第八章 蒸发与结晶设备PPT演示课件

第八章蒸发与结晶设备第一节蒸发设备,一、概述1.蒸发：将溶液加热后，使其中部分溶剂汽化并被移除，从而提高溶液浓度即溶液被浓缩的过程2.目的：利用蒸发操作取得浓溶液通过蒸发制取过饱和溶液，进而产生结晶将溶液蒸发、蒸汽冷凝、冷却，得到纯化溶剂,1,3.方式：,自然蒸发：溶液中的溶剂在低于其沸点下汽化，蒸发仅在溶液表面进行，蒸发速率低沸腾蒸发：溶液在沸点下蒸发，溶液任何部分都发生汽化，蒸发速率高工业生产上的蒸发设备都是在沸腾状态下进行,2,4.要求：,5.组成：加热蒸发室、分离器、冷凝器、抽气泵,充分的热源，维持溶液的沸腾和补充溶剂汽化所需要的热量迅速排除二次蒸汽一定的传热面积，保证足够的传热量,3,6.类型：,按蒸汽利用次数可分为：单效蒸发、双效蒸发、多效蒸发,按操作方式可分为：分批式、连续式、循环式（部分、全部、自然、强制）,按溶液在加热面上状态可分为：膜式、非膜式膜式蒸发特点：蒸发速度快，时间短,按操作空间的压力可分为：常压蒸发、加压蒸发、减压蒸发,4,真空蒸发特点：,蒸发温度低，适用于热敏性溶液，减少或防止热敏性物质的分解、变色、变性失活蒸发温度低，加大了传热温度差，使蒸发器的传热推动力增加，传热速率大蒸发温度低，可利用二次蒸汽作为加热热源蒸发温度低，与环境温差小，热损失减少真空蒸发需要增设抽真空装置，消耗额外的能量压力减小，溶液沸点降低，其粘度随之增大，使对流传热系数减小，影响传热速率,5,7.选型,溶液的性质：耐热性、粘滞性、结垢性、结晶性、发泡性、腐蚀性工艺要求：保持溶液特性、收得率高溶液的处理量、浓缩比（蒸发量）经济性：结构简单、紧凑、造价低热效率高，动力消耗少使用方面：容易操作，清洗、维修方便,6,二、常用蒸发设备1、常压蒸发设备,夹套加热式麦芽汁煮沸锅,7,内加热式麦芽汁煮沸锅,列管式内加热器的煮沸锅,具两段内加热器的煮沸锅,8,煮沸锅与外加热器的组合方式1,煮沸锅与外加热器的组合方式2,外加热式麦芽汁煮沸锅,9,2、真空蒸发设备,真空蒸发：溶液在真空状态下蒸发（降低蒸发温度）,膜式蒸发：溶液在加热面上呈膜状（缩短蒸发时间）,类型：管式薄膜蒸发器刮板式薄膜蒸发器离心式薄膜蒸发器,10,（1）管式薄膜蒸发器,特点：溶液沿加热管壁呈膜状流动进行蒸发，传热系数高溶液蒸发时间短，适用于热敏性物料的蒸发对进料负荷的波动相当敏感，设计或操作不当不易成膜不适用于易结晶、结垢物料的蒸发,类型：升膜式、降膜式、升降膜式,11,构造：由加热室和分离室组成加热室有许多垂直长管，常用的加热管直径为2550mm，管长和管径之比约为100150分离室在加热室的顶部侧面，与抽真空设备相连,A、升膜式蒸发器,12,工作原理：,升膜式蒸发器,原料液预热至沸点或接近沸点，由加热室底部引入管内，被进入管间的加热蒸汽加热蒸发料液被高速上升的二次蒸汽所带动，沿加热管壁面呈膜状流动上升边上升边蒸发、浓缩进入分离室进行汽液分离,13,液膜形成过程,14,用途：,用于处理需要较大蒸发量的稀溶液热敏性或易生泡的溶液不适于处理高粘度、有结晶析出或易结垢的溶液,15,B、降膜式蒸发器,构造：由加热室和分离室组成加热室不但有许多垂直长管，还在管顶部设置液体分布器分离室在加热室的底部侧面，与抽真空设备相连,16,齿形溢流口,导流棒,螺纹导流管,切线进料旋流器,分布器：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,17,工作原理：,原料液从顶部进入加热室经管端的液体分布器均匀地流入加热管内在溶液自身重力作用下，溶液沿管内壁呈膜状向下流动被进入管间的加热蒸汽加热蒸发、浓缩,18,用途：,用于处理粘度较大、不能形成升膜的浓溶液热敏性溶液不适于处理易结晶、结垢或粘度太大的溶液,19,C、升降膜式蒸发器,构造：由加热室和分离室组成加热室由升膜管束和降膜管束组合而成，蒸发器底部封头内有一隔板，将加热管束均分为二分离室在加热室的底部侧面，与抽真空设备相连,20,工作原理：,物料先进入升膜加热管进行升膜蒸发，料液从底部上升至顶部料液转入另一半加热管，再进行降膜蒸发浓缩液从下部进入汽液分离器,21,特点：两个浓缩过程串联，可提高产品的浓缩比降低设备高度,用途：适于处理粘度变化大的溶液厂房高度有一定限制的场合,22,结构：加热管是一根垂直的空心圆管圆管外有夹套，内通加热蒸汽圆管内装可以旋转的搅拌叶片,（2）刮板式薄膜蒸发器,23,工作原理：,原料液沿切线方向进入管内受到离心力、重力及叶片的刮带作用在管内壁上形成旋转下降的薄膜被加热蒸发、浓缩，从底部排出,24,特点：对物料的适应性很强，对高粘度和易结晶、结垢的物料都能适用,结构复杂，动力消耗大，每平方米传热面约需1.53kw夹套传热面积较小，处理量小,25,（3）离心式薄膜蒸发器,工作原理：利用旋转离心盘所产生的离心力推动溶液呈膜状流动，同时被加热蒸发浓缩,26,离心式薄膜蒸发设备流程,1.平衡槽2.进料螺杆泵3.蒸发器4.喷射泵5.水池6.水泵7.浓缩液贮罐8.出料螺杆泵,27,三、蒸发设备的计算,溶质在蒸发过程中不会挥发，进料中的溶质将全部进入浓缩液,溶质的物料衡算：,在给定生产任务和确定的操作条件下，计算溶剂蒸发量、加热蒸汽消耗量和蒸发器的传热面积1.蒸发量,28,水分蒸发量：,蒸发后溶液浓度：,式中：F溶液的进料量，kg/hW水分的蒸发量，kg/hL浓缩液流量，kg/hx1料液中溶质的浓度，质量分率x2浓缩液中溶质的浓度，质量分率,29,2.加热蒸汽消耗量,热量衡算：,式中：D加热蒸汽消耗量，kg/hHs加热蒸汽的焓，kJ/kgh1料液的焓，kJ/kgh2浓缩液的焓，kJ/kghs加热器中冷凝水的焓，kJ/kgH二次蒸汽的焓，kJ/kgQL热损失，kJ/h,30,加热蒸汽消耗量：,式中：t1料液温度，t2蒸发器中溶液温度，C1料液的比热，kJ/kgC2浓缩液的比热，kJ/kg,当加热蒸汽的冷凝液在饱和温度下排出时,式中：R加热蒸汽的蒸发潜热，kJ/kgr温度为t2时二次蒸汽的蒸发潜热，kJ/kg,31,3.传热面积传热速率方程：,式中：A蒸发器的传热面积，m2Q传热量，WK传热系数，W/m2Ktm平均传热温度差，K,蒸汽冷凝和溶液沸腾之间是恒温差传热,传热面积：,32,第二节结晶设备,一、概述1.条件：溶液处于过饱和状态2.应用：许多抗生素、氨基酸、维生素等都是利用多次结晶的方法制取高纯度产品3.特点：设备简单，操作方便，成本低，广泛应用于微生物代谢产物的精制,33,4.类型,按生产作业方式分为：分批的、连续的,按形成过饱和溶液途径分为：冷却结晶设备、蒸发结晶设备、真空结晶设备,冷却结晶设备：用降温方法使溶液进入过饱和,蒸发结晶设备：蒸发溶剂使溶液进入过饱和,真空结晶设备：没有加热或冷却装置，料液在真空状态下自蒸发浓缩并同时降低温度,34,5.选型,溶液的性质（溶解度与温度关系）结晶体的大小、形状及晶体长大速率经济性,35,二、常用结晶设备,1.要求,传热：无传热面、传热面要光滑,混合：气流搅拌、机械搅拌（低转速，大尺寸，靠近传热面）,内壁：光滑、无棱角,36,2.冷却结晶设备,工作原理：采用冷却降温方法使溶液进入过饱和状态不断降温，维持溶液一定的过饱和浓度进行育晶用途：用于温度对溶解度影响比较大的物质结晶类型：立式结晶罐、卧式结晶箱,37,（1）立式结晶罐,结构：机械搅拌器（框式、锚式）冷却装置（夹套式或罐内蛇管）,38,特点：,间歇操作，结晶时间可以任意调节可得到较大的结晶颗粒生产能力较低过饱和度不能精确控制,39,（2）卧式结晶箱,结构：外部夹套冷却长螺距的螺旋搅拌器，推动结晶体向前运动箱的上部有活动的顶盖，保持箱内物料的洁净,40,3.蒸发结晶设备,工作原理：加热蒸发部分溶剂，使溶液浓缩进入过饱和区不断蒸发，维持溶液在一定的过饱和度进行育晶,特点：用于溶质的溶解度随温度变化不大或者单靠温度变化进行结晶时结晶率较低,41,蒸发结晶锅结构：锚式搅拌器加热夹套抽真空装置汽液分离器,循环蒸发结晶器,真空煮晶锅,42,4.真空结晶设备,工作原理：料液在结晶器内闪蒸浓缩，蒸除部分溶剂蒸发吸热降低了自身温度,特点：没有传热面积，避免了在传热表面上析出晶体省去了换热装置，其结构简单、投资较低,43,三、结晶设备的计算1.物料衡算（结晶量）,溶质衡算方程：,全物料衡算式：,式中：G1进入结晶器的物料量，kg/hG2自结晶器取出的母液量，kg/hG3自结晶器取出的结晶量，kg/hW结晶器蒸发走的溶剂量，kg/hx1进入结晶器物料中溶质的质量分率x2自结晶器取出的母液中溶质的质量分率x3结晶体含溶质的质量分率,44,结晶量：,不含结晶水，x31,无溶剂蒸发，W=0,45,2.热量衡算（换热介质用量、蒸发量）进入结晶器的热量,式中：T1待结晶溶液的温度，KC1待结晶溶液的平均比热，kJ/kgKq单位质量结晶放出的热量，KJ/kgD加热蒸汽用量，KgI2加热蒸汽的焓，KJ/kgI1冷凝水的焓，KJ/kg,待结晶溶液带入的热量：,溶质结晶产生的热量：,加热介质传入的热量：,46,离开结晶器的热量,母液带出的热量：,式中:C2母液的平均比热，kJ/（kgK）T2晶体与母液离开结晶器时的温度，KC3晶体的平均比热，kJ/（kgK）W蒸发溶剂量，KJ/kgiT温度为T的溶剂蒸气的热焓量，KJ/kgT离开结晶器的溶剂蒸汽温度，K,晶体带出的热量：,溶剂蒸发带出的热量：,47,式中:G0冷却剂用量，KgC0冷却剂的平均比热，kJ/（kgK）t冷却剂进出口的温度差，kK散热系数，kJ/（m2hK）A结晶器的表面积，m2T结晶器外壁与周围空气的温度差，K结晶时间，h,散失的热量：,冷却剂带走的热量：,48,冷却剂用量：,蒸发结晶，Q70,冷却结晶，Q30，Q60，Q80,加热蒸汽量：,真空结晶，Q30，Q70，Q80,溶剂蒸发量：,热量衡算式：,热量衡算,49,3.结晶设