第九章蒸發(fā)與結(jié)晶設(shè)備

生物工程設(shè)備第九章蒸發(fā)與結(jié)晶設(shè)備概述——蒸發(fā)蒸發(fā)：化工單元操作，生物工業(yè)應(yīng)用廣泛，目的是將溶液濃縮至一定濃度或稀溶液濃縮至規(guī)定濃度。生物工程產(chǎn)品特點(diǎn)：具有生物活性或熱敏性實(shí)際應(yīng)用：與電滲析、離子交換、超濾等配合使用；概述——結(jié)晶得到純潔固體物質(zhì)的方法之一味精、檸檬酸等與蒸發(fā)的區(qū)別：前者通過將過飽和溶液冷卻、蒸發(fā)或投入晶種使溶質(zhì)結(jié)晶析出，發(fā)生相變；后者將局部溶劑從溶液中排出，增大溶液濃度，溶質(zhì)沒發(fā)生相變本章重點(diǎn)蒸發(fā)、結(jié)晶設(shè)備工作原理設(shè)備設(shè)計、計算設(shè)備選型第一節(jié)常壓與真空蒸發(fā)設(shè)備概述一、常壓蒸發(fā)設(shè)備二、真空蒸發(fā)設(shè)備三、蒸發(fā)濃縮過程的節(jié)能概述蒸發(fā)濃縮：將局部溶劑汽化排除，提高濃度通常沸騰狀態(tài)下進(jìn)行蒸發(fā)器要求：加熱熱源充足；二次蒸汽的及時排除；熱交換面積；真空蒸發(fā)優(yōu)點(diǎn)：物料沸騰溫度降低，防止或減少質(zhì)變熱交換溫度差提高，傳熱強(qiáng)度大二次蒸汽屢次利用減少蒸發(fā)器熱損失設(shè)備：熱交換器、蒸發(fā)室、冷凝器和抽氣泵自然蒸發(fā)與沸騰蒸發(fā)自然蒸發(fā)是溶液中的溶劑在低于其沸點(diǎn)下汽化，此種蒸發(fā)僅在溶液外表進(jìn)行，故速率緩慢，效率很低。沸騰蒸發(fā)是在沸點(diǎn)下的蒸發(fā)，溶液任何局部都發(fā)生汽化，效率很高一、常壓蒸發(fā)設(shè)備應(yīng)用減少，麥芽汁煮沸鍋將糊化、糖化、過濾后的麥芽汁煮沸濃縮到規(guī)定的發(fā)酵糖度麥芽汁煮沸鍋結(jié)構(gòu)形式：夾套加熱式和內(nèi)置加熱式〔一〕夾套加熱式麥芽汁煮沸鍋組成：鍋體、加熱夾套、攪拌裝置，結(jié)構(gòu)參見教材271面圖2-4-1煮沸鍋及其傳感器傳感器及麥芽汁發(fā)酵西門子驅(qū)動器發(fā)酵監(jiān)控麥汁發(fā)酵夾套中心加熱區(qū)加熱溫度高，外夾套加熱區(qū)溫度低，加熱區(qū)裝有進(jìn)汽管〔中上部〕、排冷凝水管〔最低位置〕和排不凝性氣體管〔最上部〕材質(zhì)：銅質(zhì)〔加熱面積0.1~1m2/m3麥芽汁〕,不銹鋼〔0.6~1.2m2/m3麥芽汁〕攪拌器使物料受熱均勻，沸騰前加速對流，提高傳熱系數(shù)，減緩過熱和積垢形狀：常用的為后彎曲圓周曲面攪拌器，曲面與鍋低相似鍋壁距離：5~10cm轉(zhuǎn)速：30~40r/m排氣管大?。阂后w蒸發(fā)面的1/30~1/50集液槽調(diào)節(jié)風(fēng)門〔二〕內(nèi)置加熱式麥芽汁鍋加熱器位于鍋體內(nèi)部，通常為列管式，通過加熱麥芽汁形成對流，優(yōu)點(diǎn)：循環(huán)好，設(shè)備利用率高；鍋體的加工制造本錢設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單化二、真空蒸發(fā)設(shè)備——概述產(chǎn)品特點(diǎn)：多為熱敏性物質(zhì)此類物質(zhì)受熱變化取決于溫度上下、受熱時間長短；生物工業(yè)：低溫蒸發(fā)；高溫瞬時蒸發(fā)；真空蒸發(fā)：膜蒸發(fā)，很薄液層通過加熱外表，升溫、汽化、濃縮時間很短，幾到幾十秒單效蒸發(fā)、二效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)蒸發(fā)粘度大，易結(jié)晶和結(jié)垢的物料〔一〕管式薄膜蒸發(fā)器液體沿加熱管壁成膜進(jìn)行蒸發(fā)溶液在蒸發(fā)器中只通過加熱室一次，不作循環(huán)流動即成為濃縮液排出。溶液通過加熱室時在管壁上呈膜狀流動按液體流動方向：升膜式、降膜式、升降膜式升膜式薄膜蒸發(fā)器液膜與蒸發(fā)的二次蒸汽流動方向相同，由下而上，受熱時間短，適用于發(fā)泡性強(qiáng)、黏度較小的熱敏性物料關(guān)鍵：液體物料在管壁上形成連續(xù)不斷的液膜，形成過程蒸發(fā)流程1.物料從加熱器下部進(jìn)料管進(jìn)入，假設(shè)溫度低于沸點(diǎn)，預(yù)熱區(qū)加熱至沸點(diǎn)，傳熱方式為自然對流，管內(nèi)液面高度為管高的1/4~1/52.沸騰，液相為主混有蒸汽氣泡增加的氣泡結(jié)合成較大的氣泡氣泡體積增大形成柱狀，上升帶動周圍局部液體運(yùn)動蒸發(fā)流程管壁和氣柱間液體向下運(yùn)動，管壁液體蒸發(fā)，氣柱增大，氣柱間液膜消失，蒸汽位于管的中部空間，液體分布于管壁，形成環(huán)狀液膜，“爬膜〞蒸發(fā)強(qiáng)度過大，干壁、結(jié)疤結(jié)焦等爬膜必要條件：足夠傳熱溫差和傳熱強(qiáng)度特點(diǎn)傳熱效率高，物料受熱時間短濃縮倍數(shù)5倍管式膜式蒸發(fā)器由蒸發(fā)加熱管、二次蒸汽液沫導(dǎo)管、別離器和循環(huán)管管徑、長度選擇：管徑25~80mm，管長管徑比：L/D=100~500之間套管式升膜蒸發(fā)器：蒸汽從內(nèi)外管壁間隙環(huán)流過，蒸汽從管內(nèi)流過大套筒式、板式升膜式蒸發(fā)器：〔二〕降膜式蒸發(fā)器料液從加熱管子上部進(jìn)入，分配器導(dǎo)流管進(jìn)入加熱管，沿管壁成膜狀液體運(yùn)動重力和二次蒸汽拖帶作用力，下降速度較快通過分配器使液體均勻分布于管中齒形溢流口、導(dǎo)流棒、旋液導(dǎo)流器、分配篩板升降膜式蒸發(fā)器兩組加熱管，一組升膜式，一組降膜式；進(jìn)入升膜加熱管，沸騰蒸發(fā)后，氣液混合物升至頂部然后轉(zhuǎn)入降膜式蒸發(fā)管，進(jìn)一步濃縮降膜式應(yīng)用廣泛，提高二次蒸汽利用率，3~5效〔三〕刮板式蒸發(fā)器刮板使料液成液膜，由轉(zhuǎn)動軸、物料分配盤、刮板、軸承、軸封、蒸發(fā)室和夾套加熱室構(gòu)成液料從進(jìn)料管進(jìn)入分配盤，離心力作用下，盤壁小孔拋向盤壁，重力作用沿器壁下流，刮板刮成薄膜傳熱系數(shù)高時間短：幾到幾十秒刮板式蒸發(fā)器蒸發(fā)室：圓筒，直徑300~500mm圓筒內(nèi)外表圓度偏差0.05~2mm密封性好轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速：350~800r/m刮板線速度：2.5~9.6m/s，刮板與蒸發(fā)器圓筒間距0.5~1mm刮板式蒸發(fā)器計算蒸發(fā)面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：——物料運(yùn)動黏度n——刮板轉(zhuǎn)數(shù)——物料的導(dǎo)熱系數(shù)總傳熱系數(shù)物料存量氣液逆流式刮板蒸發(fā)器穩(wěn)定操作時前面是蒸發(fā)器周邊的，后面是刮板卷帶的，符號意義參見教材279面物料停留時間〔四〕離心膜式薄膜蒸發(fā)器離心盤產(chǎn)生離心力使溶液分布形成液膜結(jié)構(gòu)見280面圖2--4-13轉(zhuǎn)鼓內(nèi)梯形離心碟組，蒸汽進(jìn)入碟片組間隙加熱溶液在碟片組下碟片腹面被加熱蒸發(fā)蒸發(fā)器特點(diǎn)傳熱系數(shù)很高蒸發(fā)流程見281面圖2-4-14真空系統(tǒng)由水噴射泵和多級離心式水泵組成該系統(tǒng)可以簡化設(shè)備流程，減少設(shè)備投資，簡便操作，運(yùn)動可靠等特點(diǎn)原理：水噴射泵通過抽氣產(chǎn)生真空，二次蒸汽冷凝成水三、蒸發(fā)濃縮過程的節(jié)能耗能：加熱汽化以濃縮，用冷凝溶劑排除熱能方法：循環(huán)利用熱能，多效蒸發(fā)〔大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)〕熱泵蒸發(fā)：二次蒸汽需加壓升溫后才能用作自身加熱介質(zhì)增加傳熱系數(shù)、降低傳熱溫度差、減少物料沸點(diǎn)上升教材中蒸發(fā)器選擇原那么第三節(jié)結(jié)晶設(shè)備一、結(jié)晶原理和起晶方法二、結(jié)晶設(shè)備一、結(jié)晶原理和起晶方法〔一〕結(jié)晶原理〔二〕起晶方法〔一〕結(jié)晶原理1、晶體的特點(diǎn)：具有幾何晶形、顏色的固體結(jié)晶：從溶液中結(jié)晶析出的過程，從熔融狀態(tài)受冷成晶體狀態(tài)凝結(jié)過程晶體：能量狀態(tài)最低，穩(wěn)定；純的化學(xué)均一性；形狀整齊，美觀2、溶解與結(jié)晶溶解：質(zhì)點(diǎn)向溶液中擴(kuò)散速度大于重新結(jié)晶析出的速度飽和溶液：動態(tài)平衡溶解度：飽和溶液中物質(zhì)溶解的量溶解度與溫度關(guān)系結(jié)晶過程：人為改變動態(tài)平衡，使結(jié)晶速度大于溶解速度，溶質(zhì)含量大于飽和溶液中的含量時，質(zhì)點(diǎn)聚集等放出能量，按一定規(guī)律排列析出。工業(yè)生產(chǎn)中結(jié)晶方法蒸發(fā)濃縮冷卻其他降低溶解度的方法3.過飽和溶液溶解度曲線連續(xù)曲線與折點(diǎn)檸檬酸：36.6度以上時，晶體沒有結(jié)晶水以下時，有一分子結(jié)晶水過飽和溶液：當(dāng)溶液中溶質(zhì)含量大于飽和溶液而沒有晶體析出時的溶液飽和曲線和過飽和曲線間：介穩(wěn)定區(qū)〔刺激起晶區(qū)和育晶區(qū)〕4.晶核的形成與晶體的長大晶核的形成：質(zhì)點(diǎn)由于碰撞結(jié)合成晶線，再擴(kuò)大成晶面，最后形成晶格〔晶核〕晶體的長大：質(zhì)點(diǎn)對晶核排列位置而有三種受力情況，先排列于受力最大的位置，逐行排列，形成面網(wǎng)，晶面提高晶體質(zhì)量的途徑大小，形狀和純度大?。哼^飽和度，冷卻速度，晶種形狀：控制晶體生長速度，過飽和度，結(jié)晶溫度，選擇不同的溶劑，溶液pH的調(diào)節(jié)和有目的的參加某種能改變晶形的雜質(zhì)等純度：晶體結(jié)塊結(jié)晶理論和毛細(xì)管吸附理論物理或化學(xué)原因，使晶體外表溶解并重結(jié)晶，于是晶粒之間在接觸點(diǎn)上形成了固體聯(lián)結(jié)，即形成晶橋，而呈現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象細(xì)小晶粒間形成毛細(xì)管其彎月面上的飽和蒸汽壓低于外部飽和蒸汽壓，為水蒸氣在晶粒間的擴(kuò)散創(chuàng)造條件。晶體總會存在一定濕度梯度。這種水分的擴(kuò)散會造成溶解的晶體移動從而為晶粒間晶橋提供飽和溶液，導(dǎo)致晶體結(jié)塊5.結(jié)晶速度境界膜〔飽和溶液〕阻礙其他質(zhì)點(diǎn)靠近晶核晶體生長包括：溶質(zhì)的擴(kuò)散和溶質(zhì)在晶核晶格排列兩個階段，相等時，晶體長大速度：重結(jié)晶將晶體用適宜的溶劑溶解再次結(jié)晶，能使純度提高。因?yàn)殡s質(zhì)和結(jié)晶物質(zhì)在不同溶劑和不同溫度下的溶解度不同用K1帶入K’結(jié)晶速度與過飽和溶液濃度差、結(jié)晶溫度、溶液黏度、境界膜厚度有關(guān)〔二〕起晶方法1.自然起晶：濃縮，過飽和2.刺激起晶：蒸發(fā)濃縮，過飽和介穩(wěn)定區(qū)，突然冷卻，晶核形成，升溫，介穩(wěn)定區(qū)，漫漫冷卻，攪拌，育晶3.晶種起晶：濃縮到介穩(wěn)定區(qū)，參加晶種，攪拌，均勻懸浮，為工業(yè)結(jié)晶過程常用方法其他：等電點(diǎn)法〔谷氨酸〕二、結(jié)晶設(shè)備〔一〕類型和特點(diǎn)類型：溶液濃度改變方法濃縮結(jié)晶設(shè)備〔蒸發(fā)濃縮，過飽和區(qū)起晶，煮晶設(shè)備〕、冷卻結(jié)晶設(shè)備〔降溫，過飽和區(qū)起晶，〕、等電點(diǎn)結(jié)晶設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況：間歇和連續(xù)設(shè)備〔二〕設(shè)計注意條件條件：溶液性質(zhì)、黏度、雜質(zhì)影響；結(jié)晶溫度、結(jié)晶體大小、形狀、長大速度攪拌裝置，大直徑攪拌槳葉，低轉(zhuǎn)速，形式根據(jù)溶液流動的需要和功率消耗情況選擇〔三〕攪拌結(jié)晶箱〔四〕結(jié)晶設(shè)備計算1.物料恒算：總物質(zhì)量平衡：溶質(zhì)物料平衡：結(jié)晶產(chǎn)量蒸發(fā)濃縮結(jié)晶非蒸發(fā)冷卻結(jié)晶2.熱量恒算1.原料液帶入熱量：2.溶質(zhì)結(jié)晶時釋放熱量：熔解熱3.加熱溶液的熱量：蒸發(fā)結(jié)晶，排除水量，冷卻結(jié)晶，04.隨母液帶走的熱量：5.隨結(jié)晶帶走的熱量：6.隨溶劑爭氣帶走的熱量：熱量計算冷卻帶走的熱量，蒸發(fā)結(jié)晶為0結(jié)晶設(shè)備向周圍散失的熱量3.結(jié)晶時間沒有新晶核產(chǎn)生，在晶種晶面上長大，A數(shù)考慮到從不飽和溶液到過飽和溶液需時〔t1〕、起晶時間〔t2〕、設(shè)備清洗間歇時間〔t3〕4.結(jié)晶設(shè)備容積和尺寸設(shè)備生產(chǎn)能力：容積：尺寸確定球底形煮晶鍋H/D一般為2~3，為2.5時蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)時，二次蒸汽流速1~3m/s5.結(jié)晶設(shè)備傳熱面積冷卻結(jié)晶設(shè)備：未自然起晶時，傳熱面積以最大傳熱量計算假設(shè)已到達(dá)育晶條件：面積較小，結(jié)晶速度與維持溶液一定過飽和濃度的降溫速度相等聯(lián)立方程計算間歇蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備：濃縮至起晶所需過飽和階段時，所需傳熱面積最大假設(shè)物料已達(dá)介穩(wěn)區(qū)育晶濃