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生物工程设备第六章蒸发与结晶设备常压与真空蒸发设备生物工业中的蒸发设备蒸发设备基本要求第一节常压蒸发设备第二节真空蒸发浓缩设备生物工业中的蒸发设备蒸发浓缩可以采用真空蒸发浓缩设备、冷冻浓缩设备和膜浓缩设备等。目前，使用最广泛的蒸发浓缩设备是真空蒸发浓缩设备。冷冻浓缩设备对于含热敏性和挥发性成分料液的浓缩有很大吸引力。膜浓缩设备本质上是膜分离设备。蒸发设备的基本要求蒸发设备必须满足的基本要求：1.充分的加热热源，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。蒸发设备一般由热交换器（汽鼓）、蒸发室、冷凝器和抽气泵等组成。第二节真空蒸发浓缩设备真空蒸发浓缩设备主要由蒸发器、冷凝器及真空系统等构成。具体形式较多，主要差异表现在蒸发器的形式和效数、二次蒸汽利用以及操作连续性等方面。真空蒸发浓缩设备特点一、蒸发器二、典型真空浓缩系统第二节真空蒸发浓缩设备真空蒸发浓缩设备主要由蒸发器、冷凝器及真空系统等构成。具体形式较多，主要差异表现在蒸发器的形式和效数、二次蒸汽利用以及操作连续性等方面。真空蒸发浓缩设备特点一、蒸发器二、多效浓缩技术装备蒸发器的分类蒸发器按料液流程可分为循环式（有自然循环式与强制循环式之分）和单程式；按加热器结构可分为夹套式、盘管式、中央循环管式、升膜式、降膜式、片式、刮板式、离心外加热式浓缩器等。（一）夹套式蒸发器又称为搅拌式真空浓缩锅，属于间歇式中小型浓缩设备。如图所示，主要由圆筒形夹套壳体、犁刀式搅拌器、汽液分离器等组成。被浓缩的料液投入锅内，通过供入夹套内的蒸汽进行加热，在搅拌器的强制性翻动下，料液形成对流而受到较为均匀的加热，并释放出二次蒸汽。二次蒸汽从上部抽出。夹套式蒸发器夹套式蒸发器的特点这种蒸发器的加热面积小，料液温度不均衡，加热时间长，料液通道宽，通过强制搅拌加强了加热器表面料液的流动，减少了加热死角，适宜于果酱、炼乳等高黏度料液的浓缩。（二）盘管式蒸发器结构工作过程特点结构主要由盘管加热器、蒸发室、泡沫捕集器、进出料阀及各种控制仪表所组成。锅体为立式圆筒密闭结构，上部空间为蒸发室，下部空间为加热室。泡沫捕集器为离心式，安装于浓缩锅的上部外侧。泡沫捕集器中心立管与真空系统连接。加热室加热室设有3~5组加热盘管，分层排列，每盘1~3圈，各组盘管分别装有可单独操作的加热蒸汽进口及冷凝水出口，进出口布置有两种。盘管的进出口布置工作过程工作时，料液沿锅体切线方向通过进料管进入锅内。外层盘管间料液受热后体积膨胀而上浮，盘管中部位的料液，因受热相对较少，密度大，自然下降回流。从而形成了料液沿外层盘管间上升，又沿盘管中心下降回流的自然循环。蒸发产生的二次蒸汽从浓缩锅上部中央排出，二次蒸汽中夹带的料液雾滴在捕集器的作用下被分离下降流回锅中。当浓缩锅内的物料浓度经检测达到要求时，即可停止加热，打开锅底出料阀出料。操作过程中，不得往露出液面的盘管内通蒸汽，只有液料淹没后才能通蒸汽。由于盘管结构尺寸较大，加热蒸汽压力不宜过高，一般为0.7~1.0MPa。盘管式蒸发器的特点优点：结构简单、制造方便、操作稳定、易于控制；盘管为扁圆形截面，液料流动阻力小，通道大，适于黏度较高的液料；由于加热管较短，管壁温度均匀，冷凝水能及时排除，传热面利用率较高；便于根据料液的液面高度独立控制各层盘管内加热蒸汽通断及其压力，以满足生产或操作的需要。缺点：传热面积小，液料对流循环差，易结垢；料液受热时间长，在一定程度上对产品质量有影响。（三）外加热式蒸发器分类操作过程优缺点用途分类外加热式蒸发器的特征是加热室和分离室分开。根据物料在加热室与分离室间循环的方式，可分为强制循环式和自然循环式两种。强制循环外蒸发器如图所示，主要由列管式加热器、分离室和循环泵等构成。需要指出的是，这种蒸发器的加热器，除了如图中所示可水平安装以外，还可以垂直安装或倾斜安装。分类外加热式蒸发器的特征是加热室和分离室分开。根据物料在加热室与分离室间循环的方式，可分为强制循环式和自然循环式两种。自然循环外蒸发器如图所示。除无循环泵以外，基本构成与强制循环式相同。但加热室只能垂直安装。（三）外加热式蒸发器分类操作过程优缺点用途操作过程两种外加热式蒸发器均可以连续方式操作，也可以间歇方式操作。连续操作时，最初的一段时间为非稳定期，这时不出料，当循环内料液浓度达到预定浓度时，通过离心泵抽吸出料。间歇操作时，最终出料的体积不得小于加热室与分离室最少能循环的容积。（三）外加热式蒸发器分类操作过程优缺点用途优缺点优点：蒸发器的加热室与分离室分开后，可调节两者之间的距离和循环速度，使料液在加热室中不沸腾，而恰在高出加热管顶端处沸腾，加热管不易被析出的晶体所堵塞；分离室独立分开后，形式上可以做成离心分离式，从而有利于改善雾沫分离条件；此外，还可以由几个加热室合用一个分离室，提高了操作的灵活性；自然循环外加热式蒸发器的循环速度较大，可达1.5m/s，而用泵强制循环的蒸发器，循环速度还要大；这种蒸发器的检修、清洗也较方便。缺点：溶液反复循环，在设备中平均停留时间较长，对热敏性物料不利。（三）外加热式蒸发器分类操作过程优缺点用途用途这种蒸发器可用于对热敏性和风味成分保留要求不高的产品浓缩，如用于喷雾干燥前牛乳和蛋白水解液等的浓缩。一、蒸发器（一）夹套式蒸发器（二）盘管式蒸发器（三）外加热式蒸发器（四）长管式蒸发器（五）刮板式蒸发器（六）离心薄膜蒸发器蒸发器是真空蒸发浓缩系统的主体，由加热室与分离室两部分构成，料液在此受到加热发生汽化，产生浓缩液和二次蒸汽。物料蒸发浓缩往往需要考虑其热敏性、结垢性、发泡性、结晶性、黏滞性等特点，要求的浓缩程度也不一致，因此蒸发器有多种形式。蒸发器的分类（四）长管式蒸发器对热敏性成分保留有较严要求的产品，应当采用单程式蒸发器，料液只通过其加热室一次即达到需要的浓度。一般结构特点与类型升膜式蒸发器降膜式蒸发器升降膜式蒸发器一般结构特点与类型长管式蒸发器一般采用内径25~50mm，长径比为100~150的长管制成。由于长径比大，单位体积料液的受热面积较大，因而，料液进入加热器后很快汽化而使浓缩液呈膜状在管内移动，因此这种蒸发器也是典型的膜式蒸发器。长管式蒸发器可以分为升膜式、降膜式和升降膜式蒸发器。升膜式、降膜式和升降膜式蒸发器（四）长管式蒸发器对热敏性成分保留有较严要求的产品，应当采用单程式蒸发器，料液只通过其加热室一次即达到需要的浓度。一般结构特点与类型升膜式蒸发器降膜式蒸发器升降膜式蒸发器1.升膜式蒸发器蒸汽由加热器上部引入，而物料由下部进入，因此蒸汽与物料在加热器内呈逆流。由于从下面进料，所以为防止静压效应引起的沸点升高，进入蒸发器的料液温度应控制在接近沸点。工作过程特点预热后接近沸点的料液从加热室底部进入，自下而上流动。在加热作用和减压状态下，部分料液迅速气化，产生二次蒸汽，并以80~200m/s的速度带动浓缩液沿管内壁成膜状上升。在加热室顶部，达到所需浓度的浓缩液与二次蒸汽的混合物，以较高的速度进入分离室，在离心力作用下两者产生分离，浓缩液从分离室底部排出，二次蒸汽则从顶部排出。1.升膜式蒸发器蒸汽由加热器上部引入，而物料由下部进入，因此蒸汽与物料在加热器内呈逆流。由于从下面进料，所以为防止静压效应引起的沸点升高，进入蒸发器的料液温度应控制在接近沸点。工作过程特点优点：料液在加热室内停留时间很短，传热系数高，适用于热敏性料液浓缩；高速二次蒸汽具有良好的破沫作用，故尤其适用于易起泡沫的料液。缺点：一次浓缩比不够大，因此一般组成双效或多效流程使用；由于薄膜料液的上升必须克服自身重力与管壁的摩擦阻力，故不适用于处理高黏度、易结垢或易结晶的溶液。（四）长管式蒸发器对热敏性成分保留有较严要求的产品，应当采用单程式蒸发器，料液只通过其加热室一次即达到需要的浓度。一般结构特点与类型升膜式蒸发器降膜式蒸发器升降膜式蒸发器2.降膜式蒸发器结构如图所示，其分离室位于加热室的下方。加热室项部有布膜器（又称料液分布器），其作用是使料液在加热管内均匀成膜并阻止二次蒸汽上升。工作过程特点料液布膜器这种蒸发器操作关键是使料液在加热管内均匀布膜。下图为几种常用的布膜器。图中（1）的导流管是有螺旋形沟槽的圆柱体；（2）的导流管下端锥体端面向内凹入，以免液体再向中央聚集；（3）是利用加热管上端管口的齿缝来分流液体；（4）是靠管子上端的旋液器分流液体。料液布膜器2.降膜式蒸发器结构如图所示，其分离室位于加热室的下方。加热室项部有布膜器（又称料液分布器），其作用是使料液在加热管内均匀成膜并阻止二次蒸汽上升。工作过程特点液体在重力作用下经料液分布器进入加热管，然后沿管内壁成液膜状向下流动，由于单位体积料液的受热面积大，所以料液很快沸腾汽化，又由于向下加速，克服的流动阻力比升膜式小，产生的二次蒸汽能以很高的速度带动料液下降，所以传热效果好。汽液混合物进入蒸发分离室进行分离，二次蒸汽由分离室顶部排出，浓缩液则由底部抽出。降膜式的料液经蒸发后，流下的液体基本达到需要的浓度。2.降膜式蒸发器结构如图所示，其分离室位于加热室的下方。加热室项部有布膜器（又称料液分布器），其作用是使料液在加热管内均匀成膜并阻止二次蒸汽上升。工作过程特点（1）加热蒸汽与料液呈并流方式。（2）蒸发时间短，为单流型，适用于热敏性料液浓缩。（3）不适于高黏度的料液浓缩。（4）大多以双效或多效形式组成蒸发设备，以提高浓缩比。（5）不适用于处理易结晶或易结垢的溶液。（四）长管式蒸发器对热敏性成分保留有较严要求的产品，应当采用单程式蒸发器，料液只通过其加热室一次即达到需要的浓度。一般结构特点与类型升膜式蒸发器降膜式蒸发器升降膜式蒸发器3.升降膜式蒸发器工作原理特点物料先进入升膜加热管，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。有利于液膜体均匀分布。易达到升膜有利于操作。两个浓缩过程串联，可提高产品的浓缩比，减低设备高度。一、蒸发器（一）夹套式蒸发器（二）盘管式蒸发器（三）外加热式蒸发器（四）长管式蒸发器（五）刮板式蒸发器（六）离心薄膜蒸发器蒸发器是真空蒸发浓缩系统的主体，由加热室与分离室两部分构成，料液在此受到加热发生汽化，产生浓缩液和二次蒸汽。物料蒸发浓缩往往需要考虑其热敏性、结垢性、发泡性、结晶性、黏滞性等特点，要求的浓缩程度也不一致，因此蒸发器有多种形式。蒸发器的分类（五）刮板式蒸发器结构特点也称刮板式薄膜蒸发器，是利用外加动力的膜式蒸发器。结构主体由刮板式加热器与分离室构成。分离室与加热器制成一体，在加热室与分离室的分界面处设浓缩料液引出口，二次蒸汽则自分离室引出。分离室也可加热室分开，如右图所示。浓缩液与二次蒸汽一起流入分离室，在此浓缩液从底部流出，而二次蒸汽则从左上侧引出。根据刮板加热器轴线的取向，这种加热器有立式和卧式两种类型，但以立式为多。特点优点：处理黏度高达50~100Pa·s的黏性料液时仍能保持较高的传热速率。故特别适用于浓缩糖含量高、蛋白含量高的物料，如鸡蛋、蜂蜜和麦芽汁等料液。缺点：设备加工精度要求高，生产能力小。因而一般用于后道浓缩。（五）刮板式蒸发器结构特点也称刮板式薄膜蒸发器，是利用外加动力的膜式蒸发器。一、蒸发器（一）夹套式蒸发器（二）盘管式蒸发器（三）外加热式蒸发器（四）长管式蒸发器（五）刮板式蒸发器（六）离心薄膜蒸发器蒸发器是真空蒸发浓缩系统的主体，由加热室与分离室两部分构成，料液在此受到加热发生汽化，产生浓缩液和二次蒸汽。物料蒸发浓缩往往需要考虑其热敏性、结垢性、发泡性、结晶性、黏滞性等特点，要求的浓缩程度也不一致，因此蒸发器有多种形式。蒸发器的分类（六）离心薄膜蒸发器结构工作过程特点离心薄膜蒸发器是一种利用锥形蒸发面高速旋转时产生的离心力使料液成膜及流动的高效蒸发设备。结构真空壳体内设置一高速旋转的转鼓，转鼓由锥形空心碟片叠装而成。碟片间保持有一定加热蒸发空间，空心夹层内通加热蒸汽，外圆径向开有与外