1、1,蒸发与结晶设备,2,(3)蒸发器必须满足的条件：充足的加热热源 保证二次蒸汽的迅速排除 一定的热交换面积。,第一节 蒸发设备,一、概述,（1）蒸发是溶液浓缩的单元操作。它采用加热的方法，使溶有不挥发性溶质的溶液沸腾，其中的部分溶剂被气化除去，而溶液得到浓缩。它广泛应用于化工、制药、轻工、食品等行业。它在生物工业中用于发酵液、滤液、提取液的蒸发浓缩。(2)蒸发操作的目的 获得浓缩的溶液使其他工序更经济合理。 浓缩至一定浓度以进行结晶。 浓缩至规定浓度以符合工艺要求。,3,(4)蒸发操作的特点： 常见的蒸发是间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传热过程,有以下特点： 溶液的沸点升高：由于不挥发溶
2、质的存在，溶液的蒸气压低于同温度下纯溶剂的蒸气压。因此，在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点，这种现象称为溶液的沸点升高。溶液的沸点升高导致蒸发的传热温度差的降低。 能耗较大：蒸发操作所汽化的溶剂量较大，需要消耗大量的加热蒸气。因此需要考虑热量的利用的问题。 溶液特性：有些物料浓缩时易于结晶，结垢；有些热敏性物料由于沸点升高更易于变性；有些则具有较大的粘度或较强的腐蚀性，等等。需要根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备。,4,二、蒸发设备蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。 蒸发设备类型
3、很多，可以根据不同的工艺选择不同的蒸发器 (一)常压蒸发设备 麦芽汁煮沸锅,分类：,按操作压强加压、常压或减压（常用减压，又称真空蒸发）,按二次蒸气利用否单效、多效蒸发（二次蒸气被利用）,按操作方式可以分为间歇式和连续式,5,(二)真空蒸发设备 热敏性物料：对热过程敏感，受热后会引起产物发生化学变化或物理变化而影响产品质量的物料。 真空蒸发：溶液在减压状态下进行蒸发。 真空蒸发设备的优点： 降低了沸点。 增大了温差，增加了传热强度。 可采用双效或多效蒸发，提高蒸汽利用率。 蒸发器热损失减少。 薄膜式蒸发：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、浓缩液很快离开加热
4、表面。,6,真空蒸发器分类 1 管式薄膜蒸发器升膜式蒸发器 降膜式蒸发器 升降膜式蒸发器 2 刮板式薄膜蒸发器 3 离心薄膜蒸发器 升膜式蒸发器,升膜式蒸发器的结构主要由加热蒸发管、二次蒸汽液沫导管、分离器和循环管四部分组成,这种蒸发器浓缩物料的时间很短，对热敏性物料质量很少影响，特别对于粘度较小的热敏物料比较适用，但不适用于粘度较大的和受热后易产生积垢的，或浓缩后有结晶析出的物料。对于加热管子直径、长度选择要适当，管径不宜过大，一般在2528毫米之间，管长与管径之比一般为 100150 ，这样才能使加热面供应足够成膜的汽速,7,升膜蒸发器,8,升膜式蒸发操作的关键-膜的形成,1、料液受热沸腾
5、，产生蒸汽气泡分散于连续的液相中。由于蒸汽气泡的密度小，故气泡通过液体而上升。 2、随着气泡量增多，小气泡结合形成大气泡，气泡增大，则气体上升的速度则加快。3、气泡体积进一步增大形成柱状，气柱上升，并带动其周围的部分液体一起上升。,9,4、管壁上的液体受热不断蒸发，气柱不断增大，最后气柱之间的液膜消失，蒸汽占据了整个管的中部空间，液体只能分布于管壁形成环状液膜，并在上升蒸汽带动下形成 “爬膜”。液膜沿管壁上升不断受热蒸发，浓度不断增大，最后与蒸汽一齐离开，管子越高则上升蒸发时间越长，溶液浓缩越大。,5、如果加热管内外温度差进一步增加，溶液蒸发很激烈，蒸汽流速太快，液体蒸发时蒸汽会把溶液以雾沫形
6、成式夹带离开液膜，变成带有液体雾沫的喷雾流进入管中部的高速蒸汽流，同时也使所形成的“液膜”迅速变薄。,10,6、如果汽化速进一步增加，雾沫夹带进一步严重，使液膜上升的速度赶不上溶液蒸发速度，则加热管上的液膜将会出现局部被干燥、结疤、结垢、结焦等现象。 可见升膜式蒸发的操作状况最好是形成爬膜到出现喷雾流之间。,形成爬膜的必要条件：足够的传热温差和传热强度，使 二次蒸汽量和蒸汽速度达到足以带动溶液成膜上升的程度。,11,降膜式蒸发器,物料溶液从加热管子上部进入，经分配器导流管分配进入加热管。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
7、粘度较高的液体也较易成膜。可以蒸发浓度、粘度较高的溶液，不适于易结晶、结垢的物料。其关健的问题是液料的分配，当分配不够均匀时，有些管子的液量多，液膜很厚，少的液膜薄，甚至没有液体流过造成干壁现象。可采用不同的分配器让料液分配均匀。,12,降膜蒸发器,13,料液分配方法：,1、齿形溢流口 在加热管的上方管口周边切成锯齿形，以增加液体的溢流周边。当液面稍高于管口时，则可以沿周边均匀地溢流而下，由于加热管管口高度一致，溢流周边比较大，致使各管子间或管子的各向溢流量比较均匀。当液位稍有差别时，不致引起很大的溢流差别，但当液位差别比较大，液位高度有变化时，溶液分布还是不够均匀。 2、导流棒 在每根加热管
8、的上端管口内插入一根呈八字形的导流棒。棒底的宽边与管壁成一定的均匀间距，液体在均匀环形间距中流入加热管内周边，形成薄膜。这样液体流过的通道不变，液体的流量只受管板上液面高度变化所影响，这样分布比较均匀，但遇有物料带颗粒时，则会造成堵塞的影响。,14,3、旋液导流器 液体沿管壁周边旋转向下，这样可以减少管内各向物料的不均匀性，同时又可以增加液体流动速度，提高传热系数。使液体旋转进入加热管的方法如下：,1）螺纹导流管 在加热管口插入刻有螺旋形沟槽的导流管，当液体沿着沟槽下流时，则使液体形成一个旋转的运动方向。沟槽的大小要根据液料的性质而定，但若沟槽太小，则增加液料阻力，容易造成堵塞。 2）切线进料
9、旋流器 旋流器插放在加热管口上方，液体以切线方向进入而形成旋流，在重力作用下，液体就成薄膜状沿管壁旋流而下。,15,4、分配筛板 在管板上方一定距离水平安装一块筛孔板，筛孔对准加热管之间的管板，当筛板上保持一定液层时，液体从筛孔淋洒到管板上，液体离各加热管口距离相等，就沿管板均匀流散到各管子边沿。,16,升降膜蒸发器,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。升降膜蒸发器适合粘度变化大，水分蒸发量不大和厂房高度有一定限制的场合。,17,1、符合物料的成膜的要求。,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，提高降膜蒸发传热系数。,3、
10、用升膜来控制降膜的进料分配，有利于操作。,4、两个浓缩过程串联，可提高产品的浓缩比，减低设备高度。,升降膜蒸发器的特点：,18,刮板式蒸发器,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、蒸发室、夹套加热室等部分构成。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。,19,很快的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。,这种蒸发器的突出
11、优点是：对物料的适应性强，对高浓度，粘度大，热敏性，易结晶、结垢的物料都能适用。 缺点是：结构复杂，动力消耗大，传热面积小，物料处理量较少。,刮板式蒸发器,20,刮板式蒸发器,21,离心薄膜蒸发器,这种设备是利用旋转的离心盘所产生的力对溶液的周边分布作用而形成薄膜。,设备的结构是一杯形离心转鼓，内部叠放几组梯形离心碟，每组离心碟由二片碟片和套环组成，构成一个三角形空隙，起加热夹套作用，加热蒸汽由套环的小孔从转鼓通入，冷凝水受离心力作用从小孔甩出流到转鼓底部。离心碟组间的空间是蒸发空间，上大下小，并能从套环的孔道垂直联通。,22,结构复杂、造价高，对粘度大、易结晶、结垢的物料不适用。,工作时，物
12、料从进料管进入，由各个奔嘴分别向各碟片组喷出，液体受离心力作用向周边扩散形成液膜，液膜在碟片表面受热蒸发浓缩，浓缩液到碟片周边就沿套环的垂直通道上升到环形液槽，由吸料管吸出。从碟片表面蒸发出的二次蒸汽从中部上升，汇集进入冷凝器。加热蒸汽由空的中心轴通入，由小孔通道进入进入碟片组间隙加热室。,23,第二节 结晶设备,一 结晶原理和起晶方法,(一）结晶原理,3、过饱和溶液。 饱和溶液曲线I-I下方为不饱和溶液区间，曲线上的点为饱和溶液的浓度。在曲线上方的区间里，溶液浓度超过了它们的饱和浓度，有晶体存在的溶液此区间是不会出现的，或只是暂时的，它应结晶析出，回到饱和浓度的位置上。没有晶体存在的溶液，实
13、验证明过饱和溶液是存在的。,1、结晶：物质自溶液中成晶体状态析出，或从熔融状态受冷凝结成晶的过程。 2、溶解与结晶。,当晶体置于溶剂中时，它的质点受溶液分子的吸引和碰撞而扩散于溶液中，同时已溶解的固体质点也会碰撞到晶体上重新结晶。当溶解速度等于结晶速度时的溶液称为饱和溶液。,24,介于过饱和曲线与过饱和曲线之间浓度的溶液中，如果没有晶体，或其他刺激因素存在，它还是比较稳定，可保持一段较长的时间不会自然结晶析出，这个浓度区域称为介稳定区。过饱和溶液的存在是因为晶体的形成与长大是一个比较复杂的过程，受溶质质点（或它们的水合物质点）在溶液中的碰撞、吸引、扩散、排列等因素的影响。,从图看出，55时柠檬
14、酸的饱和浓度为73%（重量），而在生产上将柠檬酸净制液在55时浓缩到近81%（重量）的浓度，没有结晶析出。再将过饱和溶液快速冷却到40（12小时）C点，还是没有结晶析出。再慢慢降温（每小时降温23），当冷到D点时，溶液就立即自发生成大量晶核，同时浓度随之降低，一直降到E点，使溶液达到饱和浓度为止。通过实验用纯柠檬酸过饱和溶液测得不同温度下自然起晶的浓度，得出曲线-，称为过饱和溶液曲线。,25,(二) 起晶方法,1 自然起晶:将溶液用蒸发浓缩的方法排除大量溶剂，使溶液浓度进入过饱和不稳定区，溶液即自然起晶。这种方法成晶颗粒小，溶液浓缩耗热量大，蒸发时间长，较少采用。,2 刺激起晶法:将溶液用蒸发
15、浓缩的方法排除部分溶剂，使溶液浓度进入过饱和介稳定区，然后将溶液放出，使溶液受到突然冷却，进入不稳定区，而自然结晶生成晶核。,3 晶种起晶法:将溶液浓缩到介稳定区的饱和浓度后，加入一定大小和数量的晶种，同时均匀搅拌，使晶体长大。晶种起晶法操作控制比较方便是，在保持不产生新晶核的条件下，适当提高过饱和浓度来增加结晶速度，产品大小均匀，晶形一致，工业上多采用晶种起晶法。,26,(一)类型 结晶设备：浓缩结晶设备，冷却结晶设备，等电点结晶设备,二 结晶设备,(二)结晶设备应注意的条件 结晶设备的搅拌装置。 作用：使结晶颗粒保持悬浮状态，并同溶液有一个相对的运动，加速晶体长大。 搅拌速度的选择要适当。
16、 搅拌器的形式的选择。框式，锚式，螺旋式。 排料阀：防止堵塞。 搅拌轴保险装置。保险连轴鞘。,27,（三）立式结晶箱,常用于产量较小的柠檬酸结晶。,框式搅拌器,28,（四）等电点结晶罐,浆式搅拌器,等电点结晶罐与通常的立式结晶箱原理和形态相似。,搅拌是等电点结晶设备的关键部件，其作用是保证晶种均匀悬浮，使谷氨酸结晶良好，并使加酸后溶液的pH值迅速均匀、增加传热系数，增大降温速度，使溶液温度一致。,29,对结晶速度比较快，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。,（三）真空煮晶锅,优点： 可控制溶液的蒸发速度和进料速度，结构较简单。,真空煮晶锅分为加热蒸发室、加热夹套、汽液分离器、搅拌器四个部分。,锚式搅拌器,30,表常见蒸发器的一些主要性能,31,练习二： 1、植物固定化细胞培养反应器的主类型有及其特点。 2、三套管式加热器的结构及工作原理。 3、为什么糊化锅底制成球形可节省搅拌动力？ 4、真空冷却装置的工作原理。练习三 1、真空转筒过滤机的结构原理。 2、双水相萃取的原理，双水相体系主要特点。 3、升膜式蒸发器“爬膜”的形成过程。 4、升降膜式蒸发器的特点。,
