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1、1,第四章 蒸发与结晶设备,2,主要内容蒸发设备常压和真空蒸发设备真空蒸发原理和设备结晶设备结晶原理和方法结晶设备,教学目的与要求：了解蒸发、结晶设备的工作原理、设计及选型依据。,3,第一节 常压与真空蒸发设备,4,蒸发设备,蒸发：将稀溶液中的部分溶剂汽化并不断排除，使溶液浓度增加的单元操作过程。为了强化蒸发过程，工业上的蒸发设备通常在沸腾状态下进行，因为沸腾状况下传热系数高，蒸发速度快。蒸发设备必须满足的基本要求：1.热能的不断供给，以维持溶液的沸腾和补充溶剂汽化所带走的热量；2.保证溶剂蒸汽（二次蒸汽）的迅速排除；3.一定的热交换面积，以保证传热量。,5,一、常压蒸发设备,（一）夹套加热式
2、麦汁蒸煮锅（二）内加热式麦汁煮沸锅（三）外加热式麦汁煮沸锅,夹套加热式麦芽汁煮沸锅 1人孔 2杠杆 3二次蒸汽 4控制阀 5真空防止阀 6减压阀 7温度计 8压力表9视孔 10液位指示剂 11搅拌器 12放料阀 13蒸汽阀 14流体压力计 15减压阀 16内夹套 17外夹套 18不凝气排出管 19支架,每立方米麦芽汁需要0.1-1m2，或0.61.2m2加热面积,内置加热器式麦汁煮沸锅底部凸出内置加热器 中部内置加热器,8,优点：（1）麦汁温度可达106-108，可缩短煮沸时间60-70min。(2)由于密闭煮沸，可使麦汁色度减低，提高-苦味酸的异构化，提高酒花利用率。（3）蛋白凝固物较好分离
3、，因而发酵良好，啤酒过滤性能得到改善。（4）选择适当的管径和液体流速，可获得较高的自身清洁程度，每周可只清洗一次，节省时间和清洗碱液。,9,二、真空蒸发设备,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发生质变。沸腾温度降低，提高了加热蒸汽和溶液热交换的温度差，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。,旋转蒸发仪,11,（一）管式薄膜蒸发器 本质上是列管式换热器，蒸汽走壳程，物料走管程，通过列管壁进行热交换，在减压状态下，物料沿加热管壁成膜而进行快速蒸发。按液体的流动方向可分为：升膜式蒸发器:形成的液膜与蒸
4、发的汽流的方向相同，由下而上的并流上升。降膜式蒸发器：形成的液膜与蒸发的汽流的方向相同，由上而下并流向下。升降膜式蒸发器：将蒸发器的加热管分成两部分，溶液先以升膜式进行蒸发,再以降膜式进行蒸发。,12,升膜式蒸发器,升膜式蒸发器,15,管式升膜蒸发器,加热管直径、长度：管径不宜过大，一般为2580毫米管长与管径之比,16,关键是液膜的形成,升膜式蒸发器工作原理：依据虹吸泵原理操作，借助沸腾过程中产生的蒸汽泡的升力，液体和气泡并流向上流动，在管壁上产生流动的膜，即液体向上“爬膜”。,加热室,溶液在加热管中产生爬膜的必要条件：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强度达到足以带动溶
5、液成膜上升 的程度。,17,套管式升膜蒸发器,18,升膜式蒸发器的优缺点：,优点：溶液在蒸发器中不循环，停留时间很短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发；与循环型蒸发器相比，这种蒸发器的有效温差较大，温度差损失小。由于溶液呈膜状流动，因而对流传热系数较大。缺点：对进料负荷的波动相当敏感，当设计或操作不适当时不易成膜，此时，对流传热系数将明显下降，不适于黏度大，易结晶结垢物料的蒸发。,19,降膜式蒸发器,工作原理：降膜式蒸发器与升膜式蒸发器的结构基本相同，其主要区别在于原料液由加热管的顶部经分配器导流进入加热管，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动力的作用，其下降的速度比
6、较快，因此成膜的二次蒸汽流速比较小，对黏度较高的液体也较易成膜，并被蒸发浓缩，气液混合物由加热管底部进入分离室，经气液分离后，二次蒸汽由分离室顶部溢出，浓缩液则由底部排出。,20,降膜式蒸发器的分配器,齿形溢流口,导流棒,螺纹导流管,切线进料旋流器,21,降膜式蒸发器的优点：,可以浓缩高黏度的液体（1Pas以下）；停留时间短，可以处理热敏性物料，传热效果好，可在较低温差下操作，能够利用二次蒸汽，节约能源。适合蒸发浓度较高的物料，可以采用液体再循环的方式获得更高的浓缩比。适用于容易发泡的料液。制造费用不高，投资少，占地面积小。,因液膜在管内分布不易均匀，传热系数比升膜式蒸发器的较小，仍不适用易结
7、晶或易结垢的物料。,降膜式蒸发器的缺点：,三效降膜蒸发器,五效降膜蒸发器,三效降膜蒸发器流程图,升降膜式蒸发器,26,工作原理：是在一个加热器内安装两组加热管，一组是升膜式另一组是降膜式。物料先进入升膜管，沸腾蒸发后，汽液混合物上升至顶部，然后转入另一半加热管，再进行降膜蒸发，浓缩液从下部进入汽液分离器，分离后，二次蒸汽从分离器上部排入冷凝器，浓缩液从分离器下部出料。,27,2、有利于降膜液体的分布，同时也能加速物料的湍动和搅动，以进一步提高降膜蒸发的传热系数。,1、符合物料的浓度要求。,3、用升膜来控制降膜的进料分配，有利于操作控制。,4、两个浓缩过程串联，可提高产品的浓缩比，减低设备高度。
8、,升降膜式蒸发器的特点,28,（二）刮板式蒸发器通过旋转的刮板使液料形成液膜的蒸发设备工作原理：它主要由加热夹套和刮板组成，夹套内通加热蒸汽，刮板装在可旋转的轴上，刮板和加热夹套内壁保持很小间隙，通常为0.51.5 mm。料液经预热后由蒸发器上部沿切线方向加入，在重力和旋转刮板的作用下，分布在内壁形成下旋薄膜，并在下降过程中不断被蒸发浓缩，完成液由底部排出，二次蒸汽由顶部逸出。,29,30,31,32,刮板式蒸发器的优缺点：,优点：热阻影响小，传热系数大，物料停留时间短，适于处理高黏度、易结晶结垢、含固体颗粒较多的热敏性物料。缺点：结构复杂、动力消耗大、处理量小且制造安装要求精度高。,（三）离
9、心式薄膜蒸发器,工作原理：利用旋转的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。,结构：,1-蒸发器 2-离心转鼓 3-O形密封垫圈4-加热蒸发通道5-套环 6-下碟片 7-上碟片 8-压紧环 9-进料管及喷嘴 10-视镜 11-浓缩液吸出管 12-套环的垂直通道 13-二次蒸汽排出管 14-冷凝水排出管 15-空心转轴,36,第二节 结晶设备,37,结晶技术 结晶操作是获得纯净固体物质的重要方法之一。发酵工业的许多产品，如谷氨酸钠、柠檬酸、葡萄糖、核苷酸等都是用结晶的方法提纯精制的。蒸发与结晶之间最大区别在于，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，而
10、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。有的工厂将蒸发与结晶过程置于蒸发器中连续进行，这样虽然可以节约设备投资，但对结晶晶体质量、结晶提取率即产品提取率将造成负面影响。,38,结晶概念：晶体是具有一定几何晶形，一定颜色的固体。物质自溶液中成晶体状态析出，或从熔融状态受冷时成晶体状态凝结的过程称为结晶。结晶原理 溶液中的溶质含量超过它饱和溶液中溶质含量时，溶质质点间的引力起主要作用，溶质间彼此靠近、碰撞、聚集放出能量，并按一定规律排列而析出。,一、结晶设备的类型和特点,39,起晶方法：自然起晶：溶剂蒸发进入不稳定区形成晶核、当产
11、生一定量的晶种后，加入稀溶液使溶液浓度降至亚稳定区，新的晶种不再产生，溶质在晶种表面生长。刺激起晶法：将溶液蒸发至亚稳定区后，冷却，进入不稳定区，形成一定量的晶核，此时溶液的浓度会有所降低，进入并稳定在亚稳定的养晶区使晶体生长。晶种起晶法：将溶液蒸发至亚稳定区后，冷却，进入不稳定区，形成一定量的晶核，此时溶液的浓度会有所降低，进入并稳定在亚稳定的养晶区使晶体生长。,结晶设备：浓缩结晶设备（煮晶设备）、冷却结晶设备、等电点结晶设备等。,40,二、设计结晶设备应注意的条件 应考虑溶液的性质、黏度、杂质的影响，结晶温度，结晶体的大小、形状及结晶长大速率特性等条件，以保证结晶良好，结晶速率快。结晶设备
12、应有搅拌装置（搅拌桨叶、锚式搅拌、立式搅拌框），排料阀采用流线型直通阀（必要时可安装保温夹层），搅拌轴应安装保险装置，管道应适当加大或严格保温以防止结晶的堵塞，采用不锈钢或搪玻璃材料，保证内壁光滑，使晶体不易粘壁，并易于清洗和灭菌。,41,三、搅拌结晶箱的结构,立式搅拌结晶箱、蛇管式,锚式搅拌器、夹套式,产量较小，结晶周期短的柠檬酸结晶,马达,减速器,搅拌轴,进料口,出料口,框式搅拌器,冷却蛇管,1、立式冷却结晶锅,42,2、等电点结晶罐,等电点结晶设备的形式与冷却结晶设备较相似，区别在于等电点结晶时溶液比较稀薄要使晶种悬浮，搅拌转速相对较高（20-60r/min)；同时要选用耐腐蚀材料，以防
13、加酸调整pH的腐蚀作用。罐底有锥形的也有平底的搅拌是关键部件，它的作用主要是保证晶种均匀悬浮，使谷氨酸结晶良好，并使加酸后溶液的pH迅速均匀和增加传热系数，增大降温速度，使溶液温度一致。采用降温结晶，通常采用冷盐水或氨降温；由于要求降温速度很慢，故传热面积不大，可采用蛇管或排管（不要太密），罐身需加绝热材料保温层，以减少低温时的冷量消耗。,43,3、卧式搅拌结晶箱,卧式搅拌结晶箱,搅拌桨叶,产量较大，结晶周期长的谷氨酸钠、葡萄糖的结晶,1.马达 2.减速器 3.轴封 4.轴 5.左旋搅拌桨叶 6.右旋搅拌叶桨 7.夹套 8.支脚 9.排料阀,1一电动机 2一减速器 3一排料阀 4一夹套 5一锚
14、式搅拌器6一温度计7一视镜 8一气液分离器 9一淋水管 10一比重计,四、真空结晶锅,1、普通真空结晶锅,45,结构：加热蒸发室加热夹套气液分离室搅拌器,优点：可以控制溶液的蒸发速度和进料速度，以维持一定的过饱和度进行育晶，同时采用连续通入未饱和液来补充溶质的量，使晶体长大，提高设备的利用率。,普通真空结晶锅,奥斯陆（Oslo）蒸发结晶器-中试设备,2、Krystal-Oslo型结晶器,奥斯陆（Oslo）蒸发结晶器-生产设备,49,这种类型的结晶器是2 0 世纪2 0 年代由挪威人Jeremiassen（耶雷米亚斯）提出的，也常称之为Oslo结晶锅、Krystal结晶器或粒度分级型结晶器，在工
15、业上曾得到较广泛的应用。它的主要特点为过饱和度产生的区域与晶体生长区分别设置在结晶器的两处，晶体在循环母液流中流化悬浮，为晶体生长提供一个良好的条件。,密闭式Krystal-Oslo型结晶器,50,3、DTB真空式结晶锅,DTB型蒸发结晶器 即导流筒-挡板蒸发结晶器，也是一种晶浆循环式结晶器。器下部接有淘析柱，器内设有导流筒和筒形(裙式）挡板。操作时热饱和料液连续加到循环管下部，加热后的溶液在导流筒底部附近流入结晶器，并由缓慢转动的螺旋桨沿导流筒送至液面。溶液在液面蒸发冷却，达过饱和状态，其中部分溶质在悬浮的颗粒表面沉积，使晶体长大。在环形挡板外围还有一个沉降区。在沉降区内大颗粒沉降，而小颗粒
16、则随母液入循环管并受热溶解。晶体于结晶器底部入淘析柱。为使结晶产品的粒度尽量均匀，将沉降区来的部分母液加到淘析柱底部，利用水力分级的作用，使小颗粒随液流返回结晶器，而结晶产品从淘析柱下部卸出。,DTB型蒸发结晶器,53,4、冷却式连续结晶器,控制溶液的过饱和浓度,1 脱色液高位罐 2 热水罐 3 板式换热器 4 真空结晶罐5 卧式结晶箱 6 三足式离心机 7 味精母液槽 8真空冷却器9 吊车 10 湿味精储罐 11震动干燥箱 12热风机 13 旋风分离器,味精结晶干燥工艺流程图,55,蒸发设备真空蒸发原理和设备结晶设备结晶原理和方法结晶设备,56,思考题,升膜式蒸发器和降膜式蒸发器各适什么特点的物料？,
