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第七章 蒸发与结晶设备v蒸发的目的:除去大部分水分,浓缩发酵液。v结晶的目的:获得纯净物质,尽可能提纯所得发酵产物纯度 。v蒸发和结晶的区别:浓缩液中有无液-固相变。本章重点:v理解的主要内容:1、麦芽汁煮沸锅的结构特 点及计算,2、管式薄膜蒸发器的原理、特点 及计算,3、结晶设备结晶的类型、特点及设 计,4、真空煮晶锅的结构、特点及设计,5 、结晶设备的新技术、新动向。v深刻掌握:1、薄膜蒸发器的特点、工作原理 及设计。本章习题:v1.真空蒸发系统都由哪些设备组成?v2.不凝气在蒸发系统如何排除? 关键设备是什么?v3.详述膜式蒸发罐的种类及其相应的结构。v4.结晶设备一定是结晶罐吗?若不是,其结构特点有哪些特 征?v5.例题7-1 要求浓缩单位为4000u/l,蒸发器内蒸发温度70 ,处理量500kg/h,混合冷凝器进口水温28v 蒸发操作作为化工领域的重要的操作单元之一 ,在生物工业中被广泛采用。由于生物工业所生产 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,这是蒸发浓缩操作在生物工业中应特 别注意的问题。v 在发酵工业中,蒸发操作常用于将溶液浓缩至 一定的浓度,使其他工序更为经济合理,如将稀酶 液浓缩到一定浓度在再进行沉淀处理或喷雾干燥, 或将稀溶液浓缩到规定浓度以符合工艺要求,如将 麦芽汁浓缩到规定浓度再进行发酵;或将溶液浓缩 到一定浓度以便进行结晶操作。v 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。v 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的 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。第一节 蒸发设备一、蒸发设备的分类:v1按操作压力v按操作空间的压力可分为:常压、加压或减压蒸发 。v减压蒸发也称真空蒸发。它是在减压或真空条件下 进行的蒸发过程,真空使蒸发器内溶液的沸点降低 ,其装置如图1所示。v 图中排气阀门是调节真空度的,在减压下当溶 液沸腾时,会出现冲料现象,此时可打开排气阀门 ,吸入部分空气,使蒸发器内真空度降低,溶液沸 点升高,从而沸腾减慢。v采用减压或真空蒸发其优点如下:v(1)由于减压沸点降低,加大了传热温度差,使 蒸发器的传热推动力增加,使过程强化。v(2)适用于热敏性溶液和不耐高温的溶液,即减 少或防止热敏性物质的分解。v(3)可利用二次蒸汽作为加热热源。v(4)蒸发器的热损失减少。v但另一方面,在真空下蒸发需要增设一套抽真空的 装置以保持蒸发室的真空度,从而消耗额外的能量 。保持的真空度愈高,消耗的能量也愈大。同时, 随着压力的减小,溶液沸点降低,其粘度亦随之增 大,常使对流传热系数减小,从而也使总传热系数 减小。此外,由于二次蒸汽的温度的降低使得冷凝 的传热温度差相应降低。v3按操作流程v可分为间歇式、连续式。v4按加热部分的结构v可分为膜式和非膜式。v薄膜蒸发具有传热效果好,蒸发速度快,无静压 头产生使得沸点升高的现象等优点,因此,薄膜 式蒸发技术得到了很大的发展,成为目前蒸发设 备的主流。二、膜式真空蒸发v1 单程型蒸发器v这一大类蒸发器的主要特点是:v 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,故习惯上又称为液膜式蒸发器( 实际上这一名称不够确切,因在循环型蒸发器的加 热管壁上溶液亦可作膜状流动)。根据物料在蒸发 器中流向的不同,单程型蒸发器又分为以下几种。(1)升膜式蒸发器v升膜式蒸发器的加热室由许多垂直长管组成,如图 。v 常用的热管直径为2550mm,管长和管径之比 约为100150。料液经预热后由蒸发器底部引入, 进到加热管内受热沸腾后迅速汽化,生成的蒸汽在 加热管内高速上升。溶液则被上升的蒸汽所带动, 沿管壁成膜状上升,并在此过程中继续蒸发,汽、 液混合物在分离器2内分离,完成液由分离器底部 排出,二次蒸汽则在顶部导出。v 为了能在加热管内有效的成膜,上升的蒸汽应 具有一定的速度。例如,常压下操作时适宜的出口 汽速一般为2050m/s,减压下操作时汽速则应更 高。因此,如果从料液中蒸汽的水量不多,就难以 达到上述要求的汽速,即升膜式蒸发器不适用于较 浓溶液的蒸发;它对粘度很大,易结晶或易结垢的 物料也不适用。管式升膜蒸发器BM系列薄膜蒸发发器 :蒸发发器为为升膜 式列管换热换热 器。设备设备 与物料接触部 分均采用不锈钢锈钢 制造,具有良好的耐 腐蚀蚀性能。(2)降膜式蒸发器v这种蒸发器(如图所示)和升膜式蒸发器的区别 在于,料液是从蒸发器的顶部加入,在重力作用 下沿管壁成膜状下降,并在此过程中不断被蒸发 而蒸浓,在其底部得到完成液。为了使液体在进 入加热管后能有效地成膜,每根管的顶部装有液 体分布器,其型式很多,图中列出几种常见的分 布器。v降膜式蒸发器可以蒸发浓度较高的溶液,对于粘 度较大(例如在0.050.45Ns/m2范围内)的物 料也能适用。但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。(3)升降膜式蒸发器v 将升膜和降膜式 蒸发器装在一个外壳中 即成升降膜式蒸发器 ,如图所示。预热后的 料液先经升膜式蒸发器 上升,然后由降膜式蒸 发器下降,在分离器中 和二次蒸汽分离即得完 成液。这种蒸发器多用 于蒸发过程中溶液粘度 变化很大、溶液中水分 蒸发量不大和厂房高度 有一定限制的场合。v由于溶液在单程型蒸发器中呈膜状流动,因而对流 传热系数大为提高,使得溶液能在加热室中一次通 过不再循环就达到要求的浓度。v溶液不再循环,带来的好处有:(1)溶液在蒸发 器中的停留时间很短,因而特别适用于热敏性物料 的蒸发;(2)整个溶液的浓度,不像循环型那样 总是接近于完成液的浓度,因而其温度差损失相对 地就较小;此外膜状流动时,液柱静压头引起的温 度差损失可以忽略不计;所以在相同操作条件下, 这种蒸发器的有效温差较大。v其主要缺点是: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;另外,它也不适用于易结晶和结垢物 料的蒸发。2.循环式薄膜蒸发器v图7-3 3刮板式蒸发器v这是一种利用外加动力成膜的单程型蒸发器,其结 构如图所示。蒸发器外壳带有夹套,内通入加热蒸 汽加热。v加热部分装有旋转的刮板,刮板本身又可分为固定 式和转子式两种,前者与壳体内壁的间隙为0.5 1.5mm,后者与器壁的间隙随转子的转数而变。 料液由蒸发器上部沿切线方向加入(亦有加至与刮 板同轴的甩料盘上的),在重力和旋转刮板刮带下 ,溶液在壳体内壁形成下旋的薄膜,并在下降过程 中不断被蒸发,在底部得到完成液。这种蒸发器的 突出优点是对物料的适应性很强,例如,对高粘度 和易结晶、结垢的物料都能适用。v其缺点是结构复杂,动力消耗大,每平方米传热面 约需1.53kw。此外,受夹套传热面的限制,其 处理量也很小。 4.离心薄膜式蒸发器v图7-55.蒸发器的配套设备v 蒸发器的附属设备有汽液分离器及冷凝与不凝 气体的排除装置。v(1)汽液分离器(捕沫器)v 从蒸发器溢出的二次蒸汽带有液沫,需要加以 分离和回收。在分离室上部或分离室外面装有阻止 液滴随二次蒸汽跑出的装置,称为分离器或捕沫器 。v1装于蒸发器顶盖下面的分离器,如图,装置是使 蒸汽的流动方向突变,从而分离了雾沫。(c)是用 细金丝,塑料丝等编成网带,分离效果好,压强降 较小,可以分离直径小于10m的液滴。(d)是蒸 汽在分离器中作圆周运动,因离心作用将气流中液 滴分离出来。2装于蒸发器外面的分离器,如图所示,(a)是隔 板式,(b)(c)(d)是旋风分离器,其分离效果较 好。(2)冷凝与不凝气体的排除装置在蒸发操作过程中,二次蒸汽若是有用物 料,应采用间壁式冷凝器回收;二次蒸汽不被 利用时,必须冷凝成水方可排除,同时排除不 凝性气体。对于水蒸气的冷凝,可采用汽、水 直接接触的混合式冷凝器。无论使用哪种冷 凝器,都要设置 真空装置,不断 排除不凝性气体 并向系统提供一 定的真空度。水 环真空泵、往复 式真空泵及喷射 泵是常用作抽真 空的设备。6.多效蒸发v若二次蒸汽被引入另一蒸发器作为热源,在 另一蒸发器中被利用,称为二效蒸发,依次 类推,如蒸汽多次被利用串联操作,则称为 多效蒸发。多效蒸发可提高初始加热蒸汽的 利用率。v多效蒸发的原理:将二次蒸汽作为加热蒸汽 引入为一效蒸发器。v效:每四个蒸发成为一效。多个蒸发器串联 ,形成多效。v多效蒸发的好处:减少蒸发所需的生蒸发量 。多效蒸发设备常见流程v并流:溶液和蒸汽并流。v逆流:溶液和蒸汽逆流。v错流:逆流和并流混用。v平流应视具体情况,选用适宜的蒸发器。下表列 出常见蒸发器的一些性能,供参考。一般选型时应考滤以下因素 。 v1溶液的粘度v蒸发过程中溶液粘度变化的范围,是选型首要考虑 的因素,各类蒸发器适用于溶液粘度的范围见上表 。v2溶液的热稳定性v长时间受热易分解、易聚合以及易结垢的溶液蒸发 时,应采用滞料量少、停留时间短的蒸发器。v3有晶体析出的溶液v对蒸发时有晶体析出的溶液应采用外加热式 蒸发器或强制循环蒸发器。v4易发泡的溶液v易发泡的溶液在蒸发时会生成大量层层重叠不易破碎的泡沫 ,充满了整个分离室后即随二次蒸汽排出,不但损失物料, 而且污染冷凝器。蒸发这种溶液宜采用外加热式蒸发器、强 制循环蒸发器或升膜式蒸发器。若将中央循环管蒸发器和悬 筐蒸发器设计大一些,也可用于这种溶液的蒸发。v5有腐蚀性的溶液v蒸发腐蚀性溶液时,加热管应采用特殊材质制成, 或内壁衬以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染,也可采 用直接接触式蒸发器。v6易结垢的溶液v无论蒸发何种溶液,蒸发器长久使用后,传 热面上总会有污垢生成。垢层的导热系数小 ,因此对易结垢的溶液,应考虑选择便于清 洗和溶液循环速度大的蒸发器。v7溶液的处理量v溶液的处理量也是选型应考虑的因素。要求 传热面积大于10m2时,不宜选用刮板搅拌薄 膜蒸发器,要求传热面在20 m2以上时,宜采 用多效蒸发操作。第二节 蒸发设备的计算与设计v例题7-1 现在要设计一个单流升膜真空蒸发器用来 浓缩井冈霉素发酵滤液,滤液单位10000u/ml,要求 浓缩液单位为30000u/ml;蒸发器内蒸发温度为60 ,处理量为600kg/h,加热蒸汽99,传热系数 K=4600kJ/(m2h);加热管采用252.5不锈钢, L/d=125,混合冷凝器进口水温33 ,系统漏入空 气量为2kg/h,;物料性质与水的物性数据相似。求 :设计一套升膜式真空蒸发器的流程;蒸发器 的传热面积和列管的根数与长度分离器的直径和 结构尺寸;真空系统的排气量(作为选用真空泵 的重要参数)。v解:设计蒸发流程v升膜真空蒸发系统如图所示,主要设备包括料液储罐,进料 流量计,蒸发器,冷凝器,真空发生器等。v蒸发器的传热面积和列管的根数与长度v根据题意蒸发器温度60 ,由60查其饱和水蒸汽压强为 149.4mmHg,相对真空度=760-149.4=610.6(mmHg).设计进料 温度低于沸点34,进料温度为60-4=56 . 加热段面积F1 蒸发水量Ve及蒸发段的面积F2 Q2=Veie 查60水的汽化潜热为2355.2kJ/kg 也可以用蒸发强度来计算v列管的根数与长度v选用252.5不锈钢管vL=125d=125(0.025-0.005)=3(m)v根数n=F/(dL)=6.76/(0.020
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