食品工程原理第十一章溶液浓缩.ppt

第十一章 溶液浓缩 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。 浓缩方法：平衡浓缩（利用在分配上某种差异而获得溶质和溶剂分离的方法）、非平衡浓缩 蒸发利用溶质和溶剂挥发度的差异，将溶液加热至沸腾，使溶剂汽化并排除。所涉及的平衡是汽液平衡。 结晶则是利用溶质之间溶解度的差异使溶质从过饱和的溶液中析出，固液平衡。 冷冻浓缩利用稀溶液与固态溶剂在凝固点下的平衡关系，使溶剂从溶液中结晶析出。固液平衡。 1.Δ′ 溶液的沸点升高值可以通过查手册的数据表，查图线或通过计算求得， 稀溶液 Δ′＝Kbmb Kb – 沸点升高常数，kg·℃/mol，若水为溶剂， Kb＝0.51kg·℃/mol Mb – 溶质的质量摩尔浓度，mol/kg 减压下的沸点升高，可由常压下沸点升高按吉辛柯公式计算 2. 应用 （1）咖啡工业：雀巢公司1986年采用冷冻浓缩设备与喷雾设备相结合的方法，使咖啡的质量达到自然冲调的品质；咖啡浓缩 （2）啤酒工业：使啤酒的体积减少到原来的1/4，只要加入水和CO2可制成与原来啤酒从感官上无法辨别的啤酒 （3）乳品工业：代替炼乳，制成的浓缩奶冲释后可制成与鲜牛奶毫无差别 原料液 加热蒸汽 至冷凝器 完成液 1 2 3 冷凝水 冷凝水 冷凝水 并流加料法的三效蒸发装置流程示意图 并流加料法的三效蒸发 料液与蒸气流动方向相反。原料由末效进入，用泵依次输送至前效，完成液由第一效底部取出。加热蒸气的流向仍是由第一效顺序至末效。 优点：浓度较高的料液在较高温度下蒸发，粘度不高，传热系 数较大。 缺点：（1）各效间需用泵输送； （2）无自蒸发； （3）高温加热面上易引起结焦和营养物的破坏。 b 逆流法 原料液 加热蒸汽 至冷凝器 完成液 1 2 3 冷凝水 冷凝水 冷凝水 逆流加料法的三效蒸发装置流程示意图 效数多时，也可采用顺流和逆流并用的操作，称为混流法，这种流程可协调两种流程的优缺点，适于粘度极高料液的浓缩。 c 平流法 原料液分别加入各效中，完成液也分别自各效底部取出，蒸气流向仍是由第一效流至末效。此种流程适用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。 d 混流法 原料液 加热蒸汽 至冷凝器 完成液 1 2 3 冷凝水 冷凝水 冷凝水 完成液 完成液 平流加料法的三效蒸发装置流程示意图 (3)多效蒸发的温差分配 由于存在温差损失，蒸发器有效换热温差总是小于理想温差。 多效蒸发器是由单效蒸发设备组成的，每效都相当于单效蒸发器。因此，在实际操作中，每效都存在温差损失。此时，各效有效温差之和 必小于总温差 。其总差值为总温差损失 。 第i效的有效传热温差。 第i效的温差损失。 有效总温差 有效总温差确定之后，此温差必须分配到各效，并满足各效的换热基本方程。 效有效总温差分配到各效，除总的应满足 及各效满足其换热方程之外，还应另加特定的限制原则。 a.各效等面积原则。 按此原则分配有效温差，各效换热面积均相等。由此， b.各效等压原则 设Ps为首效加热蒸汽压力，Pc为冷凝器内压力，则总压差： 若各效加热蒸汽与料液侧分离室的压力差分别为 ，则按此原则，各效压力差应符合下式： 可依次确定各效分离室的压力以及对应的饱和温度。 c.各效蒸发量经验比例原则 对无额外蒸汽引出的顺流操作，各效水分蒸发量可按一定比例设计。例如对三效顺流蒸发，可按下列比例： 由总蒸发量及上述比例，可确定各效蒸发量，则可计算各效料液的浓度，从而进一步算出溶液沸点，则可得到温差分配结果。 (4) 多效计算 1.总蒸发量的计算 各效蒸发量之和 物料衡算 第一效和第二效的出料浓度 2.加热蒸汽耗量及各效蒸发量 单效蒸发 a1第一效的蒸发因数，1kg加热蒸汽冷凝时放出的热量所能蒸发出溶液中的千克数,a1≈1 β1第一效的自蒸发系数，料液进入蒸发器放出显热，引起料液部分 水分汽化能力的大小 β1﹥0，TF﹥t1放出显热促进水的汽化 β1﹤0，TF﹤t1需吸收显热，削弱了水的汽化 η1－因存在热损失对W1产生影响，第一效的热利用因数。η1＝0.98 3.各效换热面积 例：在双效顺流蒸发设备中将番茄法从固形物质量分数4.3％浓缩到28％，进料流量1.39kg/s，沸点进料，第一效沸点60℃，加热蒸汽绝对压力为118kPa，冷凝器真空度为93kPa.第一效采用自然循环，总传热系数为900W.(m2·K);第二效采用强制