生化工程设备-第二篇-第四章-蒸发与结晶设备-第一节,第二节

第四章 蒸发与结晶设备--第一节，第二节

第四章 蒸发与结晶设备

蒸发是浓缩操作的一种子段，为化工 领域的重要操作单元之一，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用时要特别 注重的问题。

在实际应用过程中，综合考虑生产成本、 产品质量和设备投资等因素，蒸发手段 常与 电渗析、离子交换、超滤等其他浓 缩方法共同配合使用，以达到浓缩过程 经济合理的目 的。蒸发仅是浓缩的方法 之一，而不是目的，在设汁或选择浓缩 设备、工艺流程时，应充 分应用或创造 性利用现有的科技成果，使设计和选型 先进、经济、合理。

在发酵工业中.蒸发操作常用于将稀溶液浓缩到规 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；或将济液浓缩至-定的浓度，使 其他工序更为经济合理， 如将谷氨酸发酵液浓缩 到一定浓度再进行冷冻等电操作，或将溶液浓缩 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，如谷氨酸一纳 盐、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 使溶质成为晶体析出。结晶过程的操作与控 制比蒸发过程要复杂得多。 本章将对生物工业中常用的蒸发、结晶设备 的工作原理、设计及选型进行分析讨论。

第一节 常压与真空蒸发设备

蒸发浓缩是将稀溶液中的部分溶剂汽 化并不断排除，使溶液浓度增加。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王艺要求采 取相应的强化传热措施，以提高蒸发 浓缩的经济性。

无论是哪种类型的蒸发器都必须满足 以下基本要求: ①热能的不断供给，以维持溶 液的沸 腾和补充溶剂汽化所带走的热量； ②溶剂蒸汽(即二次蒸汽)的不断排除; ③一定的热交换面积，以保证传热量。

蒸发可以在常压或负压(减压)状态下进行，在负压 状态下进行的常称为真空蒸发。 在生物工业中通常采用真空蒸发，这是因为真空 蒸发具有以下优点： ①物料沸腾温度降 低，避免或减少物料受高温发 生质变; ②沸腾温度降低，提高了加热蒸汽和溶液热交换 的温度差，增加了传热强

度， ③为二次蒸汽的利用创造了条件，可采用双效或 多效蒸发， 提高热能利用率; ④由于物料沸点降低，蒸发器热损失减少。

一、常压蒸发设备

常压蒸发设备在工业中的应用已逐渐减少。在生物工业中 的应用实例之一为啤酒厂的麦汁煮沸锅。它的主要作用是 将糊化、糖化、过滤后麦芽汁煮沸、浓缩到→定的发酵糖 度。麦汁煮沸锅具有多种形式，从形状分有因筒球底、因 筒凹底和矩形不等边底等，从加 热形式分为夹套加热式、 内置加热式和外置加热式。无论什么结构的麦汁煮沸锅， 其上部 形式如同啤酒糖化锅和糊化锅.呈球形、碟形或锥 形封头，封头中央有一圆简形排气管， 排气管要有-定的 大小和高度，其大小可按二次蒸汽排出的阻力进行计算， 通常采用液体 蒸发面的1/30~1/50。排出的二次蒸汽会 在排气管壁上冷凝，冷凝液由集液槽排除，使 其不致重新 流入锅内。排气管道装有调节风门，以防止室外冷空气倒 流，影响产品质量。 通气管内附有可开关的闸板。

(一)夹套加热式麦汁煮沸锅

传统的圆筒球底麦汁煮沸锅，容积小，由紫铜板 或不锈钢板制作.可分为锅体、加热 夹套、搅拌装 置3个基本组成部分，有的锅内增设加热盘管，同 啤酒糖化锅很相似。 圆形凹底麦汁煮沸锅，锅底为凹形(图24-1) ,其 加热面较球j良大得多，且分为两个加热区，这样 设计可以促进麦汁的对流和加强煮沸强度。两个 加热区采用不同的加热温 度，中心加热区能放受 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。

每个加热区分别装有进蒸汽管、排冷守 凝水管和 排不凝性气体管。进气管的位 置约在夹层中上部，使蒸汽分布均匀。 冷凝水排放管位于夹 层的最低位置，使 冷凝水能排除于净，避免怜凝水的积存 而降低传热系数。排不凝性气体 管位于 夹套的最高位宜.使不凝性气体能排除干 净，一般紫铜板的麦芽汁煮沸锅的加热 面 积为0.1~1m2/m3麦芽汁，不锈钢制的 设备传热面积为0. 6~1. 2m2/m3麦芽汁， 因为不 锈钢导热性能比铜差。

由于有两个加热区，可以实现麦汁的自 然对流。安装搅拌器的作用主要是使物 料受热 均匀，沸腾前加速物料的对流， 提高传热系数，同时减缓固体物料沉淀 在加热表面而造成 的过热和积垢现象"常 用的搅拌器为后弯曲的圆周曲面搅拌器， 由面形状与锅底相似，离 锅璧5--10cm, 转速一般为:33--40r/min。 这种型式的锅也有利于自动清洗。

(二)内置加热式麦汁煮沸锅

随着煮沸锅容量不断增大，其底部夹套加热 面积的比例则相对减小

,以致不能满足麦汁 煮沸锅丁艺需要.而且大型的铜锅不易加工， 其强度小， 且价格昂贵，目前已改用不锈 钢 制造。不锈钢的热导率较紫铜的热导率低得 多.为了加强煮沸效果，改善麦汁对流情 况， 不锈钢煮沸锅的锅壁在常加设由半园管或槽 型钢组成的加热层。底部加热层与锅壁加热 层通常是分开的，采用不同的蒸汽压力。此 外，也可在锅内部装置各种型式的内加热器。

加热器可置于锅的底部，锅底向外凸出，以放置 加热器，如图2-4-2 (1)所示，加热 器占锅容积 的4%~5%,加热面大，一般为1. 1 ~ 1. 2m2/m3 麦汁.每小时蒸发盘可达 10%左右。物料循环较好， 操作弹性大，洗涤时洗涤液耗量少。 列管式内加热器是目前啤酒厂普遍采用的内加热 器.这种内加热器由许多不锈钢加热排管 所构成， 如图2-4-2 (2)所示.也可采用蛇管加热器，为了符 合多品种啤酒的生产要求，可将 蛇管分成几组， 按麦汁量的多少灵活控制，以便在麦汁量减少时， 只利用部分加热面积。

星式内加热器由许多块内加热板所组成，如图2-42 (3)所示，板数可根据使用的材 质和要求的蒸发 量来决定。各板成放射状排列，加热板最多者达 30块，如需进一步增加 加热面，可在加热板周围 周以环形加热器。 采用内置加热器，处于加热器部位的麦汁受热上 升，在加热管上方喷出，锅底部麦汁则不断补充 进入加热管周边，使麦汁在锅内形成强烈的对流， 从而强化了传热方式，提高 了蒸发效率，有效地 减轻加热管外壁结垢，并可省去搅拌系统.

加热器喷出的直径应与煮沸锅的直径成 一定的比例。加热器直径过大，麦汁上 升速度 过快，加热面积不能充分地被利 用；直径过小，则会导致锅外缘的麦汁 得不到充分煮沸。 解决此问题的办法， 常用一高度可调的伞形罩或平面罩放在 加热器上面，将由加热管喷出的煮沸麦 汁，引向锅的外缘，从而产生良好的对 流效果。

加热器的清洗时间可每天或较长时间洗涤一次，根据沉淀 的蛋白质积垢而定。不及时 清除积垢，将导致加热管壁传 热能力下降，甚至堵塞加热管，无法使用。 与夹套加热式麦芽汁煮沸锅相比较，内置加热式具有以下 优点· ①锅内物料循环得 以显著改善，传热强度大，操作时间短， 设备利用率高; ②由于没有夹套，对锅体的强 度要求降低，减少锅体的加 工创造成本; ③由于不采用内部机械搅拌装置，不存在转轴 密封问题. 设备的操作及维护简单，清洗容易，节约电能，锅体设计 简单化。

(三)外加热式麦汁煮沸锅

外加热式麦汁煮沸锅由麦汁煮沸锅和外煮沸器组 成

,如图2-4-3所示。外煮沸器是一 列管式热交换 器。麦汁自煮沸锅由泵引出，从热交换器下部进 入，经加热煮沸后，由热交 换器上部排出，进入 麦汁煮沸锅，煮沸锅及外煮沸器均需保温. 由于外加在麦汁煮沸锅外部，因此麦汁煮沸锅可 以兼作麦汁暂贮槽或回旋沉淀糟用。图2-4-4所示 为煮沸锅兼作回旋沉淀槽用，麦汁由外煮沸器顶 部流出后，以切线方向进人麦汁煮沸锅，锅的结 构形式与回旋沉淀槽相似，提高了设备的利用率。

二、真空蒸发设备

生物工业中大部分中间产物和最终产物 是受热后会发生化学或物理变化的热敏 性物 质。热敏性物质受热后所产生的变 化与温度的高低、受热时间长短相关。 温度较低时，变 化缓慢，受热时间短， 变化也很小。生物工业中常采用低温蒸 发，或在相对较高的温度条 件下，瞬时 蒸发来满足热敏性物料对蒸发浓缩过程 的特殊要求，保证产品质量。

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