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1、 食品技术原理课程讲稿第八章液体浓缩第八章 液体浓缩技术一、概 述1、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。2、浓缩和干燥的意义不同：浓缩过程中，水分在物料内部是借对流扩散作用从液相内部达到液相表面而后除去，最低水分含量约30%(质量)，一般为稳定状态的过程。而干燥过程中，水分在物料内部最终必将借分子扩散作用从固相中除去，且一般为不稳定状态的过程。二、浓缩方法：从原理上说分平衡浓缩和非平衡浓缩两种物理方法。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。蒸发浓缩和冷冻浓缩即属此法。蒸发浓缩在实践上是利用加入热能使部分溶剂汽化，并将此汽化水分
2、从余下的被浓缩溶液中分离出去。即使溶剂汽化达到使溶质增浓的目的。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。 冷冻浓缩是利用稀溶液与固态冰在凝固点下的平衡关系，即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。非平衡浓缩：是利用半透膜来分离溶质与溶剂的过程，两相用膜隔开，因此分离不是靠两相的直接接触，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，而且也可用以分离各种不同大小的溶质，因此统称为膜 (渗)分离。 结晶是使溶质呈结晶状从溶液中析出的单元操作，也是溶质和溶剂均匀混合物的部分分
3、离过程。结晶操作与冷冻浓缩操作虽然都是利用固-液平衡条件的操作，它们的不同点：在于分离的目的，在于它们的操作原理及其前提条件。在一定的条件下，实现的是溶质从溶液中析出，而在另一条件下实现的则是溶剂从溶液中成冰晶析出。浓缩和结晶操作在食品工业中有着广泛的应用，是食品工程上极其重要的单元操作。这些操作的原理都涉及到溶液的热力学问题。 第一节 蒸发及其特点 食品工业浓缩的物料大多数为水溶液。一般蒸发就指水溶液的蒸发。食品浓缩的物料，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、蒸发的基本概念(一)、蒸发的概念1、定义：蒸发浓缩是利用溶
4、剂和溶质挥发度的差异，从而获得一个有利的汽液平衡条件，达到分离的目的。2蒸发原理：按照分子运动学观点，溶液受热时，溶剂分子获得了动能，当一些溶剂分子的能量足以克服分子间的吸引力时，溶剂分子就会逸出液面进入上部空间，成为蒸汽分子，这就是汽化。如果不设法除去这些蒸汽分子，则汽相与液相之间，水分的化学势将渐趋平衡，汽化过程也相应逐渐减弱以至停止进行。故进行蒸发的必要条件就是热能的不断供给和生成的蒸气的不断排除。 一般说来，溶液在任何温度下都会有水分的汽化。但这种汽化速度很慢，效率不高，所以工程上多采用在沸腾状态下的汽化过程。通常说的蒸发就是指的这种过程。为了维持溶液在沸腾条件下汽化，需要不断地供给热
5、量，通常多采用饱和水蒸气为热源。饱和水蒸气在冷凝过程中放出的汽化潜热提供蒸发所需的热量。由此可见，从换热角度看，蒸发器中进行的蒸发一方是水蒸气的冷凝放热，另一方是溶液的沸腾放热。 (二)食品浓缩的目的是：(1)除去食品中大量水分，减少包装、贮藏和运输费用。例如100吨含5%固形物的番茄榨出汁浓缩至含固形物28%的蕃茄酱，重量将减至l8吨，为原重量的1/5左右，体积缩小大致与此相同。这样可大大降低包装、贮藏和运输的费用。(2)提高制品浓度，增加制品的保藏性。用浓缩方法提高制品的糖分或盐分可使水分的活度降低。使制品达到微生物学上安全的程度，延长制品的有效保藏期。例如，含盐的肉类萃取液浓缩到不致产生
6、细菌性的腐败。(3)浓缩经常用作干燥、更完全的脱水或用作某些结晶的预处理过程。这种情况特别适用于原液含大量水分，而用浓缩法排除这部分水分比用干燥法更为节约之时，如制造奶粉时，牛奶先经预浓缩至含固形物4552%以后再进行干燥。二、食品物料蒸发浓缩的特点 料液的性质对蒸发有很大影响。特别是食品多属生物系统的物料，比一般化工上遇到的物料更为复杂多变。在选择和设计蒸发器时，要充分认识这种影响。食品物料的蒸发浓缩有如下几方面特点。l 热敏性：生物系统的物料多由蛋白质、脂肪、淀粉、维生素以及其它许多色、香、味成分组成。这些物质在高温下或长期受热时要受到破坏、变性、氧化等作用。所以许多食品的蒸发要严格考虑加
7、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。这就是“温时结合”。的概念，即把温度与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，一方面必须减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和搅拌膜式蒸发器在物料的停留时间问题上具有很大的优点，从而在食品工业上获得广泛的应用
8、。2 腐蚀性：特别是酸性食品如果汁、蔬菜汁的浓缩，设计蒸发器时必须考虑腐蚀性问题。设计蒸发器和其它辅助设备时，必须选用适当的结构材料。对于食品，即使是轻度的腐蚀，其所引起的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，除非需要昂贵的材料才能满足要求时，通常设计成强制循环式以节约材料的用量。3 粘稠性：许多食品含有丰富的蛋白质、糖分、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。即使物料受到强烈搅拌，在传热壁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，也还会产生诸如结垢，局部停留时间等一系列问题。料液
9、的粘稠性随浓度而增加，随着蒸发的进行，料液粘度也必然逐渐增加，所以蒸发过程中的传热速率预感期也会逐渐降低。对于粘性制品的蒸发，一般采由外力强制的循环或搅拌措施。4 结垢性：蛋白质、糖和果胶等受热过便会产生变性、结块、焦化等现象。通常在传热面附近，物料温度最高。容易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是提高液速。经验证实，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，必须有定期的严格清理措施。 5 泡沫性：某些食品物料沸腾时要形成稳定的泡沫，特别是在真
10、空蒸发和液层静压高的场合下更是如此。泡沫的形成与界面张力有关。界面张力发生在蒸汽、过热液体和悬浮固体之间，固体在形成汽泡时起着核心的作用。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。6 易挥发成分：不少液体食品含有芳香成分和风味成分，其挥发性比水大。料液蒸发时，这些成分将随同蒸汽一起逸出，影响浓缩制品的质量。低湿浓缩虽然可减少香味成分损失，但更完善的方法是采取回收措施，回收后再掺入制品中。第二节蒸发器类型及其选择一、蒸发器的组成蒸发器主要由加热室(器)和分离室 (器)两部分组成。加热室的作用是利用水蒸气为热源来加热被浓缩的料液。加热室的型式最初采用的是夹套式和蛇管式，
11、其后有卧式短管加热室和竖式短管加热室，为了强化传热过程，采用强制循环代替自然循环，也有采用带叶片的刮板薄膜蒸发器等。分离室的作用是将二次蒸汽中夹带的雾沫分离出来。二次蒸汽之所以夹带雾沫，是因液体沸腾时，汽泡到达液面破裂后，产生许多小雾滴所造成。为使这些雾滴下落回到液体中，分离室须具有足够大的直径和高度以降低蒸汽流速，并有充分机会使其返回液体中。分离室的型式，最初是将其置于加热室之上并与后者并成一体。其后，出现了外加热型加热室 (加热器)，分离室也就独立成为分离器。 以下简单介绍几种食品工业上常用的典型蒸发器。 (一)标准式蒸发器结构图8-1所示为标准式蒸发器。蒸发器由上、下两部分构成，下部为加
12、热室，上部为分离室。加热室由沸腾管、中央循环管与上、下管板所组成的加热管束。壳内的管外空间为蒸汽室，蒸汽在此进行冷凝。中央循环管是一根直径远大于沸腾管直径的粗管，其截面积不小于总加热管束截面积的3540%。因此，一定量溶液在中央管内所占有的传热面积就相应较之在沸腾管中者为小，就产生溶液由中央管下降， 而由沸腾管上升的不断循环，因而它是一种自然循环型蒸发器。蒸发器上部为分离室。分离室的圆筒体上有视镜、人孔、洗涤装置和照明装置等。筒体高度一般不小于1.82.5m，可保证液滴不被带出。分离器顶部有捕沫器，用以分离雾沫，保证二次蒸汽洁净，有利于下一效蒸发器的加热。分离器顶部连接二次蒸汽排出管。标准式蒸
13、发器的缺点是在增强循环方面有一定限制，因而沸腾液一侧的传热膜系数也受到限制。另外不便清洗和更换管子。为了克服上述缺点，使之更适用于易结垢的物料，出现了标准式的一种变型，即所谓悬筐式蒸发器，见图8-2。为了从中取出加热室，只要把顶盖拿下，把管道拆除，从顶部把它取出即可。这种设备的另一优点是改善了循环条件。液体回流是通过壳与加热室间的环形间隙来进行，环形间隙的截面较易达到所要求的大小。应用范围：设备适用于中等粘度、轻度结垢的非腐蚀性料液，并且可以得到较好的蒸发速率。在食品工业上的典型应用例有果汁、麦芽浸出液、蔗糖、葡萄糖等溶液的浓缩。 (二)、加热室在外的蒸发器(自然循环型和强制循环型)加热室在外
14、的蒸发器是现代蒸发器发展的一个特点。这类蒸发器是由加热器、分离器和循环管三部分组成。加热室和分离室分开的优点：可以改变两者之间的距离，并调节循环速度使料液达到不在加热室中沸腾，亦即整个管子仅用于加热而沸腾恰在高出加热管顶端进行。这样，管子内表面就不为析出晶体所堵塞。分离器独立后，可改善分离雾沫条件，并有可能将其作成离心分离器的形式。有可能将几个加热器共用一个分离器，从而必要时可灵活轮流使用每个加热器。加热室在外的蒸发器分自然循环型和强制循环型。自然循环型的循环原理与标准式同。不过，标准式蒸发器的中央循环管在加热室内，管内的料液还是受热的。而加热室在外的蒸发器，其循环管是加热器与分离器间的连接管
15、，管内料液是不受热的。因此，相对于标准式而言，这种蒸发器的循环条件得到了改善，检修、清洗也较方便。加热室在外的自然循环型蒸发器，其加热器有垂直放置更为有利。因加热管下端盖子打开后，清洗管子很方便。一般自然循环型蒸发器，其循环速度约为lm/s。这类设备灵活性较大，几乎在所有情况下都可采用。自然循环型目前广泛应用于果汁、牛奶和肉类浸出汁等热敏料的浓缩，但因料液在器内进行大量反复循环，固停留时间较长。不适合蒸发粘稠溶液，主要是传热速率降低，污垢易于形成。解决的办法是采用强制循环型，使溶液在管内流速达34m/s. 强制特循环型设备的加热室虽然多数设在外部，但也有将加热室装在管内里面的。 加热室在外的强
16、制型，其加热室有垂直和水平放置的型式。强制手段可用泵或搅拌器。泵多采用离心泵和轴流泵，因馏环所需的扬程不大，而循环流量很大，故用轴流泵更为合适。可把它直接装在设备内。粘度非常高的浆液，可采用正位移泵-齿轮泵或转子泵，某些粘度极高且有结晶析出的物料，可采用内装搅拌器构循环式没备(三)长管式蒸发器 上述自然循环型和强制循环型蒸发器有一个主要缺点，就是溶液反复循环，要经受长期加热，亦即溶液在设备中平均停留时间较长，这对非常热敏的物料来讲是不许可的。对这种料液，有必要尽可能减少循环甚至不循环，后者就是所谓单程蒸发。为此目的，蒸发器就要有细长的管子，单程通过的时间内，达到全部浓缩的要求，这就是长管式蒸发器的由
