液體濃縮技術

一、概  述
1、濃縮是從溶液中除去部分溶劑的單元操作，是溶質和溶劑均勻混合液的部分分離過程。
2、濃縮和干燥的意義不同：濃縮過程中，水分在物料內部是借對流擴散作用從液相內部達到液相表面而后除去，**低水分含量約30%(質量)，一般為穩定狀態的過程。而干燥過程中，水分在物料內部**終必將借分子擴散作用從固相中除去，且一般為不穩定狀態的過程。
二、濃縮方法：
從原理上說分平衡濃縮和非平衡濃縮兩種物理方法。
①平衡濃縮是利用兩相在分配上的某種差異而獲得溶質和溶劑分離的方法。蒸發濃縮和冷凍濃縮即屬此法。
蒸發濃縮在實踐上是利用加入熱能使部分溶劑汽化，并將此汽化水分從余下的被濃縮溶液中分離出去。即使溶劑汽化達到使溶質增濃的目的。這種方法目前仍然是食品工業**廣泛應用的一種濃縮方法。
冷凍濃縮是利用稀溶液與固態冰在凝固點下的平衡關系，即利用有利的液固平衡條件。冷凍濃縮時，部分水分因放熱而結冰，而后用機械方法將濃縮液與冰晶分離。蒸發和冷凍濃縮，兩相都是直接接觸的，故稱平衡濃縮。
②非平衡濃縮：是利用半透膜來分離溶質與溶劑的過程，兩相用膜隔開，因此分離不是靠兩相的直接接觸，故稱非平衡濃縮。利用半透膜的方法不僅可以分離溶質和溶劑，而且也可用以分離各種不同大小的溶質，因此統稱為膜 (滲)分離。
    結晶是使溶質呈結晶狀從溶液中析出的單元操作，也是溶質和溶劑均勻混合物的部分分離過程。結晶操作與冷凍濃縮操作雖然都是利用固-液平衡條件的操作，它們的不同點：在于分離的目的，在于它們的操作原理及其前提條件。在一定的條件下，實現的是溶質從溶液中析出，而在另一條件下實現的則是溶劑從溶液中成冰晶析出。
濃縮和結晶操作在食品工業中有著廣泛的應用，是食品工程上極其重要的單元操作。這些操作的原理都涉及到溶液的熱力學問題。  
  **節 蒸發及其特點
    食品工業濃縮的物料大多數為水溶液。一般蒸發就指水溶液的蒸發。食品濃縮的物料，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、蒸發的基本概念
(一)、蒸發的概念
1、定義：蒸發濃縮是利用溶劑和溶質揮發度的差異，從而獲得一個有利的汽液平衡條件，達到分離的目的。
2蒸發原理：按照分子運動學觀點，溶液受熱時，溶劑分子獲得了動能，當一些溶劑分子的能量足以克服分子間的吸引力時，溶劑分子就會逸出液面進入上部空間，成為蒸汽分子，這就是汽化。如果不設法除去這些蒸汽分子，則汽相與液相之間，水分的化學勢將漸趨平衡，汽化過程也相應逐漸減弱以**停止進行。故進行蒸發的必要條件就是熱能的不斷供給和生成的蒸氣的不斷排除。
    一般說來，溶液在任何溫度下都會有水分的汽化。但這種汽化速度很慢，效率不高，所以工程上多采用在沸騰狀態下的汽化過程。通常說的蒸發就是指的這種過程。為了維持溶液在沸騰條件下汽化，需要不斷地供給熱量，通常多采用飽和水蒸氣為熱源。飽和水蒸氣在冷凝過程中放出的汽化潛熱提供蒸發所需的熱量。由此可見，從換熱角度看，蒸發器中進行的蒸發一方是水蒸氣的冷凝放熱，另一方是溶液的沸騰放熱。
 (二)食品濃縮的目的是：
(1)除去食品中大量水分，減少包裝、貯藏和運輸費用。
例如100噸含5%固形物的番茄榨出汁濃縮**含固形物28%的蕃茄醬，重量將減**l8噸，為原重量的1/5左右，體積縮小大致與此相同。這樣可大大降低包裝、貯藏和運輸的費用。
(2)提高制品濃度，增加制品的保藏性。
用濃縮方法提高制品的糖分或鹽分可使水分的活度降低。使制品達到微生物學上安全的程度，延長制品的有效保藏期。例如，含鹽的肉類萃取液濃縮到不致產生細菌性的腐敗。
(3)濃縮經常用作干燥、更完全的脫水或用作某些結晶的預處理過程。
這種情況特別適用于原液含大量水分，而用濃縮法排除這部分水分比用干燥法更為節約之時，如制造奶粉時，牛奶先經預濃縮**含固形物45~52%以后再進行干燥。
二、食品物料蒸發濃縮的特點
    料液的性質對蒸發有很大影響。特別是食品多屬生物系統的物料，比一般化工上遇到的物料更為復雜多變。在選擇和設計蒸發器時，要充分認識這種影響。食品物料的蒸發濃縮有如下幾方面特點。
l 熱敏性：生物系統的物料多由蛋白質、脂肪、淀粉、維生素以及其它許多色、香、味成分組成。這些物質在高溫下或長期受熱時要受到破壞、變性、氧化等作用。所以許多食品的蒸發要嚴格考慮加熱溫度和加熱時間。
①加熱溫度和加熱時間是不可分割的。食品蒸發的安全性與此二因素同時相關。這就是“溫時結合”。的概念，即把溫度與時間作為統一體來考慮。
②從食品蒸發的安全性看，力求 “低溫短時”，但還要考慮工藝上的經濟性。在保證食品質量的前提下，為提高生產能力，常采用“高溫短時”蒸發。由于料液的沸點與外壓有關，低溫相應就是低壓，所以真空蒸發是食品工業蒸發應用的顯著特點之一。
③為了縮短蒸發操作時的加熱時間，一方面必須減小料液在蒸發器內的平均停留時間，另一方面還要解決局部性的停留時間問題。#p#分頁標題#e#
關于這一點，目前已發現長管膜式蒸發器和攪拌膜式蒸發器在物料的停留時間問題上具有很大的優點，從而在食品工業上獲得廣泛的應用。
2 腐蝕性：特別是酸性食品如果汁、蔬菜汁的濃縮，設計蒸發器時必須考慮腐蝕性問題。設計蒸發器和其它輔助設備時，必須選用適當的結構材料。對于食品，即使是輕度的腐蝕，其所引起的污染往往為產品規格所不允許。
一般蒸發器接觸液體部分多采用不銹鋼結構，除非需要昂貴的材料才能滿足要求時，通常設計成強制循環式以節約材料的用量。
3 粘稠性：許多食品含有豐富的蛋白質、糖分、果膠等成分，其粘稠性較高。
高粘性物料的蒸發，shou先從流體動力學觀點看，有一個層流傾向問題。即使物料受到強烈攪拌，在傳熱壁附近總存在不能忽視的層流內層，這就會嚴重影響傳熱的速率。同時，由于上述原因，也還會產生諸如結垢，局部停留時間等一系列問題。
料液的粘稠性隨濃度而增加，隨著蒸發的進行，料液粘度也必然逐漸增加，所以蒸發過程中的傳熱速率預感期也會逐漸降低。對于粘性制品的蒸發，一般采由外力強制的循環或攪拌措施。
4 結垢性：蛋白質、糖和果膠等受熱過便會產生變性、結塊、焦化等現象。
通常在傳熱面附近，物料溫度**高。容易在傳熱壁上形成污垢，嚴重影響傳熱速率。解決結垢問題的積極措施是提高液速。經驗證實，在其他條件相同時，提高液速，可顯著減輕污垢的形成，這是由于高液速的洗刷作用所致。
因此在可能發生嚴重結垢現象的情況下，采用強制循環法是有效的。另外，對不可避免的結垢問題，必須有定期的嚴格清理措施。
    5 泡沫性：某些食品物料沸騰時要形成穩定的泡沫，特別是在真空蒸發和液層靜壓高的場合下更是如此。泡沫的形成與界面張力有關。界面張力發生在蒸汽、過熱液體和懸浮固體之間，固體在形成汽泡時起著核心的作用。一般，可使用表面活性劑以控制泡沫的形成。也可用各種機械裝置以消滅泡沫。
6 易揮發成分：不少液體食品含有芳香成分和風味成分，其揮發性比水大。料液蒸發時，這些成分將隨同蒸汽一起逸出，影響濃縮制品的質量。低濕濃縮雖然可減少香味成分損失，但更完善的方法是采取回收措施，回收后再摻入制品中。
第二節蒸發器類型及其選擇
一、蒸發器的組成
蒸發器主要由加熱室(器)和分離室 (器)兩部分組成。
加熱室的作用是利用水蒸氣為熱源來加熱被濃縮的料液。加熱室的型式**初采用的是夾套式和蛇管式，其后有臥式短管加熱室和豎式短管加熱室，為了強化傳熱過程，采用強制循環代替自然循環，也有采用帶葉片的刮板薄膜蒸發器等。
分離室的作用是將二次蒸汽中夾帶的霧沫分離出來。二次蒸汽之所以夾帶霧沫，是因液體沸騰時，汽泡到達液面破裂后，產生許多小霧滴所造成。為使這些霧滴下落回到液體中，分離室須具有足夠大的直徑和高度以降低蒸汽流速，并有充分機會使其返回液體中。分離室的型式，**初是將其置于加熱室之上并與后者并成一體。其后，出現了外加熱型加熱室 (加熱器)，分離室也就獨立成為分離器。
 以下簡單介紹幾種食品工業上常用的典型蒸發器。
  (一)標準式蒸發器結構
圖8-1所示為標準式蒸發器。蒸發器由上、下兩部分構成，下部為加熱室，上部為分離室。
加熱室由沸騰管、中央循環管與上、下管板所組成的加熱管束。殼內的管外空間為蒸汽室，蒸汽在此進行冷凝。中央循環管是一根直徑遠大于沸騰管直徑的粗管，其截面積不小于總加熱管束截面積的35~40%。因此，一定量溶液在中央管內所占有的傳熱面積就相應較之在沸騰管中者為小，就產生溶液由中央管下降， 而由沸騰管上升的不斷循環，因而它是一種自然循環型蒸發器。
蒸發器上部為分離室。分離室的圓筒體上有視鏡、人孔、洗滌裝置和照明裝置等。筒體高度一般不小于1.8~2.5m，可保證液滴不被帶出。
分離器頂部有捕沫器，用以分離霧沫，保證二次蒸汽潔凈，有利于下一效蒸發器的加熱。分離器頂部連接二次蒸汽排出管。標準式蒸發器的缺點是在增強循環方面有一定限制，因而沸騰液一側的傳熱膜系數也受到限制。另外不便清洗和更換管子。 
為了克服上述缺點，使之更適用于易結垢的物料，出現了標準式的一種變型，即所謂懸筐式蒸發器，見圖8-2。為了從中取出加熱室，只要把頂蓋拿下，把管道拆除，從頂部把它取出即可。這種設備的另一優點是改善了循環條件。液體回流是通過殼與加熱室間的環形間隙來進行，環形間隙的截面較易達到所要求的大小。
應用范圍：設備適用于中等粘度、輕度結垢的非腐蝕性料液，并且可以得到較好的蒸發速率。在食品工業上的典型應用例有果汁、麥芽浸出液、蔗糖、葡萄糖等溶液的濃縮。
    (二)、加熱室在外的蒸發器(自然循環型和強制循環型)
加熱室在外的蒸發器是現代蒸發器發展的一個特點。這類蒸發器是由加熱器、分離器和循環管三部分組成。
加熱室和分離室分開的優點：①可以改變兩者之間的距離，并調節循環速度使料液達到不在加熱室中沸騰，亦即整個管子僅用于加熱而沸騰恰在高出加熱管頂端進行。這樣，管子內表面就不為析出晶體所堵塞。②分離器獨立后，可改善分離霧沫條件，并有可能將其作成離心分離器的形式。③有可能將幾個加熱器共用一個分離器，從而必要時可靈活輪流使用每個加熱器。#p#分頁標題#e#
加熱室在外的蒸發器分自然循環型和強制循環型。
自然循環型的循環原理與標準式同。不過，標準式蒸發器的中央循環管在加熱室內，管內的料液還是受熱的。而加熱室在外的蒸發器，其循環管是加熱器與分離器間的連接管，管內料液是不受熱的。因此，相對于標準式而言，這種蒸發器的循環條件得到了改善，檢修、清洗也較方便。加熱室在外的自然循環型蒸發器，其加熱器有垂直放置更為有利。因加熱管下端蓋子打開后，清洗管子很方便。一般自然循環型蒸發器，其循環速度約為lm/s。這類設備靈活性較大，幾乎在所有情況下都可采用。
自然循環型目前廣泛應用于果汁、牛奶和肉類浸出汁等熱敏料的濃縮，但因料液在器內進行大量反復循環，固停留時間較長。不適合蒸發粘稠溶液，主要是傳熱速率降低，污垢易于形成。解決的辦法是采用強制循環型，使溶液在管內流速達3~4m/s.
    強制特循環型設備的加熱室雖然多數設在外部，但也有將加熱室裝在管內里面的。
    加熱室在外的強制型，其加熱室有垂直和水平放置的型式。強制手段可用泵或攪拌器。泵多采用離心泵和軸流泵，因餾環所需的揚程不大，而循環流量很大，故用軸流泵更為合適。可把它直接裝在設備內。粘度非常高的漿液，可采用正位移泵--齒輪泵或轉子泵，某些粘度極高且有結晶析出的物料，可采用內裝攪拌器構循環式沒備·
(三)長管式蒸發器
    上述自然循環型和強制循環型蒸發器有一個主要缺點，就是溶液反復循環，要經受長期加熱，亦即溶液在設備中平均停留時間較長，這對非常熱敏的物料來講是不許可的。對這種料液，有必要盡可能減少循環甚**不循環，后者就是所謂單程蒸發。為此目的，蒸發器就要有細長的管子，單程通過的時間內，達到全部濃縮的要求，這就是長管式蒸發器的由來。
長管式蒸發器：從加熱器出來的汽液混合物經分離器分離后，有的直接作為濃縮液排出，不再經循環徑返回加熱器，有的則有部分濃縮液經循環管返回。這類蒸發器的管束很長，約6~8m，而其截面積則很小。它具有很大的傳熱面，溶液送入管束后很快強烈沸騰，管子的中央部分充滿料液蒸汽，蒸汽從管口流出的速度可達100-l20m/s。蒸汽以這樣的速度流動，料液就被帶動而沿管子內壁形成上升或下降的液膜。被蒸汽帶動而沿管壁流動的液體速度可達20m/s，所以這種蒸發器被稱為液膜式蒸發器。   
長管蒸發器根據濃膜的流動方向可分為升膜蒸發器、降膜蒸發器及升降膜蒸發器。其構造大體相似，見下圖。
典型升膜蒸發器的管長為6~12m，管徑為25~50mm。料液先經預熱**接近沸點，從管束的下端引入。操作時，管內有三段不同的區域。
在底部，因液層靜壓力的作用，不發生沸騰，只是起著加熱的作用。
在中部，溫度顯著升高并開始沸騰產生蒸汽，但傳熱速率仍不太高。
在上部區域，蒸汽體積急速增大，所產生的高速上升蒸汽使液體在管壁上形成一層薄膜，造成很好的傳熱條件。
以后，汽液混合物進入分離器進行分離。濃縮液可直接排出，或與原料混合后再循環，或進入下一效進一步濃縮。
該圖為黑龍江華冠科技有限股份有限公司3效升膜蒸發器底部示意圖
這種蒸發器的特點是，在加熱器內料液停留時間短，傳熱系數高，適于濃縮熱敏物料。
    升膜蒸發器的缺點：在管內下部區域尚積存較多的液體，固而延長了接觸時間 (約15~30min)通常還不能通過嚴格單程蒸發達到所要求的濃度，一般尚需部分再循環，加長了停留時間，在管子中部易發生結垢和蛋白質沉積的現象。為了較徹底消除因液體積聚所造成的靜壓效應，并吸取薄膜傳熱的優點，出現了降膜蒸發器。降膜蒸發器能達到傳熱效率高，熱能經濟性好，停留時間短的目的。
    降膜蒸發器與上述升膜式相類似，主要區別是經預熱后的料液從管束的頂部加入。這種設備的設計，關鍵在于必須有料液進管的均勻分配裝置。目的是避免局部過熱和焦壁。
降膜分布器的型式有多種，圖8-6所示為四種較常見的形式。
其中：(1)的導流管具有螺旋形溝槽的圓柱體；
(2)的導流管下端錐體端面向內凹入，以免液體再向中央聚集；
(3)是利用加熱管上端管口的齒縫來分配液體;
(4)是靠管子上端的旋液分配器，用于強制循環降膜蒸發器中。
    降膜蒸發器布膜裝置的好壞，直接影響傳熱效果。
    降膜蒸發器因不存在靜液層效應，物料沸點均勻，甚為廣泛，例如牛奶、果汁等散濃縮。升降膜蒸發器是升膜蒸發與降膜蒸發相結合的蒸發器。將加熱器豎管束分成兩程，一程作稀液的升膜蒸發部分，另一程為濃稠液的降膜蒸發部分。如此結合，既有以兩程代單程，縮短加熱器長度的優點，而又可因分段濃縮各取有利方面以避免固有的缺點。
另外還有由機械的作用形成的刮板薄膜蒸發器、由板式熱交換器與分離器組合而成的板式蒸發器等。
二、蒸發器的選用
選擇蒸發器時要考慮多方面的因素，歸納起來有如下幾點：
1、生產能力，通常是以每小時的水分蒸發量來表示；
2、濃縮度，通常以濃縮制品的固體百分含量來表示；
3、制品熱敏性，與停留時間及蒸發溫度有關；#p#分頁標題#e#
4、制品的粘度；
5、揮發性物質的回收；
6、衛生結構及清洗的要求；
7、裝置大小，與廠房大小有關；
8、投資費用及操作費用。
制品的熱敏性是食品濃縮的一個重要問題。對于熱敏食品，停留時間過長和蒸發溫度過高均有導致食品變質破壞的危險。
    對于粘性制品，蒸發器必須要有使料液分散成液膜，并使之以高速流過傳熱面。方法可用攪拌膜式、升降膜式及離心膜式等。如果制品既粘稠，又是熱敏，蒸發器還必須滿足熱敏制品的要求。不同蒸發器能夠處理的**高濃縮粘度見表8-1。
    加熱溫差大可以節約蒸發器的傳熱面而且濃縮度高，因而可縮短停留時間，為了使蒸發器能夠在較高的溫差下操作，其結構應能正確控制濃膜厚度及液膜沿傳熱面流過的速度。不過，溫差大對于普通蒸發器可能有結焦的危險，特別是對于含有豐富蛋白質的制品。
    綜上所述，對于食品的濃縮，選用蒸發器時，應特別注意制品的熱敏性和粘性。可參閱表8-1。
表8-1蒸發器的選用

制品熱敏性	制品粘度	使用的蒸發類型	說明
無	低或中等	管式、板式、固定圓錐式	水平管式不適于易結垢制品
無或小	高	真空鍋、刮板膜式、旋轉圓錐式	洋菜、明膠、肉浸出液的濃縮可采用間歇式
熱敏	低或中等	管式、板式、固定圓錐式	包括牛奶、果汁含固體適度的制品
熱敏	高	刮板模式、旋轉圓錐式	包括多數果汁濃縮液、酵母浸出液及某些藥品。對漿狀制品只能用刮板膜式
高熱敏	低	管式、板式、固定圓錐式	要求單程蒸發
高熱敏	高	旋轉圓錐式或板式	要求單程蒸發。包括橙汁濃縮液、蛋白和某些藥物

 
第三節、蒸發系統
一、單效真空蒸發
(一) 單效真空蒸發的概念
凡溶液在蒸發器內蒸發，所產生的二次蒸汽不再加以利用，則此種操作稱為單效蒸發，為了濃縮熱敏物料，必須盡可能使操作保持在低溫下進行。因為蒸發時，物系的變化是在定溫定壓下進行的相變過程。一定的蒸發溫度對應于一定的蒸發壓力，所以可利用降低蒸發壓力的辦法達到降低蒸發溫度的目的。如蒸發壓力低于大氣壓，則稱此蒸發為真空蒸發。單效真空蒸發在食品工業上如果醬類生產中，采用這種流程較多。
 (二)單效真空蒸發裝置如下圖所示。它包括一個長管加熱器和一個分離器。除了蒸發器以外單效真空蒸發裝置一般還應有如下的附屬設備：
1、冷凝器：對于單效或多效蒸發，**后一效的二次蒸汽通常用冷卻水冷凝的方法來排除，所以冷凝器是蒸發設備的重要組成部分。
蒸發器所產生的大量二次蒸汽必須設法排除掉，方法是將其導入冷凝器進行冷凝。蒸發裝置中的冷凝器形式很多，有高位氣壓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、并流濕式之分。此外尚有水力噴射冷凝器。
當冷凝的蒸汽是有價值的物質而且不能與冷卻水混合時，則采用表面式冷凝器。這種冷凝器價格高，耗水用**大。所以沒有此必要時，一般均采用混合式冷凝器。
2、真空泵：因為冷凝器所能冷凝的氣體主要為水蒸氣。而空氣等不凝結氣體如不設法除去，系統的真空度不可能長久維持。使用真空泵的目的就是抽出這些不凝結氣體。
真空蒸發所采用的真空泵有往復式真空泵、水環式真空泵、蒸汽噴射真空泵和水力噴射器等。除采用水力噴射冷凝器的場合外，當用其它各式冷凝器時，必須配備真空泵。因為水力噴射冷凝器實際上兼有冷凝器和真空泵的雙重作用。
    3、疏水器：其作用是使蒸發器的蒸汽利用經濟、保持傳熱良好。同其他水蒸氣加熱設備一樣，必須裝置排除冷凝水的設備，即疏水器。疏水器的形式甚多，有浮球式、熱動力式、鐘形浮子式等。
    4、不凝氣排除裝置：為保持加熱室的傳熱效率，必須設法不斷排除其中的不凝結氣體。方法是在加熱器側壁上設抽氣管口，并連以管子和排氣閥門。
    5、捕沫器：蒸發操作時，一個很重要的問題是盡量避免或減少霧沫被二次蒸汽帶出。濃縮時，霧沫夾帶對得率和蒸發能力均有影響。如果是多效蒸發，還可能使下一效加熱面形成污垢或腐蝕。特別在果蔬汁如蕃茄汁的濃縮時，強腐蝕性酸霧會帶來嚴重的后果。#p#分頁標題#e#
造成霧沫夾帶的原因有：(1) 泡沫：液料的表面張力減小是造成泡沫的原因之一；（2）蒸汽高速流動：蒸汽流動速度過快，必然促使霧沫伴隨而行；(3) 溶液的急劇蒸發：溶液溫度偏高，而蒸發溫度偏低，發生突然閃急蒸發，形成霧沫。
    一般而言，**防止霧沫的發生是不可能的，但要盡量減少霧沫夾帶，方法是采用捕沫器 (霧沫分離器)。捕沫器的結構原理不外兩種：其一是利用氣流與擋板的碰撞作用，使霧沫破裂，并使流向急劇改變，阻止其外逸；其二是利用離心力，便密度較大的液滴與二次蒸汽分離，流回蒸發器中。
    (二)真空蒸發器裝置內的傳熱
    蒸發過程實質上是以傳熱為主的過程。蒸發器和冷凝器的結合是兩個熱交換器的串聯。蒸發器將熱能從加熱介質轉移到二次蒸汽中去，然后由冷凝器又將二次蒸汽的熱能轉移到冷卻介質中去。熱量傳遞的總趨勢是從加熱介質放熱開始，以冷卻介質吸熱而告終。
    若所用的冷凝器為表面式冷凝器，則整個單效真空蒸發系統的熱量轉移一般包括下述七個階段，每一階段均包含著傳熱的阻力。每經一階段，溫度或多或少都有下降，同時，當加熱介質和冷卻介質溫度一定時，蒸發器內沸騰溫度不僅與蒸發器傳熱有關，而且也與冷凝器的傳熱有關。冷凝器的任何傳熱故障都會立即影響蒸發器內的沸騰溫度，上述七個傳遞阻力如下：
（1）蒸發器加熱側的傳遞阻力。此項熱阻一般較小，不是全過程的控制因素；
（2）蒸發器傳熱壁熱阻，通常也很小，但管壁形成嚴重結垢時，垢層的熱阻可能占有顯著地位；
（3）蒸發器沸騰側的傳遞阻力，與上述阻力相比，此項阻力在蒸發器傳熱中占有支配地位。由于溶液的沸點升高，二次蒸汽略呈過熱狀態。
（4）二次蒸汽從分離室沿管線向冷凝器轉移時，要發生熱損失和流動阻力。如無熱損失，蒸汽焓值不變，溫度變化也不大，如熱損失較大，則蒸汽過熱度逐漸解除，溫度也相應有所降低。
（5）冷凝器蒸汽側的傳遞阻力。此項阻力與（1）相似。
（6）冷凝器冷卻壁熱阻。此項阻為與（2）相似。
（7）冷凝器冷卻介質側的熱阻為表面式冷凝器的主要熱阻。
綜上所述，對于使用表面式冷凝器的場合，全過程的控制因素是（3）、（7）兩項；對于使用混合冷凝器的場合，則（5）（6）、（7）三項阻力或不存在或可忽略不計，此時主要阻力集中于蒸發器，而其中又以（3）項阻力為主要控制因素為此。如上所述，熱量自加熱介質轉移的過程中，要產生溫度的逐步降落。
 (三)蒸發裝置內的溫差損失
由于單效蒸發系統的地熱量傳遞，包括上述7的階段，每個階段都有傳遞阻力，因此美經過一個階段，溫度都有或多或少的損失。研究蒸發裝置內的溫差損失及蒸發器的傳熱系數是一個十分重要的問題。
設采用混合式冷凝器，并由真空泵維持冷凝器在一定真空度下操作。在此真空度下，水蒸氣和水的兩相平衡物系必有一對應的溫度，稱為冷凝溫度，以TK表示。
若加熱蒸汽的溫度為T。則上述熱量轉移過程中所產生的全部溫度降落 (稱為總溫差)為：△To=T一TK. 但是，由于各種原因，蒸發器的傳熱溫差 (稱為有效溫差ΔT)總是小于此總溫差△To。
設蒸發器內沸騰溫度為t，則有效溫差為：ΔT=T一t<T一TK=△To
總溫差與有效溫差的差值稱為溫差損失Δ。則△= △To一△T=(T一TK) 一(T一t)= t一TK
由此可知，蒸發操作的溫度差損失為料液沸騰溫度與冷凝溫度的差值。換言之，溫度損失亦即沸騰溫度高于冷凝溫度的溫度差值。
    如蒸發料液為純水，且無其他原因引起液體的沸點升高，也不存在蒸汽在輸送中溫度的降低，則溫度差損失并不存在，即△=0，但實際上，由于下述三種原因，常引起溫差的損失：
    1、由于溶液的沸點升高所引起：由于溶液中水分的化學勢小于純水的化學勢，溶液的沸點要比同壓下純水的沸點為高，稱為沸點升高。蒸發操作中，溶液沸點升高使得作為傳熱推動力的有效溫差減小，這是一種傳熱推動力的損失。
計算方法：
①在手冊和文獻中可以查得常壓下某些溶液在不同濃度下沸點升高的數據 (以△a表示)，但在食品方面，這類數據甚感缺乏。一般而言，電解質溶液的沸點升高遠較非電解質顯著，而食品工業上所處理的溶液多為高分子的非電解質或膠體溶液，沸點升高較小，故可近似參考糖液方面的數據。
②杜林法則：這個法則表明，溶液的沸點是相同氣壓下純溶劑沸點的線性函數。根據杜林法則，可在坐標紙上給出在各種不同濃度時，溶液沸點對同壓下溶劑沸點的一組圖線。如：在淀粉糖廠的設計中得到的經驗公式： ，式中 為各效排出液濃度。
    ③吉辛柯公式：如能查到常壓下水溶液的沸點升高△a，則可按下面吉辛柯公式計算非常壓下的沸點升高△′：
                         (K)                       (8一2)
    式中  T---某壓力下水的沸點，K；
         L V--- 壓力下水的汽化潛熱，J/kg#p#分頁標題#e#
         △a--- 常壓下溶液的沸點升高，K，
2、由于液層靜壓效應所引起  蒸發器內的沸騰液總是有一定的液層高度，其值與蒸發器的類型和結構有關。處于離液面不同深度的溶液受到不同的靜壓力，所以液面下周部沸騰溫度高于液面上的沸騰溫度，亦即高于上述經沸點升高校正后的溶液沸點。液層高度影響沸騰溫度的現象，在低壓下特別突出。
以lm高的水層為例，液面與底部的壓力差等于lmH2O。若液面上**壓力為10mH2O(接近常壓蒸發)，則底部與液面的壓力差所造成的沸點差約為3K，但若液面上的**壓力為0.23mH2O，則液面處溶液沸點約為20℃，而底部溶液沸點為50℃，這種影響引起的沸點升高是十分顯著的。由液層靜壓效應引起的溫差損失也同樣減少了傳熱的推動力。
    設液面上方的分離室內的壓力為 ，溶液液層高度為h，溶液密度為ρ，則溶液中層的壓力為 為：             （8-3）
又設對應于壓力 和 ，溶液的沸點為 則由靜壓效應歷引起的溫差損失為：
   (8---4)
    通常，近似計算 可直接取用在 壓力下水蒸氣的飽和溫度。
在真空度操作的真空蒸發器，當液層靜壓效應顯著影響沸騰溫度時，底層溶液的沸騰往往受到強烈的抑制。實際上，底層溶液并不沸騰，卻隨著溶液向上方流動而達某一高度以后才開始沸騰，沸騰受抑降低了蒸發能力，所以應盡量避免存在很大靜壓。
膜式蒸發器就有這樣優點，管子雖長，管內為汽液混合物的兩相流動，平均密度小，所以緩和了靜壓郊應。相反，在閃急蒸發器中，卻又人為地引入液層的靜壓，目的在于抑制溶液在管內沸騰，此理當另作別論。
    3由蒸汽流動中熱損失引起  此項溫差損失與蒸發裝置的流程有關。二次蒸汽從分離室到冷凝器的流動管道長度，直徑和保溫情況均會影響此項損失。計算時，一般作△'''=0.5~1.5K計。由于上述三項原因，全部溫差損失為：
             △ =△'+△''十△'"，             
有效溫差△T則等于總溫差減去總溫差損失。即：
                             
(四)蒸發器的傳熱系數
蒸發器是特殊條件下操作的熱交換器，其傳熱系數K按通用表達式為：
式中： ：加熱蒸汽向管壁或板壁的冷凝傳熱膜系數W/m2•K
：從管壁或板壁向被濃縮溶液的沸騰傳熱膜系數W/m2•K
：管壁或板壁的熱阻，δW為管壁或板壁的厚度，m。λW為傳熱材料的導熱系數，W/m•K
：垢層熱阻，δS為垢層厚度，m。λS為其導熱系數，W/m•K
1 蒸汽泠凝傳熱膜系數 ：即使在膜狀冷凝條件下，其值也不高。一般為4,500—18,000 W/m2.K。若蒸汽中含有不凝結氣體，膜系數則顯著降低。所以要采取排除不凝結氣體和防止空氣漏入蒸汽室的措施。
2溶液沸騰傳熱膜系數 ：沸騰放熱熱阻往往是諸熱阻中起主要作用的熱阻。沸騰傳熱膜系數在很大程度上取決于傳熱面上的液速。
3 垢層熱阻 ：由于食品中熱敏有機物質蒸發時因加熱受破壞在加熱面上形成的垢層成為蒸發的嚴重問題。當濃縮粘性制品例如蕃茄醬時，這是占主導的因素，在計算垢層熱阻時，如無可靠實驗數據。可將垢層厚度按0.5mm估算，其導熱系數可取1.5~2W/m·K之間。
4傳熱壁熱阻 ：蒸發器的金屬壁熱阻，在一般情況下此其他各項熱阻均小，在設計計算時可以忽略。因此，加熱管材料的選擇，不只是從導熱性能來考慮，而應從耐腐蝕性及經濟性方面來考慮。但是，一般的刮板薄膜蒸發器，其傳熱壁通常較厚，其熱阻占有一定分量，不能任意忽略。
關于蒸發器傳熱系數K值，除上述按公式計算外，比較可靠的辦法是根據生產實踐中的直接經驗數據。各種類型蒸發器的傳熱系數值可以參見下的表。
 
(五)單效真空蒸發器計算
 單效真空蒸發器的工藝設計計算項目主要有蒸發量，熱蒸汽消耗量及傳熱面積。分述如下:
 1·蒸發量：蒸發量計算的原理是質量守恒定律，具體方法是物料衡算，取濃縮過程中質量不變的物質---**干固體為計算基準，較為方便。
設     S  -- 原料液量，kg/s；
       B0 -- 原料液中的固體含量%；
       W   -- 水分蒸發量，kg/s；
       B1  -- 濃縮液的固體含量%。
 則有：
或        kg/s         （8--9）
上式表示水分蒸發量W，原料液量S 、原料液濃度B0和濃縮液濃度B1，四者之間的關系。給定S，B0、B1，就可求W1，給定S，B0、W，又可求算B1。
 2加熱蒸汽消耗量D（kg/s）：蒸汽消耗量計算的原理是能量守恒定律（進入蒸發器的熱=離開蒸發器的熱）。一般工廠多采用沸點進料，則   （Lv為相應溫度下的汽化潛熱。）
                      #p#分頁標題#e#
3傳傳熱面積  蒸發傳熱面積的計算仍根據傳熱基本方程式。
根據  則
「例8--1」蕃茄汁在單效薄膜式蒸發器中從固體含量12%濃縮**28%。蕃茄汁已經預熱到**高許可溫度60℃后進料。采用加熱蒸汽為壓力0.7公斤/厘米2(表壓)的飽和水蒸氣。設蒸發傳熱面積為0.4m2，傳熱系數為15OOW/ m2..K，試近似估算蒸汽消耗量和原料量。
[解]適當選取操作的真空度，保證器內料液沸點為60℃、根據加熱飽和水蒸氣的壓力，從水蒸氣表查得其飽和溫度T1=114.5℃，汽化潛熱Lv=2210KJ/KG，計算傳熱速率，
Q1=K1A1Δt1=1500×0.4×(114.5-60)=32700J/s
計算蒸汽消耗量D1=Q1/Lv=32700/2210000=0.0148kg/s=53.3Kg/h
計算蒸發量 (查得60℃下水的汽化潛熱L’V=2304 kJ/kg )計算原料液流量:
W1=Q1/L’V=32700/2340000=0.014kg/s=50.3kg/h
計算原料液流量：
二、多效蒸發
(一)多效蒸發的定義和特點
1定義：蒸發過程汽化所產生的水蒸氣叫做二次蒸汽，以區別作為熱源的生蒸汽。蒸發操作中，將二次蒸汽直接冷凝不再利用者，稱為單效蒸發。如將二次蒸汽引入另一蒸發器作為熱源進行串聯蒸發操作，稱為多效蒸發。
2、多效蒸發的特點：提高了熱能的經濟性。因為按單效蒸發的結論，1千克加熱蒸汽可以蒸發大約l千克二次蒸汽，如果將此二次蒸汽全部用作第二效的加熱蒸汽時(有時將部分加蒸汽抽出，另作別用，稱為額外蒸汽)，同樣在第二效中又可蒸發大約l千克的二次蒸汽。以此類推，n效串聯蒸發操作，1千克加熱生蒸汽則可蒸發約n千克的二次蒸汽。
換言之，為完成同一蒸發量任務，采取n效蒸發，其加熱蒸汽消耗熱量僅為采用單效者的n分之一，因此，隨著蒸發效數的增加，將大大地提高了熱能的經濟性。
    (二)多效蒸發裝置的設備流程
    多效蒸發操作的加料可有四種不同的方法：
1、順流法：料液與蒸汽成順流的方法，為**常用的一種加料法。蒸汽和料液的流動方向一致，均依效序自第I效到末效。
特點：①由于蒸發室壓力依效序遞減，故料液在效間流動不需用泵，此為順流法的一大優點。②由于料液沸點依效序遞降，因而當前效料液進入后效時，便在降溫的同時放出其顯熱，供一小部分水分汽化，增加蒸發器的蒸發量。③在順流法下操作，料液濃度依效序遞增。高濃度料液處于低溫時對濃縮熱敏食品是有利的，④粘度顯著升高使末效蒸發增加困難。
  
2、逆流法：料液與蒸汽成逆流的方，此法料液和蒸汽流動方向相反，如圖8-17即原料液由**后一效進入，依次用泵送入前效。**后的濃縮制品從第I效排出。
優點：隨著料液向前效流動，濃度愈來愈高，而蒸發溫度也愈來愈高。故粘度增加沒有順流的顯著。這對改善循環條件，提高傳熱系數均有利。
缺點：①高溫加熱面上濃溶液的局部過熱有引起結焦和營養物質破壞的危險；②效間料液流動要用泵；③與順流相比，水分蒸發量稍減。④料液在高溫操作的蒸發器內的停留時間要較順流為長。
      
3、平流法：每效都加入原料液的方法，此法每效都平行送入原料液和排出成品。見圖8-18。此法只用于在蒸發操作進行的同時有晶體析出的場合，例如食鹽溶液的濃縮。
特點：對結晶操作較易控制，并省掉了粘稠晶體懸浮液的效間泵送。
4、混流法：組合上述備種方法的方法，對于效數多的蒸發也搞采用順流和逆流并用，有些效間用順流，有些效間用逆流。參閱圖8-19。適合于在料液黏度隨濃度而顯著增加的場合下。
特點：此法起協調順流和逆流的優缺點的作用，對黏度極高的料液很有用處。
    5·額外蒸汽的運用  在多效蒸發流程中，有時將某一效的二次蒸汽引出一部分用作預熱蒸發器的進料，或用作其他的加熱目的。這種中間抽出的二次蒸氣，稱為額外蒸氣。
從蒸發設備中引出額外蒸汽作為他用，是一項考慮工廠全局提高能經濟利用的措施。在只需較低溫度和壓力的蒸汽就能滿足要求的地方，直接使用高壓、高溫水蒸氣經過減壓是不經濟的。
多效蒸發操作具有蒸汽減壓的作用，所以可按要求引出所需的二次蒸汽。在多數場合下，額外蒸汽多自第1**第2效引出。
    (三)多效蒸發的溫差分配
    在多效蒸發操作中，蒸發溫度是逐效降低的，否則串聯蒸發就無法實現。為此，必須保證要有一個逐效降低的壓力。于是整個多效系統中壓力的遞減分配就取決于末效低壓的保持。末效為真空蒸發的情形下，取決于末效真空度的保持。在多數多效操作中，**效的壓力高于大氣壓。但在多數食品蒸發中，**效加熱蒸汽壓力為大氣壓或略高于大氣壓。
    在單效真空蒸發器一節中曾述及：在給定的總操作條件下，由于溫差損失，蒸發器傳熱的有效溫差總是小于總溫差 。在理想的情況下，如無一切溫差損失，則有效溫差等于總溫差。
   多效設備是由單效設備組成，每一效即為單效蒸發器。因此，在實際蒸發操作中，每效蒸發器的操作都存在著三種形式的溫差損失。
設第l效加熱蒸汽溫度為 ，冷凝器的冷凝溫度為 ，則總溫差為 。
①若每效無溫差損失，對n效蒸發，顯然每效傳熱溫差為：
        #p#分頁標題#e#
   
……
        
而總的有效溫差為：
可見總有效溫差等于總溫差。
②在溫差損失不能忽略的情況下， 總有效溫差必小于總溫差，其差值即為總溫差損失。即：                          
式中  為n效溫差損失之和，即：
 
當有效總溫差確定之后，此溫差必須分配到各效，并滿足各效的傳熱方程，即：
      ，
     
           ……
     
由此可得有效溫差分配所必須遵循的如下比例關系：
  
實際上，要確定各效的有效溫差，還必須另加特定的限制原則，實用上有如下幾種：①各效等面積原則；②相鄰效間等壓差原則（確定各效壓力及其對應的飽和溫度）；③各效蒸發量按經驗比例法（對于無額外蒸汽引出的順流操作，各效水分蒸發量有按比例進行初步估計，求出各效水分蒸發量后，則可計箕各效溶液的濃度，從而可進一步求算溶液的沸點等。）和④其他特殊的限制（**高蒸發溫度的限制對于熱敏食品的濃縮，常規定蒸發溫度的安全極限。如番茄醬濃縮允許的安全極限溫度為60~65℃，當采用多效蒸發時，**效的蒸發溫度不能超過此溫度）
其中各效等面積原則比較常用，按此原則分配溫差，則各效傳熱面積均相等，這樣就便于蒸發器的制造、安裝、檢修及操作。滿足此原則的有效溫差分配為：
采用多效蒸發的目的，是為了減少加熱蒸器消耗量。 由以前討論可知，1千克加熱蒸汽大約可蒸發l千克的水。實施n效多效操作，理論上每蒸發l千克水分只需1/n千克的加熱蒸汽即可，這樣，似乎效數愈多愈經濟。實際上，由于多方面的原因，效數是有限度的。因為：
①實際耗汽量大于理論值：由于汽化潛熱隨溫度降低而增大，并且效間存在熱損失。
②設備費用的增加：多效蒸發雖可節約蒸汽，但蒸發器乃甚附屬設備的費用卻要成倍地增加。及**進一步增加效數所需的設備費用不能彌補所節約的燃料費用時，效數就達到了極限。
③蒸發器有效傳熱溫差的極限隨著效數不斷增加，每效分配到的有效溫差逐減小。根據經驗，每效分配到的溫差**少不得小于5~7K。否則就不可能維持料液在泡核沸騰區域內。
④料液蒸發溫度的安全極限：由于這個原因，**效就不能使用溫度過高的加熱蒸汽，因此總溫差減小限制了效數的增加。
⑤溫差損失的增加：沸點升高、靜壓效應和熱損失引起的溫差損失 (要重復n次)幾乎隨效數而成比例的增加。當效數增加到一定的數值之后，溫差損失的總和有可能等于總溫差，這實際上意味著各效傳熱推動力的完全消失。所以就溫差損失來看，效數也是有限度的。
    多效蒸發的效數**常用的是雙效、三效和四效。對于熱敏性高的食品物料，第1的蒸發溫度即受到限制，所以很少有超出兩效的設備。
    (五)多數蒸發的計算
多效蒸發的工藝設計計算項目主要包括：
(1)    水分總蒸發量和各效蒸發量
(2)    加熱蒸汽消耗量
(3)    各效傳熱面積
多效蒸發計算雖較繁復，基本上與單效同。下面以順流加料，無額外蒸汽引出的多效蒸發為例討論求得總蒸發量的計算：
多效水分總蒸發量為各效蒸發量之和，即：
          (kg/s)
對溶液中固體進行物料衡算：
由此得總蒸發量
         (kg/s)
任一效(第1效)中溶液的濃度 (即i效的出料濃度)
如已知各效水分蒸發量，則可按上式求出各效的濃度。但各效的水分蒸發量必須通過后面的熱量衡算才能求得。
 
五 蒸汽再壓縮蒸發
   以多效蒸發代替單效蒸發具有顯著的經濟性，已如前述。但提高熱能經濟性尚有其他方法，例如蒸汽再壓縮方法。
1、蒸汽再壓縮方法的定義：設法使蒸發出來的二次蒸汽的熱力狀態提高到接近于原來的水蒸氣的狀態，作為熱源，進行加熱。
2、其節能的原因是：
假定將**壓力為1.74*105 溫度為1l6℃的飽和水蒸氣送入蒸發器，用以濃縮在大氣壓下沸點為104℃的液體，并假定冷凝水離開的溫度為104℃。因116℃飽和水蒸氣的焓值為2700kJ/kg，104℃冷凝水的焓值為435kJ/Kg，所以，若將此冷凝水送回鍋爐房，則每千克冷凝水**少要加入2270kJ/kg的熱量，才能得到與原來加熱蒸汽同樣的飽和水蒸氣。另一方面，上述lkg加熱蒸汽所能蒸發出來的二次蒸汽大致也等于lkg，而其恰值為l00℃下飽和水蒸氣的焓值2670kJ/kg，與加熱蒸汽焓值相差無幾。所以將此lkg二次蒸汽在回復到lkg原來狀態的水蒸氣，僅需加入30kJ/kg的熱**即可。
3、壓縮二次蒸汽的方法
有如下幾種：(1)機械再壓縮法；(2)蒸汽噴射再壓縮法(熱再壓縮法)；(3)熱泵循環再壓縮法。
     在實踐上，除上述方法單獨使用外，也有將上法一種或幾種與多效蒸發結合起來。例如，將蒸汽噴射再壓縮法與多效蒸發相結合等。
(一)機械再壓縮蒸發：
   機械再壓縮蒸發是利用機械壓縮機的jue熱壓縮來實現上述的要求，蒸發器為強制循環型，經分離室分離后的二次蒸汽再經壓縮機壓縮后返回加熱器。#p#分頁標題#e#
（二）熱再壓縮蒸發
機械再壓縮法中的壓縮機，如用蒸汽噴射器來代替，則稱這種蒸發為熱再壓縮蒸發。所使用的蒸汽噴射器稱升壓泵。升壓泵的作用與蒸汽噴射真空泵不同之點在于其吸入氣為水蒸氣而由擴壓管壓縮，相當于lkg工作蒸汽所吸入的二次蒸汽量，稱為抽氣系數，即：
   
上式表示采用熱再壓縮法的經濟程度。一般而言，μ的數值根據蒸發壓力而定。
對于許多低溫操作，當工作蒸汽的壓力為8~l0atm時，μ約等于l，其經濟程使為:
即每小時蒸發l噸水分的設備，約需工作蒸汽半噸。當μ=2時，則每蒸發1噸水分僅需工作蒸汽1/3噸。
由于工作蒸汽的混合，如果全部二次蒸汽返回再壓縮，則加熱蒸汽過多。實際上僅需一部分二次蒸汽被抽入升壓泵中。所以，熱再壓縮蒸發設備必須配備冷凝器和真空泵，以除去多余的二次蒸汽。冷凝器的蒸汽負荷約等于工作蒸汽的量。為了提高二次蒸汽的冷凝溫度，通常冷凝在升壓泵之后。
(三)熱泵循環再壓縮法
    采用上述兩種方法直接壓縮二次蒸汽時，如果蒸發需要在極低的溫度和壓力下進行時，則被壓縮的蒸汽體積很大，因而就不經濟。熱泵蒸發器就是為解決這一問題而設計的，其實質是將蒸發操作與制冷循環結合起來。根據熱泵蒸發系統中冷凍機的制冷劑是直接與被濃縮料液進行熱交換，或是通過中間冷凝與它進行