文档介绍：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:
;
,进而得到结晶产品。
、冷却,以达到纯化溶剂的目的。
(二)蒸发的分类
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。
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。
可分为间歇式、连续式。
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:
,以维持溶液的沸腾和补充溶剂汽化所带走的热量。
,即二次蒸汽的迅速排除。
,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)