摘要：為解決真空濃縮過程中物料損失、原料及設(shè)備易受污染、清洗困難等問題，對(duì)真空濃縮設(shè)備中的防跑料裝置、冷凝液排出裝置和觀察視鏡3個(gè)關(guān)鍵輔件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。防跑料裝置使用絲網(wǎng)氣液分離器及離心式氣液分離器進(jìn)行捕集，設(shè)計(jì)快裝式捕集器蓋以實(shí)現(xiàn)內(nèi)筒體整體清洗及更換；設(shè)計(jì)了無泵自動(dòng)排水裝置，在無泵狀況下，只使用壓縮空氣為動(dòng)力，將冷凝后達(dá)到一定液位的液體排出。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的3輔件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、安全系數(shù)高、適用范圍廣。改進(jìn)后的濃縮設(shè)備具有較高的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：真空濃縮；骨素；防跑料；自動(dòng)排水；防結(jié)霧

　　濃縮是一種重要的食品生產(chǎn)加工方法，選擇合適的濃縮方法不僅可以保持食品原料的營(yíng)養(yǎng)成分，又可以提高產(chǎn)品的品質(zhì)，真空蒸發(fā)則是工業(yè)生產(chǎn)中普遍的濃縮方法。其優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)能，有利于保持原料的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，特別是某些氨基酸、酚類等物質(zhì)，可防止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)受熱被破壞和原料的焦化。因此，選擇合理的濃縮方法和適宜的條件是非常重要的。

　　但是在濃縮過程中，物料中含有易起泡的蛋白質(zhì)、多糖、皂類物質(zhì)等成分，如果操作不當(dāng)，泡沫會(huì)裹挾著大量物料隨著真空管道溢出設(shè)備之外。由此會(huì)造成物料的損失、出品率降低，而且飛沫中的物料會(huì)附著在冷凝器表面形成頑固阻垢，造成換熱效率降低和增加能耗；此外，物料還會(huì)以飛沫形式進(jìn)入真空系統(tǒng)內(nèi)，造成整體濃縮系統(tǒng)效能降低。因此，解決濃縮過程中跑料問題是保證濃縮器高效率運(yùn)行的關(guān)鍵。

　　常規(guī)真空濃縮裝置的冷凝液排出系統(tǒng)往往是靠人工觀察視鏡中液位的高低，通過切換閥門來實(shí)現(xiàn)排出冷凝液體的操作。若要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排液，就需在冷凝液體收集罐體安裝高低液位傳感器，通過傳感器傳輸信號(hào)來控制排液泵啟動(dòng)將冷凝液體排出。由于濃縮過程一般都是在真空狀態(tài)下運(yùn)行，對(duì)排液泵的機(jī)械密封配置要求較高，導(dǎo)致設(shè)備造價(jià)也很高。而且冷凝液體為動(dòng)態(tài)，容易造成液位傳感器傳輸信號(hào)不穩(wěn)定，排液泵頻繁啟動(dòng)而損壞。如果濃縮液含有機(jī)溶劑時(shí)，控制系統(tǒng)、傳感器和排液泵電機(jī)則需要進(jìn)行單獨(dú)的防爆處理，造價(jià)大幅升高。另外，在使用普通離心式排液泵時(shí)，管道內(nèi)需要充滿液體泵才能形成吸程和揚(yáng)程，而且在泵停轉(zhuǎn)后輸出管道和進(jìn)液管道內(nèi)仍殘存冷凝液體，排料不盡。

　　在真空濃縮裝置中，對(duì)內(nèi)部的物料運(yùn)行情況進(jìn)行了解，除了使用相應(yīng)的傳感器外，直觀地觀察是最可行可靠的辦法。所以，一般在蒸發(fā)室的頂部或罐體安裝有能夠承受壓力的防爆玻璃視鏡，再配合視燈的光線就能夠較為直觀地觀察到容器內(nèi)部物料情況。而實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于設(shè)備內(nèi)部的溫度高于外界，蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣會(huì)凝結(jié)在視鏡上，導(dǎo)致視線不清。為了避免此種情況，部分濃縮裝備也設(shè)計(jì)一根與罐體內(nèi)同溶劑的小管道直對(duì)視鏡進(jìn)行沖洗，以避免蒸氣凝結(jié)。但是，由于壓力視鏡的厚度較大(一般≥15mm)，外部進(jìn)入的液體溫度與玻璃視鏡的溫差很大(一般≥40℃)，所以玻璃視鏡有炸裂危險(xiǎn)，容易對(duì)操作人員造成傷害，引發(fā)安全事故。真空濃縮裝置的工作原理即溶液受熱溶劑分子獲得動(dòng)能，料液沸騰并迅速汽化，工業(yè)上為

　　了提高這種汽化速度，大多采用在沸騰狀態(tài)下的汽化過程。由于一些熱敏性原料以及對(duì)產(chǎn)品的較高要求，使得濃縮條件力求低溫短時(shí)。蒸發(fā)速度快，可起到預(yù)殺菌或部分殺菌的作用，操作空間密閉，可降低微生物對(duì)食品原料的污染。

　　本研究針對(duì)以上問題對(duì)濃縮裝置的關(guān)鍵輔件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以解決常規(guī)濃縮裝置中濃縮器跑料、排水系統(tǒng)不徹底、物料殘留、壓力視鏡結(jié)霧和爆裂等問題，為

　　濃縮裝備性能、操作便利、安全性提升提供了可靠方案。

　　真空濃縮防跑料裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.蒸發(fā)室；2.捕集器燕尾圈；3.捕集器外筒體；4.回流口；5.U型回流管；6.分離器；7.真空管；8.捕集器內(nèi)筒提手；9.捕集器上蓋；10.捕集器內(nèi)筒；11.捕集器填料。

　　防止跑料裝置包括捕集器外筒體、捕集器內(nèi)筒體、捕集器填料、捕集器蓋、分離器、分離器回流管。捕集器外筒體與濃縮器的蒸發(fā)室頂部連接；捕集器內(nèi)筒體為帶孔的圓筒，安裝在捕集器外筒體內(nèi)部，之間使用橡膠密封圈密封；捕集器填料放置在捕集器內(nèi)筒體內(nèi)部；捕集器蓋為快裝形式，打開后能夠方便地將內(nèi)筒體整個(gè)提出后進(jìn)行清洗或更換；分離器是將蒸發(fā)的二次蒸氣與物料液滴通過重力作用分離，其與捕集器外筒體通過管道連接；分離器回流管是將物料液滴收集后回流到濃縮器的蒸發(fā)室內(nèi)，分離器底部與濃縮器的蒸發(fā)室通過U型管連接。

　　該裝置使用絲網(wǎng)氣液分離器及離心式氣液分離器進(jìn)行捕集，當(dāng)氣流速度低于臨界速度時(shí)，液滴微粒就不能因慣性碰撞而滯留于單絲上，使得捕集效率下降。截留作用的捕集效率決定于液滴微粒直徑和單絲直徑之比，又與空氣流速成反比，當(dāng)氣流速度低時(shí)截留才起作用。壓力損失p是指流體流經(jīng)它所產(chǎn)生的總壓降，是評(píng)價(jià)分離器性能的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。p為2部分之和；①給有效的離心力場(chǎng)提供能量，對(duì)分離過程起積極作用；②主要是克服排氣的各種損失，基本上對(duì)分離過程不起作用。壓力損失p計(jì)算如下:P=ξ×P×μ/2。 根據(jù)Coker公式，ξ=9.47S/D2。

　　式中：ξ為阻力系數(shù)；ρ為氣體密度，kg/m3；μ為進(jìn)口的氣流速度，m/s；S為進(jìn)氣管截面積，m3；D為排氣管直徑，mm。

　　單位時(shí)間內(nèi)，單位捕集室體積所能處理的二次蒸氣體積量A為:

　　A=(W×VB)/VD，一般離心式捕集器A為4000～4500m3/106·m3。

　　式中：W為水的蒸發(fā)量，即二次蒸氣量，kg/h；VB為二次蒸氣比容，m3/kg；VD

　　為捕集室的容積，m3。

　　通過特殊設(shè)計(jì)的捕集器首先將飛沫捕集，隨后再通過分離器將跑逸的物料液滴收集后回流到濃縮器內(nèi)部。減少了物料損失，避免飛沫對(duì)冷凝器、真空系統(tǒng)的損壞，提高設(shè)備生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)使用壽命。

　　真空濃縮裝置中防止跑料裝置使用時(shí)，濃縮產(chǎn)生的二次蒸氣和飛沫會(huì)在蒸發(fā)室1內(nèi)產(chǎn)生，并隨著真空管7的真空抽力和熱力的作用向冷凝器方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)汽液混合物遇到捕集器外筒體3會(huì)順著外壁凝結(jié)，一部分液滴在重力作用下向下流動(dòng)，捕集器燕尾圈2的作用就是將凝結(jié)的液滴向外擴(kuò)散，防止隨真空抽走。其中大部分濃縮產(chǎn)生的二次蒸氣和飛沫會(huì)進(jìn)入到捕集器內(nèi)筒10內(nèi)，經(jīng)過捕集器填料11的捕集作用將大部分的飛沫附著收集。二次蒸氣則會(huì)隨真空力量再進(jìn)入到分離器6內(nèi)，較重的液滴在分離作用下沉降。U型回流管5起到收集回流的液體和平衡真空的作用，收集液體通過回流口4進(jìn)入蒸發(fā)室1內(nèi)。當(dāng)生產(chǎn)完畢后，打開捕集器上蓋9，使用捕集器內(nèi)筒提手8將捕集器內(nèi)筒10提出進(jìn)行更換或清洗。

　　無泵自動(dòng)排水裝置如圖2所示。

1.冷凝器；2.連接管；3.集液罐上室；4.上下室連通閥；5.壓縮空氣閥；6.集液罐下室；7.視鏡；8.排液口；9.止回閥；10.排液閥；11.下液位傳感器；12.上液位傳感器；13.冷凝液連通閥；14.排空閥；15.真空口；16.控制器。

　　無泵自動(dòng)排水裝置包括冷凝器、集液罐體、連接管道、氣動(dòng)自控閥門組、液位傳感器、控制器等。冷凝器與集液罐體通過管道連接；氣動(dòng)閥門組安裝在集液罐體的相關(guān)接口；液位傳感器安裝在集液罐體上；控制器是以液位傳感器為開關(guān)信號(hào)來控制氣動(dòng)閥門組的開關(guān)順序?？刂圃砣鐖D3所示。

　　該真空濃縮裝置的無泵自動(dòng)排水裝置可以在無泵的狀況下，只使用壓縮空氣為動(dòng)力，將冷凝后達(dá)到一定液位的液體排出。使用較低的能耗，解決由人工控制或自動(dòng)控制的排液泵來排出冷凝液體。省時(shí)省力，避免了造價(jià)高、維護(hù)繁瑣、適用范圍窄的問題。

圖3  無泵自動(dòng)排水裝置工作示意圖

　　無泵自動(dòng)排水裝置使用時(shí)，二次蒸氣順著真空口15的抽真空方向，進(jìn)入到冷凝器1后冷凝，順著連接管2流入集液罐上室3內(nèi)。在正常工作狀況下，冷凝液連通閥13是常開，冷凝液流到集液罐下室6內(nèi)。此時(shí)，上下室連通閥4為開啟，其作用是為平衡集液罐上室3與集液罐下室6的壓力，保證冷凝液體順利流入集液罐下室6。當(dāng)液體逐漸累積，沒過下液位傳感器11后，可以通過視鏡7觀察到液面情況。隨著液體增多，當(dāng)液位達(dá)到上液位傳感器12時(shí)，控制器16得到信號(hào)需要排水。首先關(guān)閉上下室連通閥4和冷凝液連通閥13，開啟排液閥10和壓縮空氣閥5。此時(shí)，壓縮空氣會(huì)在集液罐下室6 內(nèi)形成一定壓力將冷凝液體從排液口8經(jīng)過止回閥9和排液閥10排到指定容器或地點(diǎn)。隨著液位降低，當(dāng)液位到達(dá)下液位傳感器11時(shí)，

　　控制器16 收到信號(hào)。首先關(guān)閉壓縮空氣閥5，之后再關(guān)閉排液閥10打開排空閥14，防止集液罐下室6壓力過高，壓力平衡后關(guān)閉排空閥14，隨后打開上下室連通閥4和冷凝液連通閥13，完成一次排水過程。

　　防霧視鏡結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

　　防結(jié)霧壓力視鏡包括視鏡主體、進(jìn)沖洗液體管、換熱緩沖器、噴淋管。視鏡主體安裝在容器的表面，使用上下法蘭將玻璃視鏡壓緊；沖洗液體管安裝在視鏡主體附近，方便操作；換熱緩沖器連接在進(jìn)液管與噴淋管之間；噴淋管與換熱緩沖器連接，噴口對(duì)準(zhǔn)視鏡主體。該防結(jié)霧壓力視鏡的噴淋液體將經(jīng)過預(yù)熱后再噴淋在視鏡上，減小了噴淋液體與視鏡之間的溫度差，消除了視鏡應(yīng)力差，大大降低了視鏡爆裂的隱患。

　　防結(jié)霧視鏡使用時(shí)，先緩慢打開進(jìn)液管1的閥門，此時(shí)，沖洗液體順管路進(jìn)入到換熱緩沖器2腔體內(nèi)，流經(jīng)緩沖器隔板3 后，再進(jìn)入噴淋管4。觀察視鏡6待

　　噴淋口5有液體溢出時(shí)再開大閥門。經(jīng)過換熱后的沖洗液噴淋在視鏡6上，溫度與視鏡6相近不易形成溫差應(yīng)力。

　　通過對(duì)真空濃縮裝置輔件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，較好地解決了濃縮過程中遇到的跑料、排液殘留、不易觀察等問題。防止了常規(guī)濃縮中由于飛沫而造成物料損失，以及對(duì)冷凝器和真空系統(tǒng)的污染，解決了常規(guī)濃縮排水中常遇到的排水泵控制、造價(jià)及維護(hù)的問題，拓寬了設(shè)備適用范圍，有效地避免噴淋液體與視鏡溫差大容易爆裂的弊端。該裝置相較于常規(guī)的濃縮裝置可顯著提高設(shè)備生產(chǎn)效率和安全系數(shù)且操作方便，應(yīng)用范圍廣，具有較高的推廣和應(yīng)用價(jià)值。