第八章 蒸发浓缩、结晶设备1

第八章 蒸发浓缩、结晶设备,蒸发浓缩是用加热方法使溶液中的一部  分溶剂汽化后除去，而得到浓度较高的料液的一种操作过程。常用作沉析、结晶、干燥等操作之前的预处理。    结晶是溶液中的溶质在一定条件下因分子有规则的排列而结合成晶体的操作。它是溶质提纯和得到固体颗粒的一种方法。,第一节 蒸发浓缩设备,一、蒸发条件   1、供应足够的热能维持溶液的沸腾温度和补充因溶剂汽化带走的热能。蒸发在沸腾状态下进行，液体的给热系数高、传热速度快。如：常压下，水在无相变情况下给热系数不超过10000千卡/米2小时，而在沸腾时给热系数可达50000千卡/米2小时；   2、蒸发操作大多在真空条件下进行，优点是：,a、真空下液体的沸点降低，增大了温度差，降低了加热面积;     b、可促使溶剂迅速排除；     c、可采用低压蒸汽或废蒸汽作加热源；     d、操作温度低，适用于热敏性物料，热损失小，设备及管道可无需保温;       但真空度越大，水的蒸发潜热越大，每公斤水蒸发耗汽量越大，同时还增加了真空发生装置的动力消耗，对于单效蒸发来说，没有必要过高提高真空度。,二、蒸发方式：     1、分批式：料液不断加入蒸发器，溶剂不断蒸发，达到指定浓度后浓缩液一次出料。不适应热敏性物料；     2、连续式：使物料一次性、连续地通过蒸发装置受热蒸发，又叫一次式或单程式。适用于热敏性物料，处理量大，设备利用率高，但浓度不易控制；     3、循环式：在连续式蒸发装置中，使一部分浓缩液返回蒸发器，而使器内料液浓度增加的一种操作方法。其浓度能得到很好的控制；,三、节能方法：       由于蒸汽费用占整个蒸发设备运行费用的一半以上，因此合理利用蒸汽，可以大幅降低运行成本。常用的节能方法有多效蒸发和二次蒸汽压缩：    1、多效蒸发：采用多个蒸发器连用，将前一个蒸发器产生的二次蒸汽作后面一个蒸发器的加热蒸汽的称作多效蒸发。       理论上n效蒸发器每蒸发1kg水仅需1/n公斤蒸汽，但实际上因热损失要大于该值如：,双效需0.57kg蒸汽，三效需0.4kg蒸汽，四效需0.3kg蒸汽，五效需0.27kg蒸汽。       但效数增加相应的设备投资也随之增加，四效以后节省的蒸汽并不显著。       多效蒸发是将各效的操作压力依次降低，相应的液体沸点也依次降低，从而使二次蒸汽作为下一效的加热蒸汽，通过几次利用而达到节能目的的。       多效蒸发的流程根据物料走向与蒸汽走向的关系分为：顺流、逆流、并流、错流。,2、二次蒸汽压缩：由于产生的二次蒸汽温度较低，用来作加热蒸汽时温度差太小，影响了二次蒸汽的利用及多效蒸发的效果和效数。可采用热泵，即蒸汽喷射泵或机械泵加压来升高二次蒸汽的压力来使二次蒸汽得到更好的利用，达到节能的目的。       在多效蒸发中配合以二次蒸汽压缩工艺，可使生蒸汽耗量再一次降低，如采用五效蒸发与两个热泵压缩相结合可达到八效蒸发的节能效果。,四、沸点升高       沸点升高是指在蒸发时液体的温度比蒸发的二次蒸汽的温度高。       沸点升高产生的原因有：由于溶液中溶质的存在，它的沸点比纯液体为高，而且随着浓度的增大，沸点升高的数值也增大；液体静压差的存在，使得沸点升高。       危害：降低了蒸发的温度差，使得加热面积增大，同时液体蒸发达不到沸腾状态；在多效蒸发中限制了较多效数的采用。,沸点升高的利用：    1、避免晶体的生成：在浓缩或结晶操作中，蒸发易结晶和易结垢的物料时，在加热壁上液膜容易达到过饱和浓度，引起加热壁上物料的结晶、结垢。如果在加热管上保留一定高度的液柱，加热管中的液体因获得静压差而沸点升高。这样液柱上部的液体沸腾，而在加热管中的液体并不沸腾，避免了在加热管上晶体的析出。    2、利用沸点升高可测量和控制蒸发器内料液的浓度。,五、蒸发设备的类型和选择原则（一）类型    1、按照液体循环方式：自然循环型、强制循环型、无循环型；    2、按液体在传热面上的形状：膜式、浸液式；    3、按加热器的类型：直接加热型、夹套加热型、管式加热型、板式加热型等；,（二）选择原则    1、满足工艺要求，浓缩比适当，收得率高，保持溶液的特性；    2、传热系数高，热的利用率高；    3、动力消耗小，易于加工制造，维修方便，节省材料，又满足强度要求；    4、根据物料不同的性质选择蒸发器类型；       物料的性质有：耐热性、结垢性、发泡性、结晶性、腐蚀性、粘滞性。,六、蒸发设备 1、外循环蒸发器       加热室置于蒸发室外，通过循环管与之连接。分自然循环型及强制循环型。       加热管H/D=20-70，循环速度比内循环式快。       液体在加热管内开始沸腾上升至加热室上部，然后与蒸汽一起进入蒸发室，二次蒸汽经液沫分离后排出，液体经循环管下降再进入加热管。,2、长管薄膜蒸发器（1）升膜式：       蒸汽和液膜在加热管中向上流动的是升膜式蒸发器，显著特征是料液由加热管下部进入，蒸发室在加热管的上部。    特点 ：     a、适用于粘度不大于500厘泊、易发泡、热敏性物料，不适于有结晶析出或有结垢的物料；     b、一次通过的浓缩比可达4；     c、总传热系数500-3600千卡/米2小时；,成膜过程：料液加热；沸腾发生；汽泡汇集形成块状流；形成柱栓；形成环状流；形成蒸汽柱，薄膜形成；形成喷雾流；出现干壁；       成膜条件及特点：    a、加热管必须有足够的长度；    b、温度差要合适；    c、料液应在沸点温度下进入加热管；    d、适用于有泡沫、热敏性和粘滞的料液；    e、传热系数大、蒸发速度快、效率高；,（2）降膜式       蒸汽和液膜的方向向下，显著特征恰好与升膜式相反。   特点：    a、适用于粘度不大于1000厘泊、热敏性易发泡的物料；    b、适用于多效蒸发和二次蒸汽压缩合用；    c、一次通过的浓缩比不小于7；    d、制造费用少，占地面积小；,料液分配器：料液进入加热管时要分配均匀，使每根管都要被液体呈薄层浸润，防止干壁及液膜厚薄不均现象发生。料液分配器在降膜蒸发器中起到了关键的作用。       常用的料液分配器有：筛板式、螺旋槽塞式、喇叭口式、锯齿式、旋液式、套管式。（3）升降膜式       将底部进料处用隔板分隔两半，料液先经升膜管上升再经降膜管，下降最后进入汽液分离器分离。,特点：   a、符合物料的要求，开始时物料浓度低，蒸发内阻小，适合用升膜进行；经初步浓缩后，浓度增大，适合用降膜进行；   b、经升膜后的汽液混合物，进入降膜蒸发，有利于降膜的形成，也加速物料的湍流和搅动，提高了给热系数；   c、用升膜控制降膜的料液分配，易于控制；                d、两个浓缩过程串联，可提高浓缩比，设备更紧凑。,3、刮板薄膜蒸发器       利用旋转的刮板借离心力和刮板的刮带作用使料液在传热面上形成一薄层液膜而蒸发。       刮板分固定式和离心式（活接头、沟槽嵌入），刮板上开有倾斜的槽，用以增加料液的停留时间。       该蒸发器有立式、卧式、卧式倾斜之分，也有降膜和升膜之分。,特点：     a、可处理粘度非常高（105厘泊）的物料；     b、传热系数高，并与粘度关系密切；     c、浓缩比为3左右，若设置停留环浓缩比可达100；     d、可用于某些物料的结晶、精馏和脱臭；     e、可任意调节停留时间；     f、但消耗动力，加工和装配要精密；     g、加热面积不能大，不超过20m2；,4、离心薄膜蒸发器       在蒸发器的转鼓中有数组碟片，碟片中空可通入蒸汽。料液由中心进料管进入后，由喷嘴喷到碟片底部的加热面上，由于离心力的作用，碟片底部的料液由中心向外呈薄膜状流动，因传热系数很高，料液在离开碟片时已达到指定的浓度。       转鼓转速一般在600rpm左右。物料在加热面上停留时间只有0.5-1秒。,特点：       a、可处理高粘度的物料（20000厘泊）；       b、总传热系数为5000千卡/米2小时；       c、浓缩比约为7；       d、可处理热敏性极高的物料；       e、结构复杂、造价高，设备不能做大；       f、动力消耗大；,5、多室蒸发器       在连续操作的单效蒸发设备中，由于出料浓度和设备内的浓度相当，这就带来两个不利因素：          a、浓度高沸点升高也高，降低了温度差；    b、浓度高粘度也高，降低了加热器的传热系数，增加了加热面积和受热时间；       若用隔板将蒸发室分隔成若干小室，隔板上有孔使各室相通，各室的料液在同一温度下蒸发，其浓度依次升高。则其平均浓度低于出料时浓度。,这样，其平均沸点升高和平均粘度低于单室蒸发器，而温度差和传热系数高于单室蒸发器。       如：加热面积为2米2的蒸发器，工作蒸汽130，出料时料液的沸点为120。得出，单室时传热量为40000千卡/小时，两室时传热量为80000千卡/小时。       除浓缩锅外，还有长管薄膜蒸发器和外循环蒸发器都可做成多室蒸发器。,特点：     a、蒸发效率高，平均传热系数大；     b、浓缩比可增加；     c、设备小型化，停留时间缩短，适合热敏性物料；     d、设备费用低、占地面积小，维修方便；     e、一次浓缩可达高浓度，省去采用循环式的所需的附属设备、管道、保温等费用；     f、与多效蒸发结合，可有效发挥各优点；,六、附属设备（一）液沫分离器       蒸发时产生的二次蒸汽的速度相当的高，容易带走液滴和泡沫。为了减少物料损失，需装置液沫分离器回收料液。       常用的有：惯性式、离心式和过滤网式：       惯性式：使蒸汽的流动方向经过多次突然改变使液滴因惯性力而附着于器壁。       离心式：借离心力使液滴附着于器壁而得到分离。一般进口汽速25-40米/秒。,（二）冷凝器       冷凝器的作用是：冷凝二次蒸汽或蒸发的溶剂，降低真空系统的压力； 当所用的溶剂为有机溶剂或溶剂有毒时，由于价格昂贵以及为了减少有毒溶剂对环境的释放，除要冷凝外，还需要回收。       冷凝器有间壁式和直接式。       间壁式就是采用一般的换热器进行冷凝。       直接式是将冷水与蒸发的水或溶剂直接混合而将其冷凝，也称混合式。,混合式冷凝器有雨滴型、水膜型和喷雾型。也就是使冷水从设备的上部成水滴状、膜状或雾状而下，与从下部向上的蒸汽直接混合而将其冷凝。（三）真空发生装置       分为机械真空泵和喷射泵两类。  1、机械真空泵：往复式和旋转式。       往复式真空泵：类似于空气压缩机，属干式真空泵，不允许液体进入泵内。       旋转式又分为水环式、纳西泵、旋片泵。,水环式工作原理：圆形泵壳中安装一个偏心叶轮，壳中充入一半的水，叶轮旋转时产生水环。在右半周内容 积是逐渐增大，相当于吸气过程，左半周内容积是逐渐减小，相当于压缩排气过程。       水环式真空泵属湿式真空泵，气体中含少量液体并不影响它工作。 2、喷射泵：蒸汽喷射式和水力喷射式。       蒸汽喷射泵的工作蒸汽要求用饱和蒸汽或过热蒸汽，如果蒸汽中含水，它的工作情况会迅速恶化，必须充分脱湿。,蒸汽喷射泵可以是多级，当采用五级时，可达绝对压力1-0.05mmHg柱。       水力喷射泵兼有冷凝和抽真空的双重作用。缺点是真空度不高（600-680mm汞柱）并受冷却水温的影响。此外，还需高位安装，保持气压管离水箱液面11-16米。       当喷出的水流和蒸汽直接接触时，绝大部分的蒸汽冷凝成水，体积急剧缩小。当在660mm汞柱真空度时，一立方米水蒸气凝缩成0.085kg水，体积缩小了11610倍。,第二节 结晶设备,结晶操作是在溶液中制取固体和提纯的一种方法，为了制取纯度极高的产品，可通过重结晶得到。       晶体是化学成分均一，排列整齐，具有一定光泽的固体。它易于干燥、保藏和运输。,一、溶解度曲线       从宏观上看，当溶液中固体物质不再溶解时，说明溶液达到饱和；从微观上看，溶解速度等于析出速度时，溶液达到饱和。此时溶解的溶质的量为该温度下的溶解度。       以温度和溶解度为坐标可绘得溶解度曲线。可得到三种类型的溶解度曲线：温度升高溶解度增大（谷氨酸钠）；溶解度不随温度变化（氯化钠）；温度升高，溶解度降低（硫酸钠）；,二、过饱和曲线       当用冷却方法或用移除部分溶剂的方法使溶液略微呈过饱和，通常并没有晶体析出，只有达到某种程度的过饱和状态时才会有晶体自然析出，此种状态所连成的曲线称做过饱和曲线。       过饱和曲线和溶解度曲线大致平行，但不同溶液的间隔不同，硝酸钠间隔为10，蔗糖间隔为25。,三、曲线在结晶操作上的应用       坐标系被两种曲线分为稳定区、介稳区和不稳区。介稳区又分为刺激起晶区和养晶区。       两种曲线的水平距离叫作温度过饱和度，垂直距离叫作浓度过饱和度。       为了防止大量细晶的生成而获得颗粒较大、整齐的晶体，通常在加入晶体或自然起晶后，把溶液浓度控制在介稳区的养晶区，慢慢在晶种表面上长大。,四、起晶方法    1、自然起晶：使溶液蒸发而进入不稳区析出晶核，再加入稀溶液或降温进入介稳区，慢慢长大；    2、刺激起晶：将溶液蒸发进入介稳区，再冷却进入不稳区起晶，最后控制在养晶区慢慢长大；    3、晶种起晶：使溶液进入介稳区，加入一定量、一定大小的晶种，控制在养晶区慢慢长大；,五、晶种控制       晶种通常小于0.1mm，可用湿式球磨机置于惰性介质中制得。       晶种加入量由产品的尺寸决定：       WS=WP(LS3/LP3)       W重量   L晶粒的尺寸        S晶种    P晶体       除晶体本身外，其他物质也可作晶种。       为防止伪晶产生，避免激烈地搅拌和热冲击，并使溶液在不稳区的时间最短。,六、结晶方式    1、冷却结晶：将一定浓度的溶液冷却进入介稳区或不稳区；    2、蒸发结晶：将稀溶液加热蒸发移除部分溶剂，使浓度达到介稳区或不稳区；    3、真空结晶：不外加热量，仅仅利用真空使溶液蒸发和冷却；    4、等电点结晶：利用氨基酸、蛋白质等两性电解质在等电点时溶解度最小，使溶液进入介稳区或不稳区；,七、结晶设备       结晶设备根据结晶方式的不同，工艺和结构上有所区别。       根据要结晶的溶液不同，选用相配的结晶设备：    1、温度降低，溶解度也明显减低，且沸点升高不高：采用冷却结晶或真空结晶；    2、温度对溶解度影响不大甚至升高，且热敏性不大：蒸发结晶或等电点结晶；,结晶设备通用原则：    1、结晶器应带有搅拌装置，但转速范围应在5-20rpm。目的是加速传质，减薄境界膜，保证晶核在溶液中悬浮运动；    2、结晶器内壁应光滑平整，减少晶体形成，壁上形成的晶体不可用机械方法刮除，只能用溶解或熔融法除去；    3、对于形成的细晶应及时除去，方法有：加热、溶解、分离；    4、连续结晶操作应带分级装置，并要及时将含杂质较多的母液排除设备；,（一）冷却结晶设备    1、冷却结晶罐：       筒体为圆柱体，封底为锥形或碟形。 罐内设搅拌装置并装有挡板。多采用夹套换热，当面积不够时，内设蛇管换热。冷却面与液体间的温度差不应超过10。    2、螺旋槽结晶器：       由U型槽中间装螺旋带构成。采用夹套、冷却排管或螺旋带中空通入制冷剂冷却。       生产量大时，可将多台设备叠置相连接。,3、连续式循环分级结晶器       克里斯特尔结晶器的特点是过饱和与结晶分别在装置的两个部分进行。       饱和液与进料液一起进入循环管，通过泵经冷却器进行循环。在此，溶液被冷却至过饱和，但不使起晶。冷却面与溶液的温差不超过2。       过饱和溶液由中心管进入罐底育晶，溶液在罐中向上流动，其速度要使晶体按沉降规律进行分级。细晶进入分离器被分离或被溶化。,（二）蒸发结晶器       一些适用于有结晶析出的蒸发器都可以用作蒸发结晶设备，但操作条件要作变化。    1、搅拌蒸发结晶器       搅拌器有锚式、桨式和推进式。底部搅拌装置。转速控制在5-15rpm。       夹套通蒸汽将溶液蒸发至过饱和，采用水力喷射泵兼作冷凝和抽真空。细晶通过淋水管加入蒸汽冷凝水溶解。       分批操作，结晶完成后，破坏真空，放出晶体。,2、管外沸腾蒸发结晶器       溶液在列管换热器中被加热，加热器上保留一段液柱防止加热面上结晶。沸腾的溶液进入分离室分离二次蒸汽而达到过饱和，在循环管中结晶并下降至旋液分离器分离出较大的晶体，较小的晶体与进料液混合再次进入加热器。       蒸汽以切线进入加热室，传热系数为1500-2200千卡/米2小时，蒸发强度50-110公斤/米2小时。晶体大小为0.25mm。,3、强制循环蒸发结晶器        APV开斯纳结晶器由列管加热器、汽液分离器、盐箱、循环管和循环泵组成。       为了避免加热后的溶液进入汽液分离器后立刻被蒸发而析出晶体，同时为了使溶液在加热管中不沸腾，而在分离器中保持一定液柱，提高溶液的沸点升高，循环液以切线进入分离器液面以下。       晶体在由分离器与挡筒的环隙中生长，较大的晶体落入锥底进入盐箱，细晶随溶液再循环。,4、克里斯特尔蒸发结晶器       将克里斯特尔冷却结晶器中的冷却器换成加热器，并在结晶罐上部增加一个蒸发室，就得到蒸发结晶器。       当结晶罐下部做成锥形时，由于罐截面下小上大，液体流速是自下而上减小，可对形成的晶体进行分级。    5、多效蒸发结晶       为了节省蒸汽，蒸发结晶设备可与蒸发设备一样做成多