蒸发器在真空蒸发浓缩中发挥主体作用

蒸发器是真空蒸发浓缩系统的主体，一般由加热室与分离室两部分构成，食品料液在此受到加热发生汽化，产生浓缩液和二次蒸汽。蒸发器的蒸发能力一般与加热室的加热面积成正比。

蒸发器有多种形式，按加热器结构可分为夹套式、盘管式、中央循环管式、升膜式、降膜式、板式、刮板式、离心外加热式等；按料液流程可分为单程式和循环式（又可分自然循环式与强制循环式两种）；按出料的方式可分为间歇式和连续式两类。

一、间歇式蒸发器

间歇式真空蒸发器的一般操作过程是：待蒸发稀料液借助真空吸入蒸发器进行蒸发，产生的二次蒸汽由后面连接的真空冷凝系统抽走，浓缩液则由稀到浓积聚于蒸发器内，直到浓度上升到难以继续进行有效传热和蒸发时，便停止加热蒸发，同时破坏系统真空，便于出料。浓缩液可借助于重力或泵，通过蒸发器进料管口出料。典型的加热器有夹套式和盘管式等。

（一）夹套式蒸发器

典型的夹套式蒸发器如图8-1所示，它又称为搅拌式真空浓缩锅，属于间歇式中的小型食品浓缩设备。由图可见，它主要由带夹套的圆筒形锅体、犁刀式搅拌器和泡沫捕集器等组成。浓缩锅体可分为上下两部分，下锅体由蒸汽夹套包围，属于加热蒸发区，待浓缩料液由下方进出料口借助真空吸入锅内，由夹套内的蒸汽进行加热蒸发，在搅拌器强制翻动下，料液形成对流而受到较为均匀的加热，并蒸发释放出二次蒸汽。上锅体内部为一段空腔体，附属结构有视镜、灯、真空表及人孔等。由加热蒸发区（下锅体）上升的二次蒸汽通过时，大部分所夹带的液滴因重力作用会分离落回下面的料液中，二次蒸汽则进入泡沫捕集器。泡沫捕集器有时也称为汽液分离器，可将（有时因过度加热蒸发而在上锅体产生的）泡沫破除分离成为二次蒸汽和液体，二次蒸汽由后面的冷凝真空系统抽走，液体则通过器下部侧面与上锅体相连的分离液回流管流入蒸发器。

图8-1 夹套式蒸发器

这种蒸发器的加热面积小，料液温度不均衡，加热时间长，料液通道宽，通过强制搅拌加强了加热器表面料液的流动，减少了加热死角，适宜于果酱、炼乳等高黏度料液的浓缩。

（二）盘管式蒸发器

典型盘管式真空蒸发器结构如图8-2所示，主要由锅体、置于锅体内的盘管加热器及与锅体相连的泡沫捕集器三部分构成。

图8-2 盘管式蒸发器

锅体为带保温层的立式圆筒密闭结构，内部空间也可分为上下两部分，上部为汽液分离区，下部为加热蒸发区。加热区设有3～5层加热盘管，每层盘1～3圈，各层盘管分别有加热蒸汽进口及冷凝水出口。蒸汽与冷凝水的进出口布置有两种方式，如图8-3所示。泡沫捕集器为离心式，安装于浓缩锅的上部外侧。泡沫捕集器中心立管与冷凝真空系统连接，中心管旁的回流小管则与锅体相连。

工作时，料液通过下方的进出液口进入锅体内。料液在加热盘管径向受到的加热程度不同，外层盘管间料液受热相对较多，受热后体积膨胀而上浮，盘管中部的料液，因受热相对较少，密度大，自然下降回流。从而形成了料液沿外层盘管间上升，又沿盘管中心下降回流的自然循环。蒸发产生的二次蒸汽从浓缩锅上部中央排出，二次蒸汽中夹带的料液雾滴在捕集器的作用下被分离下降流回锅中。当浓缩锅内的物料浓度经检测达到要求时，即可停止加热，打开锅底出料阀出料。

图8-3 加热盘管的进出口布置

操作过程中，不得往露出液面的盘管内通蒸汽，只有液料淹没后才能通蒸汽。由于盘管结构尺寸较大，加热蒸汽压力不宜过高，一般为0.7～1.0MPa。

盘管式蒸发器具有以下优点：结构简单、制造方便、操作稳定、易于控制；盘管为扁圆形截面，液料流动阻力小，通道大，适于黏度较高的液料；由于加热管较短，管壁温度均匀，蒸汽冷凝水能及时排除，传热面利用率较高；便于根据料液的液面高度独立控制各层盘管内加热蒸汽的通断及其压力，以满足生产或操作的需要。其主要缺点是：传热面积小，液料对流循环差，易结垢；料液受热时间长，在一定程度上对产品质量有影响。

二、连续式蒸发器

连续式蒸发器是指操作稳定时可以连续进稀料液和连续出浓缩液的蒸发器。

（一）外加热循环蒸发器

外加热循环蒸发器的特征是加热室和分离室分开。根据物料在加热室与分离室间循环的方式，可以分为强制循环式和自然循环式两种。

强制循环外加热蒸发器如图8-4（1）所示，主要由列管式加热器、分离室和循环泵等构成。需要指出的是，这种蒸发器的加热器，除了如图中所示可水平安装以外，还可以垂直安装或倾斜安装。

自然循环外蒸发器如图8-4（2）所示。除无循环泵以外，基本构成与强制循环式相同。但加热室只能垂直安装。

图8-4 外加热循环蒸发器

外加热式蒸发器主要以连续方式操作。操作时，最初的一段时间为非稳定期，这时不出料，当循环内料液浓度达到预定浓度时，通过离心泵抽吸出料。图8-4（2）所示的自然循环蒸发器，也可在浓缩液出料处接离心泵。这种蒸发器也可以间歇方式操作，但最终出料的体积不得小于加热室与分离室最少能循环的容积。

外加热式蒸发器具有以下优点：蒸发器的加热室与分离室分开后，可调节二者之间的距离和循环速度，不使料液在加热室中沸腾，而恰在高出加热管顶端处沸腾，加热管不易被析出的晶体所堵塞；分离室独立分开后，形式上可以做成离心分离式，从而有利于改善雾沫分离条件；此外，还可以由几个加热室合用一个分离室，提高操作的灵活性；自然循环外加热式蒸发器的循环速度较大，可达1.5m/s，而用泵强制循环的蒸发器，循环速度还要大；这种蒸发器的检修、清洗也较方便。其主要缺点是：溶液反复循环，在设备中平均停留时间较长，对热敏性物料不利。

这种蒸发器可用于对热敏性和风味成分保留要求不高的产品浓缩，例如，用于喷雾干燥前牛乳和蛋白水解液等的浓缩。

（二）长管式蒸发器

对热敏性成分保留有较严要求的产品，应当采用单程式蒸发器——稀料液通过加热室一次便由分离室分离排浓缩液的蒸发器。

长管式蒸发器是典型的单程式蒸发器，其结构类型如图8-5所示。这种蒸发器一般采用内径25～50mm，长径比为100～150的长管制成。因长径比大，单位体积料液受热面积较大，因而，料液进入加热器后很快汽化而使浓缩液呈膜状在管内移动，因此这种蒸发器也是典型的膜式蒸发器。根据液流方向不同，长管式蒸发器可分为升膜式、降膜式和升降膜式三种形式。

图8-5 长管式蒸发器

A—进料 B—二次蒸汽 C—浓缩液 D—生蒸汽 E—冷凝水

1.升膜式蒸发器

升膜式蒸发器的典型结构如图8-5（1）所示，蒸汽与料液在加热器内呈逆流，蒸汽由加热器上部引入，而料液由下部进入。由于从下面进料，因此为防止静压效应引起沸点升高，进入蒸发器的料液温度应控制在接近沸点。自下而上流动的料液，受加热和负压作用，一部分在入口处便迅速汽化，产生二次蒸汽，并以80～200m/s的速度带动浓缩液沿管内壁成膜状上升。在加热室顶部，由浓缩液与二次蒸汽构成的混合物，以较高流速进入加热室顶部的分离室，撞击在圆弧形挡板上，受惯性离心力作用发生分离，浓缩液从分离室底部排出，二次蒸汽则从顶部排出。(www.xing528.com)

这种蒸发器的主要优点是，料液在加热室内停留时间很短，传热系数高，适用于热敏性料液浓缩；高速二次蒸汽具有良好的破沫作用，所以尤其适用于易起泡沫的料液。其主要缺点是：一次浓缩比不够大，因此一般组成双效或多效流程使用；由于薄膜料液的上升必须克服自身重力与管壁的摩擦阻力，所以不适用于处理高黏度、易结垢或易结晶的溶液。

值得一提的是，分离室除图8-5（1）所示位于加热室上方以外，还可以有如外加热式蒸发器（参见图8-4）那样的分离室。

2.降膜式蒸发器

降膜式蒸发器的典型结构如图8-5（2）所示，其分离室位于加热室的下方。其工作过程为，稀料液在泵送作用下，经预热器预热后进入蒸发顶部，在重力作用下经料液布膜器沿加热管内壁呈膜状向下流动，同时受到管外并流加热蒸汽的加热而蒸发。管内形成的浓缩液与二次蒸汽进入下方的分离器。二次蒸汽从分离器B口通往冷凝真空系统，浓缩液由分离器下方C口由泵抽出。由于单位体积料液受热面积大，所以料液很快沸腾汽化，又由于向下加速，克服的流动阻力比升膜式小，产生的二次蒸汽能以很高的速度带动料液下降，所以传热效果好。

位于蒸发器加热室项部的料液布膜器（又称料液分布器），其作用是使料液在加热管内均匀成膜，并阻止二次蒸汽上升。图8-6所示为几种常用的布膜器，图中（1）的导流管是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流液体；（4）是靠管子上端的旋液器分流液体。

图8-6 料液布膜器

降膜式蒸发器的特点是：①加热蒸汽与料液呈并流方式；②蒸发时间短，为单流型，适用于热敏性料液浓缩；③不适于高黏度的料液浓缩；④大多以双效或多效形式组成蒸发设备，以提高浓缩比；⑤不适用于处理易结晶或易结垢的溶液。

（三）刮板式蒸发器

刮板式蒸发器也称刮板式薄膜蒸发器，是利用外加动力的膜式蒸发器，主体由刮板式加热器（参见第七章内容）与分离室构成。根据稀料液和浓缩的流向，刮板式蒸发器也可有升膜式和降膜式两种形式（图8-7）。

图8-7（1）所示为一种降膜式刮板式蒸发器，其分离室位于加热器正上方。稀料液由加热室上部引入，在随轴旋转的分布器离心力作用，成环状分布在加热器内壁，在旋转刮板作用下呈膜状沿加热器筒内壁向下方流动，受到加热蒸发。浓缩液在下部出口由泵抽走。二次蒸汽高速向上撞击在随轴旋转的圆盘形汽液分离器上与其所夹带的液滴发生分离。液滴受分离器离心力作用被抛甩到分离室壁后，在重力作用下流入加热室筒壁区。分离后的二次蒸汽则通往真空冷凝系统。

图8-7（2）所示为一种升膜式刮板式蒸发器，其分离室也与刮板加热室分开，位于加热器侧面。浓缩液与二次蒸汽混合物一起从加热器顶部流入分离室。分离室入口处有一挡板，可使二次蒸汽和浓缩液因惯性力作用而初步分开，分离后的二次蒸汽经通过左上部出口通往真空冷凝系统，浓缩室则在重力作用下汇集于分离室底部（可间歇出料）。

图8-7 刮板式蒸发器

刮板薄膜蒸发器的主要优点是处理黏度高达50～100Pa·s的黏性料液时仍能保持较高的传热速率。所以特别适用于浓缩糖含量高、蛋白质含量高的物料，如鸡蛋、蜂蜜和麦芽汁等料液。但设备加工精度要求高，生产能力小，因而一般用于后道浓缩。

（四）板式蒸发器

板式蒸发器主要由板式加热器与分离室组合而成。加热器的总体结构与组合方式与本书第七章介绍的板式换热器的类似，但一般直接利用蒸汽或二次蒸汽进行加热。板式蒸发器的加热板如图8-8所示，根据料液与蒸汽在加热板上的流动方向，有升膜式和降膜式两种形式。由于加热蒸汽和产品均要求均匀分布，因此，这种蒸发器换热板结构与普通板式热交换器的换热板在结构上有所不同，主要体现在供产品和加热介质进出的开孔大小、数量、形状和位置不同。

图8-8 板式蒸发器的加热板

板式蒸发器的加热器，如长管式蒸发器一样，也可以用相应的换热板安排成升膜式、降膜式和升降膜式结构。

图8-9所示为降膜式板式蒸发器结构示意。加热器的加热板全为降膜式。料液从加热器左上侧进入后分两路均匀地分布在各加热片上。料液流道两侧为加热蒸汽室，也从加热板上方进入，因此，与产品流向相同，为并流（情况与长管降膜式蒸发器类似）。浓缩液二次蒸汽混合物通过加热器下方的通道出来，进入分离器后二者分离，浓缩液从分离器下方引出，二次蒸汽则从上方引出。

图8-9 降膜式板式蒸发器结构示意图

升膜式板式蒸发器的结构与降膜式的类似，只是所用的加热板全为升膜式，并且稀料液与加热蒸汽的走向为逆流[参见图8-8（1）]，情形与长管升膜式蒸发器的类似。浓缩液二次蒸汽混合物通过上方的通道从加热器出来，进入分离器后二者分离。

升降膜式板式蒸发器的加热板结构较为特殊，分别由升膜板、降膜板和蒸汽板交替叠成。由蒸汽板、升膜板、蒸汽板、降膜板和蒸汽板构成一个蒸发单元，一个加热器的蒸发单元数根据产量而进行调整。这种蒸发器中，料液输入口及浓缩液二次蒸汽混合的输出口均位于加热器的下方。混合物从加热器出来后在分离器分离成浓缩液和二次蒸汽。

板式蒸发器的特点是：①传热系数高；②物料停留时间短（数秒），适用于热敏性物料；③体积小，加热面积可随意调整，易清洗；④因一次通过的浓缩比不高，因此常常构成二效或三效式蒸发系统；⑤密封垫圈易老化而泄漏，使用压力有限。

（五）离心薄膜蒸发器

离心薄膜蒸发器是一种利用锥形蒸发面高速旋转时产生的离心力使料液成膜状流动的高效蒸发设备。按离心转轴的取向，离心薄膜蒸发器分为立式和卧式两种形式（图8-10）。

立式离心薄膜蒸发器结构如图8-10（1）所示，主体由锥形空心碟片叠装而成的转鼓和壳体构成。空心碟片夹层在外圆径向开有通孔，供加热蒸汽进入和冷凝水离开。碟片间保持有一定加热蒸发空间，碟片的下外表面为工作面，所以整机具有较大的工作面，外圈开有环形凹槽和轴向通孔，定向叠装后形成浓缩液环形聚集区和连续的轴向通道。转鼓上部为浓缩液聚集槽，由插入的浓缩液管引至蒸发器壳外。

稀料液由真空壳体上管口引入分配管，该管穿过叠锥转鼓的中心部，由各分配口分别将料液注入相应旋转圆锥的下面。注入的料液很快展成厚0.1mm的液膜，在1s左右时间内流过旋转加热面，水分很快汽化。产生的二次蒸汽通过叠锥中央逸出到机壳内，然后通过壳体的管口通往真空冷凝系统。

加热蒸汽经空心轴从转鼓的下部进入，至叠锥外缘汽室，然后流经圆环上的小孔进入中空锥体夹层，蒸汽在圆锥表面冷凝，一旦形成水滴，又立即被离心力向外通过小孔甩出锥体，故夹层内不存在冷凝液膜，减小了传热热阻，传热系数可达8000W/（m²·K）。

图8-10 离心薄膜蒸发器结构示意图

卧式离心薄膜蒸发器结构如图8-10（2）所示，主体由单个空心锥形转动件和壳体构成。加热蒸汽通过转轴套进入转动件夹层，冷凝水则通过设于夹层的管子由转轴排出。稀料液由壳体引入锥形夹层转动件顶中心面，在离心力和重力双重作用下，自锥顶部向底部成膜状流经整个锥形件内表面，同时受到夹层内的蒸汽加热而蒸发，浓缩液在锥底通过管子引出壳体外，二次蒸汽由壳体出口通往真空冷凝系统。

离心加热蒸发器的传热速率与转速有关。提高转速即增加离心力，使液膜变薄，传热系数增大。但转速也不能无限制增加，否则料液膜不连续，传热面利用率会降低。

离心式薄膜蒸发器的结构紧凑、传热效率高、蒸发面积大、料液受热时间很短、具有很强的蒸发能力，特别适合果汁和其他热敏性液体的浓缩。由于料液呈极薄的膜状流动，流动阻力大，而流动的推动力仅为离心力，所以不适用于黏度大、易结晶、易结垢物料的浓缩。设备结构比较复杂，造价较高，传动系统的密封易泄漏，影响高真空。