第八章 蒸发与结晶设备

1、第八章第八章 蒸发与结晶设备蒸发与结晶设备了解蒸发和结晶设备的类型了解蒸发和结晶设备的类型 掌握蒸发设备的选型原则、掌握蒸发设备的选型原则、 蒸发和结晶设备的结构及计算蒸发和结晶设备的结构及计算第一节第一节 蒸发设备蒸发设备一、概述一、概述1.1.蒸发：蒸发：将溶液加热后，使其中部分溶剂汽化并将溶液加热后，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被移除，从而提高溶液浓度即溶液被浓缩的过程2.2.目的：目的：利用蒸发操作取得利用蒸发操作取得浓溶液浓溶液通过蒸发制取通过蒸发制取过饱和溶液过饱和溶液，进而产生结晶，进而产生结晶将溶液蒸发、蒸汽冷凝、冷却，得到将溶液蒸发、蒸汽冷凝

2、、冷却，得到纯化溶剂纯化溶剂3.方式：方式：自然蒸发自然蒸发：溶液中的溶剂在低于其沸点下汽化，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，蒸发速率低蒸发仅在溶液表面进行，蒸发速率低沸腾蒸发沸腾蒸发：溶液在沸点下蒸发，溶液任何部分溶液在沸点下蒸发，溶液任何部分都发生汽化，蒸发速率高都发生汽化，蒸发速率高v工业生产上的蒸发设备都是在沸腾状态下进行工业生产上的蒸发设备都是在沸腾状态下进行4.要求：要求：5.组成：组成：加热蒸发室、分离器、冷凝器、抽气泵加热蒸发室、分离器、冷凝器、抽气泵充分的充分的热源热源，维持溶液的沸腾和补充溶剂汽化所，维持溶液的沸腾和补充溶剂汽化所需要的热量需要的热量迅

3、速排除迅速排除二次蒸汽二次蒸汽一定的传热面积，保证足够的一定的传热面积，保证足够的传热量传热量6.6.类型：类型：按按蒸汽利用次数蒸汽利用次数可分为：可分为：单效蒸发、双效蒸发、单效蒸发、双效蒸发、多效蒸发多效蒸发按操作方式按操作方式可分为：可分为：分批式、连续式、循环式分批式、连续式、循环式（部分、全部、自然、强制）（部分、全部、自然、强制）按按溶液在加热面上状态溶液在加热面上状态可分为：可分为：膜式、非膜式膜式、非膜式v膜式蒸发特点：膜式蒸发特点：蒸发速度快，时间短蒸发速度快，时间短按操作空间的压力可分为：按操作空间的压力可分为：常压常压蒸发蒸发、加压、加压蒸发蒸发、减压减压蒸发蒸发v真空

4、蒸发特点：真空蒸发特点：u蒸发温度低，适用于蒸发温度低，适用于热敏性热敏性溶液，减少或防止热溶液，减少或防止热敏性物质的分解、变色、变性失活敏性物质的分解、变色、变性失活u蒸发温度低，加大了传热蒸发温度低，加大了传热温度差温度差，使蒸发器的传，使蒸发器的传热推动力增加，传热速率大热推动力增加，传热速率大u蒸发温度低，可利用蒸发温度低，可利用二次蒸汽二次蒸汽作为加热热源作为加热热源u蒸发温度低，与环境温差小，蒸发温度低，与环境温差小，热损失热损失减少减少u真空蒸发需要增设抽真空装置，消耗额外的能量真空蒸发需要增设抽真空装置，消耗额外的能量u压力减小，溶液沸点降低，其粘度随之增大，使压力减小，溶液

5、沸点降低，其粘度随之增大，使对流传热系数减小，影响传热速率对流传热系数减小，影响传热速率7.选型选型溶液的性质：溶液的性质： 耐热性、粘滞性、结垢性、结晶性、耐热性、粘滞性、结垢性、结晶性、 发泡性、腐蚀性发泡性、腐蚀性工艺要求：工艺要求： 保持溶液特性、收得率高保持溶液特性、收得率高 溶液的处理量、浓缩比（蒸发量）溶液的处理量、浓缩比（蒸发量）经济性：经济性：结构简单、紧凑、造价低结构简单、紧凑、造价低 热效率高，动力消耗少热效率高，动力消耗少使用方面：使用方面：容易操作，清洗、维修方便容易操作，清洗、维修方便 水平管型 标准型外热式(自然循环) 列文管 强制循环 升膜式 降膜式 刮板式 甩

6、盘式 旋风式 板式最廉最廉 廉 高 高 廉 廉最高较高最廉 高良好良好 高 高 高 高良好 高 高 高 高 低 - 低 0.10.5 低 0.41.5良好 1.52.5良好 2.03.5 高 0.41.0良好 0.41.0 高 - 低 -良好 1.52.0良好 - 长能 长能较长 能较长 能 -较难 短 尚能 短 尚能 短 尚能较短尚能 短 较难较短尚能一般适一般适较大适较大适 大 适 大 适 大 较适较小 较适较小适较小适较小适 适 不适不适不适 适尚适尚适稍适较好 尚适尚适稍适较好 尚适尚适稍适 好 适 尚适 适 好尚适良好不适 适不适良好不适较好 不适良好不适 适不适较好不适 适尚适尚适

7、 适 适不适尚适不适蒸 发 器 形 式造价总传热系数稀溶液高粘度溶液在 管内 流速 m/s停留时间完成液浓度能否恒定浓缩比处理量稀溶液高粘度良好良好良好良好较高 高 高 高较高较高良好 适 适尚适尚适 好尚适 好 好尚适 适尚适易生泡沫易结垢热敏性 有结晶析出对溶液性质的适应性表11-1蒸发器的主要性能二、常用蒸发设备二、常用蒸发设备1 1、常压蒸发设备、常压蒸发设备 夹套加热式麦芽汁煮沸锅夹套加热式麦芽汁煮沸锅内加热式麦芽汁煮沸锅内加热式麦芽汁煮沸锅列管式内加热器的煮沸列管式内加热器的煮沸锅锅具两段内加热器的煮沸锅具两段内加热器的煮沸锅煮沸锅与外加热煮沸锅与外加热器的组合方式器的组合方式1

8、1煮沸锅与外加热煮沸锅与外加热器的组合方式器的组合方式2 2外加热式麦芽汁煮沸锅外加热式麦芽汁煮沸锅2 2、真空蒸发设备、真空蒸发设备v真空蒸发：真空蒸发：溶液在真空状态下蒸发（溶液在真空状态下蒸发（降低蒸发温度降低蒸发温度） v膜式蒸发：膜式蒸发：溶液在加热面上呈膜状（溶液在加热面上呈膜状（缩短蒸发时间缩短蒸发时间）v类型：类型：u管式薄膜蒸发器管式薄膜蒸发器u刮板式薄膜蒸发器刮板式薄膜蒸发器u离心式薄膜蒸发器离心式薄膜蒸发器（1 1）管式薄膜蒸发器）管式薄膜蒸发器 特点：特点：v溶液沿加热管壁呈溶液沿加热管壁呈膜状流动膜状流动进行蒸发，传热系数高进行蒸发，传热系数高v溶液蒸发溶液蒸发时间短

9、时间短，适用于热敏性物料的蒸发，适用于热敏性物料的蒸发v对进料负荷的波动相当敏感，设计或操作不当不易对进料负荷的波动相当敏感，设计或操作不当不易成膜成膜v不适用于易结晶、结垢物料的蒸发不适用于易结晶、结垢物料的蒸发类型：类型：升膜式、降膜式、升降膜式升膜式、降膜式、升降膜式构造：构造：u由加热室和分离室组成由加热室和分离室组成u加热室加热室有许多垂直长管，有许多垂直长管，常用的加热管直径为常用的加热管直径为252550mm50mm，管长和管径之比约，管长和管径之比约为为100100150150u分离室分离室在加热室的顶部侧在加热室的顶部侧面，与抽真空设备相连面，与抽真空设备相连A、升膜式蒸发器

10、、升膜式蒸发器工作原理：工作原理：升膜式升膜式蒸发器蒸发器u原料液原料液预热预热至沸点或接近至沸点或接近沸点，由加热室底部引入沸点，由加热室底部引入管内，被进入管间的加热管内，被进入管间的加热蒸汽加热蒸发蒸汽加热蒸发u料液被高速上升的二次蒸料液被高速上升的二次蒸汽所带动，沿加热管壁面汽所带动，沿加热管壁面呈呈膜状流动膜状流动上升上升u边上升边蒸发、边上升边蒸发、浓缩浓缩u进入分离室进行汽液进入分离室进行汽液分离分离液膜形成过程液膜形成过程用途：用途：u用于处理需要较大蒸发量用于处理需要较大蒸发量的稀溶液的稀溶液u热敏性或易生泡的溶液热敏性或易生泡的溶液u不适于处理高粘度、有结不适于处理高粘度、

11、有结晶析出或易结垢的溶液晶析出或易结垢的溶液B、 降膜式蒸发器降膜式蒸发器构造：构造：u由加热室和分离室组成由加热室和分离室组成u加热室不但有许多垂直长加热室不但有许多垂直长管，还在管顶部设置液体管，还在管顶部设置液体分布器分布器u分离室在加热室的分离室在加热室的底部底部侧侧面，与抽真空设备相连面，与抽真空设备相连齿形溢流口齿形溢流口导流棒导流棒螺纹导流管螺纹导流管切线进料旋流器切线进料旋流器分布器：分布器：为了使液体在进入加热为了使液体在进入加热管后能有效地成膜，每根管的顶管后能有效地成膜，每根管的顶部装有液体分布器部装有液体分布器工作原理工作原理：u原料液从原料液从顶部进入顶部进入加热室加

12、热室u经管端的液体经管端的液体分布器分布器均匀地均匀地流入加热管内流入加热管内u在溶液自身在溶液自身重力重力作用下，溶作用下，溶液沿管内壁呈膜状向下流动液沿管内壁呈膜状向下流动u被进入管间的加热蒸汽加热被进入管间的加热蒸汽加热蒸发、蒸发、浓缩浓缩用途：用途：u用于处理粘度较大、不能形用于处理粘度较大、不能形成升膜的浓溶液成升膜的浓溶液u热敏性溶液热敏性溶液u不适于处理易结晶、结垢或不适于处理易结晶、结垢或粘度太大的溶液粘度太大的溶液C、升、升降膜式蒸发器降膜式蒸发器构造：构造：u由加热室和分离室组成由加热室和分离室组成u加热室由加热室由升膜管升膜管束和束和降膜管降膜管束组合而成，蒸发器底部封束

13、组合而成，蒸发器底部封头内有一隔板，将加热管束头内有一隔板，将加热管束均分为二均分为二u分离室在加热室的底部侧面，分离室在加热室的底部侧面，与抽真空设备相连与抽真空设备相连工作原理：工作原理：u物料先进入升膜加热管进物料先进入升膜加热管进行行升膜升膜蒸发，料液从底部蒸发，料液从底部上升至顶部上升至顶部u料液转入另一半加热管，料液转入另一半加热管，再进行降膜蒸发再进行降膜蒸发u浓缩液从下部进入汽液分浓缩液从下部进入汽液分离器离器特点：特点：u两个浓缩过程串联，可两个浓缩过程串联，可提高产品的浓缩比提高产品的浓缩比u降低设备高度降低设备高度用途：用途：u适于处理粘度变化大的适于处理粘度变化大的溶液

14、溶液u厂房高度有一定限制的厂房高度有一定限制的场合场合结构：结构：u加热管加热管是一根垂直的空心圆管是一根垂直的空心圆管u圆管外有圆管外有夹套夹套，内通加热蒸汽，内通加热蒸汽u圆管内装可以旋转的搅拌圆管内装可以旋转的搅拌叶片叶片（2 2）刮板式薄膜蒸发器）刮板式薄膜蒸发器工作原理：工作原理：u原料液沿切线方向进入管内原料液沿切线方向进入管内u受到离心力、重力及叶片的受到离心力、重力及叶片的刮带作用刮带作用u在管内壁上形成旋转下降的在管内壁上形成旋转下降的薄膜薄膜u被加热蒸发、浓缩，从底部被加热蒸发、浓缩，从底部排出排出特点：特点：u对物料的适应性很强，对对物料的适应性很强，对高粘度和易结晶、结

15、垢的高粘度和易结晶、结垢的物料都能适用物料都能适用u结构复杂，动力消耗大，结构复杂，动力消耗大，每平方米传热面约需每平方米传热面约需1.51.53kw3kwu夹套传热面积较小，处理夹套传热面积较小，处理量小量小（3 3）离心式薄膜蒸发器）离心式薄膜蒸发器工作原理：工作原理：利用旋转离心盘所产生的离心力推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动溶液呈膜状流动，同时被加热蒸发浓缩离心式薄膜蒸发设备流程离心式薄膜蒸发设备流程1.1.平衡槽平衡槽 2.2.进料螺杆泵进料螺杆泵 3.3.蒸发器蒸发器 4.4.喷射泵喷射泵 5.5.水池水池 6.6.水泵水泵 7.7.浓缩液贮罐

16、浓缩液贮罐 8.8.出料螺杆泵出料螺杆泵三、蒸发设备的计算三、蒸发设备的计算v溶质在蒸发过程中不会挥发，进料中的溶质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将全部进入浓缩液溶质的物料衡算溶质的物料衡算：122()FxLxFW xv在给定生产任务和确定的操作条件下，计算溶剂在给定生产任务和确定的操作条件下，计算溶剂蒸发量蒸发量、加热、加热蒸汽消耗量蒸汽消耗量和蒸发器的和蒸发器的传热面积传热面积1.1.蒸发量蒸发量水分蒸发量水分蒸发量：12(1)xWFx12FxxFW蒸发后溶液浓度蒸发后溶液浓度：式中：式中：F F溶液的进料量，溶液的进料量，kg/hkg/h W W水分的蒸发量，水分

17、的蒸发量，kg/hkg/h L L浓缩液流量，浓缩液流量，kg/hkg/h x x1 1料液中溶质的浓度，质量分率料液中溶质的浓度，质量分率 x x2 2浓缩液中溶质的浓度，质量分率浓缩液中溶质的浓度，质量分率2.2.加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量12sslDHFhLhWHDhQ12()()sslD HhFhFW hWHQ热量衡算热量衡算：式中：式中： D D加热蒸汽消耗量，加热蒸汽消耗量，kg/hkg/h H Hs s加热蒸汽的焓，加热蒸汽的焓，kJ/kgkJ/kg h h1 1料液的焓，料液的焓，kJ/kgkJ/kg h h2 2浓缩液的焓，浓缩液的焓，kJ/kgkJ/kg h hs s加热

18、器中冷凝水的焓，加热器中冷凝水的焓，kJ/kgkJ/kg H H二次蒸汽的焓，二次蒸汽的焓，kJ/kgkJ/kg Q QL L 热损失，热损失，kJ/hkJ/h212()()lssF hhW HhQDHh2 21 12 2()()lssF C tC tW HC tQDHh加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量：式中：式中： t t1 1料液温度，料液温度， t t2 2蒸发器中溶液温度，蒸发器中溶液温度， C C1 1料液的比热，料液的比热，kJ/kgkJ/kg C C2 2浓缩液的比热，浓缩液的比热，kJ/kgkJ/kg v当加热蒸汽的冷凝液在饱和温度下排出时当加热蒸汽的冷凝液在饱和温度下排出时2 2

19、1 1()lF C tC tWrQDR式中：式中： R R加热蒸汽的蒸发潜热，加热蒸汽的蒸发潜热，kJ/kgkJ/kg r r 温度为温度为t t2 2时二次蒸汽的蒸发潜热，时二次蒸汽的蒸发潜热，kJ/kg kJ/kg 3.3.传热面积传热面积 传热速率方程：传热速率方程：mQAK t22()()ssQDRAK TtK Tt2mstTt式中：式中：A A蒸发器的传热面积，蒸发器的传热面积，m m2 2 Q Q传热量，传热量，W W K K传热系数，传热系数，W/mW/m2 2K K t tm m平均传热温度差，平均传热温度差，K Kv蒸汽冷凝和溶液沸腾之间是恒温差传热蒸汽冷凝和溶液沸腾之间是恒

20、温差传热传热面积：传热面积：第二节第二节 结晶设备结晶设备一、概述一、概述1.条件：条件：溶液处于过饱和状态溶液处于过饱和状态2.应用：应用：许多抗生素、氨基酸、维生素等都是许多抗生素、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利用多次结晶的方法制取高纯度产品3.特点：特点：设备简单，操作方便，成本低，广泛设备简单，操作方便，成本低，广泛 应用于微生物代谢产物的精制应用于微生物代谢产物的精制4.4.类型类型v按生产作业方式分为：按生产作业方式分为：分批的、连续的分批的、连续的v按形成过饱和溶液途径分为：按形成过饱和溶液途径分为：冷却结晶设备、冷却结晶设备、蒸发结晶设备、真空结晶设备

21、蒸发结晶设备、真空结晶设备u冷却结晶设备：冷却结晶设备：用降温方法使溶液进入过饱和用降温方法使溶液进入过饱和u蒸发结晶设备：蒸发结晶设备：蒸发溶剂使溶液进入过饱和蒸发溶剂使溶液进入过饱和u真空结晶设备：真空结晶设备：没有加热或冷却装置，料液在真空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状态下自蒸发浓缩并同时降低温度5.5.选型选型v溶液的性质（溶液的性质（溶解度与温度关系溶解度与温度关系）v结晶体的大小、形状及晶体长大速率结晶体的大小、形状及晶体长大速率v经济性经济性二、常用结晶设备二、常用结晶设备1.1.要求要求v传热：传热：无传热面、传热面要光滑无传热面、传热面要光滑v

22、混合：混合：气流搅拌、机械搅拌（气流搅拌、机械搅拌（低转速，低转速， 大尺寸，靠近传热面大尺寸，靠近传热面）v内壁：内壁：光滑、无棱角光滑、无棱角2.2.冷却结晶设备冷却结晶设备v工作原理：工作原理：u采用冷却降温方法使溶液进入过饱和状态采用冷却降温方法使溶液进入过饱和状态u不断降温，维持溶液一定的过饱和浓度进行育晶不断降温，维持溶液一定的过饱和浓度进行育晶v用途：用途：用于温度对溶解度影响比较大的物质结晶用于温度对溶解度影响比较大的物质结晶v类型：类型：立式结晶罐、卧式结晶箱立式结晶罐、卧式结晶箱（1 1）立式）立式结晶罐结晶罐v结构结构：u机械搅拌器（机械搅拌器（框式、框式、锚式锚式）u冷

23、却装置（冷却装置（夹套式夹套式或罐内蛇管或罐内蛇管）v特点：特点：u间间歇操作，结晶时间可歇操作，结晶时间可以任意调节以任意调节u可得到较大的结晶颗粒可得到较大的结晶颗粒u生产能力较低生产能力较低u过饱和度不能精确控制过饱和度不能精确控制（2 2）卧式结晶箱）卧式结晶箱v结构：结构：u外部夹套冷却外部夹套冷却u长螺距的螺旋搅拌器，推动结晶体向前运动长螺距的螺旋搅拌器，推动结晶体向前运动u箱的上部有活动的顶盖，保持箱内物料的洁净箱的上部有活动的顶盖，保持箱内物料的洁净3.3.蒸发结晶设备蒸发结晶设备v工作原理：工作原理：u加热蒸发部分溶剂，使溶液浓缩进入过饱和区加热蒸发部分溶剂，使溶液浓缩进入过

24、饱和区u不断蒸发，维持溶液在一定的过饱和度进行育晶不断蒸发，维持溶液在一定的过饱和度进行育晶v特点：特点：u用于溶质的溶解度随温度变化不大用于溶质的溶解度随温度变化不大u或者单靠温度变化进行结晶时结晶率较低或者单靠温度变化进行结晶时结晶率较低蒸发结晶锅蒸发结晶锅v结构：结构：u锚式搅拌器锚式搅拌器u加热夹套加热夹套u抽真空装置抽真空装置u汽液分离器汽液分离器循环蒸发结晶器循环蒸发结晶器真空煮晶锅真空煮晶锅4.4.真空结晶设备真空结晶设备v工作原理：工作原理：u料液在结晶器内闪蒸浓缩，蒸除部分溶剂料液在结晶器内闪蒸浓缩，蒸除部分溶剂u蒸发吸热降低了自身温度蒸发吸热降低了自身温度v特点：特点：u没

25、有传热面积，避免了在传热表面上析出晶体没有传热面积，避免了在传热表面上析出晶体u省去了换热装置，其结构简单、投资较低省去了换热装置，其结构简单、投资较低三、结晶设备的计算三、结晶设备的计算1.物料衡算（物料衡算（结晶量结晶量）123GGGW 1 12233G xG xG x溶质衡算方程：溶质衡算方程： 全物料衡算式：全物料衡算式：式中：式中：G G1 1进入结晶器的物料量，进入结晶器的物料量，kg/hkg/h G G2 2自结晶器取出的母液量，自结晶器取出的母液量，kg/hkg/h G G3 3自结晶器取出的结晶量，自结晶器取出的结晶量，kg/hkg/h W W结晶器蒸发走的溶剂量，结晶器蒸发

26、走的溶剂量，kg/hkg/h x x1 1进入结晶器物料中溶质的质量分率进入结晶器物料中溶质的质量分率 x x2 2自结晶器取出的母液中溶质的质量分率自结晶器取出的母液中溶质的质量分率 x x3 3结晶体含溶质的质量分率结晶体含溶质的质量分率1122332()G xxWxGxx结晶量：结晶量：不含结晶水，不含结晶水，x3111232()1G xxGx无溶剂蒸发，无溶剂蒸发，W=02221131)(xWxxxGG2.热量衡算（热量衡算（换热介质用量、蒸发量换热介质用量、蒸发量）v进入结晶器的热量进入结晶器的热量111 1QGCT式中：式中：T T1 1待结晶溶液的温度，待结晶溶液的温度，K K

27、C C1 1待结晶溶液的平均比热，待结晶溶液的平均比热，kJ/kJ/kgkgK K q q单位质量结晶放出的热量，单位质量结晶放出的热量，KJ/kgKJ/kg D D 加热蒸汽用量，加热蒸汽用量，KgKg I I2 2加热蒸汽的焓，加热蒸汽的焓，KJ/kgKJ/kg I I1 1冷凝水的焓，冷凝水的焓，KJ/kgKJ/kg 23QqG待结晶溶液带入的热量：待结晶溶液带入的热量：溶质结晶产生的热量：溶质结晶产生的热量：加热介质传入的热量：加热介质传入的热量：321()QD IIv离开结晶器的热量离开结晶器的热量母液带出的热量：母液带出的热量：242QG C T25332QG C T式中式中: C

28、: C2 2母液母液的平均比热，的平均比热，kJ/kJ/（kgkgK K） T T2 2晶体与母液离开结晶器时的温度，晶体与母液离开结晶器时的温度，K K C C3 3晶体的平均比热，晶体的平均比热，kJ/kJ/（kgkgK K） W W蒸发溶剂量，蒸发溶剂量，KJ/kgKJ/kg i iT T温度为温度为T T的溶剂蒸气的热焓量，的溶剂蒸气的热焓量，KJ/kgKJ/kg T T离开结晶器的溶剂蒸汽温度，离开结晶器的溶剂蒸汽温度，K K晶体带出的热量：晶体带出的热量：溶剂蒸发带出的热量：溶剂蒸发带出的热量：6TQWi式中式中: G: G0 0冷却剂用量冷却剂用量，KgKg C C0 0冷却剂冷却剂的平均比热，的平均比热，kJ/kJ/（kgkgK K）