蒸发和结晶设备介绍

1、蒸发和结晶设备介绍 浓缩：从溶液中除去部分溶剂的单元操作。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。 蒸发浓缩手段常与电渗析、离子交换、超滤等浓缩方法共同配合使用，以达到浓缩过程经济合理的目的。结晶是将高浓度的溶液或过饱和溶液缓慢冷却（或蒸发），使溶质慢慢形成晶体析出的过程。结晶操作是获得纯净固体物质的重要方法之一。蒸发与结晶之间区别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；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得多。蒸发蒸发浓缩是将稀溶液中的部分溶剂汽化并不断排除，使溶液

2、浓度增加。为了强化蒸发过程，工业上应用的蒸发设备通常是在沸腾状态下进行的，并且根据物料特性及工艺要求采取相应的强化传热措施，以提高蒸发浓缩的经济性。蒸发器的分类(一)按二次蒸汽利用次数1、单效浓缩装置2、多效浓缩装置3、带有热泵的浓缩装置(二)按料液流程1、循环式 自然与强制循环2、单程式(三)按加热器结构1、盘管式浓缩器2、中央循环管式浓缩器3、升膜式浓缩器4、降膜式浓缩器5、片式浓缩器6、刮板式浓缩器7、外加热式浓缩器（四）按蒸发压力（1）常压蒸发设备（2）真空蒸发设备蒸发器的基本要求充足的加热热源。保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。一定的热交换面积，以保证传热量。蒸发设备组成蒸发设备一

3、般由热交换器、蒸发室、冷凝器和抽气泵等组成。蒸发器须考虑溶液的特性（1） 耐热性（2） 结垢性（3） 发泡性（4） 结晶性（5） 腐蚀性（6） 粘滞性选择、设计蒸发设备时要满足： （1）满足工艺要求，溶液的浓缩比恰当，浓缩后的收得率高，保持溶液的特性。 （2）传热良好，传热系数高，热利用效率高 （3）结构合理紧凑，操作清洗方便，安全可靠。 （4）动力消耗要小。 （5）易于加工制造，维修方便，既要节省材料，又要保证足够的机械强度。真空蒸发设备 真空蒸发设备生物工业中大部分中间产物和最终产物是热敏性物质。热敏性物质受热后所产生的变化与温度的高低、受热时间长短相关。生物工业中常采用低温蒸发，或在相对

4、较高的温度条件下瞬时蒸发。为了缩短受热时间，并达到所要求的蒸发浓缩量，通常采用膜蒸发。真空蒸发的优点物料沸腾温度降低，避免或减少物料受高温所产生的质变。沸腾温度降低，提高了热交换的温度差，增加了传热强度。为二次蒸汽的利用创造了条件，可采用双效或多效蒸发，提高热能利用率由于物料沸点降低，蒸发器热损失减少。一、管式薄膜蒸发器这类蒸发器的特点是液体沿加热管壁成膜而进行蒸发。按液体的流动方向可分为：升膜式、降膜式、升降膜式等。 （一）升膜式蒸发浓缩设备升膜式蒸发浓缩设备是指在蒸发器中形成的液膜与蒸发的二次蒸汽气流方向相同，由下而上并流上升。升膜式蒸发器 1.加热室 2.汽液分离器 液膜的形成过程 （爬

5、膜） 升膜式蒸发器正常操作的关键是让液体物料在管壁上形成连续不断的液膜。溶液在加热管中产生爬膜的必要条件溶液在加热管中产生爬膜的必要条件是要有足够的传热温差和传热强度，使蒸发的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。 温度差对蒸发器的传热系数影响较大由于沸腾传热系数与液体流速成正比，随着升膜速度的增加，传热系数不断增大。管内是汽液混合物，因液体静压强所引起的沸点升高所产生的温差损失几乎完全可以避免，增加了传热温度差，传热强度增加。 如传热温差过大或蒸发强度过高，传热表面产生蒸汽量大于蒸汽离开加热面的量，则蒸汽就会在加热表面积积聚形成大气泡，甚至覆盖加热面，使液体不能浸润管壁，这时传

6、热系数迅速下降，同时形成“干壁”现象，导致蒸发器非正常运行。 升膜式蒸发器正常操作的关键是让液体物料在管壁上形成连续不断的液膜。为保证设备的正常操作，应维持在爬膜状态的温度差，并且控制一定的蒸发浓缩倍数，一般为 5倍。保持真空度稳定。升膜蒸发器的特点传热效率高。物料在蒸发器中受热时间很短，对热敏性物料的影响相对较小。此种蒸发器对于发泡性强、粘度较小的热敏性物料较为适用。不适用于粘度较大，受热后易产生积垢或浓缩时有晶体析出的物料。浓缩倍数不宜太大。升膜式蒸发的传热系数 升膜式蒸发的传热系数是不稳定的，它是随操作状况而变化。 一条加热管中出现成膜过程有几个阶段，各阶段的传热系数各不相同。 加热段，

7、内部液体只靠自然对流循环，传热系数很低，加热段的长度随进料温度和温度差不同而变化。 物料受热后，沸腾传热系数得到很大的提高，但传热系数是随管子高度而变化的 管式升膜蒸发器 管式升膜蒸发器由蒸发加热管、二次蒸汽液沫导管、分离器和循环管4部分组成。 对于加热管子直径、长度选择要适当。管径不宜过大，一般在2580mm之间，管长与管径之比一般为L/D=100500。 套管式升膜蒸发器 套筒式升膜蒸发器 该设备用于低温浓缩核苷酸溶液效果良好。 板式升膜蒸发器的高度很小。该设备结构紧凑，传热系数高。板式升膜管断面图板式升膜蒸发器板式升膜蒸发器板式升膜蒸发器板式蒸发器特点蒸发时间很短，2s左右；液流分布均匀

8、，不易结垢；传热系数高，可达2h；可处理高粘度的料液；结构紧凑，拆卸清洗方便 （二）降膜式蒸发器降膜式蒸发器中，物料溶液从加热管子上部进入，经分配器导流管进入加热管，沿管壁成膜状向下流。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，对粘度较高的液体也较易成膜。关键的问题是液料的分配。为了使液体均匀分布于各加热管中，可采用不同的分配器。 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。1齿形溢流口 液体流过

9、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。2导流棒 3旋液导流器螺纹导流管切线进料旋流器切线进料旋流器 4.分配筛板又称淋洒分配，是利用液体的自流作用进行分配。这种分配设备简单，但只宜用作稀薄溶液的分配。对粘稠物料难以分配均匀。 1. 筛板 2.加热管 5.分配盘 1.插入管2.小孔 3.加热管 降膜蒸发器的特点（1）可以浓缩高粘度的液体。（2）停留时间短，可以处理热敏性物料。（3）特别适用于多效蒸发，节约能源。（3）一次通过的浓缩比不大于7,最适宜的蒸发量不大于进料量的80% 。（4）适用于容易发泡的料液。（5）制造费用不高

10、，投资少，占地面积小。 缺点：物料不易分配均匀。 目前已大量使用的有25效的带热泵和余热回收的大中型降膜蒸发浓缩系统。其最小蒸汽用量为每蒸发1kg水分仅耗加热蒸汽。三效顺流降膜蒸发器装置 双效降膜式真空浓缩蒸发设备流程图 1.蒸汽分配器 2.流量计 3.物料泵 4.平衡槽 5.多级水泵 6.水喷射泵 7.冷却水池 8.预热器 9.分离器 10.浓液泵 11.第效蒸发器 12.冷凝水泵 13.蒸汽喷射热泵14.第I效蒸发器 15.加热杀菌管 16.保温管 降膜式三效真空蒸发器（三）升降膜式蒸发器升膜与降膜式蒸发器各有优缺点，可以互补不足。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

11、另一组作降膜式。升降膜式蒸发器1.升膜管2.降膜管3.冷凝水排出管4.进料管 5.加热蒸汽管 升降膜蒸发器的特点（1）符合物料的要求。（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，同时也加速物料的湍流和搅动，以进一步提高降膜蒸发的传热系数。（3）用升膜来控制降膜的进料分配，有利于操作控制。 （4）将两个浓缩过程串联，可以提高产品的浓缩比，减低设备高度。板式升降膜真空蒸发器二、刮板式蒸发器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。它是由转动轴、物料分配盘、刮板、轴承、轴封、蒸发室和夹套加热室等部分构成。刮板式真空蒸发器 1.电机 2.进料管3.加热蒸汽管 4

12、.排料口 5.冷凝水排出孔 6.刮板7.分配盘8.除沫器9.二次蒸汽排出管刮板式薄膜蒸发器 蒸发室（夹套加热室）是一个夹套圆筒，加热夹套设计可根据工艺要求与加工条件而定。圆筒的直径一般不宜过大。蒸发器加热室的圆室的圆筒内表面必须经过精加工，圆度偏差在。蒸发器上装有良好机械轴封，一般为不透性石墨与不锈钢的端面轴封，安装后进行真空试漏检查 。刮板式蒸发器 转轴的转速一般为 350800r/min，由刮板的线速度在 来决定。轴要有足够的机械强度。刮板最好采用塑料刮板或弹性支撑。 刮板与轴的夹角称为导向角，一般都装成与旋转方向相同的顺向角度，以帮助物料向下流。角度的大小可根据物料流动性能来变动，一般为

13、10左右。角度越大，物料的停留时间则越小。刮板式蒸发器刮板式蒸发器的特点故传热系数较高。适用于浓缩高粘度物料或含有悬浮颗粒的液料。蒸发期间由于液层很薄，因液层而引起的沸点上升可以忽略。液料在加热区停留时间很短。刮板式蒸发器的结构比较简单，但因具有转动装置，且要求真空，故设备加工精度要求较高。刮板蒸发器的种类按刮板的装置方式有固定式刮板和离心式刮板之分；离心式刮板是将刮板做成用活接头连接或用沟槽嵌入,当轴旋转时，因离心力的作用使刮板压向传热面，根据离心力的大小和料液的粘度，形成的膜具有不同的厚度（最薄可达毫米）。 立式固定刮板蒸发器离心式嵌入刮板蒸发器 三、离心式薄膜蒸发器 这种设备是利用旋转的

14、离心盘所产生的离心力对溶液的周边分布作用而形成薄膜。 这种蒸发器在离心力场的作用下具有很高传热系数。离心薄膜蒸发器离心式薄膜蒸发器离心薄膜式蒸发器 1.出料管 2.分配管 3.喷嘴 4.离心盘 5.间隔 6.电动机 7.三角皮带 8.空心转轴 离心薄膜蒸发器结构图 1.清洗管 2.进料管 3.蒸发器外壳 4.浓缩液槽5.物料喷嘴 6.上碟片7.下碟片 8. 蒸汽通道9.二次蒸汽排出管 10.马达 11.液力联轴器12.皮带轮 13排冷凝水管14.进蒸汽管 15.浓液通道16.离心转鼓 17.浓缩液吸管18.清洗喷嘴离心薄膜蒸发设备流程图 l.平衡槽 2.进料螺杆泵 3.蒸发器 4.喷射泵 5.

15、水池 6.水泵 7.浓缩液贮罐 8.出料螺杆泵 采用螺杆泵进料压力较高，进料稳定，以保证均匀喷入离心碟片蒸发。采用水喷射泵与多级离心式水泵组成的真空系统可简化设备流程，减少设备投资，简便操作，运行可靠，降低对冷却水的水质要求。水喷射泵具有满足系统要求真空的抽气作用，又有将二次蒸汽冷凝成水的冷凝作用。四、蒸发设备的生产强度热效率：在蒸发操作中，每千克加热蒸汽所蒸出的水量称为热效率。蒸发强度：定义单位传热面积的蒸发量为蒸发器的生产强度Ukg/（m2h），也称蒸发强度。蒸发设备的生产强度的大小取决于蒸发器的传热温度差与传热系数的乘积和蒸发的操作工艺。提高膜式蒸发器生产强度的途径物料要接近沸点进料；要

16、采用合适的t温度；要有足够的冷凝量；合适的真空泵及真空管道配置。五、蒸发浓缩过程的节能1. 循环利用热能（1）多效蒸发。 由于传热温度差与沸点上升的存在，效数不能增得太多，最多达67效 多效蒸发只能在规模较大的连续生产系统中应用，对于中小规模的设备难以实现。效效效加热蒸汽料液二次蒸汽完成液冷凝水冷凝水冷凝水并流（顺流） 效蒸发流程图效效效加热蒸汽料液二次蒸汽完成液冷凝水冷凝水冷凝水逆流 效蒸发流程图 效效效加热蒸汽料液二次蒸汽完成液冷凝水冷凝水冷凝水平流 效蒸发流程图完成液完成液 （2）热泵蒸发二次蒸汽因为其蒸汽温度较低，不能用作自身的加热介质。如能提高其蒸汽压力，也就是提高其蒸汽温度便可重新利用。提高压力的办法可以用热泵蒸发的办法。带热泵的四效蒸发器工艺流程 2.强化传热过程 热量的传递是与传热系数、温度差和传热面积成正比的。 当要降低传