真空浓缩设备

§7-1 概 述
一、概念
1、浓缩  从溶液中除去部分溶剂的单元操作。
2、真空浓缩  在负压下,以较低温度进行浓缩的单元操作。
3、加热蒸汽(饱和蒸汽或生蒸汽)  乳及乳制品生产过程中浓缩所需要的不断供给的热量都是来自锅炉房的饱和的水蒸汽。
4、二次蒸汽  物料中水分蒸发所形成的蒸汽。
5、不凝性气体  相对于水蒸汽,在一定的压力和温度下不能被凝结的气体,称为不凝性气体,一般是指空气。
6、雾沫挟带  对于气、液两相的分离设备或反应设备,若气相为连续相、液相为分散相(例如板式蒸馏塔),而气相速度较大,部分液体会被气体吹散成液滴并被气体带出。这种现象称为雾沫夹带。产生雾沫夹带会降低设备的分离效率。
二、浓缩的目的
1、除去食品中的大量水分,减轻了重量,减小了体积,节省了包装、贮存和运输费用。
2、通过了提高食品的浓度,达到贮藏食品的目的。
3、满足后续加工工艺过程的要求。
三、浓缩的基本过程
蒸发过程的两个必要组成部分:加热物料使溶剂(水)沸腾汽化与不断除去汽化产生的二次蒸汽。一般前一部分在加热器中进行,后一部分在冷凝器中完成。如图所示 :真空蒸发基本流程。

 
蒸发器实质上是一个换热器,如图所示,由加热室 1和汽液分离器 4两部分组成。加热室使用的加热介质应用**多的是水蒸汽。通过换热,使间壁另一侧的物料加热、沸腾、蒸发浓缩。料液蒸发出的水蒸汽在分离室4中与溶液分离后从蒸发器上部引出。为防止液滴随蒸汽带出,一般在分离器上都设有除沫装置5。从蒸发器抽出的蒸汽称为二次蒸汽,便于同加热蒸汽相区别。二次蒸汽进入冷凝器6冷凝,冷凝水从下部排出,二次蒸汽中的不凝性气体由真空泵抽出。浓缩后的完成液由蒸发器底部排出。


四、常压蒸发和真空浓缩 
蒸发操作可以在常压、加压或减压条件下进行。常压蒸发是指冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力为大气压或稍高于大气压力,此时系统中的不凝性气体依靠本身的压力从冷凝器中排出。
减压下的蒸发通常称为真空蒸发,食品工业广泛应用真空蒸发进行浓缩操作。因真空蒸发时冷凝器和蒸发器物料侧的操作压力低于大气压,必须依靠真空泵不断从系统中抽走不凝性气体来维持负压的工作环境。采用真空蒸发的基本目的是降低物料的沸点。
真空浓缩与常压蒸发比较所具有的优点:
1、溶液沸点降低,增大了蒸发器的传热温差,所需的换热面积减小。
2、溶液沸点低,可以应用温度较低的低压蒸汽和废热蒸汽作热源,有利于降低产品成本和生产费用。
3、蒸发温度低,即物料受热温度低,有利于浓缩热敏性物料。
4、蒸发器操作温度低,系统的热损失小。
五、单效浓缩和多效浓缩
浓缩操作的效数是指二次蒸气被利用的次数。
如果浓缩生成的二次蒸汽不再被用作加热介质,而是直接送到冷凝器中冷凝的蒸发过程,称为单效浓缩,是浓缩中**简单的一种方法。如果两个蒸发器串联起来,**个蒸发器产生的二次蒸汽引入第二个蒸发器作为加热蒸汽,第二个蒸发器产生的二次蒸汽送到冷凝器被冷凝后排出,则称为双效蒸发,它是多效蒸发中**简单的一种方法。
多效蒸发是将多个蒸发器串联起来的系统,后效的操作压力和沸点均较前效低,仅在压力**高的首效使用生蒸汽作加热蒸汽,产生的二次蒸汽作为后效的加热蒸汽,亦即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器,只有末效二次蒸汽才用冷却介质冷凝。可见多效蒸发明显减少加热蒸汽耗量,节约了热能,也明显减少冷却水的耗量。
真空浓缩的缺点:蒸发温度低,料液黏度大,传热系数较小,系统内为负压,完成液排出需用泵,冷凝水排出也需要用泵或高位产生压力(液位差)排出。真空泵和输液泵能耗增加。
真空浓缩的操作压力取决于冷凝器中水的冷凝温度和真空泵的性能。冷凝器操作压力的极限是冷凝水的饱和蒸汽压,所以它取决于冷凝器的温度。真空泵的作用是抽走系统中的不凝性气体,真空泵的工作能力愈大,就使得冷凝器内的操作压力愈易维持,愈接近冷凝水的饱和蒸汽压。一般真空蒸发时,冷凝器的压力为10~20kPa。
六、闪蒸 
急剧蒸发简称闪蒸,是一种特殊的减压蒸发。将热溶液的压力降到低于溶液温度下的饱和压力,则部分水将在压力降低的瞬间沸腾汽化,就是闪蒸。水在闪蒸汽化时带走的热量,等于溶液从原压下温度降到降压后饱和温度所放出的显热。
在闪蒸过程中,溶液被浓缩。常见闪蒸的具体实施方法是直接把溶液分散喷入低压大空间,使闪蒸瞬间完成。
闪蒸的**大优点是避免在换热面上生成垢层。闪蒸前料液加热但并没浓缩,因而生垢问题不突出。而在闪蒸中不需加热,是溶液自身放出显热提供蒸发能量,因而不会产生壁面生垢问题。