第九章蒸发与结晶设备

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 蒸发与结晶设备,蒸发操作常用于将溶液浓缩至一定的浓度，使其他工序更为经济合理，如将稀酶液浓缩到一定浓度在再进行沉淀处理或喷雾枯燥，或将稀溶液浓缩到规定浓度以符合工艺要求，如将麦芽汁浓缩到规定浓度再进行发酵；或将溶液浓缩到一定浓度以便进行结晶操作。,结晶操作是获得纯洁固体物质的重要方法之一。发酵工业的许多产品，如谷氨酸钠，柠檬酸、葡萄糖、核苷酸等都是用结晶的方法提纯精制的。,蒸发与结晶设备,蒸发与结晶之间最大区别在于：,蒸发是将局部溶剂从溶液中排出，使溶液浓度增加，溶液中的溶质没有发生相变液相，而结晶过程那么是通过将过饱和溶液冷却、蒸发，或投入晶种使溶质结晶析出固相。,蒸发和结晶设备,第一节 蒸发设备,蒸发是将溶液加热后，使其中局部溶剂汽化并被移除，从而提高溶液浓度即溶液被浓缩的过程。,蒸发的方式有自然蒸发与沸腾蒸发两种。自然蒸发是溶液中的溶剂在低于其沸点下汽化，此种蒸发仅在溶液外表进行，故速率缓慢，效率低。沸腾蒸发是在沸点下的蒸发，溶液任何局部都发生汽化，效率高。,进行蒸发操作的设备称为蒸发器。,由于被蒸发的溶液大多是水溶液，蒸发过程成了用水蒸气作为加热剂去产生水蒸气。为了便于区分，把作为热源的水蒸气称作加热蒸汽或一次蒸汽，把从溶液中汽化出来的蒸汽称做二次蒸汽。,蒸发和结晶设备,蒸发的分类：,1按操作压力 常压蒸发、减压真空蒸发,2按蒸汽利用情况 单效蒸发、二效蒸发、多效蒸发,3按操作流程 间歇式蒸发、连续式蒸发,4按加热局部的结构 膜式蒸发、非膜式蒸发,蒸发和结晶设备,蒸发设备的组成：,蒸发器、冷凝设备、气液别离器、真空系统,蒸发设备的要求：,1充足的加热热源，以维持溶液的沸腾和补充溶剂汽化所带走的热量。,2一定的热交换面积，以保证传递热量。,3保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。,蒸发和结晶设备,一、常压蒸发设备,麦芽汁煮沸锅,加套加热式、,内置加热式,蒸发和结晶设备,中央循环管式蒸发器,蒸发和结晶设备,悬筐式蒸发器,蒸发和结晶设备,外加热式蒸发器,列文式蒸发器,蒸发和结晶设备,强制循环蒸发器 物料黏度大、易结晶、结垢、泡沫多,蒸发和结晶设备,直接接触传热的蒸发器,蒸发和结晶设备,二、真空蒸发设备,真空减压蒸发优点：,1由于减压沸点降低，加大了传热温度差，使蒸发器的传热推动力增加，使过程强化。,2适用于热敏性溶液和不耐高温的溶液，即减少或防止热敏性物质的分解。,3可利用二次蒸汽作为加热热源，进行二效蒸发或多效蒸发。,4蒸发器的热损失减少。,要保证蒸发的进行，二次蒸汽必须不断地从蒸发室中移除，假设二次蒸汽移除后不再利用时，这样的蒸发称为单效蒸发；假设二次蒸汽被引入另一蒸发器作为热源，在另一蒸发器中被利用，称为二效蒸发，依次类推，如蒸汽屡次被利用串联操作，那么称为多效蒸发。多效蒸发可提高初始加热蒸汽的利用率。二效蒸发或多效蒸发必须在真空减压条件下进行。,薄膜蒸发具有传热效果好、蒸发速度快等优点。因此，薄膜式蒸发技术得到了很大的开展，成为目前蒸发设备的主流。,蒸发和结晶设备,1、单程型膜式蒸发器,1升膜式蒸发器,料液经预热后由蒸发器底部引入，进到加热管内受热沸腾后迅速汽化，生成的蒸汽在加热管内高速上升。溶液那么被上升的蒸汽所带动，沿管壁成膜状上升，并在此过程中继续蒸发，汽、液混合物在别离器内别离，完成液由别离器底部排出，二次蒸汽那么在顶部导出。,常用的加热管直径为2050mm，管长212m，管长和管径之比约为100150。加热管中液面一般为管高度的1/41/5。,溶液在加热管中产生爬膜的必要条件是要有足够的传热温差和传热强度。,升膜式蒸发器不适用于较浓溶液的蒸发；它对粘度很大，易结晶或易结垢的物料也不适用。,蒸发和结晶设备,(2)降膜式蒸发器,料液是从蒸发器的顶部参加，在重力作用下沿管壁成膜状下降，并在此过程中不断被蒸发而蒸浓，在其底部得到完成液。,为了使液体在进入加热管后能有效地成膜，每根管的顶部装有液体分布器。,降膜式蒸发器可以蒸发浓度较高的溶液，对于粘度较大的物料也能适用。但因液膜在管内分布不易均匀，传热系数比升膜式蒸发器的较小。,蒸发和结晶设备,蒸发和结晶设备,蒸发和结晶设备,(3)升降膜式蒸发器,将升膜和降膜式蒸发器装在一个外壳中即成升降膜式蒸发器。预热后的料液先经升膜式蒸发器上升，然后由降膜式蒸发器下降，在别离器中和二次蒸汽别离即得完成液。,这种蒸发器多用于蒸发过程中溶液粘度变化很大、溶液中水分蒸发量不大和厂房高度有一定限制的场合。,蒸发和结晶设备,蒸发和结晶设备,4刮板式蒸发器,一种利用外加动力成膜的蒸发器。蒸发器外壳带有夹套，内通入加热蒸汽加热。加热局部装有旋转的刮板，刮板本身又可分为固定式和转子式两种，前者与壳体内壁的间隙为0.51.5mm，后者与器壁的间隙随转子的转数而变。料液由蒸发器上部沿切线方向参加亦有加至与刮板同轴的甩料盘上的，在重力和旋转刮板刮带下，溶液在壳体内壁形成下旋的薄膜，并在下降过程中不断被蒸发，在底部得到完成液或固体。这种蒸发器的突出优点是对物料的适应性很强，例如，对高粘度和易结晶、结垢的物料都能适用。其缺点是结构复杂，动力消耗大，每平方米传热面约需1.53kw。此外，受夹套传热面的限制，其处理量也很小。,蒸发和结晶设备,蒸发和结晶设备,刮板式薄膜蒸发器,蒸发和结晶设备,5离心式薄膜蒸发器,离心式薄膜蒸发器结构,1-蒸发器 2-离心转鼓 3-O形密封垫圈,4-加热蒸发通道 5-套环 6-下碟片,7-上碟片 8-压紧环 9-进料管及喷嘴 10-视镜 11-浓缩液吸出管 12-套环的垂直通道 13-二次蒸汽排出管 14-冷凝水排出管 15-空心转轴,蒸发和结晶设备,三、蒸发器的配套设备,1汽液别离器捕沫器,从蒸发器溢出的二次蒸汽带有液沫，需要加以别离和回收。在别离室上部或别离室外面装有阻止液滴随二次蒸汽跑出的装置，称为别离器或捕沫器。,图：装于蒸发器顶盖下面的别离器,蒸发和结晶设备,图：装于蒸发器外面的别离器,a隔板式，bcd旋风别离器，其别离效果较好。,蒸发和结晶设备,2蒸汽冷凝器,在蒸发操作过程中，二次蒸汽假设是有用物料或会产生严重污染时，应采用间壁式冷凝器回收；二次蒸汽不被利用时，必须冷凝成水方可排除，同时排除不凝性气体。对于水蒸气的冷凝，可采用汽、水直接接触的混合式冷凝器。,无论使用哪种冷凝器，都要设置真空装置，不断排除不凝性气体并向系统提供一定的真空度。,蒸发和结晶设备,3真空装置,水环真空泵、往复式真空泵及喷射泵是常用作抽真空的设备。,水环泵,水力喷射泵,往复泵,蒸发和结晶设备,多效蒸发,将加热蒸汽通入一蒸发器，那么溶液受热而沸腾，而产生的二次蒸汽其压力与温度较原加热蒸汽即生蒸汽为低，但此二次蒸汽仍可设法加以利用。在多效蒸发中，那么可将二次蒸汽当作加热蒸汽，引入另一个蒸发器，只要后者蒸发室压力和溶液沸点均较原来蒸发器中的为低，那么引入的二次蒸汽即能起加热热源的作用。同理，第二个蒸发器新产生的新的二次蒸汽又可作为第三蒸发器的加热蒸汽。这样，每一个蒸发器即称为一效，将多个蒸发器连接起来一同操作，即组成一个多效蒸发系统。参加生蒸汽的蒸发器称为第一效，利用第一效二次蒸汽加热的称为第二效，依此类推。,蒸发和结晶设备,热泵技术：将二次蒸汽加以热力蒸汽压缩或利用机械式压缩二次蒸汽的方法，再用于下一效蒸发器的加热技术，称热泵技术，是行之有效的节能方法。,蒸发和结晶设备,蒸发器的选型,1溶液的粘度 蒸发过程中溶液粘度变化的范围，是选型首要考虑的因素。,2溶液的热稳定性 长时间受热易分解、易聚合以及易结垢的溶液蒸发时，应采用滞料量少、停留时间短的蒸发器。,3有晶体析出的溶液 对蒸发时有晶体析出的溶液应采用外加热式蒸发器或强制循环蒸发器。,4易发泡的溶液 易发泡的溶液在蒸发时会生成大量层层重叠不易破碎的泡沫，充满了整个别离室后即随二次蒸汽排出，不但损失物料，而且污染冷凝器。蒸发这种溶液宜采用外加热式蒸发器、强制循环蒸发器或升膜式蒸发器。假设将中央循环管蒸发器和悬筐蒸发器设计大一些，也可用于这种溶液的蒸发。,5有腐蚀性的溶液 蒸发腐蚀性溶液时，加热管应采用特殊材质制成，或内壁衬以耐腐蚀材料。假设溶液不怕污染，也可采用直接接触式蒸发器。,6易结垢的溶液 无论蒸发何种溶液，蒸发器长久使用后，传热面上总会有污垢生成。垢层的导热系数小，因此对易结垢的溶液，应考虑选择便于清洗和溶液循环速度大的蒸发器。,7溶液的处理量 溶液的处理量也是选型应考虑的因素。要求传热面积大于10m2时，不宜选用刮板搅拌薄膜蒸发器，要求传热面在20m2以上时，宜采用多效蒸发操作。,蒸发和结晶设备,蒸发和结晶设备,第二节 结晶设备,结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出形成新相的过程。这一过程不仅包括溶质分子凝聚成固体，并包括这些分子有规律的排列在一定晶格中，这种有规律的排列与外表分子化学键力变化有关。因此结晶过程又是一个外表化学反响过程。,蒸发和结晶设备,通常只有同类分子或原子才能排列成晶体，所以结晶过程有很好的选择性，通过结晶溶液中的大局部杂质会留在母液中，再通过过滤、洗涤等就可得到纯度高的晶体。许多抗生素、氨基酸、维生素等就是利用屡次结晶的方法制取高纯度产品的。,由于结晶过程本钱低，设备简单，操作方便，所以目前广泛应用于微生物药物的精制。,蒸发和结晶设备,结晶过程：1形成过饱和溶液，,2晶核形成，,3晶体生长。,制备过饱和溶液的方法：1将热的饱和溶液冷却；,2将溶剂蒸发；,3化学反响结晶；,4盐析结晶。,蒸发和结晶设备,晶核的生成和晶体的生长：,起晶时，由于质点的碰撞，首先由几个质点结合成晶线，再扩大成晶面，最后结合成微小的晶格，称为晶核，其它质点连续排列在晶核上，使晶核长大成晶体。,起晶方法：,1自然起晶,2刺激起晶,3晶种起晶,蒸发和结晶设备,结晶过程是复杂的，有时会出现晶体大小不一，形状各异甚至形成晶簇等现象，因此附着在晶体外表及空隙中的母液难以完全除去，需要重结晶，否那么将直接影响产品质量。,蒸发和结晶设备,结晶设备的结构与特点,1冷却结晶器,冷却结晶设备是采用降温来使溶液进入过饱和自然起晶或晶种起晶，并不断降温，以维持溶液一定的过饱和浓度进行育晶，常用于温度对溶解度影响比较大的物质结晶。结晶前先将溶液升温浓缩。,蒸发和结晶设备,冷 却 结 晶 设 备,蒸发和结晶设备,蒸发和结晶设备,克里斯特尔结晶器,蒸发和结晶设备,2蒸发结晶器,蒸发结晶设备是采用蒸发溶剂，使浓缩溶液进入过饱和区起晶自然起晶或晶种起晶，并不断蒸发，以维持溶液在一定的过饱和度进行育晶。结晶过程与蒸发过程同时进行，故一般称为煮晶设备。,蒸发和结晶设备,蒸发结晶设备,蒸发和结晶设备,3真空式结晶器,真空式结晶器比蒸发式结晶器要求有更高的操作真空度。另外真空式结晶器一般没有加热器或冷却器，料液在结晶器内闪蒸浓缩并同时降低了温度，因此在产生过饱和度的机制上兼有蒸除溶剂和降低温度两种作用。由于不存在传热面积，从根本上防止了在复杂的传热外表上析出并积结晶体。真空式结晶器由于省去了换热器，其结构简单、投资较低的优势使它在大多数情况下成为首选的结晶器。只有溶质溶解度随温度变化不明显的场合才选用蒸发式结晶器；而冷却式结晶器几乎都可为真空式结晶器所代替。,蒸发和结晶设备,蒸发和结晶设备,1-脱色液高位罐 2-凝结水罐 3-板式换热器 4-结晶罐 5-育晶槽 6-别离机 7-味精母液罐 8-水力喷射器 9-吊车 10-湿味精分配器 11-味精枯燥筛 12一热风机 13-旋风别离器,味精结晶枯燥工艺流程图,