第二部分第四章蒸发与结晶设备
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第四章 蒸发与结晶设备
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一、蒸发设备
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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。
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。
蒸发与结晶之间最大区别在于，蒸发过程溶 质没有发生相变，而结晶过程是溶质的结晶析出。
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采用减压或真空蒸发其优点如下：
（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。
（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。
（3）可利用二次蒸汽作为加热热源。
（4）蒸发器的热损失减少。
（五）蒸发设备的要求
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1、充足的加热热源，以维持溶液的沸腾和补充溶剂 汽化所带走的热量。
（一）蒸发的定义
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❖蒸发是将溶液加热后，使其中部分溶剂汽化 并被移除从而提高溶液浓度即溶液被浓缩 的过程。
❖进行蒸发操作的设备称为蒸发器。
❖为了便于区分，把作为热源的水蒸气称作加 热蒸汽或一次蒸汽，把从溶液中汽化出来的 蒸汽称做二次蒸汽。
（二）蒸发的目的
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蒸发的目的主要有三方面：
1．利用蒸发操作取得浓溶液；
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3、套筒式升膜蒸发器
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❖升膜式蒸发器也有采用大套筒形式。外加热 圆筒直径为300mm，内加热圆筒直径为 282 mm，圆筒间隙为4mm。为保持各间 隙一致成膜均匀，内圆筒上焊上3个支撑点， 内、外加热面同时通入蒸汽加热时，蒸发液 料即在筒间间隙爬膜上升。该设备用于低温 浓缩核苷酸溶液效果良好。
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❖同时，由于液流加速方向与重力方向一致， 加速压头所引起的沸点升高也没有了。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，对黏 度较高的液体也较易成膜。降膜比升膜具 有更多的优点，是目前越来越广泛采用的 一种型式。
❖ 降膜蒸发器结构 1-料液分配器；2-加 热列管；3-蒸汽挡板； 4-分离器；5-冷凝水 液位计 a-料液进口； b－加热蒸汽进口； c-不凝性气体排除口； d-冷凝水出口；e浓缩液出口；f-二次 蒸汽出口
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降膜蒸发器的特点
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(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。
2、保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。 3、一定的热交换面积，以保证传热量。
（六）常压蒸发设备
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啤酒厂麦芽汁煮沸锅： （1）夹套加热式麦芽汁煮沸锅 （2）内置加热式麦芽汁煮沸锅
（1）夹套加热式麦芽汁煮沸锅
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传统的夹套加热式 麦芽汁煮沸锅是圆筒球 底麦汁煮沸锅，圆形麦 汁煮沸锅容积小，其加 热夹套以紫铜制作，布 置在锅的底部，锅的内 部只有搅拌器，锅体及 上封头均由紫铜板或不 锈钢板制作。
2．通过蒸发操作制取过饱和溶液，进而得到 结晶产品。
3．将溶液蒸发并将蒸汽冷凝、冷却，以达到 纯化溶剂的目的。
（三）蒸发的分类
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按操作空间的压力： 常压、加压或减压蒸发
按蒸汽利用情况： 单效蒸发、二效蒸发和多效蒸发
按操作流程： 间歇式、连续式
按加热部分的结构： 膜式和非膜式
（四）真空蒸发的优点
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1、管式升膜蒸发器
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❖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。
❖物料从加热器下部的进料管进入，在加热 管内被加热蒸发拉成液膜，浓缩液在二次 蒸汽带动下一起上升，从加热器上端沿汽 液分离器筒体的切线方向进入分离器，浓 缩液从分离器底部排出，二次蒸汽进入冷 凝器。
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（2）降膜式蒸发器
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❖降膜式蒸发器与升膜式蒸发器物的结构基本 相同，但由于液膜与蒸汽的流动方向是由上 到下，所以与升膜式蒸发器相反，进料口在 上面而分离器在下面。
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❖料液由顶部加入，通过液料分配器均匀地 分配到每根加热管中被加热蒸发，因重力 的影响增加了蒸汽的抽拉作用和液膜的流 动速度，所以在同样条件下降膜蒸发器的 液膜比升膜要薄，传热系数也较大。
（七）真空蒸发设备
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❖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，让溶液在蒸发器的 加热表面以很薄的液层流过，溶液很快受热 升温、汽化、浓缩，浓缩液迅速离开加热表 面。膜蒸发浓缩时间很短，一般为几秒到几 十秒。因受热时间短，较好地保证了产品质 量。
（1） 管式薄膜蒸发器
1、管式升膜蒸发器 2、套管式升膜蒸发器 3、套筒式升膜蒸发器
❖考虑到加工、清洗等因素， 加热器常采用列管式，对 于较大体积的麦芽汁煮沸 锅，采用带有中央循环管 的加热器为宜，以利于物 料循环及提高热交换效率。
列管式内加热器
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❖加热器可置于锅的底部，锅 底向外凸出，以放置加热器， 如上图所示，物料循环较好， 操作弹性大。或将加热器安 装在原有煮沸锅的中央，靠 近锅底，如下图所示，这种 结构形式，必须保证充足的 装液量，使加热器被完全浸 没。
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另一种大型夹套加热式麦芽 汁煮沸锅锅底向内凹进，改 善了锅内物料的对流循环， 2个加热区采用不同的加热 温度，中心加热区能承受较 高的压力，使用较高的加热 温度。外夹套加热区圆周直 径大，耐压能力差，采用较 低压力的蒸汽进行加热。
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（2）内置加热式麦芽汁煮沸锅
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❖将加热器置于锅体内部， 也称为内置加热器麦芽汁 煮沸锅。
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升膜式蒸发器成膜原理
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❖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。液膜在长管中形成过程如图 所示, 图a-h是分阶段解释在长管中 气、液两相的变化及液膜形成的过 程。
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2、套管式升膜蒸发器
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❖为了减少升膜式蒸发器管长，可采用套管办 法来缩短管长。这是用于链霉素浓缩的蒸发 器，其传热面积为内、外管子面积总和。由 于间隙截面积小，而加热周边面积大，故溶 液进入加热管后，很快就能吸收足够的热量， 产生大量的蒸汽，并达到必要气流速度，使 溶液能沿着内、外管子壁面形成爬膜状况， 故加热管较短。
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一、蒸发设备
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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。
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。
蒸发与结晶之间最大区别在于，蒸发过程溶 质没有发生相变，而结晶过程是溶质的结晶析出。
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采用减压或真空蒸发其优点如下：
（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。
（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。
（3）可利用二次蒸汽作为加热热源。
（4）蒸发器的热损失减少。
（五）蒸发设备的要求
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1、充足的加热热源，以维持溶液的沸腾和补充溶剂 汽化所带走的热量。
（一）蒸发的定义
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❖蒸发是将溶液加热后，使其中部分溶剂汽化 并被移除从而提高溶液浓度即溶液被浓缩 的过程。
❖进行蒸发操作的设备称为蒸发器。
❖为了便于区分，把作为热源的水蒸气称作加 热蒸汽或一次蒸汽，把从溶液中汽化出来的 蒸汽称做二次蒸汽。
（二）蒸发的目的
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蒸发的目的主要有三方面：
1．利用蒸发操作取得浓溶液；
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3、套筒式升膜蒸发器
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❖升膜式蒸发器也有采用大套筒形式。外加热 圆筒直径为300mm，内加热圆筒直径为 282 mm，圆筒间隙为4mm。为保持各间 隙一致成膜均匀，内圆筒上焊上3个支撑点， 内、外加热面同时通入蒸汽加热时，蒸发液 料即在筒间间隙爬膜上升。该设备用于低温 浓缩核苷酸溶液效果良好。
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❖同时，由于液流加速方向与重力方向一致， 加速压头所引起的沸点升高也没有了。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，对黏 度较高的液体也较易成膜。降膜比升膜具 有更多的优点，是目前越来越广泛采用的 一种型式。
❖ 降膜蒸发器结构 1-料液分配器；2-加 热列管；3-蒸汽挡板； 4-分离器；5-冷凝水 液位计 a-料液进口； b－加热蒸汽进口； c-不凝性气体排除口； d-冷凝水出口；e浓缩液出口；f-二次 蒸汽出口
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降膜蒸发器的特点
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(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。
2、保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。 3、一定的热交换面积，以保证传热量。
（六）常压蒸发设备
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啤酒厂麦芽汁煮沸锅： （1）夹套加热式麦芽汁煮沸锅 （2）内置加热式麦芽汁煮沸锅
（1）夹套加热式麦芽汁煮沸锅
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传统的夹套加热式 麦芽汁煮沸锅是圆筒球 底麦汁煮沸锅，圆形麦 汁煮沸锅容积小，其加 热夹套以紫铜制作，布 置在锅的底部，锅的内 部只有搅拌器，锅体及 上封头均由紫铜板或不 锈钢板制作。
2．通过蒸发操作制取过饱和溶液，进而得到 结晶产品。
3．将溶液蒸发并将蒸汽冷凝、冷却，以达到 纯化溶剂的目的。
（三）蒸发的分类
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按操作空间的压力： 常压、加压或减压蒸发
按蒸汽利用情况： 单效蒸发、二效蒸发和多效蒸发
按操作流程： 间歇式、连续式
按加热部分的结构： 膜式和非膜式
（四）真空蒸发的优点
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1、管式升膜蒸发器
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❖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。
❖物料从加热器下部的进料管进入，在加热 管内被加热蒸发拉成液膜，浓缩液在二次 蒸汽带动下一起上升，从加热器上端沿汽 液分离器筒体的切线方向进入分离器，浓 缩液从分离器底部排出，二次蒸汽进入冷 凝器。
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（2）降膜式蒸发器
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❖降膜式蒸发器与升膜式蒸发器物的结构基本 相同，但由于液膜与蒸汽的流动方向是由上 到下，所以与升膜式蒸发器相反，进料口在 上面而分离器在下面。
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❖料液由顶部加入，通过液料分配器均匀地 分配到每根加热管中被加热蒸发，因重力 的影响增加了蒸汽的抽拉作用和液膜的流 动速度，所以在同样条件下降膜蒸发器的 液膜比升膜要薄，传热系数也较大。
（七）真空蒸发设备
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❖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，让溶液在蒸发器的 加热表面以很薄的液层流过，溶液很快受热 升温、汽化、浓缩，浓缩液迅速离开加热表 面。膜蒸发浓缩时间很短，一般为几秒到几 十秒。因受热时间短，较好地保证了产品质 量。
（1） 管式薄膜蒸发器
1、管式升膜蒸发器 2、套管式升膜蒸发器 3、套筒式升膜蒸发器
❖考虑到加工、清洗等因素， 加热器常采用列管式，对 于较大体积的麦芽汁煮沸 锅，采用带有中央循环管 的加热器为宜，以利于物 料循环及提高热交换效率。
列管式内加热器
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❖加热器可置于锅的底部，锅 底向外凸出，以放置加热器， 如上图所示，物料循环较好， 操作弹性大。或将加热器安 装在原有煮沸锅的中央，靠 近锅底，如下图所示，这种 结构形式，必须保证充足的 装液量，使加热器被完全浸 没。
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另一种大型夹套加热式麦芽 汁煮沸锅锅底向内凹进，改 善了锅内物料的对流循环， 2个加热区采用不同的加热 温度，中心加热区能承受较 高的压力，使用较高的加热 温度。外夹套加热区圆周直 径大，耐压能力差，采用较 低压力的蒸汽进行加热。
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（2）内置加热式麦芽汁煮沸锅
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❖将加热器置于锅体内部， 也称为内置加热器麦芽汁 煮沸锅。
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升膜式蒸发器成膜原理
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❖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。液膜在长管中形成过程如图 所示, 图a-h是分阶段解释在长管中 气、液两相的变化及液膜形成的过 程。
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2、套管式升膜蒸发器
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❖为了减少升膜式蒸发器管长，可采用套管办 法来缩短管长。这是用于链霉素浓缩的蒸发 器，其传热面积为内、外管子面积总和。由 于间隙截面积小，而加热周边面积大，故溶 液进入加热管后，很快就能吸收足够的热量， 产生大量的蒸汽，并达到必要气流速度，使 溶液能沿着内、外管子壁面形成爬膜状况， 故加热管较短。