第二部分第四章蒸發(fā)與結(jié)晶設(shè)備分解課件

1、第四章 蒸發(fā)與結(jié)晶設(shè)備一、蒸發(fā)設(shè)備由于生物工業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品通常為具有生物活性的物質(zhì)，或?qū)囟容^為敏感的物質(zhì)，這是蒸發(fā)濃縮操作在生物工業(yè)中應(yīng)特別注意的問題。 在發(fā)酵工業(yè)中，蒸發(fā)操作常用于將溶液濃縮至一定的濃度，使其他工序更為經(jīng)濟(jì)合理。 蒸發(fā)與結(jié)晶之間最大區(qū)別在于，蒸發(fā)過程溶質(zhì)沒有發(fā)生相變，而結(jié)晶過程是溶質(zhì)的結(jié)晶析出。（一）蒸發(fā)的定義蒸發(fā)是將溶液加熱后，使其中部分溶劑汽化并被移除，從而提高溶液濃度即溶液被濃縮的過程。進(jìn)行蒸發(fā)操作的設(shè)備稱為蒸發(fā)器。為了便于區(qū)分，把作為熱源的水蒸氣稱作加熱蒸汽或一次蒸汽，把從溶液中汽化出來的蒸汽稱做二次蒸汽。 （二）蒸發(fā)的目的蒸發(fā)的目的主要有三方面：1利用蒸發(fā)操作取得

2、濃溶液；2通過蒸發(fā)操作制取過飽和溶液，進(jìn)而得到結(jié)晶產(chǎn)品。3將溶液蒸發(fā)并將蒸汽冷凝、冷卻，以達(dá)到純化溶劑的目的。（三）蒸發(fā)的分類按操作空間的壓力：常壓、加壓或減壓蒸發(fā)按蒸汽利用情況：單效蒸發(fā)、二效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)按操作流程：間歇式、連續(xù)式 按加熱部分的結(jié)構(gòu)：膜式和非膜式（四）真空蒸發(fā)的優(yōu)點采用減壓或真空蒸發(fā)其優(yōu)點如下：（1）由于減壓沸點降低，加大了傳熱溫度差，使蒸發(fā)器的傳熱推動力增加，使過程強(qiáng)化。（2）適用于熱敏性溶液和不耐高溫的溶液，即減少或防止熱敏性物質(zhì)的分解。（3）可利用二次蒸汽作為加熱熱源。（4）蒸發(fā)器的熱損失減少。（五）蒸發(fā)設(shè)備的要求1、充足的加熱熱源，以維持溶液的沸騰和補充溶劑汽化所帶

3、走的熱量。2、保證溶劑蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。3、一定的熱交換面積，以保證傳熱量。（六）常壓蒸發(fā)設(shè)備啤酒廠麥芽汁煮沸鍋：（1）夾套加熱式麥芽汁煮沸鍋（2）內(nèi)置加熱式麥芽汁煮沸鍋（1）夾套加熱式麥芽汁煮沸鍋 傳統(tǒng)的夾套加熱式麥芽汁煮沸鍋是圓筒球底麥汁煮沸鍋，圓形麥汁煮沸鍋容積小，其加熱夾套以紫銅制作，布置在鍋的底部，鍋的內(nèi)部只有攪拌器，鍋體及上封頭均由紫銅板或不銹鋼板制作。另一種大型夾套加熱式麥芽汁煮沸鍋鍋底向內(nèi)凹進(jìn)，改善了鍋內(nèi)物料的對流循環(huán)，2個加熱區(qū)采用不同的加熱溫度，中心加熱區(qū)能承受較高的壓力，使用較高的加熱溫度。外夾套加熱區(qū)圓周直徑大，耐壓能力差，采用較低壓力的蒸汽進(jìn)行加熱。（2）內(nèi)

4、置加熱式麥芽汁煮沸鍋將加熱器置于鍋體內(nèi)部，也稱為內(nèi)置加熱器麥芽汁煮沸鍋?？紤]到加工、清洗等因素，加熱器常采用列管式，對于較大體積的麥芽汁煮沸鍋，采用帶有中央循環(huán)管的加熱器為宜，以利于物料循環(huán)及提高熱交換效率。列管式內(nèi)加熱器 加熱器可置于鍋的底部，鍋底向外凸出，以放置加熱器，如上圖所示，物料循環(huán)較好，操作彈性大?；?qū)⒓訜崞靼惭b在原有煮沸鍋的中央，靠近鍋底，如下圖所示，這種結(jié)構(gòu)形式，必須保證充足的裝液量，使加熱器被完全浸沒。（七）真空蒸發(fā)設(shè)備為了縮短受熱時間，并達(dá)到所要求的蒸發(fā)濃縮量，通常采用膜蒸發(fā)，讓溶液在蒸發(fā)器的加熱表面以很薄的液層流過，溶液很快受熱升溫、汽化、濃縮，濃縮液迅速離開加熱表面。膜

5、蒸發(fā)濃縮時間很短，一般為幾秒到幾十秒。因受熱時間短，較好地保證了產(chǎn)品質(zhì)量。 （1） 管式薄膜蒸發(fā)器1、管式升膜蒸發(fā)器2、套管式升膜蒸發(fā)器3、套筒式升膜蒸發(fā)器1、管式升膜蒸發(fā)器升膜式蒸發(fā)濃縮設(shè)備是指在蒸發(fā)器中形成的液膜與蒸發(fā)的二次蒸汽氣流方向相同，由下而上并流上升。物料從加熱器下部的進(jìn)料管進(jìn)入，在加熱管內(nèi)被加熱蒸發(fā)拉成液膜，濃縮液在二次蒸汽帶動下一起上升，從加熱器上端沿汽液分離器筒體的切線方向進(jìn)入分離器，濃縮液從分離器底部排出，二次蒸汽進(jìn)入冷凝器。升膜式蒸發(fā)器成膜原理 升膜式蒸發(fā)器正常操作的關(guān)鍵是讓液體物料在管壁上形成連續(xù)不斷的液膜。液膜在長管中形成過程如圖所示, 圖a-h是分階段解釋在長管中氣

6、、液兩相的變化及液膜形成的過程。2、套管式升膜蒸發(fā)器 為了減少升膜式蒸發(fā)器管長，可采用套管辦法來縮短管長。這是用于鏈霉素濃縮的蒸發(fā)器，其傳熱面積為內(nèi)、外管子面積總和。由于間隙截面積小，而加熱周邊面積大，故溶液進(jìn)入加熱管后，很快就能吸收足夠的熱量，產(chǎn)生大量的蒸汽，并達(dá)到必要氣流速度，使溶液能沿著內(nèi)、外管子壁面形成爬膜狀況，故加熱管較短。3、套筒式升膜蒸發(fā)器 升膜式蒸發(fā)器也有采用大套筒形式。外加熱圓筒直徑為300mm，內(nèi)加熱圓筒直徑為282 mm，圓筒間隙為4mm。為保持各間隙一致成膜均勻，內(nèi)圓筒上焊上3個支撐點，內(nèi)、外加熱面同時通入蒸汽加熱時，蒸發(fā)液料即在筒間間隙爬膜上升。該設(shè)備用于低溫濃縮核苷

7、酸溶液效果良好。（2）降膜式蒸發(fā)器降膜式蒸發(fā)器與升膜式蒸發(fā)器物的結(jié)構(gòu)基本相同，但由于液膜與蒸汽的流動方向是由上到下，所以與升膜式蒸發(fā)器相反，進(jìn)料口在上面而分離器在下面。料液由頂部加入，通過液料分配器均勻地分配到每根加熱管中被加熱蒸發(fā)，因重力的影響增加了蒸汽的抽拉作用和液膜的流動速度，所以在同樣條件下降膜蒸發(fā)器的液膜比升膜要薄，傳熱系數(shù)也較大。同時，由于液流加速方向與重力方向一致，加速壓頭所引起的沸點升高也沒有了。液體的運動是靠本身的重力和二次蒸汽運動的拖帶力的作用，其下降的速度比較快，因此成膜的二次蒸汽流速可以較小，對黏度較高的液體也較易成膜。降膜比升膜具有更多的優(yōu)點，是目前越來越廣泛采用的一

8、種型式。 降膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)1-料液分配器；2-加熱列管；3-蒸汽擋板；4-分離器；5-冷凝水液位計 a-料液進(jìn)口；b加熱蒸汽進(jìn)口； c-不凝性氣體排除口；d-冷凝水出口；e-濃縮液出口；f-二次蒸汽出口降膜蒸發(fā)器的特點(1)可以濃縮高粘度的液體。(2)停留時間短，可以處理熱敏性物料。(3)由于它的傳熱效果好，同時不存在因液體靜壓而引起的沸點升高，可以在較低溫差下操作。(4)加熱管內(nèi)高速流動的蒸汽使產(chǎn)生的泡沫極易破壞消失，適用于容易發(fā)泡的料液。(5)制造費用不高，投資少，占地面積小。料液分配器 料液進(jìn)入加熱列管時要均勻分配，因此降膜蒸發(fā)器加熱列管的上部都要設(shè)置料液分配裝置。下圖是目前常用的兩種分配

9、器的型式。旋液導(dǎo)流器也是常用的分配器，液體沿管壁周邊旋轉(zhuǎn)向下，它有兩種形式。升降膜式蒸發(fā)器升降膜式蒸發(fā)器是在一個加熱器內(nèi)安裝兩組加熱管，一組作升膜式，另一組作降膜式。物料溶液先進(jìn)入升膜加熱管，沸騰蒸發(fā)后，汽液混合物上升至頂部，然后轉(zhuǎn)入另一半加熱管，再進(jìn)行降股蒸發(fā)，濃縮液從下部進(jìn)入汽液分離器，分離后，二次蒸汽從分離器上部排人冷凝器，濃縮液從分離器下部出料。 升降膜蒸發(fā)器的特點（1）符合物料的要求，初時物料濃度較低，內(nèi)阻較小，蒸發(fā)速度較快。經(jīng)初步濃縮后濃度較大，但溶液在降膜式蒸發(fā)中受重力作用還能沿管壁均勻分布形成膜狀。（2）經(jīng)升膜蒸發(fā)后的汽液混合物，進(jìn)入降膜蒸發(fā)，有利于降膜的液體均勻分布，同時也加

10、速物料的湍流和攪動，以進(jìn)一步提高降膜蒸發(fā)的傳熱系數(shù)。（3）用升膜來控制降膜的進(jìn)料分配，有利于操作控制。（4）將兩個濃縮過程串聯(lián)，可以提高產(chǎn)品的濃縮比，減低設(shè)備高度。（3）刮板式真空蒸發(fā)器 刮板式真空蒸發(fā)器是通過旋轉(zhuǎn)的刮板使液料形成液膜的蒸發(fā)設(shè)備。蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu): 轉(zhuǎn)動軸、物料分配盤、刮板、軸承、軸封、蒸發(fā)室的夾套加熱室等部分構(gòu)成。 液料從進(jìn)料管以穩(wěn)定的流量進(jìn)入隨軸旋轉(zhuǎn)的分配盤中，在離心力的作用下，通過盤壁小孔被拋向器壁，受重力作用沿器壁下流，同時被旋轉(zhuǎn)的刮板刮成 薄膜，薄膜溶液在加熱區(qū)受熱，蒸發(fā)濃縮，同時受重力作用下流，瞬間另一塊刮板將濃縮液料翻動下推，并更新薄膜，這樣物料不斷形成新液膜蒸發(fā)濃縮

11、，直到液料離開加熱室流到蒸發(fā)器底部，完成濃縮過程。1一馬達(dá) 2一進(jìn)料管 3一加熱蒸汽管 4一排料口 5一冷凝水排出孔 6一刮板 7一分配盤 8一除沫器 9一二次蒸汽排出管（4）離心式薄膜蒸發(fā)器 這種設(shè)備是利用旋轉(zhuǎn)的離心盤所產(chǎn)生的離心力對溶液的周邊分布作用而形成薄膜。稀物料從進(jìn)料管進(jìn)入，由各個噴嘴分別向各碟片組下表面即下碟片的外表面噴出，均勻分布于碟片錐頂?shù)谋砻?，液體受離心力的作用向周邊運動擴(kuò)散形成液膜，液膜在碟片表面，即受熱蒸發(fā)濃縮，濃溶液到碟片周邊就沿套環(huán)的垂直通道上升到環(huán)形液槽，由吸料管抽出到濃縮液貯罐。1-蒸發(fā)器 2-離心轉(zhuǎn)鼓 3-O形密封墊圈 4-加熱蒸發(fā)通道 5-套環(huán) 6-下碟片 7

12、-上碟片 8-壓緊環(huán) 9-進(jìn)料管及噴嘴 10-視鏡 11-濃縮液吸出管 12-套環(huán)的垂直通道 13-二次蒸汽排出管 14-冷凝水排出管 15-空心轉(zhuǎn)軸二、結(jié)晶設(shè)備結(jié)晶操作是獲得純凈固體物質(zhì)的重要方法之一。發(fā)酵工業(yè)的許多產(chǎn)品，如谷氨酸鈉、檸檬酸、葡萄糖、核苷酸等都是用結(jié)晶的方法提純精制的。 藥用葡萄糖結(jié)晶罐 按照生產(chǎn)作業(yè)方式，結(jié)晶器分成間歇和連續(xù)兩大類；按照形成過飽和溶液途徑的不同，可將結(jié)晶設(shè)備分為濃縮結(jié)晶設(shè)備、冷卻結(jié)晶設(shè)備和其他結(jié)晶設(shè)備。結(jié)晶設(shè)備的結(jié)構(gòu)及特點（1）攪拌結(jié)晶箱冷卻攪拌結(jié)晶設(shè)備比較簡單，對于產(chǎn)量較小，結(jié)晶周期較短的，多采用立式結(jié)晶箱。對于產(chǎn)量較大，周期比較長的，多采用臥式結(jié)晶箱。設(shè)

13、備應(yīng)具有：冷卻裝置，如冷卻排管或冷卻夾套；促使晶核懸浮和溶液濃度一致，使結(jié)晶均勻的攪拌裝置。 立式結(jié)晶箱常用于生產(chǎn)量較小的檸檬酸結(jié)晶。其冷卻裝置為夾套或蛇管，蛇管中通入冷卻水或冷凍鹽水。結(jié)晶時間一般為96h，這樣得到的檸檬酸結(jié)晶顆粒比較粗大均勻。結(jié)晶成熟后，晶體連同母液一起從設(shè)備的錐底排料孔放出。1.立式結(jié)晶箱2.等電點結(jié)晶罐等電點結(jié)晶同普通冷卻結(jié)晶一樣，都是過飽和溶液中溶質(zhì)結(jié)晶析出過程，不同的只是因谷氨酸同時帶有正負(fù)電荷離子，在不同pH溶液下它有不同溶解度的特性，通過用酸調(diào)pH的辦法來改變它的溶解度，使其變成過飽和溶液結(jié)晶析出，只不過等電點罐為了適應(yīng)味精生產(chǎn)大型化的需要，設(shè)備做得比較大。3. 臥式結(jié)晶箱臥式結(jié)晶箱通常是U形半圓底的臥式長槽或敞口的臥放圓筒長槽，可應(yīng)用于谷氨酸鈉的助晶和葡萄糖的結(jié)晶。槽內(nèi)裝有螺條形的攪拌槳葉二組，一組槳葉為左旋向，另一組為右旋向，攪拌時可使兩邊物料都產(chǎn)生一個向中心移動的運動分速度，或向兩邊移動的運動分速度。4. 真空煮晶鍋對于結(jié)晶速度比較快，容易自然起晶，且要求結(jié)晶晶體較大的產(chǎn)品，多采用真空煮晶鍋進(jìn)行煮晶，如谷氨酸鈉、蔗糖等的結(jié)晶就采用這種設(shè)備?？梢钥刂迫芤旱恼舭l(fā)速度和進(jìn)料速度，以維持溶液一定的