第八章蒸发浓缩设备ppt课件.ppt

1,第八章 食品浓缩机械与设备,2,本章主要内容,真空浓缩设备的分类和选择单效真空浓缩设备(中央循环管式浓缩锅)膜式蒸发浓缩设备(升膜式蒸发器、板式蒸发器)多效蒸发真空浓缩装置的辅助设备,重点：真空浓缩设备的选择、中央循环管式浓缩 设备、升降膜式蒸发浓缩设备，多效蒸发效数的限定；难点：中央循环管式浓缩设备的工作原理。,3,蒸发是将稀溶液加热沸腾，使溶剂气化而将溶液浓缩的过程。食品工厂生产的原料或半成品中，如果蔬汁液及牛奶等，一般含有大量的水分（约7590左右），而有营养价热敏性很强的物质，制成成品时，既要提高其浓度，又要保存食品溶液原有的色、香、味，所以对食品溶液进行浓缩，是一个比较复杂的过程。对其工艺流程的设计、设备的选型、制造加工和具体操作均有较高的要求。随着科学技术的发展，食品溶液的浓缩趋向于低温、高速、连续。,4,1、平衡浓缩：是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。2、非平衡浓缩：利用半透膜来分离溶质和溶剂的过程，即两相用半透膜隔开，因此，分离不是靠两相的直接接触，故称非平衡浓缩。3、蒸发：将稀溶液加热沸腾，使溶剂汽化而将溶液浓缩的过程。,一、有关概念,第一节概述,5,1）热能的供应：它包括维持沸腾的温度、补充因溶剂汽化所带走的热量、设备消耗的热量等；2）溶剂蒸汽的排除；,蒸发过程的完成有两个必要条件：,6,浓缩目的：(1)作为干燥的预处理，以降低产品的加工热耗。(2)提高产品质量。(3)提高产品的保藏性。(4)减少产品的体积和重量，便于运输。(5)浓缩用作某些结晶操作的预处理。(6)提取果汁中的芳香物质。,7,1.按压力分 常压浓缩设备和真空浓缩设备 常压浓缩设备：蒸发面为常压，溶剂气化后直接排入大气。特点：设备结构简单、投资省、维修方便，但蒸发速率低，能量损耗大，易破坏物料中营养成分。,二、浓缩设备的分类,8,真空浓缩设备：溶剂从蒸发面上气化后处于负压状态。优点：加热蒸汽与沸腾液体之间的温度差可以增大；可利用压强较低的蒸汽作为加热介质；使浓缩设备的热损失减少。缺点：增加附属设备及动力，成本高；热量消耗大。,9,2、按蒸汽利用的次数分：单效浓缩设备：一次利用双效浓缩设备：二次利用多效浓缩设备：三次或三次以上利用带有热泵的浓缩设备：热泵再次加热利用,10,电加热夹层锅,可倾式夹层锅,11,实际使用中，可针对加热粘稠性物料的适应性和提高热交换效率，可在锅体上方或下方增设浆式或与锅底弧形相同的锚式搅拌器，转速为110r/min，一般不超过20r/min。,不锈钢搅拌夹层锅,12,反应锅回流装置,带搅拌真空夹层锅,13,ZN型真空减压浓缩罐,本设备主要用于对中草药材通过热回流提取有效成份。作简单改造后亦可用作药液的减压浓缩、酒精渗漉、酒精回收等工艺。,14,WZ 11 500-2000系列双效浓缩器（能回收酒精）,本设备适用于中药、西药、葡萄糖、酿酒、淀粉、口服液、化工、食品、味精、乳品等热敏性物料的低温真空浓缩。用户可根据浓缩量大小，来选用技术参数中系列浓缩器。1.本浓缩器采用二效同时蒸发，二次蒸汽得到充分利用既节省了锅炉的投资，又节约能耗，能耗与单效浓缩器相比降低50%；2.本设备采用外加热自然循环与真空负压方式，蒸发速度快，浓缩比重大。液料在全密封中无泡沫浓缩，用本设备浓缩出来的药液，具有无污染，药味浓。清洗方便（打开加热器的上盖即可）；3.本设备与液料接触部位均采用（OCr19Ni9）不锈钢制成，符合GMP标准。加热器、蒸发器、外加保温，保温层用花纹不锈钢薄板，设备在车间显得更为豪华美观。,15,0-5000系列三效节能外循换环真空浓缩器（能回收酒精）,本浓缩器适用于中药、西药、葡萄糖、淀粉、味精、乳品、化工等溶液的浓缩，尤其适用于热敏物料的低温真空浓缩。用户可根据实际情况来选。1.本浓缩器采用外加热式自然循环式与负压蒸发方式，具有蒸发速度快，浓缩比重大，可达1.2-1.3；2.本浓缩器采用三效同时蒸发，二次蒸汽得到反复作用，既节省了锅炉的投资，又节约能源消耗，耗能与单效浓缩器相比降低70%，不到一年用户可从节约能费中收回本浓缩器的全部投资。3.多功能操作特点：可以回收酒精浓度80%左右。一效、二效、三效可以反复并锅收膏。可以间歇连续进料。,16,3、按料液的流程分：单程式：循环式：自然循环和强制循环4、按料液分布状态分：薄膜式：分散成薄膜状，蒸发面大，蒸发快。它分为升膜式、降膜式、升降膜式、片式、刮板式和离心式薄膜蒸发器。非膜式：大蒸发面。它按料液管路中流动，管路又分为盘管式浓缩器、中央循环管式浓缩器,17,薄膜式：刮板式 升膜式 管式薄膜蒸发器：降膜式 离心式 升降膜式 板式非膜式：中央循环管式蒸发器 外加热式 盘管式 带搅拌的夹套加热式,18,WZN型外循环浓缩锅,组合式外循环浓缩锅的蒸发室设有两段蒸汽夹层，可根据液位高低使用上下夹层送气加热，能制造大比重的浸膏。,19,蒸汽加热导热油循环加热反应锅,电加热不锈钢反应锅,20,多功能刮板浓缩罐,本设备由浓缩罐主体、冷凝器、冷却器、受液桶等组成、可用于制药、食品、化工等行业各种物料的反应、提取、渗漉、回流减压浓缩，回收溶媒及芳香油提取等多种工艺,真正做到了一罐多能，所以本设备为厂家设备改造及更新之首选。,21,BM2.2-60系列薄膜蒸发器,薄膜蒸发器由蒸发器、汽液分离器、预热器三个主要部件和一只简易分离器组成，蒸发器为升膜式列管换热器。该蒸发器具有生产能力大、效率高、物料受热时间短等特点，适用于制药、食品、化工等行业的稀溶液浓缩.如浓缩物料有颗粒状或晶体析出，可为用户提供降模式蒸发器。,22,1、物料自身的特性热敏性：酶、番茄酱等后果：失活，色泽和风味改变，产品质量降低。措施：低温短时，各种薄膜式或真空度较高的蒸发浓缩器结垢性：后果：积垢热阻蒸发效能停产措施：高速流防止积垢生成，采用流速大的升膜式,第二节 真空浓缩设备,一、真空浓缩设备的选择,23,或强制循环的蒸发设备，或电磁防垢、化学防垢，易于清洗。发泡性：浓缩液中产生大量气泡后果：溶液损失、产品损耗；污染其它设备，停产。措施：增加流速，高速流冲破泡沫。降低二次蒸汽流速，防跑泡现象或设法分离回收泡沫，消除发泡。管内流速很大的升膜式或强制循环、长管薄膜式结晶性：晶体析出；是否需要搅拌装置或强制循环,24,结晶性后果：浓度增加时晶粒析出传热措施：夹套带搅拌浓缩器或强制循环粘滞性：后果：浓度增大 粘度增大 流速 传热措施：选用强制循环，刮板式或降膜式腐蚀性措施：不锈钢、石墨加热管或耐酸搪瓷夹层蒸发器,25,2、满足工艺要求：如浓缩比，浓缩比的收缩率，能否保持溶液特性；3、传热效果好，传热系数高，热利用率高；4、结构合理紧凑，操作清洗更换方便，且安全可靠,26,5、尽可能小的功率消耗，如搅拌动力或真空动力消耗等6、合理选择材质和制造维修方便；7、符合食品卫生法要求；8、有一定的安全防护措施；,27,二、单效真空浓缩设备,（一）特点1、真空下蒸发浓缩，配有抽真空装置；2、蒸汽一次利用，热能利用率高，但是二次蒸汽未充分利用；3、结构简单，操作方便，传热系数高，操作控制容易；,28,4、传热面积小（管道），生产能力低，料液循环差，盘管表面易结垢。5、清洗困难。（二）应用 果酱、果汁和炼乳等生产中。,29,（三）中央循环管式浓缩锅,工作原理 由于传热产生重度差，形成了自然循环，液面上的水汽向上部负压空间迅速蒸发，从而达到浓缩的目的。,30,（三）中央循环管式浓缩锅,基本结构1）锅体：锅底、加热室蒸汽容纳空间2）加热器体：中央循环管(截面积为总面积的40%100%）和上下管板及加热管束（直径25mm75mm),31,液料在管内流动而加热蒸汽在管束之间流动。3）管道（口）：真空系统、料液进出口、不凝气出口、冷凝水出口、二次蒸汽出口,32,4）蒸发室：蒸发室是指料液液面上部的圆筒空间。料液经加热后汽化，必须具有一定高度和空间，使汽液进行分离，二次蒸汽上升，溶液经中央循环管下降，如此保证料液不断循环和浓缩。蒸发室的高度，主要根据防止料液被二次蒸汽夹带的上升速度所决定，同时考虑清洗、维修加热管的方便，一般为加热管长度的1.11.5倍。5）附件：人控、仪表、取样口及视镜等。,33,加热室中不凝缩气体的排除：,加热蒸汽热交换后，放掉热，而冷凝成水，从下面排出。如上图所示，可是蒸汽中有一部分气体是混入的空气或氨等不凝缩气体，不能排除。如果不及时排除。会在加热室内愈积愈多，严重影响热效率，在A处放出轻的不凝气；B处放出重的不凝气。排出位置的选择很重要，视不凝气积聚于何处而定，此管可接在真空系统。,34,蒸汽中混入不凝气体的原因有三：,锅炉水中混人溶解着空气和其它气体、（若用的是冷凝水就不存在此情况）。如果用河水或井水，可以用开口炉烧开后再人锅炉，可去除大部分多气。因在真空下操作，有空气从接头处漏人，造成二次蒸汽中混入不凝性气体。如果是多效系统。则应注意料液中往往也会有溶解着的不凝气体，有时甚至还含有对材料具腐蚀性的恶性气体，更应及时排除。这些不凝性气会形成薄膜，包住加热管。因为气体不是好的热导体，加热蒸汽需通过它才能与壁内溶液进行热交换；因而传热效果就低了。,35,（四）盘管式单效真空浓缩装置,36,盘管式真空浓缩锅,37,1.用途和特点,盘管式蒸发器适用于牛奶、果汁、蔬菜汁、豆浆、葡萄糖溶液等热敏性物料在真空条件下进行低温浓缩，也可供医药、化工等部门浓缩物料之用。,38,盘管式蒸发器具有以下优点：蒸发强度高，每平方米传热面积每小时蒸发量可达100kg以上，其原因是传热温度差较高；操作方便，容易掌握；易损件少，维护简单；每一批的产品质量均匀一致；设备制造工艺简单，使用钢材少。,39,其缺点：,间歇操作，生产效率低；物料受热时间长，影响产品质量；料液循环差，传热系数低；由于是单效、间歇操作，蒸汽消耗量大，蒸发1kg水耗蒸汽在1.1kg以上；冷却水用量大；盘管表面易结垢，且洗涮不方便。二次蒸汽未能很好利用，仅适用于中小型工厂。,40,2.结构原理,工作原理 在设于蒸发器锅体下部的环形盘管内，通入加热蒸汽，此蒸汽冷凝放热通过盘管传给锅体内的料液，使料液沸腾蒸发，不断排除二次蒸汽，不断加入新料，经一定时间，达到预定浓度后排料。,41,基本结构,盘管蒸发器由蒸发锅、汽液分离器、止逆阀、水力喷射器、水箱、多级离心水泵、仪表箱和操作台组成。蒸发锅为一直立筒形密封容器，下部锅体内装有作为加热元件的盘管。锅底装有出料阀、取样问和温度计接头。上部锅体为蒸发室，锅壁上装有人孔、视孔、进料阀、放气阀、二次蒸汽出口。锅体外有保温层以减少热损失。,42,盘管有45盘分层排列每盘13圈，每盘都有单独的进汽口，由长柄和方向联轴器操纵进汽口的分汽阀。盘管的出汽口有两种方式，一种与进汽口同侧，另一种为与进汽口对侧，见下图，后者常用。盘管的形状为竖直扁平椭圆形截面，这种截面对料液自然对流的阻力较小，且便于清洗。,43,（五）使用注意事项,1、一般开始操作时，先通入加热蒸汽于锅内赶走空气，后开启抽真空系统，造成锅内真空；2、待加热器体内充满液体后，再开蒸汽阀门；3、取样检验，达到所需浓度时，解除真空即可出料；4、加热蒸汽压力应视不同物料选择，不宜太高，否则易发生焦管现象。,44,（六）液膜式蒸发浓缩设备,1、特点料液在管壁或器壁上分散成液膜的形式流动（上升、下降或上升与下降组合），从而使蒸发面积增加，提高浓缩效率。,45,1）按液膜形成方式分：自然循环式蒸发器和强制循环式蒸发器；2）按液膜运动方向分：升膜式蒸发器、降膜式蒸发器和升降膜式蒸发器。,2、分类,46,3、升膜式蒸发器,与中央循环管式浓缩锅的区别：料液是依靠传热产生的重度差排浓缩液，液面上的二次蒸汽靠负压排出。而升膜式蒸发器是依靠膨胀的二次蒸汽产生向上的升力，二次蒸汽浓缩液进入分离器。,47,蒸发室 由锥形底、集沫器与筒体组成的不锈钢制密闭容器，在筒体上装有灯孔、视孔、温度计、破真空放气装置、排汽管、进料管、排液管等。进料管与加热器的上集箱连接，排液管与外循环管连，排汽管经止逆问与水力喷射器连接。,结构,48,加热管 一般用直径为3050mm的管子，其长径比为100300，一般长管式的管长为68m，短管式的34m。长管式加热器结构比较复杂，壳体应考虑热应力对结构的影响，需采用浮头管板或在加热器壳体上加膨胀节。有时可采用套管办法来缩短管长。,结构,49,汽液分离器：碰撞型离心型过滤型,结构,50,进口：蒸汽进口、料液进口出口：浓缩液出口、二次蒸汽出口、冷凝水出口,51,A、一般为单流型，即料液经一次浓缩基本达到成品浓度而排出；B、管内静液面低，由静压头产生的沸点升高很小；,特点,52,C、蒸发时间短，几秒至十余秒，适用于热敏性物料；D、高速二次蒸汽破沫性能好，适用于易起泡沫的物料；E、二次蒸汽螺旋上升，料液易粘壁，不适用于粘度大的物料。,53,工作过程：,最底部管内完全充满料 液，热量主要依靠对流传递。中间部开始产生蒸汽泡，使料液产生上升力。最高部由于膨胀的二次 蒸发而产生强的上升力，料液呈薄 膜状在管内上行，在管顶部呈喷雾状，以较高速度进入汽液分离器，在离心力作用下与二次蒸汽分离，二次蒸汽从分离器顶部排出。,54,1）操作时，应严格控制进料量，防管壁结焦现象发生；2）料液一般先预热到沸点状态进入加热器体，以增加液膜比例，提高沸腾和传热系数；3）各管路密封性能要好，连接可靠；4）定期对密封垫进行更换和检查。,注意事项,55,4、降膜式蒸发器,与升膜式一样，都属于自然循环的液膜式蒸发浓缩设备，构造与升膜式相似，主要区别是料液由加热器顶部加入，液体在重力作用下，沿管内壁成液膜状向下流动，由于向下加速，克服加速压头比升膜式小，沸点升高也小，且加热蒸汽与料液温差大，所以传热效果较好。关键：使料液均匀分布于各加热管,56,导流管筛板或喷嘴旋液喷头,料液分布器：,57,a、筛孔板式b、喷雾型c、锯齿形导流管d、螺旋沟槽导流管e、典型导流管f、筛孔板与导流管结合g、旋液型,58,为提高降膜蒸发器管内物料的周边流量，除对物料进行外循环外，常把蒸发器体分隔成两部分或更多，图1为内分隔式，图2为外分隔式，两图中A、B为被分隔的两程。前一结构由于液体分布不便及汽液分离较差，只适用于对浓缩液固形物含量较低或溶解度要求不高的产品。,59,5、升降膜式蒸发器,两组加热管：一组升膜，另一组降膜料液先进入升膜式加热管，沸腾蒸发后，汽液混合物上升至顶部，然后转入另一半加热管，再进行降膜蒸发。浓缩液从顶部进入汽液分离器，分离后，二蒸汽从分离器上部排入冷凝器，浓缩液从下部排出。,60,特点：,符合物料的要求，初进入，浓度低，速度快，容易达到升膜要求，初步浓缩后，在降膜式中受重力作用下能沿管壁均匀分布形成薄膜。先升后降，有利于液体均布，加速湍动和搅动，进一步提高传热效果。升膜控制降膜的进料分配串联可提高产品的浓缩比，减低设备高度,61,6、板式蒸发器,板式加热器：4片传热板组成一个板单元；汽液分离器：离心式（二次蒸汽和浓缩液在一起）,结 构,62,板式蒸发器的传热组合,63,加热板间蒸汽与物料之流程,64,进料管道：蒸汽进口、料液进口；附件：密封圈、调节板、紧固件和支架等。,65,板式蒸发器,66,料液经泵的作用强制通入板式加热器体，在流经升膜和降膜段时受加热蒸汽的作用，通过板壁对料液加热浓缩，产生的浓缩液和二次蒸汽由底部通入汇集槽机出口通入分离器，分离浓缩液和二次蒸汽，分别从各出口排出，其中冷凝水由冷凝水出口排出。,工作过程,67,A、优点：1）体积小，结构紧凑，加热面积可随意调整；2）加热时间短；3）热敏性物料的适应性好，如牛奶、果汁等；4）具有升膜和降膜的特点，传热系数高。,特点,68,1）密封垫片易老化而产生泄漏；2）适用压力有限；3）对粘度大的物料适应性差。,B、缺点：,69,第三节 多效蒸发浓缩装置(Multiple Effect Evaporation device),一、多效蒸发的原理 双效蒸发：后一台蒸发器作为前一台发生的二次蒸汽的冷凝器。前一台为第一效，后一台者为第二效。多效蒸发：将串联操作推广至三效、四效、五效等。,70,单效蒸发：1千克加热蒸汽可以蒸发大约l千克二次蒸汽，全部用作第二效的加热蒸汽时，在第二效中又可蒸发大约1千克的二次蒸汽。n效蒸发：n效串联蒸发操作，l千克加热生蒸汽则可蒸发约n千克的二次蒸汽。即：为完成同一蒸发量任务，其加热蒸汽消耗量仅为采用单效者的n分之一。,71,二、多效蒸发装置的设备流程1并流(Forward Feeding)并流流程是料液和蒸汽流向相同。,72,并流流程各效压力递减，其优点为：料液可以利用各效间的压力差自行输送，不必另设料泵。相应于压力，后一效溶液的沸点也比前一效低，所以溶液由前一效进入后一效时，往往由于过热而自行闪蒸，于是后一效可多产生一些二次蒸汽。,73,2逆流(Backward Feeding),料液与蒸汽流动方向相反。,74,特点：各效间溶液需要用泵输送。当溶液由后一效进入前一效时，无闪蒸，且尚需一些热量将溶液加热至沸点。各效溶液粘度比较接近，其传热系数也比较接近。适于粘度随浓度和温度变化较大的溶液，而不适于热敏性物料的浓缩。,75,3平流(Parallel Feeding),76,特点：料液由各效分别加入，完成液也由各效分别取出。主要用于蒸发过程中容易析出结晶的场合。,77,三、多效蒸发效数的限定,1实际耗汽量大于理论值。效数 实际耗汽量 耗汽量 单效 1.1 1.0 双效 0.57 0.5 三效 0.40 0.33 四效 0.30 0.25 五效 0.27 0.20,78,2设备费用的增加。进一步增加效数所需的设备费用不能弥补所节约的燃料费用时，效数就达到了极限。,3蒸发器有效传热温差的极限。每效分配到的温差最少不得小于57K。否则就不可能维持料液在泡核沸腾区域内。,79,4料液蒸发温度的安全极限。第一效就不能使用温度过高的加热蒸汽，总温差减小限制了效数的增加。5温差损失的增加。沸点升高、静压效应和热损失引起的温差损失（要重复n次）几乎随效数而成正比例的增加。当效数增加到一定的数值之后，温差损失的总和有可能等于总温差。,80,第四节 真空浓缩装置的辅助设备,本体：蒸发器附属设备：汽液分离器、蒸汽冷凝器、真空系统,81,1、作用：将蒸发过程中产生的雾沫中的溶液聚集并与二次蒸汽分离，减少料液的损失，同时防止污染管道及其它浓缩器的加热面。,一、汽液分离器（又称捕沫器、捕液器和除沫器）,82,应具有良好的分离效果，其阻力损失尽可能的小，能保证液体连续地流向蒸发室内，同时应具备易于拆洗、没有死角，结构简单，尺寸小，材料消耗少等性能。,要求：,83,碰撞型：二次蒸汽流经通道上，设有若干挡板，改变夹带液滴运动方向，与挡板碰撞，沿挡板面流下，从而分离汽液。,2、类型与结构特点,84,离心型：二次蒸汽沿分离器的壳壁成切线方向导入，气流产生回转运动，液滴在离心力作用下被甩到分离器的内壁，并沿壁流下回到蒸发室内，二次蒸汽由顶部出口管排除。,85,过滤型：二次蒸汽通过多层金属网或磁网等构成的捕液器，液滴粘附在其表面而二次蒸汽通过。,86,二、蒸汽冷凝器,1、作用：将真空浓缩所产生的二次蒸汽进行冷凝，并将其中的不凝性气体（如空气、二氧化碳等）分离，以减轻真空系统的容积负荷，同时保证达到所需的真空度。大气式、表面式、低水位、水力喷射器,87,1）大气式冷凝器（又称干式高位逆流冷凝器）二次蒸汽由冷凝器的下侧进入，向上通过隔板间隙，与从冷凝器上部进入的冷水逆流接触冷凝，,2、类型与特点,88,不凝气体由上端排除，进入汽液分离器，将液滴分离后，再被抽真空装置吸取排入大气中，应用广泛。,89,通过管壁间接加热，加之壁垢的存在，两边的温差大，其冷却水利用浪费大，应用较少。,2）表面式冷凝器,90,降低大气式冷凝器的高度，依靠抽水泵来排出冷凝水。其特点是降低了安装高度，可在室内安装，且具有气压式冷凝器的优点，但由于配有抽水泵，且管路严密和较高的真空吸头，其投资大。,3）低水位冷凝器,91,A、结构喷嘴：产生高速水流和形成负压，吸二次蒸汽，同圆心排列；吸气室：喷嘴出口处，负压吸二次蒸汽；,4）水力喷射器,92,混合室：冷凝水和不凝性气体随冷水排出；扩散室：热交换冷凝水；附件：挡板、排水管、冷却水出口、冷水进口等,93,工作时，借助离心水泵的动力，将水压入喷嘴，由于喷嘴处的截面积突然变小，水流以高速（达1530m/s）射入混合室和扩散室，这样在喷嘴出口处便形成负压，二次蒸汽不断被吸入，并与冷水进行热交换，二次蒸汽凝结为冷凝水，同时夹带不凝性气体，随冷水一起排出，这样既达到冷凝，又起到抽真空的作用。,B、工作原理,94,要求离心水泵压力稳定，停止操作时，应先破坏锅内的真空度，避免冷水倒灌至浓缩锅内。,C、注意事项,95,a）兼有冷凝和抽真空的作用，不需配抽真空装置；b）结构简单，喷嘴无机械运转，造价低，不需经常检修；c）适用于抽腐蚀性气体；d）消耗功率比大气式和表面式冷凝器要小；e）不能获得高的真空度，且随水温的变化而变化。,D、特点,96,第八章 小结与思考题,1、蒸发的概念和蒸发的必要条件是什么？2、简述蒸发浓缩设备的分类和蒸发浓缩设备的选择依据，蒸发浓缩设备的一般由哪几部分构成。3、单效真空浓缩设备的特点是什么？4、简述中央循环管式浓缩锅的基本结构和工作原理。,97,5、简述液膜式蒸发浓缩设备的特点及其分类；6、说明汽液分离器的作用、类型和相关特点；7、论述升膜式和板式蒸发器的结构、特点及工作过程。,