1、第四章、蒸发与结晶设备,浓缩是将稀溶液通过加热蒸发，使溶剂汽化或将稀溶液通过电渗析、离子交换等办法将溶液提高浓度的过程。结晶是将高浓度的溶液或过饱和溶液缓慢冷却（或蒸发），使溶质慢慢形成晶体析出的过程。这都是发酵工业中常用以提取和精制发酵产物的操作。本章内容是按发酵产品的特性分析讨论发酵工业中常用的浓缩设备，如常压蒸发设备，真空蒸发设备，结晶设备等。,第一节、蒸发设备,蒸发浓缩是将稀溶液中溶剂汽化离开液相，使溶质的浓度增加。蒸发浓缩有常压蒸发、真空蒸发等，但它们都必需满足下列要求：,供应足够的热能，以维持溶液的沸腾温度和补充因溶剂汽化所带走的热能。促使溶剂蒸汽迅速排除。一定的热交换面积，以保证
2、传热量。,蒸发设备通常是指创造蒸发必要条件的设备组合，它由蒸发器（具有加热界面和蒸发表面）、冷凝器和抽气泵等组成。由于各种溶液的性质不同，蒸发要求的条件差别很大。蒸发器有很多种类和型式，必须考虑溶液如下几种的特性，以适应不同的需要进行选用。,1、耐热性 很多产物在较高温度下容易变质、变性，故不宜常压蒸发浓缩。如谷氨酸钠溶液浓缩时，若温度过高，时间长，则会将L谷氨酸钠转变成焦谷氨酸钠而失去鲜味；浓缩酶液时，会因高温，蛋白质变性而使酶失去活力。所以耐热敏性物料的浓缩需选择蒸发温度较低、浓缩时间短的薄膜蒸发设备。,2.结垢性 物料受热后，若在加热面形成积垢，则会大大降低传热效果，而影响蒸发效能。因此
3、对容易形成积垢的物料应采取有效的防垢措施，如采用管内流速很大的升膜式蒸发设备或其他强制循环的蒸发设备，用高流速来防止积垢生成，或采用电磁防垢、化学防垢等，也可采用方便清洗加热室积垢的蒸发设备。,3.发泡性 溶液的性质不同，发泡性也不同。含蛋白质胶体较多的酶液有比较大的表面张力，蒸发时泡沫较多，不易破裂，这会使大量溶液易随二次蒸汽导入冷凝器，造成溶液的损失。所以发泡性溶液蒸发时，要降低蒸发器内二次蒸汽流速，以防止跑液现象，或采用管内流速很大的升膜式或强制循环式蒸发器，用高流速的气体来冲破泡沫。,4.结晶性 溶液在浓缩过程若有结晶生成，大量结晶沉积，则会妨碍加热面的热传导。要使有结晶的溶液正常蒸发
4、，则要选择强烈循环或有搅拌的蒸发设备，用外力使结晶保持悬浮状态。,5.腐蚀性 对于蒸发腐蚀性强的溶液的设备，则要选择防腐蚀的材料，或是结构上采用更换方便的型式，使腐蚀部分定期更换。如柠檬酸液的浓缩可采用石墨加热管或耐酸搪瓷夹层蒸发器等。,6.粘滞性 溶液的粘滞性，对溶液在蒸发过程的受热影响很大，特别是一些蛋白质胶体类溶液，一经浓缩，即变得很稠，流动性能差，这就大大妨碍了传热面的热传导，造成温差增大，甚至局部结焦等现象。对于这类物料，则要选择强制循环或刮板薄膜式蒸发器，使浓缩的粘稠物料迅速离开加热表面。,以上溶液的特性是作为选择、设计蒸发设备的重要依据。选择时要全面衡量，满足下面几点要求。满足工
5、艺要求，溶液的浓缩比恰当，浓缩后的收得滤高，保持溶液的特性。传热良好，传热系数高，热的利用效率高。结构合理紧凑，操作清洗方便，安全可靠。动力消耗要小，如搅拌动力或真空动力消耗等。易于加工制造，维修方便，既要节省材料，又要保证足够的机械强度。,一、常压蒸发设备(麦芽汁煮沸锅),啤酒厂的麦芽汁煮沸锅的主要作用是将糊化、糖化、过滤后的清麦芽汁煮沸，浓缩到一定要求的发酵糖度。在小厂，为减少投资，提高设备的利用率，它同时要担负糊化等作用。由于麦芽汁的卫生标准要求比较严格，设备还要便于清洗。,麦芽汁煮沸锅的结构特点:A.锅体 麦芽汁煮沸锅锅体是一个近似球形的设备，因为球形可以用比较薄的材料做成体积比较大、
6、又具有足够机械强度的容器，同时清洗方便，搅拌功率消耗比较小。,B.加热夹套结构 对于小型的煮沸锅，通常是在整个锅底装置加热夹套。但对于大型的煮沸锅，由于锅的直径大，若采用整体加热夹套，受力较差，同时容量大，物料自然对流循环差，传热系数低，且加热面积也不能满足工艺加热速度的要求，因而大多做成向内凸出，以增大加热面积，促进物料循环，改善受热情况。这样的结构可以分别装置内外两个加热区，中心加热区能承受较高的压力，可使用较高的加热温度；外围加热区因圆周直径大，受热差，只能采用较低的工作压力。有些设计为增加加热夹套的操作压力，提高传热温度差，在夹层内焊上加强棒，使夹套内外两边拉紧，提高设备受压能力。,由
7、于大型设备夹套加热未能满足工艺需要，近年来国内外都有采用中心加热式的自然循环麦芽汁煮沸锅的。麦芽汁在中心加热器受热后，产生显著的密度差，形成强烈的自然循环，传热系数较高，加热面积也可按需要进行设计。且受热时温度急剧增加，使麦芽汁成分充分分解和凝固，对提高啤酒质量有好处。但是中心加热器的型式和大小需要研究，不能做得太大，加热片不能太密，以防止积垢和方便清洗。,优点：a.锅内物料的循环得以显著改善，传热强度大，操作时间短，设备利用率高。b.对锅体的强度要求降低，减少锅体的加工制造成本。c.由于不采用内部机械搅拌装置，不存在夹套加热式麦汁煮沸锅搅拌器转轴的密封问题。,C.搅拌装置 搅拌的作用主要是使
8、物料受热均匀，沸腾前加速物料的对流，以提高热交换的传热系数，同时也使固体物料不致沉淀在加热表面而造成过热和结垢现象，以致影响清洗。,D.排汽管 排汽管要有一定的大小和高度，其大小可按二次蒸汽排出的流速进行计算，排出的二次蒸汽会在排汽管壁上冷凝，管的冷凝液由集液槽排出，使其不致重新流人锅内而造成污染。排汽管道要装有调节风门，以防止室外冷空气倒流，影响产品质量。,二、真空蒸发设备,对热过程很敏感，受热后会引起产物发生化学变化或物理变化而影响产品质量的物料，称为热敏性物料。发酵工业中大部分的中间产物和最終产物都是热敏性的高分子有机物，或其中含有高分子有机物。如酶是大分子的蛋白质，加热到一定温度、一定
9、的时间即会变性而丧失其活力，因此酶液只能在低温短时间受热的情况下进行浓缩，才能保存活性。,溶液在真空状态，较低温度下即沸腾、溶剂汽化，这称为真空蒸发浓缩。蒸发温度的高低，决定真空度的大小。通常真空蒸发的真空度一般为600700mmHg，物料的蒸发温度为5075。虽然蒸发温度比较低，但对于循环式真空蒸发设备因蒸发时间很长对热敏物质还是有较大影响的。为了缩短受热时间，可让溶液在蒸发设备的加热器内以很薄的液层通过，这样溶液就会很快受热升温，汽化而浓缩，浓缩的溶液迅速离开加热表面，这称为薄膜蒸发。其蒸发浓缩时间很短，一般为几秒到几十秒。因溶液受热时间短，所以能保持产品原有的质量、风味和颜色。这种薄膜式
10、的蒸发设备已广泛应用于发酵工业中。通常按膜的形成方法薄膜式蒸发浓缩设备可分为下列几类：,1.管式薄膜蒸发器 液膜是在管壁加热时形成的，按其流动的方向可分为：升膜式蒸发器 形成的液膜与蒸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，由上而下并流下降。升降膜式蒸发器 将同一蒸发器的加热管分成两程，溶液先以升膜式进行蒸发，再以阵膜式进行蒸发。,2.刮板式薄膜式蒸发器 液膜是靠转动的刮板作用在蒸发器内壁形成。3.离心薄膜蒸发器 利用旋转的加热面，使进入加热面的溶液在离心力场作用下形成液膜。,(一)升膜式蒸发浓缩设备,溶液在加热管中出现爬膜的条件是加热的蒸汽与物
11、料蒸发温度要有足够的温度差，使蒸发的蒸汽量和蒸汽速度达到足以带动溶液成膜上升。汽流流速与溶液的性质和操作条件有关，通常在常压下，二次蒸汽在管内流速需达到2050m/s，在减压操作下，流速可达100160m/s。,这种蒸发器浓缩物料的时间很短，对热敏性物料质量很少影响，特别对于发泡性粘度较小的热敏物料比较适用。但不适用于粘度较大的和受热后易产生积垢的，或浓缩后有结晶析出的物料。,对于加热管直径、长度选择要适当。管径不宜过大，一般在2580mm之间，管长与管径之比一般为l/d=100500，这样才能使加热面供应足够成膜的汽速。事实上由于蒸汽流量和流速是沿加热管上升而增加，故爬膜工作状况也是逐步形成
12、的。因此管径越大，则管子需要越长。但长管加热器结构比较复杂，壳体应考虑热脓冷缩的应力对结构的影响，需采用浮头管板或在加热器壳体加膨胀圈。有时可采用套管办法来缩短管长。,升膜式蒸发器也有采用大套管型式，如图所示。外加热圆筒直径为300mm，内加热圆筒直径为282mm，圆筒间隙为4mm。为保持各间隙一致成膜均匀，内圆筒上捍上三个支承点，内、外加热面同时通入蒸汽加热时，蒸发液料即在简间间隙爬膜上升。该设备用于低温浓缩核苷酸溶液效果良好。,(二)降膜式蒸发器降膜式蒸发器中，物料溶液从加热管上部进入，经分配器导流管进入加热管，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带力的作用，其下
13、降的速度比较快，因此成膜的二次蒸汽流速可以较小，对粘度较高的液体也较易成膜。,但关键的问题是液料的分配，当分配不够均匀时，则会出现有些管的液量很多，液膜很厚，溶液蒸发的浓缩比很小；有些管的液量很小，浓缩比就很大，甚至没有液体流过而造成局部或大部分干壁现象，影响蒸发器的传热或蒸发能力。为了使液体均匀分布于各加热管中，可采用不同的分配器，常用的方法有如下几种：,1齿形溢流口在加热管的上方管口周边切成锯齿形，如图所示，以增加液体的溢流周边。当液面稍高于管口时，则可以沿周边均匀地溢流而下，由于加热管管口高度一致，溢流周边比较大，致使各管间或管的各向溢流比较均匀。当液位稍有差别时，大致引起很大的溢流差别
14、，但当液位差别比较大、液位高度有变化时，溶液分布还是不够均匀。,2.导流棒在每根加热管的上端管口内插入一根呈八字形的导流棒，如图所示。棒底的宽边与管壁成一定的均匀间距，液体在均匀环形间距中流入加热管内周边，形成薄膜。这样液体流过的通道不变，液体的流量只受管板上液面高度变化所影响，这样分布比较均匀，但遇有物料带颗粒时，则会造成堵塞的影响。,3旋液导流器使液体沿管壁周边旋转向下，这样可以减少管内各向物料的不均匀性，同时又可以增加液体流动速度，减薄加热表面的边界层，降低热阻，提高传热系数。使液体旋转进入加热管的方法如下：,（1）螺纹导流管 如图所示，在加热管口插入刻有螺旋形沟槽的导流管，当液体沿着沟
15、槽下流时，则使液体形成一个旋转的运动方向。沟槽的大小要跟据液料的性质而定，但若沟槽太小，则增加液料阻力，容易造成堵塞。,(2)切线进料旋流器 如图下所示，旋流器插放在各加热管口上方，液体以切线方向进入，产生离心力，形成靠壁旋流。在重力作用下，液体就成薄膜状沿管壁旋流而下，增加了液体湍流，提高了传热系数，但是设计时要注意各切线进口的均匀分布，否则会互相影响而造成进料不均匀。,4分配筛扳又称淋洒分配，是利用液体的自流作用进行分配，它在管板上方一定距离水平安装一块筛孔板，筛孔对准加热管之间的管板，当筛板上保持一定液层时，液体从筛孔淋洒到管板上，液体离各加热管口距离相等，就沿管板均匀流散到各管边沿，成
16、薄膜状沿管壁下流。为保证液流的分布均匀，可采用二层或三层筛板，多次分配。这种分配设备简单，但只宜用作稀薄溶液的分配。对粘稠物料难以分配均匀。,升膜与降膜式蒸发器各有优缺点，而升降膜蒸发器可以互补不足。升降膜式蒸发器是在一个加热器内安装两组加热管，一组作升膜式另一组作降膜式，如图所示。物料溶液先进入升膜加热管，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。,升降膜蒸发器有如下的特点：,符合物料要求，初进入蒸发器时，物料浓度较低，物料蒸发内阻较小，蒸发速度较快，容易达到升膜要求。物料经初步浓缩，浓度较大，但溶液在降膜式蒸发中受重力作用还能沿管壁均匀分布形成膜状。经升膜蒸发后的汽液混合物，进入降膜蒸发，有利于降膜的液体均匀分布，同时也加速物料的湍流和搅动，以进一步提高降膜蒸发的给热系数。用升膜来控制降膜的进料分配，有利于操作控制。将两个浓缩过程串联，可以提高产品的浓缩比，减低设备高度。,降膜式真空蒸发浓缩设备由于传热系数大，蒸发速度快，物料与加热蒸汽之间的温度差可以降到很小，
