蒸发与结晶设备

浓缩＝把稀溶液通过加热蒸发、电渗析、离子交换等方法使溶质提高浓度的过程。

结晶＝把高浓度溶液经过浓缩、缓慢冷却或减压蒸发，使溶质慢慢形成晶体析出的过程。

本章介绍按发酵产品特性分析讨论的浓缩设备：常压蒸发设备、真空蒸发设备、结晶设备等。

蒸发浓缩＝把稀溶液中溶剂汽化离开液相，使溶质浓度增加。常压蒸发或真空蒸发都必须满足三要求：

1. 供应足够的热能（溶液沸腾的热 + 补充溶剂汽化带走的热）
2. 促使溶剂蒸汽迅速排除
3. 一定的热交换面积，以保证传热量

蒸发设备＝创造蒸发必要条件的设备组合，由蒸发器(具加热界面和蒸发表面)、冷凝器和抽气泵组成。

因各种溶液性质不同、蒸发要求条件差别很大，蒸发器型式很多，须考虑溶液下列六种特性选用。

耐热性：很多产物在较高温度下易变质、变性，故不宜常压浓缩。若温度过高、时间过长(如谷氨酸钠变焦谷氨酸钠失鲜味)。

结论：热敏物料浓缩需选蒸发温度较低、浓缩时间短的薄膜蒸发设备。

结垢性：物料受热后若在加热面形成积垢，会大降低传热效果、影响蒸发效能。

防垢措施：用管内高流速(升膜式/强制循环)冲走、用电磁防垢/化学防垢、或选便于清洗加热室积垢的设备。

发泡性：含蛋白质胶体多的酶液发泡严重、泡沫不易破裂，会使大量溶液随二次蒸汽导入冷凝器造成损失。

对策：降低蒸发器内二次蒸汽流速防跑液；或用管内高流速的升膜式/强制循环蒸发器，用高流速气体冲破泡沫。

结晶性：溶液浓缩中若有结晶生成、大量沉积，会妨碍加热面热传导。

对策：选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。

腐蚀性：蒸发腐蚀性强的溶液，须选防腐蚀材料，或结构上采用便于更换的型式使腐蚀部分定期更换。

例：柠檬酸液浓缩可采用石墨加热管或耐酸搪瓷夹层蒸发器。

粘滞性：溶液粘滞性对受热影响很大(如蛋白质胶体类)，一经浓缩即变稠、流动性差、妨碍传热、造成温差增大与局部结焦。对此选强制循环或刮板薄膜蒸发器。

选型总要求：①浓缩比恰当、保留溶液特性 ②传热良好、热利用率高 ③结构紧凑、清洗安全 ④动力消耗要小 ⑤易加工制造、维修方便、节省材料又保证强度。

啤酒厂麦芽汁煮沸锅主要作用：把麦芽汁糊化、糖化、过滤后的清麦芽汁煮沸、浓缩到一定要求的发酵糖度。

小厂为减少投资、提高利用率，常令它兼担糖化等任务。因麦芽汁卫生标准要求严格，设备还要便于清洗。

部件(标注1–19)：1 人孔、2 拉杆、3 二次蒸汽、4 控制阀、5 真空抬升装置、6 减压阀、7 压力表、8 蒸汽阀、9 视孔、10 液位指示阀、11 搅拌器、12 出料阀、13 蒸汽阀、14 二次蒸汽进口、15 减压阀、16 进料阀、17 冷水阀、18 不凝气出口、19 安装。

麦芽汁煮沸锅锅体是一个近似球形的设备。

因球形可用较薄材料做成体积较大、又具足够机械强度的容器，同时清洗方便、搅拌功率消耗较小。

小型煮沸锅通常在整个锅底装加热夹套。

大型煮沸锅因锅直径大，若全用整体加热夹套，受力较差、加热面积也不能满足工艺加热速度要求；因而大多改成中心内加热式，加热区承受较高加热压力，要使中心加热区承受高的加热压力，外间加热区因周围直径大、受热差，只采用较低的工作压力。

大型设备夹套加热未能满足工艺需要，近年多采用中心加热式的自然循环麦芽汁煮沸锅。

麦芽汁在中心加热器受热后产生显著密度差，形成强烈自然循环，传热系数高；加热面积按需设计。受热温度急剧增加使麦芽汁充分分解凝固、提高啤酒质量。但中心加热器型式大小需研究，不能做太大、加热片不能太密(防积垢、便清洗)。

部件：1 锅体、2 内置加热器；a 底部凸出内置加热式、b 中部内置加热式；蒸汽进、汽凝水出。

列管式内加热器：上部锥形罩+中部列管束，蒸汽进、冷凝水出，底部设排出口与碱液及污水排出口；下图为管板横截面(多管排列)。

• a. 锅内物料循环显著改善，传热强度大、操作时间短、设备利用率高。
• b. 对锅体强度要求降低，减少锅体加工制造成本。
• c. 不采用内部机械搅拌装置，不存在搅拌器转轴的密封问题。

搅拌的作用主要是使物料受热均匀，沸腾前加速物料对流以提高热交换的传热系数。

同时使固体物料不致沉淀在加热表面而造成过热和结垢，以致影响清洗。

排汽管要有一定的大小和高度，大小按二次蒸汽排出流速计算。

排出的二次蒸汽会在管壁上冷凝，冷凝液由集液槽排出，使其不致重新流入锅内造成污染。管道要装调节风门，防止室外冷空气倒流影响产品质量。

对热过程很敏感、受热后会引起化学/物理变化而影响产品质量的物料，称热敏性物料。

发酵工业大部分中间产物和最终产物是热敏性高分子有机物。如酶是大分子蛋白质，加热到一定温度、一定时间即变性失活，故酶只能在低温短时受热下浓缩才保活性。

溶液在真空状态、较低温度下即沸腾、溶剂汽化，称为真空蒸发浓缩。

蒸发温度高低决定真空度大小。通常真空蒸发真空度一般为600–700 mmHg，物料蒸发温度为50–75℃。

为缩短受热时间，可让溶液在蒸发设备加热器内以很薄的液层通过，溶液很快受热升温、汽化而浓缩，浓缩液迅速离开加热表面，即薄膜蒸发。

蒸发浓缩时间很短(一般几秒到几十秒)，受热时间短能保持产品原有质量、风味和颜色，已广泛应用于发酵工业。薄膜蒸发浓缩设备按成膜方法分以下几类。

1. 管式薄膜蒸发器：液膜在管壁加热时形成，按流动方向分——①升膜式(液膜与汽流同向上升) ②降膜式(液膜与汽流同向下降) ③升降膜式(同一蒸发器加热管分两程，先升膜再降膜)。
2. 刮板式薄膜蒸发器：液膜靠转动的刮板作用在内壁形成。
3. 离心薄膜蒸发器：利用旋转加热面，使溶液在离心力场作用下成膜。

升膜式蒸发器：部件 1 加热室、2 汽液分离器；加热蒸汽进、冷凝水出、进料(底进)、浓缩液(顶出)，蒸汽上排。

图示 a→h 八阶段：从泡状→弹状→环状液膜逐步形成，最终在管壁形成连续薄膜、中心走汽流。

溶液出现爬膜的条件：加热蒸汽与物料蒸发温度有足够温度差，使蒸发的蒸汽量和蒸汽速度达到足以带动溶液成膜上升。

汽流流速与溶液性质、操作条件有关：常压下二次蒸汽管内流速一般20–50 m/s，减压操作流速可达100–160 m/s。

管式升膜蒸发器：加热蒸汽进口、二次蒸汽、料液口、冷凝水排出管等。

受热时间短，对热敏性物料质量影响很少，特别对发泡性、粘度较小的热敏物料适用。

但不适用粘度较大(>0.05 Pa·s)、受热后易产生积垢、或浓缩后有结晶析出的物料。

加热管直径、长度选择要适当：管径不宜过大，一般25–80 mm之间；管长与管径之比 L/D 一般100–150，使蒸发成膜的汽速增加。

因液膜是逐步形成的，管径越大则管子需越长。长管结构复杂，须采用浮头管板或加热器壳体加膨胀圈以考虑热应力；有时改用套管办法缩短管长。

例：链霉素浓缩用套管式升膜蒸发器。

参数：外管 117×3 mm、内管 89×3 mm、间隙 11 mm、总长 1.4 m；加热面积为内外管子面积之和。

升膜蒸发器也可采用大套管型式：外加热圆筒内径约300 mm，内加热圆筒外径约282 mm，圆筒间隙约4 mm。

为保持间隙一致成膜均匀，内外加热筒间焊上三个支点；内、外加热筒同时通入蒸汽，料液在筒间隙爬膜上升，浓缩核苷酸溶液效果良好。

部件：二次蒸汽出口、加热蒸汽进口、进料管、冷凝水出口、加热蒸汽进口。

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，沿管壁成膜向下流。

液体运动靠自身重力和二次蒸汽运动的拖曳力，下降速度比较快，因此成膜的二次蒸汽流速可较小，对粘度较高的液体也较易成膜。

降膜式关键是液料的分配：分配不匀时，有些管流量大、液膜厚、浓缩很小；有些管流量小、浓缩很大；甚至没有液体流过造成局部或大部分干壁。

为使液体均匀分布各加热管，常用以下几种分配器。

齿形溢流口：加热管上方管口周边切成锯齿形，增加液体的溢流周边。

当液面稍高于管口时，可沿周边均匀地溢流而下；因加热管管口高度一致，溢流周边比较大，各管溢流较均匀。但液位差别较大、液位高度有变化时分布仍不够均匀。

导流棒：每根加热管上端管口内插一根呈八字形的导流棒。

棒底宽边与管壁留一定均匀间隙，液体在均匀环形间隙中流入加热管内周边形成薄膜，通道不变、流量只受管板上液面高度变化影响，分布比较均匀；但遇物料带颗粒易堵塞。

使液体沿管壁周边旋转向下，减少管内向心倾向的不均匀性，使液体加快流动、减薄边界层、降热阻、提传热系数。

• 螺纹导流管(图c)：管口插旋螺旋形沟槽导流管，液体沿沟槽产生旋转运动；沟槽小则增料阻易堵。
• 切线进料旋流器(图d)：旋流器插各管口上方，液体切线进入产生离心力靠壁旋下；须注意各切线进口的均匀分布。

分配筛板(又称淋洒式分配)：利用液体自流作用分配，筛板在管板上方一定距离水平安装，筛孔对准加热管之间管板。

液面保持液层时液体淋洒到管板，沿管板向各管溢边而下。可用二/三层筛板多次分配。设备简单，但只宜用作稀薄溶液分配，对粘稠物料难以均匀。

升膜与降膜各有优缺点，升降膜式取长补短：在一个加热器内安装两组加热管，一组升膜、一组降膜。

物料先进升膜管沸腾蒸发，汽液混合物升至顶部，再转入降膜管蒸发分离；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。

1. 符合物料要求：初进浓度低、用升膜(蒸发速度快、易成膜)；浓缩后用降膜(液体已能沿管壁均匀分布成膜)。
2. 经升膜蒸发后的汽液混合物进降膜蒸发，有利降膜液体均匀分布，同时加速物料湍流搅动，提高传热系数。
3. 用升膜控制降膜进料分配，便于操作控制。
4. 两次浓缩过程串联，可提高产品浓缩比、降低设备高度。

刮板式蒸发器通过旋转的刮板使料液形成液膜，由转动轴、物料分配盘、刮板、轴承轴封、蒸发室和夹套加热室等部分构成。

部件：1 马达、2 进料管、3 加热蒸汽、4 排料口、5 冷凝水排出口、6 刮板、7 二次蒸汽出口。

液料从进料管以稳定流量进入随轴旋转的分配盘，离心力作用下经小孔抛向器壁、受重力沿壁下流，同时被旋转刮板刮成薄膜，在加热区受热蒸发浓缩；瞬间另一刮板将浓缩料翻动下推，并更新薄膜。这样不断形成新薄膜直至流到底部完成浓缩。

采用刮板成膜、翻膜，物料薄膜不断被搅动、更新加热表面与蒸发表面，故传热系数较高。

适用于浓缩高粘度物料或含悬浮颗粒的液料，而不致出现结焦、结垢等现象。

离心式薄膜蒸发器利用旋转的离心盘所产生的离心力对溶液的周边分布作用而形成薄膜。

部件(标注1–18)：1 浓缩液罐、2 进液管、3 蒸发罐、4 力锥轴器、5 进液通道、6 二次蒸汽排出口、7 上碟片、8 浓缩液通道、9 二次蒸汽通道、10 皮带传动、11 马达、12 排冷却水管、13 离心转鼓、14 排汽口、15 浓缩、16 浓缩通道、17 排汽喷管、18 排汽喷管。

在离心力场作用下传热系数很高：物料受离心作用甩到非加热面的上碟片，并沿碟片排出，以保持加热表面很高的冷凝给热系数。

受热面上料液在离心力作用下液流湍动剧烈，同时蒸汽气泡能迅速被挤压分离，故传热系数很高。

部件：1 平衡槽、2 进料螺杆泵、3 蒸发器、4 喷射泵、5 水池、6 水泵、7 浓缩液贮罐、8 出料螺杆泵；另有清洗水、新蒸汽、冷凝水、冷却水、浓缩液。

蒸发浓缩是很多生产过程的必要步骤，但既要增加热能(使溶剂汽化)，同时又要用冷凝介质把溶剂冷凝排走，耗能很大。如何降低能耗、降低生产成本，是蒸发浓缩生产中需解决的重要问题。

降低蒸发能耗最好的办法是循环利用热能——把高能二次蒸汽用作加热介质去蒸发另外的物料，本身也被冷凝，这就是常用的多效蒸发。

理论上蒸发可做成很多效，但实际因传热温度差与沸点上升的存在，效数不能增得太多，最多达6–7效，再增反而不经济。

要使多效蒸发与热泵蒸发起到更大节能效益，重要的还在于：增加蒸发过程的传热系数、降低传热温度差、减少蒸发过程物料的沸点上升。

结晶＝物质自溶液中成晶体状态析出，或从熔融状态受冷凝固的过程。晶体具一定几何形、一定颜色的固体。

晶体的物质质点(组成质点)能量最小(对比其他状态)，质点只能在晶格上一定位置振动，平均位置不变、晶格不破坏，故晶体是一种稳定的固体状态。

晶体是纯的、化学均一性的固体，同一晶体内各部位成分结构相同。要求纯度较高的固体产品多用结晶法提取和提纯。

晶体形状相同、晶棱齐整、晶面平滑反光、晶色一致，给人晶莹美观之感；易体容易筛分而使产品大小均匀。

四个基本概念：

• 溶解
• 溶解平衡
• 过饱和
• 结晶

当某溶质溶解度大于其饱和度，若此时溶液中没有晶体或其他刺激因素存在，溶液还是比较稳定的，可保持一段较长时间不会自然结晶析出，这个浓度区域称为介稳区。

过饱和溶液曲线以上浓度的溶液很快自然起晶析出。

溶解度%(质量)对温度(℃)作图：上(红)线为过饱和曲线、下(黑)线为饱和(溶解度)曲线，两线之间即介稳区。溶解度随温度升高而增大(约51%→80%、64%→91%)。

过饱和溶液存在是因晶体形成与长大是复杂过程，受溶质质点(或其水合物质点)在溶液中的碰撞、吸引、扩散、排列等因素影响。溶质质点向加热分子运动。

当溶液浓度增高、溶质质点密度增大，质点间吸引力增大；当到达饱和状态时，溶质质点间吸引力与溶剂对溶质的吸引力相等。

过饱和溶液中，溶质质点间引力大于溶剂对溶质吸引力，即有部分质点处于不稳定的高能状态，互相碰撞即放出能量而成结晶。但当过饱和度较小时，这些不稳定高能质点不多且均匀分散于溶液，要大量稳定质点聚合产生晶核有障碍，障碍程度因溶液性质与操作条件不同，这就是存在过饱和溶液的原因。

图示晶体质点排列三种位置：(1)晶面、(2)晶棱、(3)顶角；质点排在不同位置受力不同(顶角最易吸附长大)。

晶体周围存在境界膜(过饱和溶液在晶体表面的薄膜层)。

结晶速度＝溶质从过饱和溶液经境界膜扩散到晶体表面，再排列到晶格上两个阶段决定。

晶体生长由溶液中溶质的扩散和溶质在晶核晶格上的排列两阶段组成；若扩散速度与排列的表面结晶速度相等，则结晶长大速度可用下式计算：

可见结晶速度与过饱和溶液浓度差、温度、溶液粘度、境界膜厚度等有关。

• 表面结晶速度小于扩散速度：来不及排列、形成新晶核 → "伪晶"。
• 胶体杂质使境界膜增厚(阻扩散)。
• 提高温度：增加扩散 还是 降低过饱和度？须权衡。
• 搅拌：降低境界膜厚度、提高扩散速度、使均匀；但太大会磨损或产生新晶核。

自然起晶：用蒸发浓缩排除大量溶剂，使溶液浓度进入过饱和不稳定区，溶液自然起晶、大量生成晶体。

随晶体生成浓度迅速下降、降到介稳区下部不再产生晶核，已有晶体继续长大。但起晶迅速时晶核数量难以控制、晶粒很小；要使溶液浓缩到不稳定区耗热量大、蒸发时间长，故此法现已较少采用。

刺激起晶法：用蒸发浓缩排除部分溶剂使溶液浓度进入过饱和介稳区，然后将溶液放出突然冷却进入不稳定区，溶液受突然改变温度的刺激而自行结晶生成晶核。

当晶核数量达一定时即改变条件，回升一些温度进入介稳区、停止晶核产生，然后再慢慢冷却同时搅拌，使结晶器内溶液浓度均匀，并维持一定过饱和浓度进行育晶使晶体长大。

晶种起晶法：将溶液浓缩到介稳区的过饱和浓度后，加入一定大小和数量的晶种，同时用搅拌器搅动溶液使粒子均匀悬浮，溶液中饱和溶质质就慢慢扩散到晶种周围，在晶种各晶面排列使晶体长大。

晶种应经过筛选使大小均匀，才能长出大小一致的晶体。加入晶种量与晶体粒子大小有关：晶种粒子大、用量多；晶种粒子小、用量少。要提供足够晶面才能取得较大结晶速度。

晶种起晶法操作控制比较方便、不产生新晶核，在保持不过饱和条件下适当提高过饱和浓度增结晶速度，产品大小均匀、晶形一致，故工业结晶过程大都采用晶种起晶法。

结晶设备按改变溶液浓度方法分为：浓缩结晶设备、冷却结晶设备、其他结晶设备。

浓缩结晶设备：采用蒸发溶剂使溶液进入过饱和区起晶(自然/晶种起晶)，并不断蒸发维持一定过饱和度育晶。结晶与蒸发同时进行，故一般称为煮晶设备。

冷却结晶设备：采用降温使溶液进入过饱和区起晶(自然/晶种起晶)，并不断降温维持一定过饱和度育晶。

常用于温度对溶解度影响比较大的物质结晶。结晶前先将溶液升温浓缩。

等电点结晶设备形式与冷却结晶设备较相似，区别在于：等电点结晶时溶液比较稀薄，要使晶种悬浮搅拌要求比较激烈；同时要选用耐腐蚀材料(防加酸调pH的腐蚀)；传热面多采用冷却排管。

设计结晶设备时应考虑：溶液的性质、粘度、杂质影响，结晶温度，结晶体的大小、形状及结晶长大速度特性等条件，以保证结晶良好、结晶速度快。

结晶设备应有搅拌装置，使晶粒保持悬浮于溶液中并与溶液相对运动，减薄晶体外部境界膜厚度、加速晶体长大。

搅拌速度与搅拌器形式选择得当：速度太快则因刺激剧烈而自然起晶、可能使已长大晶体破碎、功率消耗增大；太慢则晶粒易沉积。一般趋向于采用较大直径搅拌桨叶、较低转动速度。

冷却搅拌结晶设备比较简单：产量较小、结晶周期较短的多采用立式结晶箱；产量较大、周期较长的多采用卧式结晶箱。

设备应具：冷却装置(如冷却排管或冷却夹套)、促使晶粒悬浮和溶液浓度一致使结晶均匀的搅拌装置。

立式搅拌结晶箱：部件 1 马达、2 减速器、3 搅拌轴、4 进料口、5 冷却蛇管、6 框式搅拌器、7 出料口；冷却水进口(底)、冷却水出口(上)。

等电点结晶同普通冷却结晶一样都是过饱和溶液中溶质结晶析出过程，不同的是因谷氨酸同时带有正负电荷离子、在不同pH下显不同溶解度的特性，通过加酸调pH方法来改变溶解度使其变成过饱和而结晶析出。

实测知上等电点结晶罐与通常立式结晶箱原理形态多相似，只不过等电点结晶罐为适应味精生产大型化需要、设备做得比较大；但实际上太大设备不利于加酸后溶液的pH迅速均匀，对结晶有不良影响。

搅拌是等电点结晶设备的关键部件，作用：保证晶种均匀悬浮使谷氨酸结晶良好，并使加酸后溶液的pH迅速均匀、增加传热系数、增大降温速度、使溶液温度一致。

通常采用桨式搅拌器，一般安装二档搅拌。

卧式结晶箱通常是半圆底的卧式长槽或敞口的卧放圆筒长槽，可应用于谷氨酸钠的助晶和葡萄糖的结晶。

用于葡萄糖结晶的结晶箱是一个敞口卧放圆筒长槽。

部件：1 马达、2 蜗杆蜗轮减速箱、3 轴封、4 左旋搅拌桨叶、5 右旋搅拌桨叶、6 夹套、7 支脚、8 排料阀；A–A 视图。

卧式结晶箱容积大、晶体悬浮搅拌所耗动力较小，对结晶速度较快的物料可串联连续结晶。

连续操作的最佳控制是使溶液在进口处即开始生成晶核，设备后很快就生成足够的晶核，这些晶核悬浮于溶液中、随溶液在槽中慢慢移动长大成晶体，最后从结晶槽另一端排出。

结晶设备要实现自动化，关键在于如何测量和控制结晶过程溶液的过饱和度和浓度，以实现起晶育晶的条件控制。

使结晶过程实现连续化，在某些过程是比较容易的(如几个卧式结晶箱串联使用、分别控制各箱中的工艺条件)；但对一些晶体长大比较大、又要除去溶剂的场合就比较困难，需不断补充溶质、蒸发水分、不断产生成长合乎要求的结晶产品。连续结晶设备设计要满足下面要求。

设备内不要因长时间运转形成结晶、积晶沉积，否则破坏正常运转、影响晶体质量。

方法：设备内或循环系统内溶液流速适当均匀、不出现滞留死角；凡有溶液流过的管道均应有保温装置防局部降温而生成晶核沉积；管道和设备内壁应加工平整光滑、减少溶液滞流。对蒸发面结晶、边沿积垢可用喷淋温水溶解。

1. 设备内各部位溶液浓度应均匀、接近过饱和与曲线的介稳区，使结晶速度轻快。
2. 避免使晶系形成的刺激(如激烈振动、剧烈搅拌、高湍流溶液循环)；若必须搅拌，桨须大直径低转速、降低循环流速以保持晶种粒子充分悬浮。
3. 连续结晶过程设备同时具各种大小粒子晶体，欲获得规格一致产品须用分级装置，通常为重力悬浮分级。

1. 及时清除影响结晶的杂质。连续结晶料液不断加入、结晶产品不断排除，溶液中杂质将不断增加；杂质太多会影响结晶生长速度和质量。可用离子交换法除去母液中杂质，提高母液纯度后再回流。
2. 设备内溶液循环速度要恰当，晶核密度要大，以保持较高晶体长大速度。

蒸发设备＝蒸发器+冷凝器+抽气泵；选型看六性(热垢泡晶腐粘)。常压用麦芽汁煮沸锅(近球形、中心内加热)；热敏物料用真空(降沸点)+薄膜(缩时间)，薄膜分管式(升/降/升降)、刮板式、离心式；节能靠多效/热泵(≤6–7效)。

结晶＝溶质从过饱和溶液析出成晶体；起晶三法自然/刺激/晶种(工业选晶种)；设备按方式分浓缩(煮晶)/冷却/等电点，按形态分立式/卧式结晶箱(卧式可连续)；结晶速度由扩散+排列两阶段决定，受温度、粘度、境界膜、过饱和度影响。