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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45~52%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热温度和加热时间。
①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。
②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。
③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。
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，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35~40%。
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1.8~2.5m，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：
①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。
②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。
③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，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3~4m/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来。
长管式蒸发器：
从加热器出来的汽液混合物经分离器分离后，有的直接作为浓缩液排出，不再经循环径返回加热器，有的则有部分浓缩液经循环管返回。
这类蒸发器的管束很长，约6~8m，而其截面积则很小。
它具有很大的传热面，溶液送入管束后很快强烈沸腾，管子的中央部分充满料液蒸汽，蒸汽从管口流出的速度可达100-l20m/s。
蒸汽以这样的速度流动，料液就被带动而沿管子内壁形成上升或下降的液膜。
被蒸汽带动而沿管壁流动的液体速度可达20m/s，所以这种蒸发器被称为液膜式蒸发器。
长管蒸发器根据浓膜的流动方向可分为升膜蒸发器、降膜蒸发器及升降膜蒸发器。
其构造大体相似，见下图。
典型升膜蒸发器的管长为6~12m，管径为25~50mm。
料液先经预热至接近沸点，从管束的下端引入。
操作时，管内有三段不同的区域。
在底部，因液层静压力的作用，不发生沸腾，只是起着加热的作用。
在中部，温度显著升高并开始沸腾产生蒸汽，但传热速率仍不太高。
在上部区域，蒸汽体积急速增大，所产生的高速上升蒸汽使液体在管壁上形成一层薄膜，造成很好的传热条件。
以后，汽液混合物进入分离器进行分离。
浓缩液可直接排出，或与原料混合后再循环，或进入下一效进一步浓缩。
该图为黑龙江华冠科技有限股份有限公司3效升膜蒸发器底部示意图
这种蒸发器的特点是，在加热器内料液停留时间短，传热系数高，适于浓缩热敏物料。
升膜蒸发器的缺点：
在管内下部区域尚积存较多的液体，固而延长了接触时间（约15~30min）通常还不能通过严格单程蒸发达到所要求的浓度，一般尚需部分再循环，加长了停留时间，在管子中部易发生结垢和蛋白质沉积的现象。
为了较彻底消除因液体积聚所造成的静压效应，并吸取薄膜传热的优点，出现了降膜蒸发器。
降膜蒸发器能达到传热效率高，热能经济性好，停留时间短的目的。
降膜蒸发器与上述升膜式相类似，主要区别是经预热后的料液从管束的顶部加入。
这种设备的设计，关键在于必须有料液进管的均匀分配装置。
目的是避免局部过热和焦壁。
降膜分布器的型式有多种，图8-6所示为四种较常见的形式。
其中：
（1）的导流管具有螺旋形沟槽的圆柱体；
（2）的导流管下端锥体端面向内凹入，以免液体再向中央聚集；
（3）是利用加热管上端管口的齿缝来分配液体;
（4）是靠管子上端的旋液分配器，用于强制循环降膜蒸发器中。
降膜蒸发器布膜装置的好坏，直接影响传热效果。
降膜蒸发器因不存在静液层效应，物料沸点均匀，甚为广泛，例如牛奶、果汁等散浓缩。
升降膜蒸发器是升膜蒸发与降膜蒸发相结合的蒸发器。
将加热器竖管束分成两程，一程作稀液的升膜蒸发部分，另一程为浓稠液的降膜蒸发部分。
如此结合，既有以两程代单程，缩短加热器长度的优点，而又可因分段浓缩各取有利方面以避免固有的缺点。
另外还有由机械的作用形成的刮板薄膜蒸发器、由板式热交换器与分离器组合而成的板式蒸发器等。
二、蒸发器的选用
选择蒸发器时要考虑多方面的因素，归纳起来有如下几点：
1、生产能力，通常是以每小时的水分蒸发量来表示；
2、浓缩度，通常以浓缩制品的固体百分含量来表示；
3、制品热敏性，与停留时间及蒸发温度有关；
4、制品的粘度；
5、挥发性物质的回收；
6、卫生结构及清洗的要求；
7、装置大小，与厂房大小有关；
8、投资费用及操作费用。
制品的热敏性是食品浓缩的一个重要问题。
对于热敏食品，停留时间过长和蒸发温度过高均有导致食品变质破坏的危险。
对于粘性制品，蒸发器必须要有使料液分散成液膜，并使之以高速流过传热面。
方法可用搅拌膜式、升降膜式及离心膜式等。
如果制品既粘稠，又是热敏，蒸发器还必须满足热敏制品的要求。
不同蒸发器能够处理的最高浓缩粘度见表8-1。
加热温差大可以节约蒸发器的传热面而且浓缩度高，因而可缩短停留时间，为了使蒸发器能够在较高的温差下操作，其结构应能正确控制浓膜厚度及液膜沿传热面流过的速度。
不过，温差大对于普通蒸发器可能有结焦的危险，特别是对于含有丰富蛋白质的制品。
综上所述，对于食品的浓缩，选用蒸发器时，应特别注意制品的热敏性和粘性。
可参阅表8-1。
表8-1蒸发器的选用
制品热敏性
制品粘度
使用的蒸发类型
说明
无
低或中等
管式、板式、固定圆锥式
水平管式不适于易结垢制品
无或小
高
真空锅、刮板膜式、旋转圆锥式
洋菜、明胶、肉浸出液的浓缩可采用间歇式
热敏
包括牛奶、果汁含固体适度的制品
刮板模式、旋转圆锥式
包括多数果汁浓缩液、酵母浸出液及某些药品。
对浆状制品只能用刮板膜式
高热敏
低
要求单程蒸发
旋转圆锥式或板式
要求单程蒸发。
包括橙汁浓缩液、蛋白和某些药物
第三节、蒸发系统
一、单效真空蒸发
（一）单效真空蒸发的概念
凡溶液在蒸发器内蒸发，所产生的二次蒸汽不再加以利用，则此种操作称为单效蒸发，为了浓缩热敏物料，必须尽可能使操作保持在低温下进行。
因为蒸发时，物系的变化是在定温定压下进行的相变过程。
一定的蒸发温度对应于一定的蒸发压力，所以可利用降低蒸发压力的办法达到降低蒸发温度的目的。
如蒸发压力低于大气压，则称此蒸发为真空蒸发。
单效真空蒸发在食品工业上如果酱类生产中，采用这种流程较多。
（二）单效真空蒸发装置如下图所示。
它包括一个长管加热器和一个分离器。
除了蒸发器以外单效真空蒸发装置一般还应有如下的附属设备：
1、冷凝器：
对于单效或多效蒸发，最后一效的二次蒸汽通常用冷却水冷凝的方法来排除，所以冷凝器是蒸发设备的重要组成部分。
蒸发器所产生的大量二次蒸汽必须设法排除掉，方法是将其导入冷凝器进行冷凝。
蒸发装置中的冷凝器形式很多，有高位气压式冷凝器和低位冷凝器，低位冷凝器又有逆流干式、并流干式、并流湿式之分。
此外尚有水力喷射冷凝器。
当冷凝的蒸汽是有价值的物质而且不能与冷却水混合时，则采用表面式冷凝器。
这种冷凝器价格高，耗水用最大。
所以没有此必要时，一般均采用混合式冷凝器。
2、真空泵：
因为冷凝器所能冷凝的气体主要为水蒸气。
而空气等不凝结气体如不设法除去，系统的真空度不可能长久维持。
使用真空泵的目的就是抽出这些不凝结气体。
真空蒸发所采用的真空泵有往复式真空泵、水环式真空泵、蒸汽喷射真空泵和水力喷射器等。
除采用水力喷射冷凝器的场合外，当用其它各式冷凝器时，必须配备真空泵。
因为水力喷射冷凝器实际上兼有冷凝器和真空泵的双重作用。
3、疏水器：
其作用是使蒸发器的蒸汽利用经济、保持传热良好。
同其他水蒸气加热设备一样，必须装置排除冷凝水的设备，即疏水器。
疏水器的形式甚多，有浮球式、热动力式、钟形浮子式等。
4、不凝气排除装置：
为保持加热室的传热效率，必须设法不断排除其中的不凝结气体。
方法是在加热器侧壁上设抽气管口，并连以管子和排气阀门。
5、捕沫器：
蒸发操作时，一个很重要的问题是尽量避免或减少雾沫被二次蒸汽带出。
浓缩时，雾沫夹带对得率和蒸发能力均有影响。
如果是多效蒸发，还可能使下一效加热面形成污垢或腐蚀。
特别在果蔬汁如蕃茄汁的浓缩时，强腐蚀性酸雾会带来严重的后果。
造成雾沫夹带的原因有：
（1）泡沫：
液料的表面张力减小是造成泡沫的原因之一；
（2）蒸汽高速流动：
蒸汽流动速度过快，必然促使雾沫伴随而行；
（3）溶液的急剧蒸发：
溶液温度偏高，而蒸发温度偏低，发生突然闪急蒸发，形成雾沫。
一般而言，绝对防止雾沫的发生是不可能的，但要尽量减少雾沫夹带，方法是采用捕沫器（雾沫分离器）。
捕沫器的结构原理不外两种：
其一是利用气流与挡板的碰撞作用，使雾沫破裂，并使流向急剧改变，阻止其外逸；
其二是利用离心力，便密度较大的液滴与二次蒸汽分离，流回蒸发器中。
（二）真空蒸发器装置内的传热
蒸发过程实质上是以传热为主的过程。
蒸发器和冷凝器的结合是两个热交换器的串联。
蒸发器将热能从加热介质转移到二次蒸汽中去，然后由冷凝器又将二次蒸汽的热能转移到冷却介质中去。
热量传递的总趋势是从加热介质放热开始，以冷却介质吸热而告终。
若所用的冷凝器为表面式冷凝器，则整个单效真空蒸发系统的热量转移一般包括下述七个阶段，每一阶段均包含着传热的阻力。
每经一阶段，温度或多或少都有下降，同时，当加热介质和冷却介质温度一定时，蒸发器内沸腾温度不仅与蒸发器传热有关，而且也与冷凝器的传热有关。
冷凝器的任何传热故障都会立即影响蒸发器内的沸腾温度，上述七个传递阻力如下：
（1）蒸发器加热侧的传递阻力。
此项热阻一般较小，不是全过程的控制因素；
（2）蒸发器传热壁热阻，通常也很小，但管壁形成严重结垢时，垢层的热阻可能占有显著地位；
（3）蒸发器沸腾侧的传递阻力，与上述阻力相比，此项阻力在蒸发器传热中占有支配地位。
由于溶液的沸点升高，二次蒸汽略呈过热状态。
（4）二次蒸汽从分离室沿管线向冷凝器转移时，要发生热损失和流动阻力。
如无热损失，蒸汽焓值不变，温度变化也不大，如热损失较大，则蒸汽过热度逐渐解除，温度也相应有所降低。
（5）冷凝器蒸汽侧的传递阻力。
此项阻力与
（1）相似。
（6）冷凝器冷却壁热阻。
此项阻为与
（2）相似。
（7）冷凝器冷却介质侧的热阻为表面式冷凝器的主要热阻。
综上所述，对于使用表面式冷凝器的场合，全过程的控制因素是（3）、（7）两项；
对于使用混合冷凝器的场合，则（5）（6）、（7）三项阻力或不存在或可忽略不计，此时主要阻力集中于蒸发器，而其中又以（3）项阻力为主要控制因素为此。
如上所述，热量自加热介质转移的过程中，要产生温度的逐步降落。
（三）蒸发装置内的温差损失
由于单效蒸发系统的地热量传递，包括上述7的阶段，每个阶段都有传递阻力，因此美经过一个阶段，温度都有或多或少的损失。
研究蒸发装置内的温差损失及蒸发器的传热系数是一个十分重要的问题。
设采用混合式冷凝器，并由真空泵维持冷凝器在一定真空度下操作。
在此真空度下，水蒸气和水的两相平衡物系必有一对应的温度，称为冷凝温度，以TK表示。
若加热蒸汽的温度为T。
则上述热量转移过程中所产生的全部温度降落（称为总温差）为：
△To=T一TK.但是，由于各种原因，蒸发器的传热温差（称为有效温差ΔT）总是小于此总温差△To。
设蒸发器内沸腾温度为t，则有效温差为：
ΔT=T一t<
T一TK=△To
总温差与有效温差的差值称为温差损失Δ。
则△=△To一△T=（T一TK）一（T一t）=t一TK
由此可知，蒸发操作的温度差损失为料液沸腾温度与冷凝温度的差值。
换言之，温度损失亦即沸腾温度高于冷凝温度的温度差值。
如蒸发料液为纯水，且无其他原因引起液体的沸点升高，也不存在蒸汽在输送中温度的降低，则温度差损失并不存在，即△=0，但实际上，由于下述三种原因，常引起温差的损失：
1、由于溶液的沸点升高所引起：
由于溶液中水分的化学势小于纯水的化学势，溶液的沸点要比同压下纯水的沸点为高，称为沸点升高。
蒸发操作中，溶液沸点升高使得作为传热推动力的有效温差减小，这是一种传热推动力的损失。
计算方法：
①在手册和文献中可以查得常压下某些溶液在不同浓度下沸点升高的数据（以△a表示），但在食品方面，这类数据甚感缺乏。
一般而言，电解质溶液的沸点升高远较非电解质显著，而食品工业上所处理的溶液多为高分子的非电解质或胶体溶液，沸点升高较小，故可近似参考糖液方面的数据。
②杜林法则：
这个法则表明，溶液的沸点是相同气压下纯溶剂沸点的线性函数。
根据杜林法则，可在坐标纸上给出在各种不同浓度时，溶液沸点对同压下溶剂沸点的一组图线。
如：
在淀粉糖厂的设计中得到的经验公式：
，式中
为各效排出液浓度。
③吉辛柯公式：
如能查到常压下水溶液的沸点升高△a，则可按下面吉辛柯公式计算非常压下的沸点升高△′：
（K）（8一2）
式中T---某压力下水的沸点，K；
LV---压力下水的汽化潜热，J/kg
△a---常压下溶液的沸点升高，K，
2、由于液层静压效应所引起蒸发器内的沸腾液总是有一定的液层高度，其值与蒸发器的类型和结构有关。
处于离液
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