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1、第七章 蒸发与结晶设备v蒸发的目的：除去大部分水分，浓缩发酵液。v结晶的目的：获得纯净物质，尽可能提纯所得发酵产物纯度 。v蒸发和结晶的区别：浓缩液中有无液-固相变。本章重点：v理解的主要内容：1、麦芽汁煮沸锅的结构特 点及计算，2、管式薄膜蒸发器的原理、特点 及计算，3、结晶设备结晶的类型、特点及设 计，4、真空煮晶锅的结构、特点及设计，5 、结晶设备的新技术、新动向。v深刻掌握：1、薄膜蒸发器的特点、工作原理 及设计。本章习题：v1.真空蒸发系统都由哪些设备组成？v2.不凝气在蒸发系统如何排除？ 关键设备是什么？v3.详述膜式蒸发罐的种类及其相应的结构。v4.结晶设备一定是结晶罐吗？若不是
2、，其结构特点有哪些特 征？v5.例题7-1 要求浓缩单位为4000u/l,蒸发器内蒸发温度70 ，处理量500kg/h,混合冷凝器进口水温28v 蒸发操作作为化工领域的重要的操作单元之一 ，在生物工业中被广泛采用。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，这是蒸发浓缩操作在生物工业中应特 别注意的问题。v 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，如将稀酶 液浓缩到一定浓度在再进行沉淀处理或喷雾干燥， 或将稀溶液浓缩到规定浓度以符合工艺要求，如将 麦芽汁浓缩到规定浓度再进行发酵；或将溶液浓缩 到一定浓度以便进行结晶操作。v
3、 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。v 蒸发与结晶之间最大区别在于，蒸发是将部 分溶剂从溶液中排出，使溶液浓度增加，溶液中 的溶质没有发生相变，而结晶过程则是通过将过 饱和溶液冷却、蒸发，或投入晶种使溶质结晶析 出。结晶过程的操作与控制比蒸发过程要复杂的 多。有的工厂将蒸发与结晶过程置于蒸发器中连 续进行，这样虽然可以节约设备投资，但对结晶 晶体质量、结晶提取率即产品提取率将造成负面 影响。第一节 蒸发设备一、蒸发设备的分类：v1按操作压力v按操作空间的压力可分为：常压、加压或减压蒸发 。v减压蒸
4、发也称真空蒸发。它是在减压或真空条件下 进行的蒸发过程，真空使蒸发器内溶液的沸点降低 ，其装置如图1所示。v 图中排气阀门是调节真空度的，在减压下当溶 液沸腾时，会出现冲料现象，此时可打开排气阀门 ，吸入部分空气，使蒸发器内真空度降低，溶液沸 点升高，从而沸腾减慢。v采用减压或真空蒸发其优点如下：v（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。v（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。v（3）可利用二次蒸汽作为加热热源。v（4）蒸发器的热损失减少。v但另一方面，在真空下蒸发需要增设一套抽真空的 装置以保持蒸发室的真空度，从而消
5、耗额外的能量 。保持的真空度愈高，消耗的能量也愈大。同时， 随着压力的减小，溶液沸点降低，其粘度亦随之增 大，常使对流传热系数减小，从而也使总传热系数 减小。此外，由于二次蒸汽的温度的降低使得冷凝 的传热温度差相应降低。v3按操作流程v可分为间歇式、连续式。v4按加热部分的结构v可分为膜式和非膜式。v薄膜蒸发具有传热效果好，蒸发速度快，无静压 头产生使得沸点升高的现象等优点，因此，薄膜 式蒸发技术得到了很大的发展，成为目前蒸发设 备的主流。二、膜式真空蒸发v1 单程型蒸发器v这一大类蒸发器的主要特点是：v 溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不作循环 流动即成为浓缩液排出。溶液通过加热室时，在管
6、壁上呈膜状流动，故习惯上又称为液膜式蒸发器（ 实际上这一名称不够确切，因在循环型蒸发器的加 热管壁上溶液亦可作膜状流动）。根据物料在蒸发 器中流向的不同，单程型蒸发器又分为以下几种。（1）升膜式蒸发器v升膜式蒸发器的加热室由许多垂直长管组成，如图 。v 常用的热管直径为2550mm，管长和管径之比 约为100150。料液经预热后由蒸发器底部引入， 进到加热管内受热沸腾后迅速汽化，生成的蒸汽在 加热管内高速上升。溶液则被上升的蒸汽所带动， 沿管壁成膜状上升，并在此过程中继续蒸发，汽、 液混合物在分离器2内分离，完成液由分离器底部 排出，二次蒸汽则在顶部导出。v 为了能在加热管内有效的成膜，上升的
7、蒸汽应 具有一定的速度。例如，常压下操作时适宜的出口 汽速一般为2050m/s，减压下操作时汽速则应更 高。因此，如果从料液中蒸汽的水量不多，就难以 达到上述要求的汽速，即升膜式蒸发器不适用于较 浓溶液的蒸发；它对粘度很大，易结晶或易结垢的 物料也不适用。管式升膜蒸发器BM系列薄膜蒸发发器 ：蒸发发器为为升膜 式列管换热换热 器。设备设备 与物料接触部 分均采用不锈钢锈钢 制造，具有良好的耐 腐蚀蚀性能。（2）降膜式蒸发器v这种蒸发器（如图所示）和升膜式蒸发器的区别 在于，料液是从蒸发器的顶部加入，在重力作用 下沿管壁成膜状下降，并在此过程中不断被蒸发 而蒸浓，在其底部得到完成液。为了使液体在
8、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，其型式很多，图中列出几种常见的分 布器。v降膜式蒸发器可以蒸发浓度较高的溶液，对于粘 度较大（例如在0.050.45Ns/m2范围内）的物 料也能适用。但因液膜在管内分布不易均匀，传 热系数比升膜式蒸发器的较小。（3）升降膜式蒸发器v 将升膜和降膜式 蒸发器装在一个外壳中 即成升降膜式蒸发器 ，如图所示。预热后的 料液先经升膜式蒸发器 上升，然后由降膜式蒸 发器下降，在分离器中 和二次蒸汽分离即得完 成液。这种蒸发器多用 于蒸发过程中溶液粘度 变化很大、溶液中水分 蒸发量不大和厂房高度 有一定限制的场合。v由于溶液在单程型蒸发器中呈膜状
9、流动，因而对流 传热系数大为提高，使得溶液能在加热室中一次通 过不再循环就达到要求的浓度。v溶液不再循环，带来的好处有：（1）溶液在蒸发 器中的停留时间很短，因而特别适用于热敏性物料 的蒸发；（2）整个溶液的浓度，不像循环型那样 总是接近于完成液的浓度，因而其温度差损失相对 地就较小；此外膜状流动时，液柱静压头引起的温 度差损失可以忽略不计；所以在相同操作条件下， 这种蒸发器的有效温差较大。v其主要缺点是：对进料负荷的波动相当敏感，当设 计或操作不适当时不易成膜，此时，对流传热系数 将明显下降；另外，它也不适用于易结晶和结垢物 料的蒸发。2.循环式薄膜蒸发器v图7-3 3刮板式蒸发器v这是一种
10、利用外加动力成膜的单程型蒸发器，其结 构如图所示。蒸发器外壳带有夹套，内通入加热蒸 汽加热。v加热部分装有旋转的刮板，刮板本身又可分为固定 式和转子式两种，前者与壳体内壁的间隙为0.5 1.5mm，后者与器壁的间隙随转子的转数而变。 料液由蒸发器上部沿切线方向加入（亦有加至与刮 板同轴的甩料盘上的），在重力和旋转刮板刮带下 ，溶液在壳体内壁形成下旋的薄膜，并在下降过程 中不断被蒸发，在底部得到完成液。这种蒸发器的 突出优点是对物料的适应性很强，例如，对高粘度 和易结晶、结垢的物料都能适用。v其缺点是结构复杂，动力消耗大，每平方米传热面 约需1.53kw。此外，受夹套传热面的限制，其 处理量也很
11、小。 4.离心薄膜式蒸发器v图7-55.蒸发器的配套设备v 蒸发器的附属设备有汽液分离器及冷凝与不凝 气体的排除装置。v（1）汽液分离器（捕沫器）v 从蒸发器溢出的二次蒸汽带有液沫，需要加以 分离和回收。在分离室上部或分离室外面装有阻止 液滴随二次蒸汽跑出的装置，称为分离器或捕沫器 。v1装于蒸发器顶盖下面的分离器，如图，装置是使 蒸汽的流动方向突变，从而分离了雾沫。（c）是用 细金丝，塑料丝等编成网带，分离效果好，压强降 较小，可以分离直径小于10m的液滴。（d）是蒸 汽在分离器中作圆周运动，因离心作用将气流中液 滴分离出来。2装于蒸发器外面的分离器，如图所示，（a）是隔 板式，（b）（c）
12、（d）是旋风分离器，其分离效果较 好。（2）冷凝与不凝气体的排除装置在蒸发操作过程中，二次蒸汽若是有用物 料，应采用间壁式冷凝器回收；二次蒸汽不被 利用时，必须冷凝成水方可排除，同时排除不 凝性气体。对于水蒸气的冷凝，可采用汽、水 直接接触的混合式冷凝器。无论使用哪种冷 凝器，都要设置 真空装置，不断 排除不凝性气体 并向系统提供一 定的真空度。水 环真空泵、往复 式真空泵及喷射 泵是常用作抽真 空的设备。6.多效蒸发v若二次蒸汽被引入另一蒸发器作为热源，在 另一蒸发器中被利用，称为二效蒸发，依次 类推，如蒸汽多次被利用串联操作，则称为 多效蒸发。多效蒸发可提高初始加热蒸汽的 利用率。v多效蒸
13、发的原理：将二次蒸汽作为加热蒸汽 引入为一效蒸发器。v效：每四个蒸发成为一效。多个蒸发器串联 ，形成多效。v多效蒸发的好处：减少蒸发所需的生蒸发量 。多效蒸发设备常见流程v并流：溶液和蒸汽并流。v逆流：溶液和蒸汽逆流。v错流：逆流和并流混用。v平流应视具体情况，选用适宜的蒸发器。下表列 出常见蒸发器的一些性能，供参考。一般选型时应考滤以下因素 。 v1溶液的粘度v蒸发过程中溶液粘度变化的范围，是选型首要考虑 的因素，各类蒸发器适用于溶液粘度的范围见上表 。v2溶液的热稳定性v长时间受热易分解、易聚合以及易结垢的溶液蒸发 时，应采用滞料量少、停留时间短的蒸发器。v3有晶体析出的溶液v对蒸发时有晶
14、体析出的溶液应采用外加热式 蒸发器或强制循环蒸发器。v4易发泡的溶液v易发泡的溶液在蒸发时会生成大量层层重叠不易破碎的泡沫 ，充满了整个分离室后即随二次蒸汽排出，不但损失物料， 而且污染冷凝器。蒸发这种溶液宜采用外加热式蒸发器、强 制循环蒸发器或升膜式蒸发器。若将中央循环管蒸发器和悬 筐蒸发器设计大一些，也可用于这种溶液的蒸发。v5有腐蚀性的溶液v蒸发腐蚀性溶液时，加热管应采用特殊材质制成， 或内壁衬以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采 用直接接触式蒸发器。v6易结垢的溶液v无论蒸发何种溶液，蒸发器长久使用后，传 热面上总会有污垢生成。垢层的导热系数小 ，因此对易结垢的溶液，应考虑选择便于清
15、洗和溶液循环速度大的蒸发器。v7溶液的处理量v溶液的处理量也是选型应考虑的因素。要求 传热面积大于10m2时，不宜选用刮板搅拌薄 膜蒸发器，要求传热面在20 m2以上时，宜采 用多效蒸发操作。第二节 蒸发设备的计算与设计v例题7-1 现在要设计一个单流升膜真空蒸发器用来 浓缩井冈霉素发酵滤液，滤液单位10000u/ml，要求 浓缩液单位为30000u/ml；蒸发器内蒸发温度为60 ，处理量为600kg/h，加热蒸汽99，传热系数 K=4600kJ/(m2h);加热管采用252.5不锈钢， L/d=125,混合冷凝器进口水温33 ，系统漏入空 气量为2kg/h,；物料性质与水的物性数据相似。求
16、：设计一套升膜式真空蒸发器的流程；蒸发器 的传热面积和列管的根数与长度分离器的直径和 结构尺寸；真空系统的排气量（作为选用真空泵 的重要参数）。v解：设计蒸发流程v升膜真空蒸发系统如图所示，主要设备包括料液储罐，进料 流量计，蒸发器，冷凝器，真空发生器等。v蒸发器的传热面积和列管的根数与长度v根据题意蒸发器温度60 ，由60查其饱和水蒸汽压强为 149.4mmHg，相对真空度=760-149.4=610.6(mmHg).设计进料 温度低于沸点34，进料温度为60-4=56 . 加热段面积F1 蒸发水量Ve及蒸发段的面积F2 Q2=Veie 查60水的汽化潜热为2355.2kJ/kg 也可以用蒸发强度来计算v列管的根数与长度v选用252.5不锈钢管vL=125d=125(0.025-0.005)=3(m)v根数n=F/(dL)=6.76/(0.020
