第六章-物料浓缩-.ppt

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物料浓缩,第六章,物料浓缩,6.1食品浓缩的分类和目的6.2蒸发6.3冷冻浓缩6.4膜分离,物料浓缩,6.1食品浓缩的分类和目的浓缩是从溶液中除去部分溶剂的单元操作，是溶质和溶剂部分分离的过程。

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到达液相表面而后除去的过程。

按浓缩的原理，分为平衡浓缩和非平衡浓缩两种物理方法。

物料浓缩,平衡浓缩是利用两相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。

蒸发浓缩是利用溶质和溶剂挥发度的差异，用加入热能的方法使溶剂汽化并将其从液相中分离出去而使料液浓缩，而溶质则为非挥发性的，从而获得一个有利的气液平衡条件，达到分离目的。

其加热介质一般为水蒸气。

冷冻浓缩是利用稀溶液与固态溶剂在凝固点下的平衡关系，即利用合适的固液平衡条件，使水溶液中的一部分溶剂（水）以冰的形式析出，并将其从液相中分离出去而使溶液浓缩，从而达到分离。

蒸发浓缩和冷冻浓缩，两相都是直接接触的，故称为平衡浓缩。

物料浓缩,非平衡浓缩是利用半透膜来分离溶质和溶剂，两相用膜隔开，在不同推动力作用下，有选择性地使某些分子通过，使溶液中不同溶质和成分分离，故也称为膜分离。

分离不是靠两相直接接触而进行的，故称非平衡浓缩。

就操作过程而言，食品的浓缩与分离紧密联系在一起。

物料浓缩,浓缩在食品工业中已得到广泛的应用，其主要目的有以下几点。

浓缩去除食品中大量的水分，减少质量和体积，从而减少食品包装、储藏和运输费用。

提高制品浓度，延长保质期。

浓缩使溶液中的可溶性物质浓度增大，尤其是高浓度的糖和盐有较大的渗透压。

当渗透压足够从微生物细胞中渗出水分，或能阻碍水分扩散到微生物细胞中，就可有效地抑制微生物的生长，起到防腐，延长保存期的作用。

物料浓缩,作为干燥、结晶或完全脱水的预处理过程。

可降低食品脱水过程的能耗。

真空浓缩尤其多效真空浓缩，常常是食品干燥的前处理过程。

真空浓缩去除水分要比干燥脱水耗能低得多，如喷雾干燥法生产奶粉，要先将牛奶真空浓缩至固形物为4050，然后再进行喷雾干燥，有利于保证制品品质，并降低生产成本。

这种处理特别适用于原料液含水量高的情况，用浓缩法排除这部分水分比用干燥法在能量上和时间上更节约。

物料浓缩,改善产品质量。

浓缩过程尤其是真空浓缩，物料在浓缩过程处于激烈的湍动状态，可促使物料各组分混合均匀，有利于去除料液中的挥发性成分和不良风味。

真空浓缩过程还具有脱气作用，可改善浓缩液的结构特征。

如经真空浓缩的牛奶，喷雾干燥过程以获得密度大的奶粉颗粒，这对奶粉的速溶性能尤为重要。

但物料在浓缩过程中会丧失某些风味，需引起注意。

物料浓缩,6.2蒸发蒸发是食品工业中应用最广泛的浓缩方法之一，具有操作简单，工艺成熟，设备投资低，浓缩效率高等优点。

食品工业中浓缩物料大多为溶液，在以后论述中，如果不另加说明，蒸发就是指水溶液的蒸发。

食品蒸发浓缩的物料有的是原液，如牛奶、血液；有的是榨出汁，如果汁、蔬菜汁等；也有萃取浸提物，如茶、中草药等。

物料浓缩,6.2.1蒸发的基本概念1蒸发的概念利用溶质和溶剂之间挥发度的差异，用加入热能的方法使溶剂汽化，而非挥发性的溶质留在溶液中，从而达到分离的目的，所涉及的平衡为汽液平衡。

按照分子运动学说，溶液受热时，溶剂分子获得了能量，当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。

汽化后生成的蒸汽若不设法排除，则汽液两相间水分的化学势逐渐趋向平衡，使汽化不能继续进行。

故进行蒸发的必要条件是热能的不断供给和生蒸汽的不断排除。

物料浓缩,2.蒸发的流程如图6-1所示，蒸发时原料预热后进入蒸发器。

蒸发器下部许多加热管组成加热室，加热蒸汽在加热室的管间冷凝，放出的热量通过管壁传给管内的料液，使料液汽化；经浓缩后的完成液从蒸发器的底部排出。

蒸发器的上部为分离室，汽化产生的蒸汽在蒸发器顶部的除沫器中将其夹带的液沫予以分离，然后送往冷凝器被冷凝而除去。

物料浓缩,图6-1蒸发流程1.加热室2加热管3中央循环管4蒸发室5除沫器6冷凝器,物料浓缩,一般来说，溶液在任何温度下都会有水分的汽化，但只有在沸腾情况下才有较高的汽化速度。

食品工业上多采用在沸腾状态下的汽化过程，即蒸发过程。

为了维持溶液在沸腾条件下汽化，需要不断地供给热量，通常采用饱和水蒸气为热源。

由此从换热角度看，蒸发器的蒸发过程中一侧是水蒸气的冷凝放热，另一侧为溶液的沸腾传热。

物料浓缩,蒸发可以在常压，真空或加压下进行。

食品工业上多采用真空蒸发。

这主要是由于真空蒸发时溶液沸点较低，有利于最大限度地保护食品中的营养物质。

蒸发过程中汽化所产生的水蒸气叫二次蒸汽，以区别作为热源的生蒸汽。

排除二次蒸汽最常用的方法是将其冷凝。

蒸发操作中，将二次蒸汽直接冷凝而不再利用者，称为单效蒸发。

如将二次蒸汽引入另一蒸发器作为热源，进行串联蒸发操作，则称为多效蒸发。

而多效蒸发系统中最末一效的二次蒸汽亦被冷凝。

因此冷凝器是蒸发系统的重要组成部分。

物料浓缩,3.食品物料蒸发的特点料液在蒸发浓缩过程中发生的变化对浓缩液品质有很大的影响。

所以在选择和设计蒸发器时要充分认识物料的这一特征。

一般来讲，食品物料的蒸发具有如下特性：

物料浓缩,

（1）热敏性食品物料多由蛋白质、脂肪、糖类、维生素及其他风味物质组成。

这些物质在高温下长时间受热时要受到破坏或发生变性、氧化等作用。

所以食品物料的蒸发应严格控制加热温度和加热时间，从食品蒸发的安全性考虑，应力求“低温短时”，同时考虑工艺的经济性。

在确保食品质量的前提下，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，在封闭系统中，低压就能降低沸点，所以真空蒸发是食品工业应用的显著特点之一。

同时，为了缩短蒸发操作时的加热时间，一方面应尽量减少料液在蒸发器内的平均停留时间，另一方面还应解决局部性的停留时间问题。

为了缩短料液在蒸发器中的停留时间，现广泛采用长管式蒸发器和搅拌膜式蒸发器。

物料浓缩,

（2）腐蚀性有些食品物料如果汁、蔬菜汁等属于酸性食品，有可能对蒸发设备造成腐蚀。

所以在设计或选择蒸发器时应根据料液的化学性质和蒸发温度，选用既耐腐蚀又有良好导热性的材料。

（3）粘稠性许多食品物料含有丰富的蛋白质、多糖、果胶等成分，其粘度较高。

随着浓度增大及受热变性，其粘度显著增大，流动性下降，严重影响了传热速率。

所以对粘性物料的蒸发，一般要采用外力强制循环或者采取搅拌措施。

物料浓缩,（4）结垢性食品中的蛋白质、糖、果胶等物质受热过度会发生变性、结块、焦化等现象。

而在传热面附近，物料的温度最高，在传热壁上容易形成垢层，严重影响了传热速率。

解决结垢问题的措施是提高料液流动的速度。

或采取有效的防垢措施，如采用电磁防垢、化学防垢，也可采用CIP清洗系统与蒸发器配套使用。

另外对不可避免的结垢问题，必须有定期的、严格的清理措施。

物料浓缩,（5）泡沫性溶液的组成不同，发泡性也不同。

含蛋白质胶体较多的食品物料蒸发时泡沫较多，且较稳定，这会使大量的料液随二次蒸汽导入冷凝器，造成料液的流失。

发泡性料液的蒸发，需降低蒸发器内二次蒸汽的流速，以防止跑料，或采用管内流速很大的升膜式或强制循环式蒸发器，也可用高流速的气体来吹散泡沫或用其他的物理、化学措施消泡。

（6）易挥发成分不少液体食品的芳香成分和风味物质的挥发性较大。

料液蒸发时，这些易挥发成分将随蒸汽一同逸出，从而影响浓缩制品的质量。

目前较完善的方法是采取措施回收蒸汽中的易挥发成分，然后再掺入制品中。

物料浓缩,6.2.2单效蒸发单效蒸发是最基本的蒸发流程，原料在蒸发器内被加热汽化，产生的二次蒸汽引出后冷凝或排空，不再被利用，因食品工业上浓缩的物料都是热敏性的，进行单效蒸发时常采用单效真空蒸发。

物料浓缩,1蒸发器的温度差损失蒸发操作的快慢主要取决于蒸发器加热室热交换的换热量Q。

与其他换热器一样，蒸发器的换热遵循传热基本方程：

Q=KAt。

对一定的蒸发器，换热面积A是一定的。

以加热蒸汽作为加热介质，传热壁一侧是蒸汽冷凝放热，另一侧是液体沸腾汽化吸热，因而传热系数K有一定的取值范围。

对传热量Q影响最显著的是传热温度差t。

物料浓缩,若蒸发器加热蒸汽的温度为T，加热室料液的沸点为t1，则换热壁两侧的温度差为t=T-t1一定压强下，料液的沸点较纯水的沸点T要高，两者沸点之差称为温度差损失，=t1-T对于同一种料液，沸点升高值随料液浓度及蒸发器内液柱高度而异，浓度越大，液柱越高，沸点升高值越大。

物料浓缩,引起温度差损失的原因有三方面由于料液中溶质的存在产生的沸点升高而引起；由于液层静压效应而引起；由于管路流体阻力而引起。

物料浓缩,

（1）由于溶质的存在，使溶液沸点升高因为溶液的蒸汽压比纯溶剂（水）的蒸汽压低，所以在相同的外压下，溶液的沸点比纯溶剂（水）高，所升高的温度称沸点升高，以表示。

如常压下，50%食糖溶液的沸点为374.8K，则沸点升高=374.8-373=1.8K。

表6-1不同浓度下糖液在常压下的沸点升高（K）,物料浓缩,食品工业上所处理的溶液多为非电解质或胶体溶液，沸点升高较小，可近似参考糖液方面的数据。

对非常压下溶液的沸点升高可按吉辛柯公式计算，即=16.2（6-1）式中操作压强下溶液沸点升高，K；0常压下溶液沸点的升高，K；T操作压强下水的沸点，K；r操作压强下二次蒸汽的汽化热，J/kg。

物料浓缩,

（2）由于液层静压效应引起溶液在蒸发器内常有一定的液层高度，离液面不同深度的溶液受到不同静压力，因而液面下局部沸腾温度高于液面上的沸腾温度，使液层内有效传热温差减小，这种由于液层静压效应造成的温差损失，记作设液面上方的分离室内的压力为p0。

溶液液层高度为h，溶液密度为，液层内部平均压力p可按下式求得：

p=p0+（Pa）由p和p0值，可查得相应的沸点tm和t0，则由静压效应引起的温度差损失为=tm-t0（6-2）通常为近似计算，tm和t0可直接取p和p0压力下水蒸气的饱和温度。

物料浓缩,在真空蒸发时，液层静压效应的影响要比常压或加压下蒸发要大，特别是在高真空度下操作的真空蒸发，当液层静压效应显著影响沸腾温度时，底层溶液的沸腾往往受到强烈的抑制，甚至不沸腾，只有当溶液上方流动而达到某一高度以后才开始沸腾，所以生产中，往往采用膜式蒸发器避免这个问题。

因为它管长，管内为汽液混合物的两相流动，平均密度小，缓和了静压效应，可不考虑。

物料浓缩,（3）由于管路流体阻力引起二次蒸汽由分离室到冷凝器的流动中，在管道内会产生阻力损失，也可能会散失热量，这些能量消耗造成温度差损失，记作。

受管道长度、直径和保温情况等影响。

计算时一般取=0.51.5（6-3）由于上述三个原因，全部温度差损失为：

=+（6-4）求得总传热温度差t为：

t=T-t1=T-（T+）=T-T-（+）（6-5）,物料浓缩,例6-1用连续真空蒸发器，将固体含量11%的糖溶液浓缩至含量达到40%。

器内的真空度为700mmmHg，液层深度为2m，用373K蒸汽加热。

试求由液体沸点升高和液层静压效应所引起的温度差损失及蒸发器的传热温度差。

糖液（40%）的相对密度为1.081。

物料浓缩,解查得700mmmHg真空度下，水蒸气的饱和温度T=314.6K，汽化热r=2400103J/kg

（1）液体的沸点升高根据表6-1可查出糖液为40%时，0=1K=16.2

（2）静压效应引起的温度差损失p=p0+=（760-700）133+=18.58kPa在此压力下查得tm=331.3K=tm-t0=331.3-314.6=16.7K,物料浓缩,（3）由于管路流体阻力引起温度差损失，根据经验数据取=1K所以=+=0.67+16.7+1=18.37K传热温度差t=T-t1=T-（T+）=373-（314.6+18.37）=40.03K,物料浓缩,2.单效蒸发的计算对于单效真空蒸发，在确定了操作条件和给定了生产任务后，需计算以下内容：

蒸发量、加热蒸气消耗量和传热面积。

这些问题可以通过物料衡算、热量衡算和传热速率方程来解决。

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