果蔬汁提取与蒸发一体化工艺设计_韦小利.pdf

2023 年 第 2 期 化学工程与装备 2023 年 2 月 Chemical Engineering&Equipment 41 果蔬汁提取与蒸发一体化工艺设计 果蔬汁提取与蒸发一体化工艺设计 韦小利（江苏中圣压力容器装备制造有限公司，江苏 南京 211100）摘 要：摘 要：本文论述了提取与蒸发一体化的工艺路线，将提取技术和蒸发浓缩技术结合起来，采用三效并流降膜蒸发工艺，让第三效蒸发器兼做提取、浓缩设备，从而设计出一套果蔬汁提取与蒸发一体化的装置，使以往分开的提取工序和蒸发工序在一体化装置中得以实现。此设计简化了工艺流程和设备空间布局，具有提取高效、料液品质好、减少结垢、工艺简单、减少能耗等优点，具有一定的创新性，对果蔬汁的加工具有重要意义。关键词：关键词：降膜蒸发；并流；三效；工艺设计 1 概述 1 概述 人们的生活水平质量越来越好，对食品的要求也越来越高，随着人们对健康元素的重新认识，能够给身体提供维生素、高营养的果汁、蔬菜汁饮品已经越来越受消费者的青睐。果蔬汁在饮食、保健、医药、美容化妆等行业都有得到了广泛应用，这促使果蔬汁的产业化发展。我国果蔬汁生产加工起步比较晚，由于生产技术、设备比较落后，工艺陈旧等问题的限制，浓缩果蔬汁的生产一直未达到一定水平，是以我国的生产技术水平，生产装备还有很大的提升空间。怎样保证果蔬汁的生产质量和减少能耗，节约成本，是设备设计者特别需要关注的问题。以往常采用浸渍、煎煮等方法来破碎果蔬细胞，提取出果蔬中的活性成分，再经过过滤澄清后，送到浓缩设备中进行浓缩。这种工艺拉长了整个生产周期，消耗大量的溶剂，设备投资和运行费用较高，繁杂的操作还有可能破坏果蔬汁营养成分。在常压操作下，果蔬汁中的芳香物和维生素非常容易丧失，所以常常采用真空浓缩技术来浓缩果蔬汁。降膜式蒸发器是一种常见的蒸发浓缩设备，其属于膜状蒸发，具有液体滞留量小，静压头和持液量低，操作温差小，传热系数大等优点，可用于真空操作，对高温比较敏感的热敏性物料，尤其适用。国内外不少学者经研究发现，超声波在物质的提取应用方面，能发挥极大的作用。不少研究者认为其产生的空化效应、热效应和机械作用等综合效应能很大程度上提高对天然产物的提取效率。通过超声波的辅助，可以增大物资分子运动速率，局部出现高温高压，增大溶剂穿透力，加快物料活性物质的浸出，缩短提取时间，节约能源；超声辅助提取过程中，不需要加热，即可用来提取物料的热敏性成分，有效避免了高温对有效成分的破坏。若把超声波放在蒸发器加热室里，可以有效避免结垢，强化传热1，提高传热系数。若把超声提取技术和降膜蒸发技术结合起来，形成一种新型的超声降膜技术，则能大大提高液膜的蒸发率，提高降膜蒸发器的性能2。因此，怎样设计出一套高效、可靠的提取浓缩装备是非常有探讨意义的。2 浓缩果蔬汁生产过程 2 浓缩果蔬汁生产过程 果蔬挑选清洗去皮破碎榨汁过滤果蔬原液浓缩浓缩果蔬汁 浓缩果蔬汁的生产过程由多道工序组成，本文论述工艺主要涉及提取工序和浓缩工序。通过提取把容易引起果蔬汁浑浊的物质，如蛋白质、多糖、金属离子等分离出来，通过蒸发得到符合浓度要求的浓缩果蔬汁。3 提取与蒸发一体化的工艺介绍 3 提取与蒸发一体化的工艺介绍 本设计采用三效并流降膜蒸发工艺，通过将传统地分开工作的提取设备、蒸发设备设计成一体，从而简化工艺流程、节约设备布置空间、提高提取效率和浓缩效率。为了蒸发掉料液中的大部分水分，蒸发时要耗用大量的生蒸汽，因此，节约能源，是我们设计过程中特别需要考虑的问题。在有效传热温差满足蒸发要求的前提下，我们采用三效蒸发，充分利用蒸发过程中产生的二次蒸汽的汽化潜热，达到节能目的。另外，选择合适的效数，可以达到连续进料，连续出料的目的，提高生产效率。生产的连续性使得操作过程更稳定，更加容易控制3。考虑到果蔬汁对高温的敏感性，随着整个蒸发过程中其浓度、粘度的变化情况及操作的方便性，选择并流流程，为了最大可能避免末效可能出现的“干壁”现象，本设计在第三效蒸发器中添加了超声换能装置，尽可能缩短果蔬汁在加热室的停留时间，增加蒸发速率，节约能源，同时强化传热，增大第三效的总传热系数，与此同时，最大限度保留料液中的有益元素，使其不被破坏，保证产品品质。本次设计运行的流程是通过以下方案实现的：本套提取与蒸发一体化装置，主要由管式降膜蒸发器、DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.02.04042 韦小利：果蔬汁提取与蒸发一体化工艺设计 分离器、预热器、冷凝器、过滤器、超声换能装置、进料泵、真空泵、水泵、水箱、物料管线、不凝性气体管线、冷凝水管线、仪表、阀门、控制柜等组成。在第三效蒸发器中装有超声换能装置，用来增大第三效的传热系数；同时，让其兼做提取设备、浓缩设备，实现一体化效果。在预热器出口安上三通接头，一条支路连到第一效蒸发器物料进口，另一条支路连接到第三效超声式蒸发器物料进口，两条支路均安上阀门。超声式蒸发器物料出口（即分离器出口）安装三通接头，安上提取阀门和浓缩阀门，其中与超声式蒸发器物料出口相连的提取阀门控制的支路连到过滤器进口，从过滤器出口接出后，再经过物料泵连接到物料平衡罐中；与超声式蒸发器物料出口相连的浓缩阀门控制的支路连接到浓缩液储罐中，或是经过泵输连接到平衡罐中。末效产生的二次蒸汽进入冷凝器中，与冷却水进行换热后，很快冷凝成冷凝水，冷凝水持续出水，回收至回用水箱循环使用。整套装置在蒸发完成后获得的浓缩液从末效分离室流入浓缩罐中。冷凝器借助真空泵抽掉整个蒸发设备里的不会发生相变的不凝性气体，使蒸发器和冷凝器维持真空或负压，在负压下操作，可以使三效管式降膜蒸发器中料液产生的二次蒸气自动的从上一效进入到下一效，直到进入冷凝器中。本套一体化设备可以在真空低温条件下不间断运作，拥有蒸发效率高、运行成本低、节能降耗、能够确保物料在蒸发中不变性的优点。本工艺可以分为提取和浓缩两个工段：（1）提取工段工作原理：物料从物料平衡罐，通过离心泵输送到预热器中进行预热，加热到所需温度后打开预热器连接到超声式蒸发器支路的阀门，开启物料泵，借助物料泵把物料输送到超声式蒸发器中；提取完成后，打开超声式蒸发器提取阀门，让物料和提取液进入到过滤器中进行过滤澄清，随后把提取液经过泵输送到平衡罐中，等待下一步蒸发操作。（2）浓缩工段工作原理：开启真空泵，打开各个进料口的阀门，使整个蒸发系统处在真空状态；物料从物料平衡罐，通过离心泵输送到预热器中进行预热，加热到所需温度后打开预热器与第一效蒸发器物料进口相连的支路阀门；浓缩完成后打开与超声式蒸发器出料口相连的浓缩阀门，把浓缩液收集到浓缩罐中，或是经过泵，再打入平衡罐。提取与蒸发一体化的工艺流程图如图 1 所示：图 1 三效并流降膜蒸发工艺流程 图 1 三效并流降膜蒸发工艺流程 1.预热器 2.效蒸发器 3.效分离器 4.物料泵 5.效蒸发器 6.效分离器 7.效蒸发器 8.效分离器 9.过滤器 10.冷凝水泵 11.真空泵 12.冷凝器 13.物料平衡罐 冷凝水加热蒸汽芒果汁不凝性气体 （下转第 22 页）（下转第 22 页）22 曾 磊：十二烷基二苯醚合成研究 表2 不同温度对反应的影响 表2 不同温度对反应的影响 反应温度 四聚丙烯残留%十二烷基二苯醚收率%60 0.15 81.5 70 0.08 88.3 80 0.03 90.1 90 0.06 86.4 100 0.02 82.1 从表2可以看出反应温度在60-100之间四聚丙烯残留基本没有，十二烷基二苯醚的收率随着反应温度升高先上升后下降，当温度达到80时收率最高，因此该反应温度应选择80为宜。2.3 二苯醚和四聚丙烯配比对反应影响 在80，催化剂和四聚丙烯摩尔比为0.075，其他条件相同情况下，二苯醚和四聚丙烯摩尔比不同对反应影响。表3 物料配比对反应影响 表3 物料配比对反应影响 n(二苯醚):n(四聚丙烯)四聚丙烯残留%十二烷基二苯醚收率%1:1 9.35 60.2 1.5:1 1.32 80.2 2:1 0.04 89.8 2.5:1 0.02 90.1 3:1 0.03 90.0 从表3可以看出n(二苯醚):n(四聚丙烯）随着比例增加四聚丙烯残留逐渐变小，到2:1之后残留基本没有,十二烷基二苯醚收率先增加,到达2:1之后基本不变。为了减少生产成本应选择 n(二苯醚):n(四聚丙烯）为2比1为宜。3 结 论 3 结 论 从上面实验数据可以看出使用微通道反应器合成十二烷基二苯醚反应最佳条件为：n(三氯化铝)：n（四聚丙烯）=0.075:1，反应温度为80，n(二苯醚):n(四聚丙烯)=2:1。使用微通道反应器不仅可以避免人工操作误差，提高产品质量和稳定性，还可以大幅缩短反应时间，产品收率有所提高，更适应工业化大生产。参考文献 参考文献 1 许虎君.双亲水基型表面活性剂之合成与应用性能J.中国洗涤用品工业,2003(6):54-56.2 韩文举,王丽红.烷基糖苷-双十二烷基二苯醚二磺酸钠复配体系泡沫动态稳定性研究J.印染助剂,2018,35(12):53-56.3 刘晓臣,牛金平,李秋小.十二烷基二苯醚单/双磺酸盐的合成J.精细石油化工,2011,28(2):8-11.4 徐军,许虎君,黄辉,等.十二烷基苯醚磺酸盐的合成与表面性能研究J.日用化学品科学,2000,23:71-72.5 化工部科技情报所.世界精细化工手册(续编)M.北京:化学工业出版社,1986:706.（上接第 42 页）_（上接第 42 页）_ 4 结 语 4 结 语 果蔬汁市场的国际化和多元化，使得浓缩果蔬汁加工越来越受重视，要求也越来越高。影响果蔬汁质量的因素有非常多，从生鲜蔬果到口感好、营养佳的果蔬汁，每一道生产工序都有着举足轻重的作用。随着果蔬汁产能的扩大，生产装备规模在不断增大，耗能在不断增加，一套高效、可靠的的工艺路线、工艺装备成为很多技术工作者和投资者尤其关注的问题。因而越来越多的技术工作者综合全面利用自己所学理论知识，再总结以往经验，结合实际的项目需要投身到工艺技术创新工作中去。本文对果蔬汁传统的生产工艺路线进行了改进，通过将传统地分开工作的提取设备、蒸发浓缩设备设计成一体，从而简化工艺流程、节约设备布置空间、提高提取效率和浓缩效率，为果蔬汁的生产提供一种新思路。参考文献 参考文献 1 宋玉臣,宋继田,韩峰,等.超声式蒸发器强化传热性能分析J.机电信息,2015,20(7):24-32.2 Maryam Dehbani,Masoud Rahimi.Introducing ultrasonic falling film evaporator for moderate temperature evaporation enhancementJ.Ultrasonics-Sonochemistry,2018,42:689-696.3 冯小璐,阮奇,周守泉,等.浓缩果汁的高效节能低温热泵并流多效蒸发系统J.节能技术,2015,193(33):436-442.