第十一章 蒸发及结晶.doc

第十一章? 蒸发与结晶 ? 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。 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。 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 一、概述 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。 工业上的蒸发是一种浓缩溶液的单元操作，是具有挥发性的溶剂与不挥发的溶质的分离过程。当溶液受热时，靠近加热面的溶剂汽化，使原溶液浓度提高，而被浓缩。汽化生成的蒸汽在溶液上方空间若不除去，则蒸汽与溶液之间将逐渐趋于平衡，使汽化不能继续进行。所以，进行蒸发操作时，一方面应该不断供给热能，另一方面应该不断排除蒸汽。 蒸发的方式有自然蒸发与沸腾蒸发两种。自然蒸发是溶液中的溶剂在低于其沸点下汽化，此种蒸发仅在溶液表面进行，故速率缓慢，效率很低。沸腾蒸发是在沸点下的蒸发，溶液任何部分都发生汽化，效率很高，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，因为沸腾状态下传热系数高，传热速度快。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。 由于被蒸发的溶液大多是水溶液，蒸发过程成了用水蒸气作为加热剂去产生水蒸气。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。 （一）蒸发的目的 蒸发的目的主要有三方面： 1．利用蒸发操作取得浓溶液； 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。 （二）蒸发的分类 1．按操作压力 按操作空间的压力可分为：常压、加压或减压蒸发。 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11-1所示，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。 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。 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。 2．按蒸汽利用情况 可分为单效蒸发、二效蒸发和多效蒸发。 如前所述，要保证蒸发的进行，二次蒸汽必须不断地从蒸发室中移除，若二次蒸汽移除后不再利用时，这样的蒸发称为单效蒸发；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。 3．按操作流程 可分为间歇式、连续式。 4．按加热部分的结构 可分为膜式和非膜式。 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。 （三）蒸发设备的要求 无论哪种类型的蒸发器都必须满足以下基本要求： 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。 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。 二、常用蒸发设备结构 蒸发器主要由加热室及分离器组成。按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，可将工业中常用的间接加热蒸发器分为循环型（非膜式）和单程型（膜式）两大类。 （一）循环型蒸发器 循环型蒸发器，属于非膜式蒸发器。这一类型的蒸发器，溶液都