刘殿宇

（华禹乳品机械制造有限公司，黑龙江安达 151400）

降膜式蒸发器是奶粉生产的核心设备之一，奶液进入蒸发器中进行降膜蒸发，得到的浓缩液紧接着进行杀菌，其杀菌温度通常控制在85℃～94℃之间。杀菌分为两种：一种为间接式杀菌，一种为直接式杀菌。间接式杀菌加热蒸汽在管的外部加热完成，不与料液直接接触，如：列管、盘管式杀菌。由于加热蒸汽不与料液直接接触，所以，料液不受蒸汽的影响。缺点是易结垢或结焦，影响杀菌温度，也影响产品的质量。清洗间隔时间较短。一般设备生产5～8 h就要停机进行清洗（采用手动控制）。国产设备大都是采用这种杀菌方式。近年来也有采用全自动超高温管式杀菌机代替上述杀菌装置，这种杀菌是先采用蒸汽把水加热成高温水再进行间壁加热物料，这种结构杀菌温度可根据需要进行调整，由于是高温水加热且采用全自动控制，因此，杀菌温度稳定效果佳。直接式杀菌是指加热介质，即蒸汽直接喷入到料液中进行杀菌，由于蒸汽不是通过管壁把热量传递给料液而是直接喷入到料液中，也就杜绝了由于管壁温度过高，局部料液温度偏低，温度分布不均，短时间就可能在管壁产生结垢或结焦的现象，从而延长了奶液在管壁上结垢结焦的时间，这种杀菌在国外比较多见。近年来，国内引进的丹麦、德国的蒸发器也都是采用这种杀菌方法。其优点是：加热温度分布均匀，不易结垢或结焦。清洗间隔时间较长。如果控制参数稳定，清洗间隔时间可达20 h以上（采用自动控制）。缺点：蒸汽加热料液，会降低料液的浓度，会混入杂质等。因此，杀菌后的料液通常要进行闪急蒸发处理；对蒸汽的质量要求较高。目前，国内有的制造厂家也在进行这方面的研究设计或仿制。仅以RNJM03-8000型三效降膜式蒸发器在奶粉生产中的设计为例，阐述直接式杀菌设计过程及注意事项。

1 主要技术参数及结构特点

物料介质：牛奶

生产能力：8 000 kg/h

进料质量分数：11.5%

进料温度：80℃

出料质量分数：38%～40%

杀菌温度：85℃～94℃

结构特点：本蒸发器的杀菌采用直接式杀菌，蒸汽来自于锅炉并经过严格过滤，主要由闪蒸罐、汽液加热器、保持管、物料泵、物料管线、阀及自控组成。其工艺流程如图所示，本设备全部采用自动控制。

图 降膜式蒸发器

2 直接式杀菌设计过程

2.1 工作原理

经过预热的物料（本例物料预热后温度为80℃）进入闪蒸器上半部初次闪蒸后进入汽液加热器中进行杀菌，杀菌温度控制在85℃～94℃之间，杀菌后的料液进入保持管中，在保持管中保持时间约36 s（为使料液杀菌温度更趋于均匀稳定），然后进入闪蒸器的下半部内进行闪急蒸发，理论上料液中加进多少蒸汽要闪蒸掉等量的水分，保持奶液原有的浓度。

2.2 闪蒸主要过程计算

2.2.1 料液经过直接式杀菌所消耗的蒸汽量的计算

物料由80℃经过杀菌后温度为94℃所需的热量为：Q=10 746×3.887 4（94－80）=584 836 kj/h。蒸汽加热温度为105℃，105℃饱和蒸汽汽化潜热为2 239.644 kj/kg。折合蒸汽耗量为584 836/2 239.64=261.13 kg/h。这些蒸汽进入料液中杀菌后要把其通过闪蒸器闪蒸除掉，同时，也起到了进一步去除奶液中的膻味及不良气味的目的。闪蒸器自蒸发温度为65℃左右，65℃饱和蒸汽的比容为6.201 m3/kg。

2.2.2 闪蒸罐的确定

闪蒸脱气罐按下式计算[1]：

式中：V0— 蒸汽比容，m3/kg。这里V0=6.201 m3/kg；

W0— 自由截面的二次蒸汽流速，m3/m2•s；

W0=则闪蒸脱气罐直径：

闪蒸罐高度按下式计算：

h=4W•V/(π •d2•VS•3 600)

式中：V — 二次蒸汽体积流量，m3/s；

VS— 允许的蒸发体积强度，m3/m2•s。

VS=1.1～1.5 m3/m2•s

则：h=4×261.13×6.201/(π×0.452×1.1×3 600) =2.57 m。闪蒸罐实际高度为2 m。

大型蒸发器多采用两个闪蒸脱气罐进行闪急蒸发，这样闪蒸的比较彻底，效果更佳。本例采用一个闪蒸脱气罐。

2.2.3 杀菌及闪蒸参数的控制

无论是直接杀菌还是间接杀菌，采用自动控制是现代乳品工业生产的需要。自动控制的主要参数为：使用蒸汽压力、杀菌温度、流量、系统真空度的控制。一般的系统真空度是定的。因此，对杀菌来说，蒸汽压力、杀菌温度及流量的控制是关键。杀菌温度的控制范围应该稳定不能产生较大的不规律的波动，否则也就失去了自动控制的意义。

3 设计注意事项

直接杀菌与间接杀菌是浓缩生产中的两种杀菌方法，无论采用哪种方法都能满足现代乳品工业生产的需要。间接式杀菌在过去及现在的乳品工业生产中仍在应用。蒸发系统采用自动控制却能够延长蒸发器的清洗间隔时间，提高生产效率及产品品质。这是发展趋势。

3.1 直接式杀菌设计注意事项

3.1.1 蒸汽质量问题

直接式杀菌的关键是蒸汽质量。蒸汽可以是采用蒸汽发生装置，即采用电加热或蒸汽加热的方式将食用的卫生水加热成蒸汽并达到所需要的蒸汽温度。蒸汽发生装置也是通过自动控制过程来完成的。对生产能力小的蒸发器，在杀菌过程中消耗蒸汽量小，多采用这种方法进行杀菌。对大生产能力的蒸发器杀菌消耗蒸汽量较大，因此，蒸汽直接来自锅炉。锅炉的蒸汽中往往携带着杂质等，因此，必须经过严格的过滤。我国某乳业集团引进的蒸发器中的杀菌其蒸汽就是来自锅炉。

3.1.2 直接式杀菌可减少预热过程

管式杀菌其温差不能过大，否则极易产生结焦。因此，到了管式杀菌段的奶液温度都是经过逐级预热而达到的，且与杀菌后的奶液温度差较小，通常在15℃～25℃之间[2][4]。采用直喷式杀菌其温差范围可以扩大，这样就可以缩短预热路径。

3.1.3 蒸汽喷射器的问题

蒸汽喷射器在使用过程中不能有死角，且便于清洗或清理。在选择喷射器时应以物料介质及杀菌参数为依据。

3.1.4 闪蒸器料液进口问题

这种闪蒸脱气过程料液没有进行加热，料液由高压区突然进入低压空间，完全是压力的瞬间降低变化所形成的自蒸发过程。为便于料液能够做良好的闪急蒸发，料液进入闪蒸罐应以切线的形式进入，且能够使料液呈现液面状打开并进行旋转运动，即最大限度的扩大自蒸发的接触面积，使料液中的水分得以充分汽化蒸发。

4 结束语

直接式杀菌其优点是使杀菌设备清洗间隔时间延长，缺点是料液中有蒸汽混入，同时，也会带来其他如杂质等的问题。间接式杀菌的优点是料液不受蒸汽的影响，尤其是采用全自动超高温杀菌机式的结构杀菌温度稳定不易结垢结焦，就这一块而言清洗间隔时间为16-20 h之间没有问题。需要特别说明的是，设备清洗间隔时间的长短也不单单是杀菌这一环节解决好了就能够延长设备的清洗间隔时间，还与降膜管是否结垢或结焦、料液有无问题、操作者的操作水平、是否按操作规程进行生产、操作者的责任心、设备采用手动还是自动控制等有关[3]。实际上，设备清洗间隔时间的长短反映了设备的整机性能问题。采用什么样的杀菌方式应根据自己生产的实际出发作出选择，绝不能因为国内出现了直接式杀菌就把间接式杀菌说成一无是处，彻底否定了，这是行业内的一个通病。有些制造厂家也必须作出正确、客观的引导。否则，只能是盲目的效仿别人家的东西，这是不足取的。

[1] 天津大学化工原理教研室姚玉英等.化工原理（上册）[M].天津：天津科学技术出版社，2005，321.

[2] 刘殿宇. 影响蒸发器使用的几个因素，发酵科技通讯[J]. 2008，37(4):46-47.

[3] 刘殿宇. 用于奶粉生产的多效降膜式蒸发器清洗间隔时间短的原因分析，医药工程设计[J]. 2007，28(6):25-27.

[4] 刘殿宇. 蒸发器杀菌温度的控制研究，中国乳品工业[J]. 2005，33(3):45-50.