第二部分第四章蒸發(fā)與結晶設備

1、LOGO第四章 蒸發(fā)與結晶設備LOGO一、蒸發(fā)設備由于生物工業(yè)所生產的產品通常為具有生物由于生物工業(yè)所生產的產品通常為具有生物活性的物質，或對溫度較為敏感的物質，這是蒸活性的物質，或對溫度較為敏感的物質，這是蒸發(fā)濃縮操作在生物工業(yè)中應特別注意的問題。發(fā)濃縮操作在生物工業(yè)中應特別注意的問題。 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)濟合理。至一定的濃度，使其他工序更為經(jīng)濟合理。 蒸發(fā)與結晶之間最大區(qū)別在于，蒸發(fā)過程溶蒸發(fā)與結晶之間最大區(qū)別在于，蒸發(fā)過程溶質沒有發(fā)生相變，而結晶過程是溶質的結晶析出。質沒有發(fā)生相變，而結晶過程是溶質的

2、結晶析出。LOGO（一）蒸發(fā)的定義（一）蒸發(fā)的定義v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。v進行蒸發(fā)操作的設備稱為蒸發(fā)器。v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。 LOGO（二）蒸發(fā)的目的（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)操作取得濃溶液；2通過蒸發(fā)操作制取過飽和溶液，進而得到結晶產品。3將溶液蒸發(fā)并將蒸汽冷凝、冷卻，以達到純化溶劑的目的。LOGO（三）蒸發(fā)的分類按操作空間的壓力：按操作空間的壓力：常壓、加壓或減壓蒸發(fā)常壓、加壓或減壓蒸發(fā)按蒸汽利用情況：按蒸汽利用情況：單效蒸發(fā)、

3、二效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)單效蒸發(fā)、二效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)按操作流程：按操作流程：間歇式、連續(xù)式間歇式、連續(xù)式 按加熱部分的結構：按加熱部分的結構：膜式和非膜式膜式和非膜式LOGO（四）真空蒸發(fā)的優(yōu)點（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。LOGO（五）蒸發(fā)設備的要求1 1、充足的加熱熱源，以維持溶液的沸騰和補充溶劑、充足的加熱熱源，以維持溶液的沸騰和補充溶劑汽化所帶走的熱量。汽化所帶走的

4、熱量。2 2、保證溶劑蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。、保證溶劑蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。3 3、一定的熱交換面積，以保證傳熱量。、一定的熱交換面積，以保證傳熱量。LOGO（六）常壓蒸發(fā)設備（六）常壓蒸發(fā)設備啤酒廠麥芽汁煮沸鍋：（1）夾套加熱式麥芽汁煮沸鍋（2）內置加熱式麥芽汁煮沸鍋LOGO（1 1）夾套加熱式麥芽汁煮沸鍋）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，鍋的內部只有攪拌器，鍋體及上封頭均由紫銅板或不銹鋼板制作。LOGOLOGO另一種大型夾套加熱式麥芽汁煮沸鍋鍋底向內凹進，改善了鍋內物料的對流循

5、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行加熱。LOGOLOGO（2 2）內置加熱式麥芽汁煮沸鍋）內置加熱式麥芽汁煮沸鍋v將加熱器置于鍋體內部，也稱為內置加熱器麥芽汁煮沸鍋。v考慮到加工、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。列管式內加熱器 LOGOv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?；驅⒓訜崞靼惭b在原有煮沸鍋的中央，靠近鍋底，如下圖所示，這種結構形式，必須保

6、證充足的裝液量，使加熱器被完全浸沒。LOGO（七）真空蒸發(fā)設備（七）真空蒸發(fā)設備v為了縮短受熱時間，并達到所要求的蒸發(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，較好地保證了產品質量。 LOGO（1 1） 管式薄膜蒸發(fā)器管式薄膜蒸發(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LOGO1、管式升膜蒸發(fā)器、管式升膜蒸發(fā)器v升膜式蒸發(fā)濃縮設備是指在蒸發(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。v物料從加熱器下部的進料管進入，在加熱管內被

7、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入分離器，濃縮液從分離器底部排出，二次蒸汽進入冷凝器。LOGOLOGO升膜式蒸發(fā)器成膜原理升膜式蒸發(fā)器成膜原理 v升膜式蒸發(fā)器正常操作的關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、液兩相的變化及液膜形成的過程。LOGOLOGO2、套管式升膜蒸發(fā)器、套管式升膜蒸發(fā)器 v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、外管子面積總和。由于間隙截面積小，而加熱周邊面積大，故溶液進入加熱管后，很快就能吸

8、收足夠的熱量，產生大量的蒸汽，并達到必要氣流速度，使溶液能沿著內、外管子壁面形成爬膜狀況，故加熱管較短。LOGOLOGOLOGO3、套筒式升膜蒸發(fā)器、套筒式升膜蒸發(fā)器 v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，內圓筒上焊上3個支撐點，內、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。該設備用于低溫濃縮核苷酸溶液效果良好。LOGOLOGOLOGO（2 2）降膜式蒸發(fā)器降膜式蒸發(fā)器v降膜式蒸發(fā)器與升膜式蒸發(fā)器物的結構基本相同，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，進料口

9、在上面而分離器在下面。LOGOv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。LOGOv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種型式。 LOGOv 降膜蒸發(fā)器結構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-料液進口；b

10、加熱蒸汽進口； 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LOGOLOGO降膜蒸發(fā)器的特點降膜蒸發(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)加熱管內高速流動的蒸汽使產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。LOGO料液分配器料液分配器 v料液進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置料液分配裝置。下圖是目前常用的兩種分配器的型式。LOGOv旋液導流器也是常用的分配器，液體沿管壁周邊

11、旋轉向下，它有兩種形式。LOGO升降膜式蒸發(fā)器升降膜式蒸發(fā)器升降膜式蒸發(fā)器是在一個加熱器內安裝兩組加熱管，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，然后轉入另一半加熱管，再進行降股蒸發(fā)，濃縮液從下部進入汽液分離器，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。 LOGOLOGO升降膜蒸發(fā)器的特點升降膜蒸發(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，進入降膜蒸發(fā)，有利于降膜的液體均勻分布，同時

12、也加速物料的湍流和攪動，以進一步提高降膜蒸發(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)，可以提高產品的濃縮比，減低設備高度。LOGO（3 3）刮板式真空蒸發(fā)器）刮板式真空蒸發(fā)器 刮板式真空蒸發(fā)器是通過旋轉的刮板使液料形成液膜的蒸發(fā)設備。蒸發(fā)器的結構: 轉動軸、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成。 LOGOv液料從進料管以穩(wěn)定的流量進入隨軸旋轉的分配盤中，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

13、，并更新薄膜，這樣物料不斷形成新液膜蒸發(fā)濃縮，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 2一進料管 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LOGOLOGO（4 4）離心式薄膜蒸發(fā)器）離心式薄膜蒸發(fā)器 v這種設備是利用旋轉的離心盤所產生的離心力對溶液的周邊分布作用而形成薄膜。稀物料從進料管進入，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。L

14、OGOv 1-蒸發(fā)器 2-離心轉鼓 3-O形密封墊圈 4-加熱蒸發(fā)通道 5-套環(huán) 6-下碟片 7-上碟片 8-壓緊環(huán) 9-進料管及噴嘴 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-空心轉軸LOGO二、結晶設備二、結晶設備v結晶操作是獲得純凈固體物質的重要方法之一。發(fā)酵工業(yè)的許多產品，如谷氨酸鈉、檸檬酸、葡萄糖、核苷酸等都是用結晶的方法提純精制的。 藥用葡萄糖結晶罐 LOGO按照生產作業(yè)方式，結晶器分成間歇和連續(xù)兩大類；按照生產作業(yè)方式，結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，可將結晶設備分為按照形成過飽和溶液途徑的不同

15、，可將結晶設備分為濃縮結晶設備、冷卻結晶設備和其他結晶設備。濃縮結晶設備、冷卻結晶設備和其他結晶設備。結晶設備的結構及特點結晶設備的結構及特點LOGO（1 1）攪拌結晶箱）攪拌結晶箱v冷卻攪拌結晶設備比較簡單，對于產量較小，結晶周期較短的，多采用立式結晶箱。對于產量較大，周期比較長的，多采用臥式結晶箱。設備應具有：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，使結晶均勻的攪拌裝置。 LOGO立式結晶箱常用于生產量較小的檸檬酸結晶。其冷卻裝置為夾套或蛇管，蛇管中通入冷卻水或冷凍鹽水。結晶時間一般為96h，這樣得到的檸檬酸結晶顆粒比較粗大均勻。結晶成熟后，晶體連同母液一起從設備的錐底

16、排料孔放出。1.立式結晶箱LOGOLOGO2.2.等電點結晶罐等電點結晶罐v 等電點結晶同普通冷卻結晶一樣，都是過飽和溶液中溶質結晶析出過程，不同的只是因谷氨酸同時帶有正負電荷離子，在不同pH溶液下它有不同溶解度的特性，通過用酸調pH的辦法來改變它的溶解度，使其變成過飽和溶液結晶析出，只不過等電點罐為了適應味精生產大型化的需要，設備做得比較大。LOGO3. 3. 臥式結晶箱臥式結晶箱v 臥式結晶箱通常是U形半圓底的臥式長槽或敞口的臥放圓筒長槽，可應用于谷氨酸鈉的助晶和葡萄糖的結晶。v槽內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。LOGOLOGOLOGO4. 4. 真空煮晶鍋真空煮晶鍋v對于結晶速度比較快，容易自然起晶，且要求結晶晶體較大的產品，多采用真空煮晶鍋進行煮晶，如谷氨酸鈉、蔗糖等的結晶就采用這種設備