第二部分 第四章 蒸发与结晶设备

1、LOGO 第四章 蒸发与结晶设备 LOGO一、蒸发设备 由于生物工业所生产的产品通常为具有生物由于生物工业所生产的产品通常为具有生物 活性的物质，或对温度较为敏感的物质，这是蒸活性的物质，或对温度较为敏感的物质，这是蒸 发浓缩操作在生物工业中应特别注意的问题。发浓缩操作在生物工业中应特别注意的问题。 在发酵工业中，蒸发操作常用于将溶液浓缩在发酵工业中，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。至一定的浓度，使其他工序更为经济合理。 蒸发与结晶之间最大区别在于，蒸发过程溶蒸发与结晶之间最大区别在于，蒸发过程溶 质没有发生相变，而结晶过程是溶质的结晶析出。质没有发生相变，而结

2、晶过程是溶质的结晶析出。 LOGO （一）蒸发的定义（一）蒸发的定义 v蒸发是将溶液加热后，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。 v进行蒸发操作的设备称为蒸发器。 v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。 LOGO （二）蒸发的目的（二）蒸发的目的 蒸发的目的主要有三方面： 1利用蒸发操作取得浓溶液； 2通过蒸发操作制取过饱和溶液，进而得到 结晶产品。 3将溶液蒸发并将蒸汽冷凝、冷却，以达到 纯化溶剂的目的。 LOGO （三）蒸发的分类 按操作空间的压力：按操作空间的压力： 常压、加压或减压蒸发常压、加

3、压或减压蒸发 按蒸汽利用情况：按蒸汽利用情况： 单效蒸发、二效蒸发和多效蒸发单效蒸发、二效蒸发和多效蒸发 按操作流程：按操作流程： 间歇式、连续式间歇式、连续式 按加热部分的结构：按加热部分的结构： 膜式和非膜式膜式和非膜式 LOGO （四）真空蒸发的优点（四）真空蒸发的优点 采用减压或真空蒸发其优点如下： （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。 （4）蒸发器的热损失减少。 LOGO（五）蒸发设备的要求 1 1、充足的加热热源，以维持溶液的沸

4、腾和补充溶剂充足的加热热源，以维持溶液的沸腾和补充溶剂 汽化所带走的热量。汽化所带走的热量。 2 2、保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。 3 3、一定的热交换面积，以保证传热量。一定的热交换面积，以保证传热量。 LOGO （六）常压蒸发设备（六）常压蒸发设备 啤酒厂麦芽汁煮沸锅： （1）夹套加热式麦芽汁煮沸锅 （2）内置加热式麦芽汁煮沸锅 LOGO（1 1）夹套加热式麦芽汁煮沸锅）夹套加热式麦芽汁煮沸锅 传统的夹套加热式 麦芽汁煮沸锅是圆筒球 底麦汁煮沸锅，圆形麦 汁煮沸锅容积小，其加 热夹套以紫铜制作，布 置在锅的底部，锅的内 部只有搅拌器，锅体及 上封

5、头均由紫铜板或不 锈钢板制作。 LOGO LOGO 另一种大型夹套加热式麦芽 汁煮沸锅锅底向内凹进，改 善了锅内物料的对流循环， 2个加热区采用不同的加热 温度，中心加热区能承受较 高的压力，使用较高的加热 温度。外夹套加热区圆周直 径大，耐压能力差，采用较 低压力的蒸汽进行加热。 LOGO LOGO（2 2）内置加热式麦芽汁煮沸锅）内置加热式麦芽汁煮沸锅 v将加热器置于锅体内部， 也称为内置加热器麦芽汁 煮沸锅。 v考虑到加工、清洗等因素， 加热器常采用列管式，对 于较大体积的麦芽汁煮沸 锅，采用带有中央循环管 的加热器为宜，以利于物 料循环及提高热交换效率。 列管式内加热器 LOGO v加

6、热器可置于锅的底部，锅 底向外凸出，以放置加热器， 如上图所示，物料循环较好， 操作弹性大。或将加热器安 装在原有煮沸锅的中央，靠 近锅底，如下图所示，这种 结构形式，必须保证充足的 装液量，使加热器被完全浸 没。 LOGO （七）真空蒸发设备（七）真空蒸发设备 v为了缩短受热时间，并达到所要求的蒸发浓 缩量，通常采用膜蒸发，让溶液在蒸发器的 加热表面以很薄的液层流过，溶液很快受热 升温、汽化、浓缩，浓缩液迅速离开加热表 面。膜蒸发浓缩时间很短，一般为几秒到几 十秒。因受热时间短，较好地保证了产品质 量。 LOGO （1 1） 管式薄膜蒸发器管式薄膜蒸发器 1、管式升膜蒸发器 2、套管式升膜蒸

7、发器 3、套筒式升膜蒸发器 LOGO 1、管式升膜蒸发器、管式升膜蒸发器 v升膜式蒸发浓缩设备是指在蒸发器中形成 的液膜与蒸发的二次蒸汽气流方向相同， 由下而上并流上升。 v物料从加热器下部的进料管进入，在加热 管内被加热蒸发拉成液膜，浓缩液在二次 蒸汽带动下一起上升，从加热器上端沿汽 液分离器筒体的切线方向进入分离器，浓 缩液从分离器底部排出，二次蒸汽进入冷 凝器。 LOGO LOGO 升膜式蒸发器成膜原理升膜式蒸发器成膜原理 v升膜式蒸发器正常操作的关键是让 液体物料在管壁上形成连续不断的 液膜。液膜在长管中形成过程如图 所示, 图a-h是分阶段解释在长管 中气、液两相的变化及液膜形成的

8、过程。 LOGO LOGO 2、套管式升膜蒸发器、套管式升膜蒸发器 v为了减少升膜式蒸发器管长，可采用套管办 法来缩短管长。这是用于链霉素浓缩的蒸发 器，其传热面积为内、外管子面积总和。由 于间隙截面积小，而加热周边面积大，故溶 液进入加热管后，很快就能吸收足够的热量， 产生大量的蒸汽，并达到必要气流速度，使 溶液能沿着内、外管子壁面形成爬膜状况， 故加热管较短。 LOGO LOGO LOGO 3、套筒式升膜蒸发器、套筒式升膜蒸发器 v升膜式蒸发器也有采用大套筒形式。外加热 圆筒直径为300mm，内加热圆筒直径为282 mm，圆筒间隙为4mm。为保持各间隙一致成 膜均匀，内圆筒上焊上3个支撑点

9、，内、外 加热面同时通入蒸汽加热时，蒸发液料即在 筒间间隙爬膜上升。该设备用于低温浓缩核 苷酸溶液效果良好。 LOGO LOGO LOGO （2 2）降膜式蒸发器降膜式蒸发器 v降膜式蒸发器与升膜式蒸发器物的结构基本 相同，但由于液膜与蒸汽的流动方向是由上 到下，所以与升膜式蒸发器相反，进料口在 上面而分离器在下面。 LOGO v料液由顶部加入，通过液料分配器均匀地 分配到每根加热管中被加热蒸发，因重力 的影响增加了蒸汽的抽拉作用和液膜的流 动速度，所以在同样条件下降膜蒸发器的 液膜比升膜要薄，传热系数也较大。 LOGO v同时，由于液流加速方向与重力方向一致， 加速压头所引起的沸点升高也没有

10、了。液 体的运动是靠本身的重力和二次蒸汽运动 的拖带力的作用，其下降的速度比较快， 因此成膜的二次蒸汽流速可以较小，对黏 度较高的液体也较易成膜。降膜比升膜具 有更多的优点，是目前越来越广泛采用的 一种型式。 LOGO v 降膜蒸发器结构 1-料液分配器；2-加 热列管；3-蒸汽挡板； 4-分离器；5-冷凝水 液位计 a-料液进口； b加热蒸汽进口； c-不凝性气体排除口； d-冷凝水出口；e-浓 缩液出口；f-二次蒸 汽出口 LOGO LOGO降膜蒸发器的特点降膜蒸发器的特点 (1)可以浓缩高粘度的液体。 (2)停留时间短，可以处理热敏性物料。 (3)由于它的传热效果好，同时不存在因液体 静

11、压而引起的沸点升高，可以在较低温差下 操作。 (4)加热管内高速流动的蒸汽使产生的泡沫极 易破坏消失，适用于容易发泡的料液。 (5)制造费用不高，投资少，占地面积小。 LOGO料液分配器料液分配器 v料液进入加热列管时要均匀分配，因此降膜 蒸发器加热列管的上部都要设置料液分配装 置。下图是目前常用的两种分配器的型式。 LOGO v旋液导流器也是常用的分配器，液体沿管壁 周边旋转向下，它有两种形式。 LOGO 升降膜式蒸发器升降膜式蒸发器 升降膜式蒸发器是在一个加热器 内安装两组加热管，一组作升膜 式，另一组作降膜式。物料溶液 先进入升膜加热管，沸腾蒸发后， 汽液混合物上升至顶部，然后转 入另一

12、半加热管，再进行降股蒸 发，浓缩液从下部进入汽液分离 器，分离后，二次蒸汽从分离器 上部排人冷凝器，浓缩液从分离 器下部出料。 LOGO LOGO 升降膜蒸发器的特点升降膜蒸发器的特点 （1）符合物料的要求，初时物料浓度较低，内阻较 小，蒸发速度较快。经初步浓缩后浓度较大，但 溶液在降膜式蒸发中受重力作用还能沿管壁均匀 分布形成膜状。 （2）经升膜蒸发后的汽液混合物，进入降膜蒸发， 有利于降膜的液体均匀分布，同时也加速物料的 湍流和搅动，以进一步提高降膜蒸发的传热系数。 （3）用升膜来控制降膜的进料分配，有利于操作控 制。 （4）将两个浓缩过程串联，可以提高产品的浓缩比， 减低设备高度。 LO

13、GO（3 3）刮板式真空蒸发器）刮板式真空蒸发器 刮板式真空蒸发器是通过旋转的刮板使液料形成液 膜的蒸发设备。蒸发器的结构: 转动轴、物料分配 盘、刮板、轴承、轴封、蒸发室的夹套加热室等部 分构成。 LOGO v液料从进料管以稳定的流量进入 随轴旋转的分配盘中，在离心力 的作用下，通过盘壁小孔被抛向 器壁，受重力作用沿器壁下流， 同时被旋转的刮板刮成 薄膜， 薄膜溶液在加热区受热，蒸发浓 缩，同时受重力作用下流，瞬间 另一块刮板将浓缩液料翻动下推， 并更新薄膜，这样物料不断形成 新液膜蒸发浓缩，直到液料离开 加热室流到蒸发器底部，完成浓 缩过程。 1一马达 2一进料管 3一加 热蒸汽管 4一排

14、料口 5一冷 凝水排出孔 6一刮板 7一分 配盘 8一除沫器 9一二次蒸 汽排出管 LOGO LOGO （4 4）离心式薄膜蒸发器）离心式薄膜蒸发器 v这种设备是利用旋转的离心盘所产生的离心 力对溶液的周边分布作用而形成薄膜。稀物 料从进料管进入，由各个喷嘴分别向各碟片 组下表面即下碟片的外表面喷出，均匀分布 于碟片锥顶的表面，液体受离心力的作用向 周边运动扩散形成液膜，液膜在碟片表面， 即受热蒸发浓缩，浓溶液到碟片周边就沿套 环的垂直通道上升到环形液槽，由吸料管抽 出到浓缩液贮罐。 LOGO v 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-

15、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 LOGO二、结晶设备二、结晶设备 v结晶操作是获得纯净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。 药用葡萄糖结晶罐 LOGO 按照生产作业方式，结晶器分成间歇和连续两大类；按照生产作业方式，结晶器分成间歇和连续两大类； 按照形成过饱和溶液途径的不同，可将结晶设备分为按照形成过饱和溶液途径的不同，可将结晶设备分为 浓缩结晶设备、冷却结晶设备和其他结晶设备。浓缩结晶

16、设备、冷却结晶设备和其他结晶设备。 结晶设备的结构及特点结晶设备的结构及特点 LOGO （1 1）搅拌结晶箱）搅拌结晶箱 v冷却搅拌结晶设备比较简单，对于产量较小， 结晶周期较短的，多采用立式结晶箱。对于 产量较大，周期比较长的，多采用卧式结晶 箱。设备应具有：冷却装置，如冷却排管或 冷却夹套；促使晶核悬浮和溶液浓度一致， 使结晶均匀的搅拌装置。 LOGO 立式结晶箱常用于生产量较小的柠檬酸结 晶。 其冷却装置为夹套或蛇管，蛇管中通入冷 却水或冷冻盐水。 结晶时间一般为96h，这样得到的柠檬酸结 晶颗粒比较粗大均匀。结晶成熟后，晶体连 同母液一起从设备的锥底排料孔放出。 1.立式结晶箱 LOG

17、O LOGO 2.2.等电点结晶罐等电点结晶罐 v 等电点结晶同普通冷却结晶一样，都是过 饱和溶液中溶质结晶析出过程，不同的只是 因谷氨酸同时带有正负电荷离子，在不同pH 溶液下它有不同溶解度的特性，通过用酸调 pH的办法来改变它的溶解度，使其变成过饱 和溶液结晶析出，只不过等电点罐为了适应 味精生产大型化的需要，设备做得比较大。 LOGO 3. 3. 卧式结晶箱卧式结晶箱 v 卧式结晶箱通常是U形半圆底的卧式长槽或 敞口的卧放圆筒长槽，可应用于谷氨酸钠的 助晶和葡萄糖的结晶。 v槽内装有螺条形的搅拌桨叶二组，一组桨叶 为左旋向，另一组为右旋向，搅拌时可使两 边物料都产生一个向中心移动的运动分速度， 或向两边移动的运动分速度。 LOGO LOGO LOGO 4. 4. 真空煮晶锅真空煮晶锅 v对于结晶速度比较快，容易自然起晶，且要 求结晶晶体较大的产品，多采用真空煮晶锅 进行煮晶，如谷氨酸钠、蔗糖等的结晶就采 用这种设备。 v可