蒸发浓缩：食品加工原理

蒸发是浓缩溶液的单元操作，是食品工业中应用最广泛的浓缩方法。食品工业浓缩的物料大多数为水溶液，在以后的讨论中，如不另加说明，蒸发就指水溶液的蒸发。蒸发浓缩就是将溶液加热至沸腾，使其中的一部分溶剂汽化并被排除，以提高溶液中溶质浓度的操作。由于固体溶质通常是不挥发的，所以蒸发也是不挥发性溶质和挥发性溶剂的分离过程。如图2-19所示为真空蒸发的基本流程。

（一）常压蒸发和真空蒸发

蒸发操作可以在常压、加压和减压条件下进行。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。

图2-19 真空蒸发基本流程

1—加热室 2—分离室 3—混合冷凝器 4—分离器 5—缓冲罐 6—真空泵

减压下的蒸发常称为真空蒸发，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料液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气来维持负压的工作环境。采用真空蒸发的基本目的是降低料液的沸点。与常压蒸发比较，它有以下优点：溶液沸点降低，可增大蒸发器的传热温差，所需的换热面积减小；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，有利于降低生产费用和投资；蒸发温度低，对浓缩热敏性食品物料有利；蒸发器操作温度低，系统的热损失小。当然，真空蒸发也有缺点：因蒸发温度低，料液黏度大，传热系数较小；因系统内负压，完成液排出需用泵，冷凝水也需用泵或高位产生压力排出，真空泵和输液泵都使能耗增加。

真空蒸发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，真空泵的能力越大，就使得冷凝器内的操作压力越易维持于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。

（二）闪蒸

闪急蒸发（flash evaporation）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。闪蒸的具体实施方法有两种：一种是直接把溶液分散喷入低压大空间，使闪蒸瞬间完成；另一种是从一个与降压压差相当的液柱底部引入较高压热溶液，使降压汽化在溶液上升中逐步实现。这种措施都为了减少闪蒸后汽流的雾沫夹带。

闪蒸的最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。

（三）单效蒸发和多效蒸发

蒸发操作的效（effect）是指蒸汽被利用的次数。如果蒸发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，称为单效蒸发。

如果第一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，两个蒸发器串联工作，第二个蒸发器产生的二次蒸汽送到冷凝器排出，则称为双效蒸发，双效蒸发是多效蒸发中最简单的一种。

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，仅在压力最高的首效使用新鲜蒸汽作加热蒸汽，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，也明显减少冷却水耗量。(www.xing528.com)

（四）热泵蒸发

为提高热能利用率，除采用多效蒸发外，还可通过一种通称热泵的装置，提高二次蒸汽的压力和温度，重新用作蒸发的加热蒸汽，称为热泵蒸发，或称为蒸汽再压缩蒸发。

热泵是以消耗一部分高质能（机械能、电能）或高温位热能为代价，通过热力循环，将热由低温物体转移到高温物体的能量利用装置。常用的热泵有蒸汽喷射热泵和机械压缩式热泵。

蒸汽喷射热泵使用的蒸汽喷射器类似于蒸汽喷射真空泵，只是在喷嘴附近低压吸入的是蒸发产生的二次蒸汽，与高温高压的驱动蒸汽混合后，在扩压管处达到蒸发所需加热蒸汽的压力和温度用作蒸发的加热介质。机械压缩式热泵利用电动机或汽轮机等驱动往复式或离心式等压缩机，将二次蒸汽压缩，提高其压力和温度，以重新用作蒸发的加热蒸汽。

（五）间歇蒸发和连续蒸发

蒸发操作可分为间歇操作和连续操作两种。

间歇蒸发有两种操作方法：

1.一次进料，一次出料

在操作开始时，将料液加入蒸发器，当液面达到一定高度，停止加料，开始加热蒸发。随着溶液中的水分蒸发，溶液的浓度逐渐增大，相应地溶液的沸点不断升高。当溶液浓度达到规定的要求时，停止蒸发，将完成液放出，然后开始另一次操作。

2.连续进料，一次出料

当蒸发器液面加到一定高度时，开始加热蒸发，随着溶液中水分蒸发，不断加入料液，使蒸发器中液面保持不变，但溶液浓度随着溶液中水分的蒸发而不断增大。当溶液浓度达到规定值时，将完成液放出。

由上可知，间歇操作时，蒸发器内溶液浓度和沸点随时间而变，因此传热的温度差、传热系数也随时间而变，故间歇蒸发为非稳态操作。

连续蒸发时，料液连续加入蒸发器，完成液连续地从蒸发器放出，蒸发器内始终保持一定的液面和压强，器内各处的浓度与温度不随时间而变，所以连续蒸发为稳态操作。通常大规模生产中多采用连续操作。