第九章蒸发与结晶设备

生物工程设备第九章蒸发与结晶设备概述——蒸发蒸发：化工单元操作，生物工业应用广泛，目的是将溶液浓缩至一定浓度或稀溶液浓缩至规定浓度。生物工程产品特点：具有生物活性或热敏性实际应用：与电渗析、离子交换、超滤等配合使用；概述——结晶得到纯洁固体物质的方法之一味精、柠檬酸等与蒸发的区别：前者通过将过饱和溶液冷却、蒸发或投入晶种使溶质结晶析出，发生相变；后者将局部溶剂从溶液中排出，增大溶液浓度，溶质没发生相变本章重点蒸发、结晶设备工作原理设备设计、计算设备选型第一节常压与真空蒸发设备概述一、常压蒸发设备二、真空蒸发设备三、蒸发浓缩过程的节能概述蒸发浓缩：将局部溶剂汽化排除，提高浓度通常沸腾状态下进行蒸发器要求：加热热源充足；二次蒸汽的及时排除；热交换面积；真空蒸发优点：物料沸腾温度降低，防止或减少质变热交换温度差提高，传热强度大二次蒸汽屡次利用减少蒸发器热损失设备：热交换器、蒸发室、冷凝器和抽气泵自然蒸发与沸腾蒸发自然蒸发是溶液中的溶剂在低于其沸点下汽化，此种蒸发仅在溶液外表进行，故速率缓慢，效率很低。沸腾蒸发是在沸点下的蒸发，溶液任何局部都发生汽化，效率很高一、常压蒸发设备应用减少，麦芽汁煮沸锅将糊化、糖化、过滤后的麦芽汁煮沸浓缩到规定的发酵糖度麦芽汁煮沸锅结构形式：夹套加热式和内置加热式〔一〕夹套加热式麦芽汁煮沸锅组成：锅体、加热夹套、搅拌装置，结构参见教材271面图2-4-1煮沸锅及其传感器传感器及麦芽汁发酵西门子驱动器发酵监控麦汁发酵夹套中心加热区加热温度高，外夹套加热区温度低，加热区装有进汽管〔中上部〕、排冷凝水管〔最低位置〕和排不凝性气体管〔最上部〕材质：铜质〔加热面积0.1~1m2/m3麦芽汁〕,不锈钢〔0.6~1.2m2/m3麦芽汁〕搅拌器使物料受热均匀，沸腾前加速对流，提高传热系数，减缓过热和积垢形状：常用的为后弯曲圆周曲面搅拌器，曲面与锅低相似锅壁距离：5~10cm转速：30~40r/m排气管大小：液体蒸发面的1/30~1/50集液槽调节风门〔二〕内置加热式麦芽汁锅加热器位于锅体内部，通常为列管式，通过加热麦芽汁形成对流，优点：循环好，设备利用率高；锅体的加工制造本钱设备结构简单化二、真空蒸发设备——概述产品特点：多为热敏性物质此类物质受热变化取决于温度上下、受热时间长短；生物工业：低温蒸发；高温瞬时蒸发；真空蒸发：膜蒸发，很薄液层通过加热外表，升温、汽化、浓缩时间很短，几到几十秒单效蒸发、二效蒸发和多效蒸发蒸发粘度大，易结晶和结垢的物料〔一〕管式薄膜蒸发器液体沿加热管壁成膜进行蒸发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壁上呈膜状流动按液体流动方向：升膜式、降膜式、升降膜式升膜式薄膜蒸发器液膜与蒸发的二次蒸汽流动方向相同，由下而上，受热时间短，适用于发泡性强、黏度较小的热敏性物料关键：液体物料在管壁上形成连续不断的液膜，形成过程蒸发流程1.物料从加热器下部进料管进入，假设温度低于沸点，预热区加热至沸点，传热方式为自然对流，管内液面高度为管高的1/4~1/52.沸腾，液相为主混有蒸汽气泡增加的气泡结合成较大的气泡气泡体积增大形成柱状，上升带动周围局部液体运动蒸发流程管壁和气柱间液体向下运动，管壁液体蒸发，气柱增大，气柱间液膜消失，蒸汽位于管的中部空间，液体分布于管壁，形成环状液膜，“爬膜〞蒸发强度过大，干壁、结疤结焦等爬膜必要条件：足够传热温差和传热强度特点传热效率高，物料受热时间短浓缩倍数5倍管式膜式蒸发器由蒸发加热管、二次蒸汽液沫导管、别离器和循环管管径、长度选择：管径25~80mm，管长管径比：L/D=100~500之间套管式升膜蒸发器：蒸汽从内外管壁间隙环流过，蒸汽从管内流过大套筒式、板式升膜式蒸发器：〔二〕降膜式蒸发器料液从加热管子上部进入，分配器导流管进入加热管，沿管壁成膜状液体运动重力和二次蒸汽拖带作用力，下降速度较快通过分配器使液体均匀分布于管中齿形溢流口、导流棒、旋液导流器、分配筛板升降膜式蒸发器两组加热管，一组升膜式，一组降膜式；进入升膜加热管，沸腾蒸发后，气液混合物升至顶部然后转入降膜式蒸发管，进一步浓缩降膜式应用广泛，提高二次蒸汽利用率，3~5效〔三〕刮板式蒸发器刮板使料液成液膜，由转动轴、物料分配盘、刮板、轴承、轴封、蒸发室和夹套加热室构成液料从进料管进入分配盘，离心力作用下，盘壁小孔抛向盘壁，重力作用沿器壁下流，刮板刮成薄膜传热系数高时间短：几到几十秒刮板式蒸发器蒸发室：圆筒，直径300~500mm圆筒内外表圆度偏差0.05~2mm密封性好转轴转速：350~800r/m刮板线速度：2.5~9.6m/s，刮板与蒸发器圆筒间距0.5~1mm刮板式蒸发器计算蒸发面传热系数：——物料运动黏度n——刮板转数——物料的导热系数总传热系数物料存量气液逆流式刮板蒸发器稳定操作时前面是蒸发器周边的，后面是刮板卷带的，符号意义参见教材279面物料停留时间〔四〕离心膜式薄膜蒸发器离心盘产生离心力使溶液分布形成液膜结构见280面图2--4-13转鼓内梯形离心碟组，蒸汽进入碟片组间隙加热溶液在碟片组下碟片腹面被加热蒸发蒸发器特点传热系数很高蒸发流程见281面图2-4-14真空系统由水喷射泵和多级离心式水泵组成该系统可以简化设备流程，减少设备投资，简便操作，运动可靠等特点原理：水喷射泵通过抽气产生真空，二次蒸汽冷凝成水三、蒸发浓缩过程的节能耗能：加热汽化以浓缩，用冷凝溶剂排除热能方法：循环利用热能，多效蒸发〔大规模连续生产系统〕热泵蒸发：二次蒸汽需加压升温后才能用作自身加热介质增加传热系数、降低传热温度差、减少物料沸点上升教材中蒸发器选择原那么第三节结晶设备一、结晶原理和起晶方法二、结晶设备一、结晶原理和起晶方法〔一〕结晶原理〔二〕起晶方法〔一〕结晶原理1、晶体的特点：具有几何晶形、颜色的固体结晶：从溶液中结晶析出的过程，从熔融状态受冷成晶体状态凝结过程晶体：能量状态最低，稳定；纯的化学均一性；形状整齐，美观2、溶解与结晶溶解：质点向溶液中扩散速度大于重新结晶析出的速度饱和溶液：动态平衡溶解度：饱和溶液中物质溶解的量溶解度与温度关系结晶过程：人为改变动态平衡，使结晶速度大于溶解速度，溶质含量大于饱和溶液中的含量时，质点聚集等放出能量，按一定规律排列析出。工业生产中结晶方法蒸发浓缩冷却其他降低溶解度的方法3.过饱和溶液溶解度曲线连续曲线与折点柠檬酸：36.6度以上时，晶体没有结晶水以下时，有一分子结晶水过饱和溶液：当溶液中溶质含量大于饱和溶液而没有晶体析出时的溶液饱和曲线和过饱和曲线间：介稳定区〔刺激起晶区和育晶区〕4.晶核的形成与晶体的长大晶核的形成：质点由于碰撞结合成晶线，再扩大成晶面，最后形成晶格〔晶核〕晶体的长大：质点对晶核排列位置而有三种受力情况，先排列于受力最大的位置，逐行排列，形成面网，晶面提高晶体质量的途径大小，形状和纯度大小：过饱和度，冷却速度，晶种形状：控制晶体生长速度，过饱和度，结晶温度，选择不同的溶剂，溶液pH的调节和有目的的参加某种能改变晶形的杂质等纯度：晶体结块结晶理论和毛细管吸附理论物理或化学原因，使晶体外表溶解并重结晶，于是晶粒之间在接触点上形成了固体联结，即形成晶桥，而呈现结块现象细小晶粒间形成毛细管其弯月面上的饱和蒸汽压低于外部饱和蒸汽压，为水蒸气在晶粒间的扩散创造条件。晶体总会存在一定湿度梯度。这种水分的扩散会造成溶解的晶体移动从而为晶粒间晶桥提供饱和溶液，导致晶体结块5.结晶速度境界膜〔饱和溶液〕阻碍其他质点靠近晶核晶体生长包括：溶质的扩散和溶质在晶核晶格排列两个阶段，相等时，晶体长大速度：重结晶将晶体用适宜的溶剂溶解再次结晶，能使纯度提高。因为杂质和结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度不同用K1带入K’结晶速度与过饱和溶液浓度差、结晶温度、溶液黏度、境界膜厚度有关〔二〕起晶方法1.自然起晶：浓缩，过饱和2.刺激起晶：蒸发浓缩，过饱和介稳定区，突然冷却，晶核形成，升温，介稳定区，漫漫冷却，搅拌，育晶3.晶种起晶：浓缩到介稳定区，参加晶种，搅拌，均匀悬浮，为工业结晶过程常用方法其他：等电点法〔谷氨酸〕二、结晶设备〔一〕类型和特点类型：溶液浓度改变方法浓缩结晶设备〔蒸发浓缩，过饱和区起晶，煮晶设备〕、冷却结晶设备〔降温，过饱和区起晶，〕、等电点结晶设备运转情况：间歇和连续设备〔二〕设计注意条件条件：溶液性质、黏度、杂质影响；结晶温度、结晶体大小、形状、长大速度搅拌装置，大直径搅拌桨叶，低转速，形式根据溶液流动的需要和功率消耗情况选择〔三〕搅拌结晶箱〔四〕结晶设备计算1.物料恒算：总物质量平衡：溶质物料平衡：结晶产量蒸发浓缩结晶非蒸发冷却结晶2.热量恒算1.原料液带入热量：2.溶质结晶时释放热量：熔解热3.加热溶液的热量：蒸发结晶，排除水量，冷却结晶，04.随母液带走的热量：5.随结晶带走的热量：6.随溶剂争气带走的热量：热量计算冷却带走的热量，蒸发结晶为0结晶设备向周围散失的热量3.结晶时间没有新晶核产生，在晶种晶面上长大，A数考虑到从不饱和溶液到过饱和溶液需时〔t1〕、起晶时间〔t2〕、设备清洗间歇时间〔t3〕4.结晶设备容积和尺寸设备生产能力：容积：尺寸确定球底形煮晶锅H/D一般为2~3，为2.5时蒸发器内蒸发时，二次蒸汽流速1~3m/s5.结晶设备传热面积冷却结晶设备：未自然起晶时，传热面积以最大传热量计算假设已到达育晶条件：面积较小，结晶速度与维持溶液一定过饱和浓度的降温速度相等联立方程计算间歇蒸发结晶设备：浓缩至起晶所需过饱和阶段时，所需传热面积最大假设物料已达介稳区育晶浓