1、 浓缩是从溶液中除去部分溶剂（通常浓缩是从溶液中除去部分溶剂（通常是水）的操作过程，也是溶质和溶剂均匀是水）的操作过程，也是溶质和溶剂均匀混合液的部分分离过程。混合液的部分分离过程。按浓缩的原理分为按浓缩的原理分为平衡浓缩平衡浓缩和和非平衡浓缩非平衡浓缩两种物理方法。两种物理方法。平衡浓缩是利用两相在分配上的某种差异而获得溶质浓缩平衡浓缩是利用两相在分配上的某种差异而获得溶质浓缩液和溶剂的分离方法。如蒸发浓缩和冷冻浓缩。液和溶剂的分离方法。如蒸发浓缩和冷冻浓缩。非平衡浓缩是利用半透膜等来分离溶质和溶剂的过程，故非平衡浓缩是利用半透膜等来分离溶质和溶剂的过程，故也称为膜分离。也称为膜分离。食品的
2、浓缩与分离紧密相联系在一起。食品的浓缩与分离紧密相联系在一起。浓缩在食品工业中的其主要目的：浓缩在食品工业中的其主要目的：减少重量和体积减少重量和体积 浓缩去除食品中大量的水分，减少浓缩去除食品中大量的水分，减少食品包装、贮藏和运输费用。食品包装、贮藏和运输费用。可提高制品浓度，增大渗透压，降低水分活度，抑制可提高制品浓度，增大渗透压，降低水分活度，抑制微生物生长，延长保质期。微生物生长，延长保质期。作为干燥、结晶或完全脱水的预处理过程。作为干燥、结晶或完全脱水的预处理过程。降低食品脱水过程的能耗降低食品脱水过程的能耗 。改善产品质量。改善产品质量。蒸发是食品工业中应用最广泛的浓缩方法之一，具
3、有操蒸发是食品工业中应用最广泛的浓缩方法之一，具有操作简单，工艺成熟，设备投资低，浓缩效率高等优点。其作简单，工艺成熟，设备投资低，浓缩效率高等优点。其原理是利用溶质和溶剂之间挥发度的差异，利用热能使溶原理是利用溶质和溶剂之间挥发度的差异，利用热能使溶剂汽化，而溶质是非挥发性的则留在溶液中，从而达到分剂汽化，而溶质是非挥发性的则留在溶液中，从而达到分离的目的。离的目的。食品工业中浓缩物料大多为水溶液，食品蒸发浓缩的物食品工业中浓缩物料大多为水溶液，食品蒸发浓缩的物料有的是原液，如牛奶、血液；有的是榨出汁如果汁、蔬料有的是原液，如牛奶、血液；有的是榨出汁如果汁、蔬菜汁等；也有萃取浸提物如茶、中草
4、药等。菜汁等；也有萃取浸提物如茶、中草药等。一、蒸发浓缩的分类一、蒸发浓缩的分类根据对二次蒸汽的利用分为：根据对二次蒸汽的利用分为：单效蒸发单效蒸发和和多效蒸发多效蒸发；根据操作压力分为：根据操作压力分为：常压蒸发常压蒸发、真空蒸发真空蒸发和和加压蒸发加压蒸发；根据操作方式分为：根据操作方式分为：间歇式蒸发间歇式蒸发、连续式蒸发连续式蒸发和和循环式蒸发循环式蒸发。双效真空蒸发 设备 单效真空蒸发 设备 三效真空蒸发 设备 二、蒸发浓缩过程对物料的影响二、蒸发浓缩过程对物料的影响 料液在蒸发浓缩过程中发生的变化对浓缩液品质有很料液在蒸发浓缩过程中发生的变化对浓缩液品质有很大的影响，因此在大的影响
5、，因此在选择和设计蒸发器选择和设计蒸发器时要充分认识物料液时要充分认识物料液的特征。的特征。组成成分的变化，物料的粘稠性、结垢性、泡沫性、组成成分的变化，物料的粘稠性、结垢性、泡沫性、结晶性、风味形成与挥发的变化，对设备腐蚀性等。结晶性、风味形成与挥发的变化，对设备腐蚀性等。三、蒸发器的类型及选择三、蒸发器的类型及选择 蒸发器主要由蒸发器主要由加热室（器）加热室（器）和和分离室（器）分离室（器）两部分组成。两部分组成。加热室的作用是利用水蒸气为热源来加热被浓缩的物料。加热加热室的作用是利用水蒸气为热源来加热被浓缩的物料。加热室的型式随着技术的发展而不断改进。最初采用的是夹层式和蛇室的型式随着技
6、术的发展而不断改进。最初采用的是夹层式和蛇（盘）管式，其后有各种板式、管式等换热器形式。为了强化传（盘）管式，其后有各种板式、管式等换热器形式。为了强化传热，采用强制循环替代自然循环，也有采用带叶片的刮板薄膜蒸热，采用强制循环替代自然循环，也有采用带叶片的刮板薄膜蒸发器和离心薄膜蒸发器等。发器和离心薄膜蒸发器等。蒸发器分离室的作用是将二次蒸汽中夹带的雾沫分离出来。为蒸发器分离室的作用是将二次蒸汽中夹带的雾沫分离出来。为了使雾沫中的液体回到料液中，分离室需具有足够大的直径和高了使雾沫中的液体回到料液中，分离室需具有足够大的直径和高度以降低蒸汽流速，并有充分的机会使其返回到料液中。早期的度以降低蒸
7、汽流速，并有充分的机会使其返回到料液中。早期的分离室位于加热室之上，并与加热器合为一体。由于出现了外加分离室位于加热室之上，并与加热器合为一体。由于出现了外加热型加热室（加热器），分离室也可成为独立的分离器。热型加热室（加热器），分离室也可成为独立的分离器。选择、设计蒸发器，要以料液的特性（热敏性、黏度等）作为重选择、设计蒸发器，要以料液的特性（热敏性、黏度等）作为重要依据，全面衡量，通常选用蒸发器要满足以下的基本要求：要依据，全面衡量，通常选用蒸发器要满足以下的基本要求：符合工艺要求，溶液的浓缩比适当；符合工艺要求，溶液的浓缩比适当；传热系数高，有较高的热效率且能耗低；传热系数高，有较高的热
8、效率且能耗低；结构合理紧凑，操作、清洗方便，卫生、安全可靠；结构合理紧凑，操作、清洗方便，卫生、安全可靠；动力消耗要低动力消耗要低;设备要便于检修，并有足够的机械强度。设备要便于检修，并有足够的机械强度。蒸蒸 发发 器器 的的 选选 用用物料热敏性制品黏度适用的蒸发器类型说明无低或中等管式、板式、固定圆锥式水平管式不适合于结垢制品无或小高真空锅、刮板膜式、旋转圆锥式琼胶、明胶、肉浸出液的浓缩采用间歇式热敏低或中等管式、板式、固定圆锥式包括牛奶、果汁等含适度固形物的制品热敏高刮板膜式、固定圆锥式包括多数果汁浓缩液、酵母浸出液及某些药品。对浆状制品只能用刮板膜式高热敏低管式、板式、固定圆锥式要求单
9、效蒸发高热敏高板式、固定圆锥式要求单效蒸发，包括橙汁浓缩液、蛋白四、蒸发浓缩过程的节能与多效蒸发四、蒸发浓缩过程的节能与多效蒸发 单效真空蒸发广泛应用于食品浓缩。其最大优点就是容易操单效真空蒸发广泛应用于食品浓缩。其最大优点就是容易操作控制；可依据物料的粘性、热敏性等，控制蒸发温度和蒸发速作控制；可依据物料的粘性、热敏性等，控制蒸发温度和蒸发速率；由于物料在单效蒸发器内停留时间长，会带来热敏性成分的率；由于物料在单效蒸发器内停留时间长，会带来热敏性成分的破坏，且物料在不断地浓缩，其沸点也随浓度的提高而增大，黏破坏，且物料在不断地浓缩，其沸点也随浓度的提高而增大，黏度也随浓度和温度的变化而变化度
10、也随浓度和温度的变化而变化,因此浓缩过程要合理选择和控制因此浓缩过程要合理选择和控制蒸发温度。由于液层静压效应，从而引起的液面下局部沸腾温度蒸发温度。由于液层静压效应，从而引起的液面下局部沸腾温度高于液面上的沸腾温度，同时因料液黏度增大，物料在蒸发过程高于液面上的沸腾温度，同时因料液黏度增大，物料在蒸发过程中湍动小，更易增大温度差异，甚至加热面附近料液温度接近加中湍动小，更易增大温度差异，甚至加热面附近料液温度接近加热面温度，引起局部结垢、焦化，严重影响热传递。热面温度，引起局部结垢、焦化，严重影响热传递。单效蒸发还存在热耗高，传热面积不能太大等特点，限制其单效蒸发还存在热耗高，传热面积不能太
11、大等特点，限制其蒸发能力的提高。对于生产量很大的现代化大型食品加工厂，真蒸发能力的提高。对于生产量很大的现代化大型食品加工厂，真空多效蒸发显示出了其更大的优越性。空多效蒸发显示出了其更大的优越性。1.多效真空蒸发的特点多效真空蒸发的特点在真空条件下，液体的沸点低，有利于增大加热蒸汽与液体在真空条件下，液体的沸点低，有利于增大加热蒸汽与液体 之间的温差，增大传热效率，减少传热面积；之间的温差，增大传热效率，减少传热面积；物料在较低温度下蒸发，可以减少对热敏性物料的破坏；物料在较低温度下蒸发，可以减少对热敏性物料的破坏；便于采用低压蒸汽和废热蒸汽作为热源，降低能耗，提高生便于采用低压蒸汽和废热蒸汽
12、作为热源，降低能耗，提高生产效率。产效率。真空蒸发需要配备真空系统，会增大设备投资及动力消耗。真空蒸发需要配备真空系统，会增大设备投资及动力消耗。双效真空蒸发设备双效真空蒸发设备 单效真空蒸发设备单效真空蒸发设备 三效真空蒸发设备三效真空蒸发设备 至 真 空 泵冷 水成 品蒸 汽冷 凝 水冷 凝 水冷 凝 水成 品成 品（c）三效真空浓缩装置流程图三效真空浓缩装置流程图（a a）顺流法；）顺流法；（b b）逆流法；）逆流法；（c c）平流法）平流法.料液蒸汽成品冷水至真空泵（a）成品加热蒸汽原料液（b）2.多效蒸发的形式多效蒸发的形式 按照多效蒸发加料方式和蒸汽流动方向，可分为顺流按照多效蒸发
13、加料方式和蒸汽流动方向，可分为顺流式、逆流式和平流式三种多效蒸发。式、逆流式和平流式三种多效蒸发。（a a）顺流法）顺流法 料液蒸汽成品冷水至真空泵（a）由于后一效蒸发室的压力比前一效低，料液在效间的由于后一效蒸发室的压力比前一效低，料液在效间的输送不用泵而可利用各效间的压力差；后一效料液的沸点输送不用泵而可利用各效间的压力差；后一效料液的沸点比前一效低，当料液进入下一效时发生闪蒸现象，产生较比前一效低，当料液进入下一效时发生闪蒸现象，产生较多的二次蒸汽；浓缩液的温度依次降低，对热敏性物料的多的二次蒸汽；浓缩液的温度依次降低，对热敏性物料的浓缩有利；但随着逐效料液浓度增高，温度降低，黏度增浓缩
14、有利；但随着逐效料液浓度增高，温度降低，黏度增大，传热系数下降，增加了末效蒸发的困难。大，传热系数下降，增加了末效蒸发的困难。成品加热蒸汽原料液（b）（b b）逆流法）逆流法 随着料液向前一效流动，浓度越来越高，而蒸发温度随着料液向前一效流动，浓度越来越高，而蒸发温度也越来越高，故各效料液黏度变化较小，有利于改善循也越来越高，故各效料液黏度变化较小，有利于改善循环，提高传热系数。但高温加热面上的浓料液的局部过环，提高传热系数。但高温加热面上的浓料液的局部过热易引起结垢和营养成分的破坏，且效间料液的输送需热易引起结垢和营养成分的破坏，且效间料液的输送需用泵来实现。与顺流相比，水分蒸发量稍低。逆流
15、法适用泵来实现。与顺流相比，水分蒸发量稍低。逆流法适合黏度随温度和浓度变化大的料液的蒸发。合黏度随温度和浓度变化大的料液的蒸发。至 真 空 泵冷 水成 品蒸 汽冷 凝 水冷 凝 水冷 凝 水成 品成 品（c c）平流法）平流法 平流法适用于在蒸平流法适用于在蒸发进行的同时有晶体发进行的同时有晶体析出的料液的浓缩，析出的料液的浓缩，如食盐溶液的浓缩结如食盐溶液的浓缩结晶。晶。有些多效蒸发同时采用顺流和逆流加料法，即某些效采用顺流，有些多效蒸发同时采用顺流和逆流加料法，即某些效采用顺流，而另些效采用逆流，充分利用其优点，这种蒸发方法称为混流加料法，而另些效采用逆流，充分利用其优点，这种蒸发方法称为
16、混流加料法，尤其适用于尤其适用于料液黏度随浓度而显著增加的料液蒸发料液黏度随浓度而显著增加的料液蒸发。在多效蒸发流程。在多效蒸发流程中，有时将某一效的二次蒸汽引出一部分用于预热物料或用于其他加中，有时将某一效的二次蒸汽引出一部分用于预热物料或用于其他加热目的。被引出的二次蒸汽称为额外蒸汽。从蒸发器中引出额外蒸汽热目的。被引出的二次蒸汽称为额外蒸汽。从蒸发器中引出额外蒸汽作为它用，是一项提高热能利用率和经济性的措施。作为它用，是一项提高热能利用率和经济性的措施。3.多效蒸发的温差分配多效蒸发的温差分配 在给定的总操作条件下，由于各效温差的损失，多效蒸发器的在给定的总操作条件下，由于各效温差的损失
17、，多效蒸发器的传热有效温差总是小于总温差。若将第一效的加热蒸汽温度设为传热有效温差总是小于总温差。若将第一效的加热蒸汽温度设为T T1 1，冷凝器的冷凝温度为，冷凝器的冷凝温度为T TK K，则总温差为，则总温差为TTT T1 1T TK K，。在理想，。在理想的情况下（无能量损失），有效温差的情况下（无能量损失），有效温差T T 等于总温差；实际上，等于总温差；实际上，总温差小于总温差。总温差小于总温差。各效间有效温差的分配应符合下列比例关系：各效间有效温差的分配应符合下列比例关系：132123112233:nnnnQQQQTTTTK AK AK AK A 确定各效有效温差，常用以下几种原则
18、：确定各效有效温差，常用以下几种原则：各效面积相等原则各效面积相等原则 按此原则，各效传热面积按此原则，各效传热面积A A相等。使用相等。使用相同的大小的蒸发器也便于制造、安装、检修和操作。此时：相同的大小的蒸发器也便于制造、安装、检修和操作。此时：132123123:nnnQQQQTTTTKKKK 邻效间等压差原则邻效间等压差原则 即各效之间的压力降相等。即各效之间的压力降相等。各效蒸发量按比例原则各效蒸发量按比例原则 若无额外蒸汽引出的顺流操作，各若无额外蒸汽引出的顺流操作，各效水分蒸发量（效水分蒸发量（WW）可按经验比例进行初步估计：）可按经验比例进行初步估计：双效：双效：WW1 1WW
19、2 211.111.1 三效：三效：WW1 1WW2 2WW3 311.11.211.11.2 通过各效的蒸发量，可计算出各效料液的浓度及沸点。通过各效的蒸发量，可计算出各效料液的浓度及沸点。随着有效温差的提高，热交换效率提高。带热压泵的真空随着有效温差的提高，热交换效率提高。带热压泵的真空蒸发器有效温差应在蒸发器有效温差应在15152525，降低或提高有效温差会带来加，降低或提高有效温差会带来加热器中料液循环受阻现象，导致热效率下降。在乳制品生产热器中料液循环受阻现象，导致热效率下降。在乳制品生产中，不能靠提高生蒸汽的压力来提高有效温差，但温差也需中，不能靠提高生蒸汽的压力来提高有效温差，但
20、温差也需维持在维持在10101515。4.多效蒸发的效数多效蒸发的效数 多效蒸发的最大优点是充分利用热能，即蒸发单位质量的水所多效蒸发的最大优点是充分利用热能，即蒸发单位质量的水所消耗的蒸汽消耗降低，且效数越多，冷却水用量越少。但随着效消耗的蒸汽消耗降低，且效数越多，冷却水用量越少。但随着效数的增加，电耗、泵、蒸发器、预热器等也随之增加。数的增加，电耗、泵、蒸发器、预热器等也随之增加。用于脱脂乳真空浓缩的效数与其他消耗的关系用于脱脂乳真空浓缩的效数与其他消耗的关系指指 标标 蒸发效数蒸发效数1 12 23 34 4一次蒸汽消耗一次蒸汽消耗 /t/th h-1-16.876.873.233.23
21、2.072.071.571.57二次蒸汽消耗二次蒸汽消耗 /t/t汽汽h h-1-10.8550.8550.4040.4040.2590.2590.1820.182电耗电耗 /kW/kWh h 11.211.29.79.713.313.316.716.7电耗比电耗比 /kW/kWh ht t-1-1水水1.41.41.211.211.661.662.092.09冷却水耗量冷却水耗量 /m/m3 3h h5755752012011091097676换热器面积换热器面积 /m/m2 2126126185185230230300300预热器、灭菌器等预热器、灭菌器等2828404052525555冷
22、凝器冷凝器5365361881881021027373总热交换面积总热交换面积 /m/m2 2690690413413384384428428奶受热时间奶受热时间 /s/s270270270270380380500500 多效真空蒸发浓缩可以节省蒸发的蒸汽消耗，且随效多效真空蒸发浓缩可以节省蒸发的蒸汽消耗，且随效数的增加，耗汽量不断下降。但并非效数越多越好，在数的增加，耗汽量不断下降。但并非效数越多越好，在食品工业中，目前应用最多的是食品工业中，目前应用最多的是3 35 5效真空蒸发，工业效真空蒸发，工业上采用最多的也只有上采用最多的也只有7 7效，即效数是有限的，其原因：效，即效数是有限的，
23、其原因：物料性质的限制物料性质的限制 设备费用增加设备费用增加 温差损失增加温差损失增加5.多效蒸发过程中的节能措施多效蒸发过程中的节能措施 提高多效蒸发效率，降低能耗，主要有：提高多效蒸发效率，降低能耗，主要有：设计开发新型蒸发设备；设计开发新型蒸发设备；蒸汽再压缩蒸发；蒸汽再压缩蒸发；利用余热预热物料或用于其他加热目的。利用余热预热物料或用于其他加热目的。在蒸汽在压缩蒸发过程中，利用各种压缩方法，将二次蒸汽的在蒸汽在压缩蒸发过程中，利用各种压缩方法，将二次蒸汽的热力状态提高到接近原来的生蒸汽状态，是多效蒸发过程中最为常热力状态提高到接近原来的生蒸汽状态，是多效蒸发过程中最为常用的节能措施。
24、用的节能措施。一、概一、概 述述 冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理的冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理的一种浓缩方法。即将水溶液中的一部分以冰的形式析出，一种浓缩方法。即将水溶液中的一部分以冰的形式析出，并将其从液相中分离出去而使溶液浓缩。并将其从液相中分离出去而使溶液浓缩。冷冷 却却冷冻浓缩的流程图冷冻浓缩的流程图原料液原料液结结 晶晶分分 离离浓缩液浓缩液冰冰 晶晶优点：优点：其一：气液界面小，微生物增殖低，溶质的变质及挥发性其一：气液界面小，微生物增殖低，溶质的变质及挥发性芳香成分的损失可控制在极低的水平。芳香成分的损失可控制在极低的水平。其二：相对于蒸发，能耗低。
25、其二：相对于蒸发，能耗低。采用冷冻浓缩方法，溶液在浓度上采用冷冻浓缩方法，溶液在浓度上是有限度的。当溶液中溶质浓度超过是有限度的。当溶液中溶质浓度超过低共熔浓度时，过饱和溶液冷却的结低共熔浓度时，过饱和溶液冷却的结果表现为溶质转化为晶体析出，此即果表现为溶质转化为晶体析出，此即结晶操作的原理。这种操作不但不会结晶操作的原理。这种操作不但不会提高溶液中溶质的浓度，反而降低了提高溶液中溶质的浓度，反而降低了溶质的浓度。但当溶液中所含溶质的溶质的浓度。但当溶液中所含溶质的浓度低于共熔浓度时，则冷却结果表浓度低于共熔浓度时，则冷却结果表现为溶剂（水）变成晶体（冰晶）析现为溶剂（水）变成晶体（冰晶）析出
26、。与此同时，剩下溶液中的溶质浓出。与此同时，剩下溶液中的溶质浓度就大大提高，此即冷冻浓缩的基本度就大大提高，此即冷冻浓缩的基本原理。原理。温温度度温温度度溶质溶质水水最低共熔点最低共熔点 冷冻浓缩方法对热敏性液态食品、生物制药、要求保留天然色香味的饮冷冻浓缩方法对热敏性液态食品、生物制药、要求保留天然色香味的饮料及中草药浸提液等的浓缩特别有利，由于溶液中水分的减少不是通过加料及中草药浸提液等的浓缩特别有利，由于溶液中水分的减少不是通过加热蒸发的方法，而是靠从溶液到冰晶的相际传递，因此可以有效地避免易热蒸发的方法，而是靠从溶液到冰晶的相际传递，因此可以有效地避免易挥发性物质和易变性物质的损失。为
27、了更好地使操作时形成的冰晶不混有挥发性物质和易变性物质的损失。为了更好地使操作时形成的冰晶不混有溶质，分离时又不致使冰晶夹带溶质，造成过多的溶质损失，溶剂结晶操溶质，分离时又不致使冰晶夹带溶质，造成过多的溶质损失，溶剂结晶操作要尽量避免局部过冷，分离操作要较好地控制，在此情况下，冷冻浓缩作要尽量避免局部过冷，分离操作要较好地控制，在此情况下，冷冻浓缩就可以发挥其独特的优越性。对于含挥发性芳香物质的食品采用冷冻浓缩，就可以发挥其独特的优越性。对于含挥发性芳香物质的食品采用冷冻浓缩，其品质优于蒸发法和膜浓缩法。其品质优于蒸发法和膜浓缩法。冷冻浓缩不可避免地还存在一定的缺点：冷冻浓缩不可避免地还存在
28、一定的缺点：制品冷冻浓缩处理后，需进一步冷冻或加热等方法处理，以便保藏。制品冷冻浓缩处理后，需进一步冷冻或加热等方法处理，以便保藏。采用这种方法，不仅受到溶液浓度的限制，而且还取决于冷晶与浓缩的采用这种方法，不仅受到溶液浓度的限制，而且还取决于冷晶与浓缩的分离程度。一般而言，溶液黏度愈高，分离就愈困难。分离程度。一般而言，溶液黏度愈高，分离就愈困难。过程中不可避免地会造成溶质的损失，且成本较高。过程中不可避免地会造成溶质的损失，且成本较高。XTDEFCABX1X2A1冷冻浓缩过程示意图冷冻浓缩过程示意图 某一较稀溶液起始浓度为某一较稀溶液起始浓度为X X1 1，温度在，温度在A A1 1点，点
29、，对该溶液进行冷却降温，当温度降到冰点线对该溶液进行冷却降温，当温度降到冰点线A A点时，如果溶液中无点时，如果溶液中无“冰种冰种”，则溶液不，则溶液不会结冰，其温度将继续下降至会结冰，其温度将继续下降至C C点，成为过冷点，成为过冷溶液。过冷溶液是不稳定液体，受到外界干溶液。过冷溶液是不稳定液体，受到外界干扰，如振动、搅拌，溶液中就会产生大量的扰，如振动、搅拌，溶液中就会产生大量的冰晶，并逐渐长大。此时，溶液的浓度增大冰晶，并逐渐长大。此时，溶液的浓度增大为为X X2 2，冰晶的浓度为，冰晶的浓度为0 0，即纯水。如果把溶液，即纯水。如果把溶液中的冰粒过滤出来，即可达到浓缩目的。中的冰粒过滤
30、出来，即可达到浓缩目的。设原溶液的总量为设原溶液的总量为MM，冰晶的量为，冰晶的量为G G，浓缩液为，浓缩液为P P，根据溶质的，根据溶质的物料平衡，有：物料平衡，有：12()GP XPX211XXGBCPXFC或或 冰晶量与浓缩液量之比等于线段冰晶量与浓缩液量之比等于线段BCBC与线段与线段FCFC的长度之比，这个关系的长度之比，这个关系也即是化学工程中精馏分离的也即是化学工程中精馏分离的“杠杆法则杠杆法则”。根据上述关系式可计算冷。根据上述关系式可计算冷冻浓缩的结冰量。冻浓缩的结冰量。当溶液的浓度大于低共熔点浓度时，如果冷却溶液，则当溶液的浓度大于低共熔点浓度时，如果冷却溶液，则析出的是溶
31、质，使溶液变稀，即所谓传统的结晶操作。由析出的是溶质，使溶液变稀，即所谓传统的结晶操作。由此可见冷冻浓缩工艺和结晶工艺是相反的过程。要应用冷此可见冷冻浓缩工艺和结晶工艺是相反的过程。要应用冷冻浓缩，溶液必须较稀，其浓度要小于低共熔浓度冻浓缩，溶液必须较稀，其浓度要小于低共熔浓度 。理论上，冷冻浓缩过程可以进行到低共熔点。但实际上，理论上，冷冻浓缩过程可以进行到低共熔点。但实际上，多数食品没有明显的低共熔点，而且在此点远未达到之前，多数食品没有明显的低共熔点，而且在此点远未达到之前，浓溶液的黏度已经很高，其体积与冰晶相比甚小，就不可浓溶液的黏度已经很高，其体积与冰晶相比甚小，就不可能很好地将冰晶
32、与浓溶液分离。由此可见，冷冻浓缩在实能很好地将冰晶与浓溶液分离。由此可见，冷冻浓缩在实际应用中也是有一定限度的。际应用中也是有一定限度的。二、冷冻浓缩的分类二、冷冻浓缩的分类 工业上冷冻浓缩过程根据结晶方式的不同，分为两种形式：工业上冷冻浓缩过程根据结晶方式的不同，分为两种形式：1.1.在搅拌的冰晶悬浮液中进行，称为为悬浮结晶浓缩法；在搅拌的冰晶悬浮液中进行，称为为悬浮结晶浓缩法；2.2.在管式、板式以及带式设备中进行的，称为渐进冷冻浓缩法。在管式、板式以及带式设备中进行的，称为渐进冷冻浓缩法。悬浮结晶浓缩法悬浮结晶浓缩法 悬浮结晶浓缩法（悬浮结晶浓缩法（Suspension Freeze-c
33、oncentrationSuspension Freeze-concentration），又称），又称为分散结晶浓缩法。其特征为无数自由悬浮于母液中的小冰为分散结晶浓缩法。其特征为无数自由悬浮于母液中的小冰晶，在带搅拌的低温罐中长大并不断排除，使母液浓度增加晶，在带搅拌的低温罐中长大并不断排除，使母液浓度增加而实现浓缩。而实现浓缩。搅拌器进料冷媒再结晶罐（成熟罐）循环泵 冰融解液洗净塔 活塞过滤器浓缩液刮板式热交换器循环泵 原料罐GrencoGrenco冷冻浓缩设备流程图冷冻浓缩设备流程图 首先将被浓缩物料泵入刮板式首先将被浓缩物料泵入刮板式热交换器中，生成部分细微的冰热交换器中，生成部分细微
34、的冰晶后送入再结晶罐，由于奥斯特晶后送入再结晶罐，由于奥斯特瓦尔德效应，小冰晶融化，大冰瓦尔德效应，小冰晶融化，大冰晶成长，然后通过洗净塔排除冰晶成长，然后通过洗净塔排除冰晶并用部分冰融解液冲液及回收晶并用部分冰融解液冲液及回收冰晶表面附着的浓缩液，清洗液冰晶表面附着的浓缩液，清洗液回流至进料端，浓缩液则循环至回流至进料端，浓缩液则循环至所要求的组成后从结晶罐底部排所要求的组成后从结晶罐底部排出。出。这一工艺应用到速溶咖啡、速这一工艺应用到速溶咖啡、速溶茶、浓缩橙汁等的生产，得到溶茶、浓缩橙汁等的生产，得到了高质量的产品。但由于投资大，了高质量的产品。但由于投资大，成本高，引用该系统进行冷冻浓
35、成本高，引用该系统进行冷冻浓缩加工的厂家很有限，未广泛推缩加工的厂家很有限，未广泛推广。广。渐进结晶浓缩法渐进结晶浓缩法 渐进冷冻浓缩法，又称层状结晶冻结浓缩法或标准冻结浓缩法，是渐进冷冻浓缩法，又称层状结晶冻结浓缩法或标准冻结浓缩法，是一种沿着冷却面形成并成长为整体冰晶的冷冻浓缩方法。特点为：一种沿着冷却面形成并成长为整体冰晶的冷冻浓缩方法。特点为：形成一整体冰晶，液固界面小，使得母液与冰晶的分离变得容易；形成一整体冰晶，液固界面小，使得母液与冰晶的分离变得容易；装置简单，控制操作方便。良好设计将会显著降低冷冻浓缩成本。装置简单，控制操作方便。良好设计将会显著降低冷冻浓缩成本。影响冷冻浓缩的
36、因素主要有：液相的搅拌速度、冰晶的前沿移动速影响冷冻浓缩的因素主要有：液相的搅拌速度、冰晶的前沿移动速度和冻结初期的过冷却度。冷冻浓缩初期冰核的形成对环境条件、溶度和冻结初期的过冷却度。冷冻浓缩初期冰核的形成对环境条件、溶液物性等有较强的依赖性，因此初期过冷度极不稳定。当受到干扰时，液物性等有较强的依赖性，因此初期过冷度极不稳定。当受到干扰时，容易形成树枝状冰晶，而导致严重的冰相溶质夹带，降低了冰的纯度，容易形成树枝状冰晶，而导致严重的冰相溶质夹带，降低了冰的纯度，严重时甚至使被浓缩液在瞬间全体结晶，导致浓缩过程无法正常进行。严重时甚至使被浓缩液在瞬间全体结晶，导致浓缩过程无法正常进行。增大料
37、液和传热面的面积可以减小上述因素影响，提高冷冻浓缩效率。增大料液和传热面的面积可以减小上述因素影响，提高冷冻浓缩效率。(1)(2)(3)(5)(4)(6)(7)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)带搅拌的渐进冷冻浓缩装置图带搅拌的渐进冷冻浓缩装置图1 1原液；原液；2 2过滤器；过滤器；3 3搅拌器；搅拌器；4 4冷却机；冷却机；5 5冷煤；冷煤；6 6冰层；冰层；7 7流出液流出液降膜式渐进冷冻浓缩装置图降膜式渐进冷冻浓缩装置图1冷却机；冷却机；2冰层；冰层；3冷煤；冷煤；4循环泵；循环泵；5流出液；流出液；6贮罐；贮罐；7过滤器；过滤器；8原液原液三、冷冻浓缩的应用三、冷冻浓缩
38、的应用 冷冻浓缩由于在应用过程中不使物料受热，因此所得制品热敏冷冻浓缩由于在应用过程中不使物料受热，因此所得制品热敏性物质不被破坏，生物活性几乎不受影响并在色、香味方面均得性物质不被破坏，生物活性几乎不受影响并在色、香味方面均得到最大限度地保留，显著地增进了产品品质。但由于浓缩极限的到最大限度地保留，显著地增进了产品品质。但由于浓缩极限的限制及操作成本较高的缺陷，使得其应用受到很大的限制。目前限制及操作成本较高的缺陷，使得其应用受到很大的限制。目前主要应用于高档果汁、高档饮品、生物制品以及调味品等的浓缩，主要应用于高档果汁、高档饮品、生物制品以及调味品等的浓缩，浓缩的制品或直接作为产品，或作为
39、冷冻干燥的半成品。浓缩的制品或直接作为产品，或作为冷冻干燥的半成品。应用分为：应用分为：单级冷冻浓缩单级冷冻浓缩 多级冷冻浓缩多级冷冻浓缩单级冷冻浓缩装置系统示意图单级冷冻浓缩装置系统示意图1旋转刮板式结晶器；2混合罐；3洗涤塔；4融冰装置；5贮罐；6泵产品产品制冷制冷剂剂蒸汽蒸汽水水原料原料12345661234567891011121314151617进料产品冰二级冷冻浓缩装置流程示意图二级冷冻浓缩装置流程示意图1、7贮料罐；2、8结晶器；3、9分离机；4、10、11、12泵；6进料管；14熔冰水进入管；15、17管路；16浓缩液分支管（自（自 学）学）盐水纯水半透膜（c）盐水纯水半透膜（
40、a）渗透与反渗透原理图渗透与反渗透原理图（a）渗透；（b）渗透平衡；（c）反渗透纯水h渗透压半透膜（b）盐水进料液透过液膜P超滤原理图超滤原理图电渗析原理图电渗析原理图电极冲洗液电极冲洗液稀溶液浓缩液阳极阴极ACCACA一、溶解度和溶液中的相平衡一、溶解度和溶液中的相平衡什么是溶解度？什么是溶解度？物质的溶解度与它的化学性质、溶剂的性质及温度等物质的溶解度与它的化学性质、溶剂的性质及温度等有关。一定物质在一定溶剂中溶剂中的溶解度主要随温有关。一定物质在一定溶剂中溶剂中的溶解度主要随温度而变化，在一般情况下，压力的影响可不予考虑。度而变化，在一般情况下，压力的影响可不予考虑。物质的溶解度特征既表
41、现为溶解度的大小，物质的溶解度特征既表现为溶解度的大小，也表现为溶解度随温度的变化。也表现为溶解度随温度的变化。有些的溶解度随温度的升高而迅速增加，如有些的溶解度随温度的升高而迅速增加，如NaAcNaAc、CuSOCuSO4 45H5H2 2O O、NaCONaCO3 310H10H2 2O O、NaSONaSO4 410H10H2 2O O、NaHNaH2 2POPO4 412H2O12H2O、KClO4KClO4、C C5 5H H8 8O O4 4NNaHNNaH2 2O O（谷氨酸钠）、（谷氨酸钠）、C C6 6H H8 8O O7 7HH2 2O O（柠檬酸）等在水中的溶解就属于这种
42、类型。（柠檬酸）等在水中的溶解就属于这种类型。有些物质的溶解度随温度的升高，以中等速率增大，如有些物质的溶解度随温度的升高，以中等速率增大，如KClKCl、NaNONaNO3 3、NaHCONaHCO3 3、FeSOFeSO4 47H7H2 2O O和多数氨基酸等。和多数氨基酸等。还要一类物质，如还要一类物质，如NaClNaCl等，随温度的升高其溶解度只是微小的等，随温度的升高其溶解度只是微小的增加。增加。上述这些物质具有正溶解度特点，它们的溶解过程常需吸上述这些物质具有正溶解度特点，它们的溶解过程常需吸收热量，结晶是放热过程。收热量，结晶是放热过程。另有一类物质，其溶解度随温度的升高反而降低
43、，即具有逆溶另有一类物质，其溶解度随温度的升高反而降低，即具有逆溶解度，如解度，如CaSOCaSO4 4、NaNa2 2SOSO4 4在水中的溶解。在水中的溶解。它们在溶解过程常放出它们在溶解过程常放出热量，即放热溶解过程。热量，即放热溶解过程。许多物质的溶解曲线是连续的，中间没有断折，但也有些可许多物质的溶解曲线是连续的，中间没有断折，但也有些可形成水合物晶体的物质，它们的溶解度曲线有断折点（变态形成水合物晶体的物质，它们的溶解度曲线有断折点（变态点）。例如低于点）。例如低于32.432.4时，从硫酸钠水溶液中结晶出来的固体时，从硫酸钠水溶液中结晶出来的固体是是NaSONaSO4 410H1
44、0H2 2O O，而在这个温度以上结晶出来的固体却是无，而在这个温度以上结晶出来的固体却是无水水NaNa2 2SOSO4 4，这两种固体的溶解度曲线在转变点，这两种固体的溶解度曲线在转变点32.432.4处相交。处相交。柠檬酸的转折温度为柠檬酸的转折温度为36.636.6，在此温度之上结晶时，柠檬酸不，在此温度之上结晶时，柠檬酸不带结晶水，在此温度下结晶时，则带有一个分子的结晶水。一带结晶水，在此温度下结晶时，则带有一个分子的结晶水。一种物质可以有几个这样的变态点。例如，按温度的不同，硫酸种物质可以有几个这样的变态点。例如，按温度的不同，硫酸亚铁可以从水溶液中以亚铁可以从水溶液中以3 3种不同
45、形式结晶出来：种不同形式结晶出来：5656以下时是以下时是FeSOFeSO4 47H7H2 2O O；56566464之间时是之间时是FeSOFeSO4 44H2O4H2O；而；而6464以上以上则是则是FeSOFeSO4 4HH2 2O O。物质的溶解度特征，是决定物质结晶方法的理论依据。根据物质的溶解度特征，是决定物质结晶方法的理论依据。根据在不同温度下的溶解度数据还可算出结晶的理论产量。在不同温度下的溶解度数据还可算出结晶的理论产量。很多食品成分，如有机酸类、氨基酸和糖等，在水中均可形成溶很多食品成分，如有机酸类、氨基酸和糖等，在水中均可形成溶液，它们同样具有与盐所类似的溶解度曲线。多数
46、糖、酸类的溶解液，它们同样具有与盐所类似的溶解度曲线。多数糖、酸类的溶解度随温度的升高而增大。但对温度的敏感性范围不同。各种物质的度随温度的升高而增大。但对温度的敏感性范围不同。各种物质的溶解度数据可以在手册及专著中查得。由于物质的溶解度常受到溶溶解度数据可以在手册及专著中查得。由于物质的溶解度常受到溶液液pHpH值的影响，此外可溶性杂质的存在也会降低主要组分的溶解度，值的影响，此外可溶性杂质的存在也会降低主要组分的溶解度，因此不同物质的实际溶解度应由实验测定。因此不同物质的实际溶解度应由实验测定。2364.397 0.0730.0029.0353sttt149.9300.530st2259.
47、8730.2210.0003stt柠檬酸在水中的溶解度经验公式：柠檬酸在水中的溶解度经验公式：含结晶水含结晶水（t36.6）许多有机物晶体都有其溶解度与温度关系的经验公式，许多有机物晶体都有其溶解度与温度关系的经验公式，蔗糖在水中的溶解度（蔗糖在水中的溶解度（s）与温度（）与温度（t）的关系可用下式表示：）的关系可用下式表示：二、过饱和度与结晶的关系二、过饱和度与结晶的关系不稳区不稳区介稳区介稳区稳定区稳定区CADBHEGGFFF”G”温度温度浓浓度度溶液的过饱和度状态与结晶关系溶液的过饱和度状态与结晶关系ABAB为溶解度曲线为溶解度曲线其下面为不饱和溶液稳定期其下面为不饱和溶液稳定期其上面为
48、饱和溶液区。但还存在一其上面为饱和溶液区。但还存在一条曲线条曲线GGGG，将此区域分为介稳，将此区域分为介稳区和不稳定区。区和不稳定区。E EF FG GH H 为降温晶体析出过程；为降温晶体析出过程；E EFFG G 稳定蒸发晶体析出过程。稳定蒸发晶体析出过程。在介稳区不会有晶核产生核晶体析出，但在此区域的过饱和溶液中在介稳区不会有晶核产生核晶体析出，但在此区域的过饱和溶液中加入少量溶质晶体小颗粒，则这些小晶粒会长大，直至溶液到饱和平加入少量溶质晶体小颗粒，则这些小晶粒会长大，直至溶液到饱和平衡状态。衡状态。三、晶核的形成三、晶核的形成 晶核是过饱和溶液中新生成（析出）的微小晶体粒子，是晶体
49、生长晶核是过饱和溶液中新生成（析出）的微小晶体粒子，是晶体生长必不可缺少的核心。晶核可以由溶质的分子、离子形成，这些粒子相必不可缺少的核心。晶核可以由溶质的分子、离子形成，这些粒子相互聚合，形成线体、晶胚，以至成为一定粒度（如蔗糖晶核半径达到互聚合，形成线体、晶胚，以至成为一定粒度（如蔗糖晶核半径达到1.9nm1.9nm以上）的晶核。这个过程称为成核，工业上称为起晶。以上）的晶核。这个过程称为成核，工业上称为起晶。自然起晶法自然起晶法 刺激起晶法刺激起晶法 晶种起晶法晶种起晶法 结晶罐结晶罐四、影响晶体生长的因素四、影响晶体生长的因素 晶体生长速率可受到扩散控制，有时是受表面反应控制。晶体晶体
50、生长速率可受到扩散控制，有时是受表面反应控制。晶体生长速率既可表示晶体质量随时间的变化（质量速率）。也有用生长速率既可表示晶体质量随时间的变化（质量速率）。也有用各晶面的生长线速率表示，但它们都与溶液的过饱和度、温度、各晶面的生长线速率表示，但它们都与溶液的过饱和度、温度、压力、液相的搅拌强度和特性、各种场的作用、杂质的存在等有压力、液相的搅拌强度和特性、各种场的作用、杂质的存在等有关。关。1.1.过饱和度过饱和度 溶液的过饱和度（过饱和系数）或过冷度对晶体生长速率起着决定溶液的过饱和度（过饱和系数）或过冷度对晶体生长速率起着决定性的作用。晶体长大的推动力是晶体表面液膜的浓度差，过饱和度增性的
