压力，以满足生产
12、或操作的需要。缺点：传热面积小，液料对流循环差，易结垢；料液受热时间长，在一定程度上对产品质量有影响。食品厂大量使用的浓缩装置 结构特点 下锅体底部有一夹套，在夹套内通入蒸汽加热浓缩物料，锅体内装有搅拌器，搅拌器上有4片桨叶，通过其搅拌可以使锅内壁表面被加热的物料层不断更换，使水蒸气蒸发，上锅体的二次蒸汽出口处接有汽液分离器。夹套加热带搅拌浓缩器 工作原理 工作时，先通入加热蒸汽赶走锅内空气，再启动抽真空装置，造成锅内真空将物料吸入锅内，达到容量要求后，开启蒸汽阀门，使蒸汽进入夹套加热，同时开启搅拌器，不断搅拌强化流动，不断更新加热面外的物料，使其均匀浓缩，产生的二次蒸汽不断抽出，以保证锅内的
13、真空度。优点 结构简单，操作方便。缺点 加热面积小，生产能力低，不能连续生产。适用于浓料液和黏度大的料液增浓，如果酱、蜜饯、炼乳。多效真空浓缩设备操作流程大致可分为顺流、逆流、平流、混流和额外蒸汽运用。(二)多效浓缩设备在蒸发生产中，二次蒸气的产量较大，且含大量的潜热，故应将其回收加以利用，若将二次蒸气通人另一蒸发器的加热室，只要后者的操作压强和溶液沸点低于原蒸发器中的操作压强和沸点，则通入的二次蒸气仍能起到加热作用，这种操作方式即为多效蒸发。在多效蒸发操作中，蒸发温度是逐级降低的，其多效操作的压力是自动分配的，且逐级降低。1）并流法：溶液与蒸汽的流动方向相同，即均由第一效顺序至末效。特点：原
14、料液由泵泵入一效罐。由于蒸发室压力由一效至末效依次递减，故料液在效间流动不需用泵；由于料液沸点依效序递降，因而当前效料液进入后效时，便在降温的同时放出其显热，供一小部分水分汽化（自蒸发），可产生更多蒸汽，节省蒸汽;由于后效溶液浓度较前效大，且温度低，使传热系数降低，影响传热（末效蒸发困难）。(但高浓度料液处于低温)对浓缩热敏食品是有利的。2)逆流法：此法料液和蒸汽流动方向相反，即原料由最后一效进入，依次用泵送入前效，最后的浓缩制品从一效排出。蒸汽由一效进入，一效汁汽进入二效，最后一效汁汽进入冷凝器。特点：随着料液向前流动，浓度愈来愈高，而蒸发温度也愈来愈高。故黏度增加没有顺流的显著。这对改善循
15、环条件，提高传热系数有利。但高温加热面上浓溶液的局部过热有引起结焦和营养物质破坏的危险。效间料液流动要用泵，没有自蒸发，水分蒸发量稍减。适宜处理黏度随温度和浓度变化较大的溶液，不宜处理热敏性物料。3)平流法：此法每效都平行送入原料液和排出成品。蒸汽的流向由一效至末效依次流动。此流程适用于在蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。4)混流 顺逆流并用。此法对黏度相当高的料液很有用处。特点：在料液黏度随浓度显著增加的场合下，可采用混流。5)有额外蒸汽引用的多效蒸发流程 在多效蒸发流程中，有时将一效的二次蒸汽引出一部分用作预热蒸发器的进料，或用做其他的加热目的。这种中间抽出的二次蒸汽，称为额外蒸汽。多效浓缩的
16、效数1.实际耗气量大于理论值2.设备费用增加3.蒸发器有效传热温差的极限多效浓缩中所采用的效数是受限制的，原因大致有：典型多效真空浓缩设备1.双效升膜式浓缩设备2.双效降膜式浓缩设备3.三效降膜式浓缩设备4.四效降膜式浓缩设备1.双效升膜式浓缩设备 l结构组成l工作过程l适用性及特点2.双效降膜式浓缩设备 l结构组成l工作过程l适用性及特点l结构组成 某顺流式双效真空浓缩设备流程如图8.12所示，它主要由一、二效蒸发器、热泵、杀菌器、水力喷射器、预热器、液料泵等构成。一、二效蒸发器结构相同，内部除蒸发管束外，还设有预热盘管。杀菌器为列管结构。食品工厂机械与设备第八章 浓缩设备杀菌段 8692预
17、热预热预热l工作过程 工作时，料液由泵从平衡槽抽出，通过由二效蒸发器二次蒸汽加热的预热器，然后依次经二效、一效蒸发器内的盘管进一步预热。预热后的料液在列管式杀菌器杀菌（8692），并在保持管内保持24s；随后相继通过一效蒸发器（加热温度 8390，蒸发温度7075）、二效蒸发器（加热温度6874，蒸发温度4852），最后由出料泵抽出。生蒸汽（500kPa）经分汽包分别向杀菌器、一效蒸发器和热压泵供汽。一效蒸发器产生的二次蒸汽，一部分通过热压泵作为一效蒸发器的加热蒸汽，其余的被导入二效蒸发器作为加热蒸汽。二效蒸发器产生的二次蒸汽，先通过预热器，在对料液进行预热的同时受到冷凝，余下二次蒸汽与不凝性
18、气体一起由水力喷射器冷凝抽出。各处加热蒸汽产生的冷凝水由泵抽出。贮槽内的酸碱洗涤液用于设备的就地清洗。l适用性及特点该设备适用于牛乳、果汁等热敏性料液的浓缩，效果好，质量高，蒸汽与冷却水的消耗量较低，并配有就地清洗装置，使用、操作方便。主要技术参数 生产能力（水分蒸发量）为1200kgh；杀菌条件为8692保温24s；一效加热温度为8390；一效蒸发温度为7075；二效加热温度为6874；二效蒸发温度4852；物料受热时间为3min；蒸汽压力（表压）为500kPa；蒸汽消耗量为 620kgh；冷却水耗量为12t/h。单元操作：蒸发双效降膜式浓缩机 主要用于奶、果汁的浓缩蒸发量：2400 kg/
19、h 1效 2效 料液温度：73 48 0C加热温度：84 70 0C加热面积：23.6 12.2 m2成品浓度：45503.三效降膜式浓缩设备 l结构组成l工作过程l适用性及特点食品工厂机械与设备第八章 浓缩设备l结构组成如图8.13所示，全套设备包括三个降膜式蒸发器、混合式冷凝器、料液平衡槽、热压泵、液料泵和水环式真空泵等，其中第二效蒸发器为组合蒸发器。l工作过程 平衡槽内（固形物含量12%）的料液由泵抽吸供料，经预热器预热后，先进入第一效蒸发器（蒸发温度70），通过降膜受热蒸发，进入第一效分离器分离出的初步浓缩料液，由循环液料泵送入第三效蒸发器（蒸发温度57）。从第三效分离器出来的浓缩液由
20、循环液料泵送入第二效蒸发器（蒸发温度44），最后由出料泵从第二效分离器将浓缩液（固形物含量48%）抽吸排出，其中不合格产品送回平衡槽。生蒸汽首先被引入第一效蒸发器和与第一效蒸发器连通的预热器；第一效蒸发器产生的二次蒸汽，一部分通过（与生蒸汽混合的）热压泵增压后作为第一效蒸发器和预热器的加热蒸汽使用：第二效分离器所产生的二次蒸汽，被引入第三效蒸发器作为热源蒸汽；第三效分离器处的二次蒸汽导入冷凝器，经与冷却水混合冷凝后由冷凝水泵排出。各效产生的不凝气体均进入冷凝器，由水环式真空泵抽出。l适用性及特点该套设备适用于牛乳等热敏性料液的浓缩，料液受热时间短、蒸发温度低、处理量大，蒸汽消耗量低。例如，处理
21、鲜乳3600-4000kg/h，每蒸发1kg水仅需0.267kg生蒸汽，比单效蒸发节约生蒸汽76%，比双效蒸发节约46。三效真空浓缩机 主要用于果酱的浓缩蒸发量：12000 kg/h 1效 2效 3效料液温度：72 57 42 0C加热温度：143 72 57 0C加热面积：15 200 150 m2成品浓度：528l 图8.14所示为一混流式四效降膜真空浓缩设备流程，用于牛乳的杀菌与浓缩。l 牛乳首先经预热后进行杀菌，然后顺序经由第四效、第一效、第二效和第三效蒸发器进行浓缩。l 采用了多个蒸发器夹套内的预热器，并增设有闪蒸冷却器用于牛乳杀菌后的降温。l 二次蒸汽的冷凝采用效率较高的混合式冷凝
22、器。4.四效降膜式浓缩设备 l 一般情形l 基本原理l 冷冻浓缩的特点l 冷冻浓缩相关设备一、冷却结晶设备二、冰与浓缩液的分离设备三、冷冻浓缩设备的装置系统(三)冷冻浓缩设备 将溶液中的一部分水以冰的形式析出，并将其从液相中分离出去，从而使溶液浓缩的方法 定义 特别适用于浓缩热敏性液态食品、生物制药、要求保留天然色香味的高档饮料及中药汤剂等 l冷冻浓缩的基本原理 水溶液均有如图8.15所示的平衡关系（冻结曲线）。利用冰与水溶液之间的固-液相平衡原理，使低于低共熔点浓度的溶液冷却，其结果表现为溶剂（水）呈晶体（冰晶）析出；将冰晶与母液分离后，即得到增浓的溶液。l冷冻浓缩的特点 优点：由于是在低温
23、下对溶液的浓缩，因而，对热敏性物料，尤其是食品物料、生物活性物质的浓缩非常有利；冷冻浓缩中溶剂水的排除不是通过加热蒸发，而是依靠从溶液到冰晶的相际传递，因此，可避免生物活性物质的变性失活和低沸点的芳香物质成分因挥发造成的损失。缺点：浓缩比较低，物料最终浓度不超过其低共熔浓度；晶液的分离技术要求高，且溶液的黏度越大，分离越困难，冰晶的夹带损失也越大；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；生产成本较高。l冷冻浓缩相关设备冷冻浓缩主要包括料液冷却结晶和冰晶与浓缩液分离两步，因而冷冻浓缩设备主要也由冷却结晶设备和冰晶悬浮液分离设备两大部分组成。l冷冻浓缩的一般情形
24、冷冻浓缩是使溶液中的一部分水以冰的形式析出，并将其从液相中分离出去，从而使溶液浓缩的方法。冷冻浓缩特别有利于热敏性食品的浓缩，具有以下优点：低温操作、气液界面小、微生物增殖少、溶质劣化及挥发性芳香成分损失可控制在极低的水平等。浓缩的制品或直接作为成品，或作为冷冻干燥过程中的半成品使用。一、冷却结晶设备l冷冻浓缩中的冷却结晶设备实现两个功能：冷却除去结晶热和进行结晶。l根据冷却方法可分为直接冷却式结晶器和间接冷却式结晶器，间接式又可分为内冷式结晶器与外冷式结晶器。（一）直接冷却式真空结晶器（二）内冷式结晶器（三）外冷式结晶器（一）直接冷却式真空结晶器l 直接冷却式结晶是指结晶热直接由溶液中发生汽
25、化相变为另一部分物质带走的结晶方法。发生汽化的物质可以是水，也可以是制冷剂。l部分水真空蒸发的结晶器 l直接冷却式真空结晶器的特点 l应用举例l部分水真空蒸发的结晶器 工作原理：真空状态下部分水分从溶液中吸收热量发生汽化，而溶液中另一部分水则因热量的除去而结晶成冰。这种部分水汽化，部分水结冰的过程基本可使体系的温度保持稳定。例如，在绝对压力 267Pa直接冷却式结晶器中，溶液所对应的沸腾温度约为-3，此时每蒸发掉1kg水需要吸收的蒸发潜热可使7.14kg的水结晶成冰。直接冷却比间接冷却有两大明显的优点。首先，它省掉了冷却面，不用昂贵的刮板式换热器。其次，如果能将低压力二次蒸汽再压缩提高其绝对压
26、力，并利用分离到的冰晶对此压缩后的二次蒸汽进行冷凝，还可进一步降低能耗。l直接冷却式真空结晶器的特点 设备费和能耗相对较低。由于减压蒸发时，芳香物也损失了，以致浓缩液质量较差。对于多数果汁，如果能用吸收器吸收芳香物，就能减少芳香物的损失。l应用举例图8.16为一种具有芳香物回收的真空结晶装置。料液进入真空结晶器后，在267Pa绝对压强下部分蒸发，部分水分成为冰晶。从结晶器出来的冰晶悬浮液经分离器分离后，冰晶排出，浓缩液从顶部进入吸收器。而从真空结晶器出来的带芳香物的蒸汽先经冷凝器除去水分后，从底部进入吸收器。在吸收器内，浓缩液与芳香物的惰性气体逆流流动，芳香物被浓缩液吸收，然后惰性气体由吸收器
27、顶部排出，而吸收了芳香物的浓缩液从吸收器底部排出。（二）内冷式结晶器这类结晶器有两种：l产生几乎完全固化悬浮液的结晶器l产生可泵送浆料的结晶器 l产生几乎完全固化悬浮液的结晶器这种结晶器中，没有搅拌的液体与冷却壁面相接触，直至水分几乎完全固化，所以在原理上它属于层状冻结。冻结的晶体成片状或“雪”状，然后用机械方法除去。在这种结晶器中，即使非常稀的溶液也能一步浓缩至40浓度的浓缩液，甚至还可能更高。但是由于冰晶非常薄，浓缩液与冰晶的分离比较困难。l产生可泵送浆料的结晶器这种结晶器产生可泵送悬浮液，在冷冻浓缩中多数结晶器属于这种。典型的设备中，晶体悬浮液在冷却结晶器中仅停留几分钟。由于停留时间短，
28、故晶体非常小（50m）。刮板式换热器是典型的产生可泵送冰晶悬浮液的结晶器。（三）外冷式结晶器外冷式结晶器有三种主要型式:l型式一l型式二l型式三l型式一 先使料液过冷，过冷度高达-6。过冷的无晶体料液在结晶器中释放出“冷量”。为了减少冷却器中的晶核形成和结晶器中的意外事件，避免可能导致流体流动的堵塞，与料液相接触的冷却器壁面必须抛光或涂以憎水塑料。这种结晶器内的局部过冷实际上可得到抑制。对30的葡萄糖溶液，在结晶器中平均停留时间仅0.5h 时，即可获得大约0.2mm粒度的晶体。从结晶器出来的液体可由泵再循环至换热器，而晶体则借助泵吸入管路中的过滤器而被截留于结晶器中。l型式二特征是整个悬浮液在
29、结晶器与换热器之间不断循环。晶体在换热器内的停留时间比在结晶器内的停留时间短，所以晶体的成长主要在结晶器内。l型式三 如图8.17所示。料液先在外部换热器中产生亚临界晶体。部分无晶体液体从结晶器到换热器间再循环。刮板式换热器的热通量很高，这导致强烈的晶核形成。在换热器中晶体的停留时间只有几秒钟，所以产生的晶体特别小。当其连续地进入结晶器后，在此停留时间至少0.5h。由于在结晶器中停留时间相对较长，其主体过冷度很小，约-0.02。进入结晶器的料液中的小晶体在这样的环境下呈亚临界结晶状态，与含有大晶体的悬浮液混合时即被溶化。料液中小晶体的溶化热来自于大晶体的生长。提高换热器晶核形成速率可使结晶器内
30、晶体平均直径增大。二、冰与浓缩液的分离设备 用于冷冻浓缩的冰与浓缩液的分离设备有压榨机、过滤式离心机、洗涤塔，以及这些设备组合形式等。（一）压榨机（二）离心机（三）洗涤塔（四）压榨机与洗涤塔的组合（一）压榨机l常用液压活塞式压榨机和螺旋式压榨机。l采用压榨机分离，可溶性固体的损失量取决于已压缩冰饼中夹带的浓液量。冰饼中的夹带量与压榨机采用的压力有关，例如在1MPa压力下，每千克冰中大致残留0.65kg液体,而在10MPa压力下并且压缩时间较长时，则每千克冰中残留量可减少至0.1kg。l由于压榨法导致较多的可溶性固体损失，所以这种分离方法只用于作前期分离，为冰与溶液的最后完全分离提供冰含量较高的
31、浆料。（二）离心机l 冷冻浓缩中使用的离心机是过滤式离心机。l 分离时的溶质损失取决于晶体大小和液体黏度。l 离心机分离的缺点是当液体从滤饼中流出时，芳香物质将受到损失，这是液体与大量空气密切接触所致。（三）洗涤塔l 洗涤塔有较好的冰与浓缩液的分离效果，浓缩液不会被稀释，且洗涤塔完全密封，无顶部空间，从而避免了芳香物的损失。从洗涤塔出来的浓缩液用纯水复原时，在分析上和外观、味感、芳香物质等方面与未浓缩过的原液几乎没有什么区别。l 洗涤分离原理 l 洗涤塔形式l洗涤分离原理 基本原理：利用冰晶融化水排代晶体间夹带的浓缩液。连续式洗涤塔的工作原理如图8.18，从结晶器来的晶体浆料从塔底进入，因冰晶
32、密度比浓缩液小，故冰晶逐渐上浮到塔顶，而浓缩液则从塔底经过滤器排出。塔顶设有融冰器（加热器），使部分冰晶融化成水。融化的水大部分排到洗涤塔外，小部分向下返回，与上浮冰晶逆流接触，洗去冰晶表面的浓缩液。沿塔高方向冰晶夹带的溶质浓度逐渐降低，冰晶随浮随洗，夹带的溶质越来越少。当向下流动的洗涤水量占融化水量的比率提高时，其洗涤效果明显提高。洗涤水水沿塔高浓 度融冰器晶体浆料浓缩液图8.18连续式洗涤塔的工作原理l洗涤塔形式 按塔中冰晶沿塔移动的推动力不同，洗涤塔可分以下三种：n浮床式n螺旋式n活塞式n浮床式 这种洗涤塔中，冰晶与液体作逆向运动，其推动力是晶体和液体两相的密度差。n螺旋式这种洗涤塔是以
33、螺旋推送为两相相对运动的推动力，如图8.19 所示，晶体悬浮液进入两同心圆筒的环状空间，在此空间内螺旋在旋转。螺旋具有棱镜状断面，除迫使冰晶沿塔体移动外，还有搅动晶体的作用。n活塞式u以活塞的往复移动为冰床移动的推动力u图8.20所示洗涤塔由洗涤塔筒体、塔下部活塞、顶部刮板装置等组成。u洗涤前沿位置由光电装置通过启闭阀C来控制。u洗涤水温度通过进汽阀D调节。u塔内已洗涤冰晶层与未稀释浓缩液层相距仅几厘米。u塔内出来的融化水中可溶性固体浓度可低至10 mg/kg。u生产能力取决于冰晶大小和浓缩液黏度，其范围若以每小时每平方米洗涤塔截面的去冰量计，其范围在300010000kg之间。l活塞多孔的活
34、塞连着一个中央进料管，并可在下部液压缸驱动下作往复运动。假如图示S1位置与刮板之间充满紧密的冰床，当关闭B、C，开启A阀时，在结晶器浆料过压与液压缸的作用下，活塞向下运动，活塞上方空间将充以晶体浆料。当活塞抵达位置S3时，关闭A，开启B，活塞在液压缸作用下向上运动，此时浓缩液穿过活塞上的多孔网被滤走，并经阀B从洗涤塔排出，而冰晶留在活塞上方。当活塞抵达S2位置时，活塞上方建立起一个冰床，冰床在顶部挤压刮板，刮下的冰屑与其融化水一起在换热器内循环，少部分融化水往下流动用于洗涤夹带在冰晶中的浓缩液，大部分融化水经阀C排走。（四）压榨机与洗涤塔的组合l 可实现最经济的分离过程。l 图8.21为一个典
35、型实例。l 过程：从结晶器出来的冰晶悬浮液在压榨机中分离，仍然含有浓缩液约40的冰饼在混合器中与进料稀液混合，成为含冰晶的中浓缩液。此含冰晶的中浓缩液在洗涤塔内被完全洗涤。纯水与中浓缩液分别从塔顶塔低侧排出，而进入结晶器的中浓缩液与压榨机来的浓缩液相混合。l 组合流程的优点l组合流程的优点 只需采用简单的洗涤塔，而不必使用价格昂贵得多的复杂洗涤塔。洗涤塔处理的是经进料稀液混合过的中等浓度料液，而不是直接从压榨机来的浓缩液，浓度的降低使黏度剧烈下降，从而使洗涤塔生产能力大增。即使离开结晶器的晶体悬浮液黏度很高，或者晶体平均直径很小，这种组合方法仍能使冰晶与浓缩达到完全分离。三、冷冻浓缩设备的装置
36、系统 将冷冻结晶装置与冰晶悬浮液分离装置有机地结合在一起，便可构成冷冻浓缩装置系统。冷冻浓缩装置系统可以分为单级系统和多级系统。l单级系统 单级冷冻浓缩系统一次性使料液中的部分水分结成冰晶，然后对冰晶悬浮液分离，得到冷冻浓缩液。系统流程举例（图8.22）：原料罐中稀溶液通过循环泵首先输入到刮板式热交换器，在冷媒作用下冷却，生成细微的冰晶，然后进入再结晶罐（成熟罐）。结晶罐保持一个较小的过冷却度，溶液的主体温度将介于该冰晶体系的大、小晶体平衡温度之间，高于小晶体的平衡温度而低于大晶体的平衡温度。小冰晶开始融化，大冰晶成长。结晶罐下部有一个过滤网，通过滤网从罐底出来的浓缩液，一部分作为浓缩产物排出
37、系统，另一部分与进料液一道再循环冷却进行结晶。未通过滤网的大冰晶料浆从罐底出来后进入活塞式洗涤塔。洗涤塔出来的浓缩液再循环冷却结晶，融化的冰水由系统排出。单级冷冻浓缩装置可将814oBx原果汁浓缩至4060oBx浓缩汁。食品工厂机械与设备第八章 浓缩设备冷冻浓缩装置系统示意High speed freezer是起晶器,而slow speed freezer 是最后阶段才使用的冰晶成长器,plug flow ripener是正常运行时使用的冰晶成长与分离器.l多级系统 多级冷冻浓缩系统将前一级的浓缩液作为原料液进一步地通过更低的温度使部分水结成冰晶，再进行分离。控制料液在结晶器中的循环速度，可以
38、使料液获得不同的过冷度，从而可以利用同一状态制冷剂实现多级冷冻浓缩所要求的冻结温度差异。应用举例：三级逆流冷冻浓缩系统 u 系统如图8.23所示。系统构成特点u 工作过程：原料液进入进料罐后与从洗涤塔排代出来的稀溶液混合后由泵抽出，与第3级结晶罐中抽出的一部分溶液混合后，通过3级旋转刮板冻结器冷却成过冷液，进入第3级成熟罐。在此形成大的冰晶悬浮液。此悬浮液分离后，浮在上面的冰晶浆由泵抽至洗涤塔洗涤融化成水，沉在下层的浓缩液通过过滤网被泵抽出。抽出的浓缩液一部分与进料液混合后在本级再进行冻结，另一部分则由泵抽送至第2级进行结晶。第2级和第1级的工作原理基本与第3级的类似，但此二级成熟罐上层冰晶浆
39、料是由螺旋输送器输送至下级成熟罐的，另外，第1级的浓缩液有一部作为最终浓缩物形式输出系统。三级逆流冷冻浓缩系统u系统构成特点该系统所用的洗涤塔与上面所介绍的单级冷冻浓缩系统相同。此洗涤塔上面的融冰加热器利用制冷系统压缩机出来的高压制冷蒸气。此加热器实际上也是制冷系统冷凝器，制冷剂蒸气在将冰水加热融化的同时，自身被冷凝为液体，从而有能量回收利用功能。食品工厂机械与设备第八章 浓缩设备食品料液的性质对浓缩过程影响很大，必须根据物料的特性，按不同需要具体选择，在选用浓缩设备时必须考虑物料以下几个方面的特性。(四)浓缩设备的选择1.结垢性：蛋白质、糖、果胶等受热过度会产生变性、结块、焦化等现象。通常在
40、传热面附近，物料温度最高。发生这种现象就会在传热壁上形成污垢，严重影响传热速率。解决结垢问题的积极措施就是提高液速，经验证明，在其他条件相同时，提高液速，可显著减轻污垢的形成，这是由于高液速的洗刷作用所致。因此在可能发生严重结垢现象的情况下，采用强制循环法是有效的。另外，对不可避免的结垢问题，必须有定期的清理措施。2.热敏性生物系统的物料多由蛋白质、脂肪、糖浆、维生素以及其他许多色、香、味成分所组成，这些物质在高温下或长期受热时受破坏，变性、氧化等作用，从而降低产品的质量。所以，许多食品的蒸发要严格考虑加热温度和加热时间，加热温度和加热时间是不可分割的。食品蒸发的安全性与此二因素同时相关，这就
41、是“温时结合”的概念，即把温度和时间作为统一体来考虑。从食品蒸发的安全性看，力求“低温短时”，但还要考虑工艺上的经济性。在保证食品质量的前提下，为提高生产能力，常采用“高温短时”蒸发。由于料液的沸点与外压有关，低温相应就是低压，所以真空蒸发是食品工业蒸发应用的显著特点之一。为了缩短蒸发操作时的加热时间，一方面必须缩小料液在蒸发器内的平均停留时间，另一方面，还要解决局部性的停留时间问题。关于这一点，目前已发现长管膜式蒸发器在物料停留时间问题上具有很大的优点，从而在食品工艺上获得广泛的应用。3.发泡性某些食品物料沸腾时要形成稳定的泡沫，特别是真空蒸发和液层静压高的场合下更为显著。泡沫易被二次蒸汽带
42、走，一方面污染其他加热设备，另一方面，增加产品的损失，严重时会造成不能操作。一般，可使用表面活性剂以控制泡沫的形成，也可用各种机械装置以消灭泡沫。4.结晶性有些溶液在浓度增加时，会有晶粒析出，大量结晶沉积则会妨碍加热面的热传导，严重时会堵塞加热管。若使含有结晶的溶液正常蒸发，则需要选择带有搅拌装置的或强制循环蒸发器，利用外力使结晶保持悬浮状态。5.黏滞性许多食品含有丰富的蛋白质、糖份、果胶等成分，其粘稠性较高。高粘性物料的蒸发，首先从流体动力学观点看，有一个层流倾向问题，即使物料受到强烈的搅拌，传热附近总存在不能忽视的层流内层，这就会严重影响传热的速率。同时，由于上述原因，也还会产生结垢，局部停留时间等一系列问题。料液的粘稠性随浓度而增加，随着蒸发的进行，料液的粘度也必然逐渐增加，所以蒸发过程中的传热速率预期也逐渐降低。对于粘性制品的蒸发，一般采用由外力强制的循环或搅拌措施。6.腐蚀性 特别是酸性食品，如果汁、蔬菜汁的浓缩，设计蒸发器必须考虑腐蚀性问题，对于食品，即使是轻度的腐蚀，其所引起污染往往为产品规格所不允许。一般蒸发器接触液体部分多采用不锈钢结构。