第十一章蒸發(fā)及結(jié)晶

1、第十一章 蒸發(fā)與結(jié)晶蒸發(fā)操作作為化工領(lǐng)域的重要的操作單元之一，在生物工業(yè)中被廣泛采用。由于生物工業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品通常為具有生物活性的物質(zhì)，或?qū)囟容^為敏感的物質(zhì)，這是蒸發(fā)濃縮操作在生物工業(yè)中應(yīng)特別注意的問(wèn)題。在發(fā)酵工業(yè)中，蒸發(fā)操作常用于將溶液濃縮至一定的濃度，使其他工序更為經(jīng)濟(jì)合理，如將稀酶液濃縮到一定濃度在再進(jìn)行沉淀處理或噴霧干燥，或?qū)⑾∪芤簼饪s到規(guī)定濃度以符合工藝要求，如將麥芽汁濃縮到規(guī)定濃度再進(jìn)行發(fā)酵；或?qū)⑷芤簼饪s到一定濃度以便進(jìn)行結(jié)晶操作。結(jié)晶操作是獲得純凈固體物質(zhì)的重要方法之一。發(fā)酵工業(yè)的許多產(chǎn)品，如谷氨酸鈉，檸檬酸、葡萄糖、核苷酸等都是用結(jié)晶的方法提純精制的。蒸發(fā)與結(jié)晶之間最大區(qū)別在

2、于，蒸發(fā)是將部分溶劑從溶液中排出，使溶液濃度增加，溶液中的溶質(zhì)沒(méi)有發(fā)生相變，而結(jié)晶過(guò)程則是通過(guò)將過(guò)飽和溶液冷卻、蒸發(fā)，或投入晶種使溶質(zhì)結(jié)晶析出。結(jié)晶過(guò)程的操作與控制比蒸發(fā)過(guò)程要復(fù)雜的多。有的工廠將蒸發(fā)與結(jié)晶過(guò)程置于蒸發(fā)器中連續(xù)進(jìn)行，這樣雖然可以節(jié)約設(shè)備投資，但對(duì)結(jié)晶晶體質(zhì)量、結(jié)晶提取率即產(chǎn)品提取率將造成負(fù)面影響。第一節(jié) 蒸發(fā)一、概述蒸發(fā)是將溶液加熱后，使其中部分溶劑汽化并被移除，從而提高溶液濃度即溶液被濃縮的過(guò)程。進(jìn)行蒸發(fā)操作的設(shè)備稱為蒸發(fā)器。工業(yè)上的蒸發(fā)是一種濃縮溶液的單元操作，是具有揮發(fā)性的溶劑與不揮發(fā)的溶質(zhì)的分離過(guò)程。當(dāng)溶液受熱時(shí)，靠近加熱面的溶劑汽化，使原溶液濃度提高，而被濃縮。汽化生

3、成的蒸汽在溶液上方空間若不除去，則蒸汽與溶液之間將逐漸趨于平衡，使汽化不能繼續(xù)進(jìn)行。所以，進(jìn)行蒸發(fā)操作時(shí)，一方面應(yīng)該不斷供給熱能，另一方面應(yīng)該不斷排除蒸汽。蒸發(fā)的方式有自然蒸發(fā)與沸騰蒸發(fā)兩種。自然蒸發(fā)是溶液中的溶劑在低于其沸點(diǎn)下汽化，此種蒸發(fā)僅在溶液表面進(jìn)行，故速率緩慢，效率很低。沸騰蒸發(fā)是在沸點(diǎn)下的蒸發(fā)，溶液任何部分都發(fā)生汽化，效率很高，為了強(qiáng)化蒸發(fā)過(guò)程，工業(yè)上應(yīng)用的蒸發(fā)設(shè)備通常是在沸騰狀態(tài)下進(jìn)行的，因?yàn)榉序v狀態(tài)下傳熱系數(shù)高，傳熱速度快。并且根據(jù)物料特性及工藝要求采取相應(yīng)的強(qiáng)化傳熱措施，以提高蒸發(fā)濃縮的經(jīng)濟(jì)性。由于被蒸發(fā)的溶液大多是水溶液，蒸發(fā)過(guò)程成了用水蒸氣作為加熱劑去產(chǎn)生水蒸氣。為了便于

4、區(qū)分，把作為熱源的水蒸氣稱作加熱蒸汽或一次蒸汽，把從溶液中汽化出來(lái)的蒸汽稱做二次蒸汽。（一）蒸發(fā)的目的蒸發(fā)的目的主要有三方面：1利用蒸發(fā)操作取得濃溶液；2通過(guò)蒸發(fā)操作制取過(guò)飽和溶液，進(jìn)而得到結(jié)晶產(chǎn)品。3將溶液蒸發(fā)并將蒸汽冷凝、冷卻，以達(dá)到純化溶劑的目的。（二）蒸發(fā)的分類1按操作壓力按操作空間的壓力可分為：常壓、加壓或減壓蒸發(fā)。減壓蒸發(fā)也稱真空蒸發(fā)。它是在減壓或真空條件下進(jìn)行的蒸發(fā)過(guò)程，真空使蒸發(fā)器內(nèi)溶液的沸點(diǎn)降低，其裝置如圖11-1所示，圖中排氣閥門是調(diào)節(jié)真空度的，在減壓下當(dāng)溶液沸騰時(shí)，會(huì)出現(xiàn)沖料現(xiàn)象，此時(shí)可打開(kāi)排氣閥門，吸入部分空氣，使蒸發(fā)器內(nèi)真空度降低，溶液沸點(diǎn)升高，從而沸騰減慢。采用減壓

5、或真空蒸發(fā)其優(yōu)點(diǎn)如下：（1）由于減壓沸點(diǎn)降低，加大了傳熱溫度差，使蒸發(fā)器的傳熱推動(dòng)力增加，使過(guò)程強(qiáng)化。（2）適用于熱敏性溶液和不耐高溫的溶液，即減少或防止熱敏性物質(zhì)的分解。（3）可利用二次蒸汽作為加熱熱源。（4）蒸發(fā)器的熱損失減少。但另一方面，在真空下蒸發(fā)需要增設(shè)一套抽真空的裝置以保持蒸發(fā)室的真空度，從而消耗額外的能量。保持的真空度愈高，消耗的能量也愈大。同時(shí)，隨著壓力的減小，溶液沸點(diǎn)降低，其粘度亦隨之增大，常使對(duì)流傳熱系數(shù)減小，從而也使總傳熱系數(shù)減小。此外，由于二次蒸汽的溫度的降低使得冷凝的傳熱溫度差相應(yīng)降低。2按蒸汽利用情況可分為單效蒸發(fā)、二效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。如前所述，要保證蒸發(fā)的進(jìn)行，二

6、次蒸汽必須不斷地從蒸發(fā)室中移除，若二次蒸汽移除后不再利用時(shí)，這樣的蒸發(fā)稱為單效蒸發(fā)；若二次蒸汽被引入另一蒸發(fā)器作為熱源，在另一蒸發(fā)器中被利用，稱為二效蒸發(fā)，依次類推，如蒸汽多次被利用串聯(lián)操作，則稱為多效蒸發(fā)。多效蒸發(fā)可提高初始加熱蒸汽的利用率。3按操作流程可分為間歇式、連續(xù)式。4按加熱部分的結(jié)構(gòu)可分為膜式和非膜式。薄膜蒸發(fā)具有傳熱效果好，蒸發(fā)速度快，無(wú)靜壓頭產(chǎn)生使得沸點(diǎn)升高的現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，因此，薄膜式蒸發(fā)技術(shù)得到了很大的發(fā)展，成為目前蒸發(fā)設(shè)備的主流。（三）蒸發(fā)設(shè)備的要求無(wú)論哪種類型的蒸發(fā)器都必須滿足以下基本要求：1充足的加熱熱源，以維持溶液的沸騰和補(bǔ)充溶劑汽化所帶走的熱量。2保證溶劑蒸汽，即二次

7、蒸汽的迅速排除。3一定的熱交換面積，以保證傳熱量。二、常用蒸發(fā)設(shè)備結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器主要由加熱室及分離器組成。按加熱室的結(jié)構(gòu)和操作時(shí)溶液的流動(dòng)情況，可將工業(yè)中常用的間接加熱蒸發(fā)器分為循環(huán)型（非膜式）和單程型（膜式）兩大類。（一）循環(huán)型蒸發(fā)器循環(huán)型蒸發(fā)器，屬于非膜式蒸發(fā)器。這一類型的蒸發(fā)器，溶液都在蒸發(fā)器中作循環(huán)流動(dòng)，因而可提高傳熱效果。由于引起循環(huán)的原因不同，又可分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩類，前者主要有以下幾種結(jié)構(gòu)型式。1中央循環(huán)管式蒸發(fā)器這種蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖11-2所示。其加熱室由垂直管束組成，中間有一根直徑很大的管子，稱為中央循環(huán)管。當(dāng)加熱蒸氣通入管間加熱時(shí)，由于中央循環(huán)管較大，其中單位體積溶液占有

8、的傳熱面比其他加熱管內(nèi)單位溶液占有的要小，即中央循環(huán)管和其他加熱管內(nèi)溶液受熱程度各不相同，后者受熱較好，溶液汽化較多，因而加熱管內(nèi)形成的汽液混合物的密度就比中央循環(huán)管中溶液的密度小，從而使蒸發(fā)器中的溶液形成中央循環(huán)管下降、而由其他加熱管上升的循環(huán)流動(dòng)。這種循環(huán)，主要是由于容易的密度差引起的，故稱為自然循環(huán)。采用自然循環(huán)的蒸發(fā)器，是蒸發(fā)器的一個(gè)發(fā)展。過(guò)去所用的蒸發(fā)器，其加熱室多為水平管式、蛇管式或夾套式。采用豎管式加熱室并裝有中央循環(huán)管后，雖然總的傳熱面積有所減少，但由于能促進(jìn)溶液的自然循環(huán)、提高管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)，反而可以強(qiáng)化蒸發(fā)過(guò)程。而水平管式之類蒸發(fā)器的自然循環(huán)很差，故除特殊情況外，目前在

9、大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)上已很少應(yīng)用。為了使溶液有良好的循環(huán)，中央循環(huán)管的截面積，一般為其他加熱管總截面積的40100%；加熱管高度一般為12m；加熱管直徑在2575mm之間。這種蒸發(fā)器由于結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、傳熱較好及操作可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛，有所謂“標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器”之稱。但實(shí)際上，由于結(jié)構(gòu)上的限制，循環(huán)速度不大。溶液在加熱室中不斷循環(huán)，使其濃度始終接近完成液的濃度，因而溶液的沸點(diǎn)高，有效溫度差就減小。這是循環(huán)式蒸發(fā)器的共同缺點(diǎn)。此外，設(shè)備的清洗和維修也不夠方便，所以這種蒸發(fā)器難以完全滿足生產(chǎn)的要求。2懸筐式蒸發(fā)器其結(jié)構(gòu)如圖11-3所示。加熱室4象個(gè)籃筐，懸掛在蒸發(fā)器殼體的下部，并且以加熱室外壁與蒸

10、發(fā)器內(nèi)壁之間的環(huán)形孔道代替中央循環(huán)管。加熱蒸汽由中央蒸汽管2進(jìn)入加熱室，二次蒸汽上升時(shí)所挾帶的液沫則與中央蒸汽管2 相接觸而繼續(xù)蒸發(fā)。溶液沿加熱管中上升，而后循著懸筐式加熱室外壁與蒸發(fā)器內(nèi)壁間的環(huán)隙向下流動(dòng)而構(gòu)成循環(huán)。這種蒸發(fā)器的加熱室，可由頂部取出進(jìn)行檢修或更換，因而適用于易結(jié)晶和結(jié)垢溶液的蒸發(fā)。其熱損失也較小。它的主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單位傳熱面的金屬消耗量較多。 3外加熱式蒸發(fā)器這種蒸發(fā)器如圖11-4所示。其加熱室安裝在蒸發(fā)面外面，不僅可以降低蒸發(fā)器的總高度，且便于清洗和更換，有的甚至設(shè)兩個(gè)加熱室輪換使用。它的加熱管束較長(zhǎng)，同時(shí)循環(huán)速度較快。4列文式蒸發(fā)器上述幾種自然循環(huán)蒸發(fā)器，其循環(huán)速度

11、均在1.5m/s以下，一般不適用于蒸發(fā)粘度較大，易結(jié)晶或結(jié)垢嚴(yán)重的溶液，否則，操作周期就很短。為了提高自然循環(huán)速度以延長(zhǎng)操作周期和減少清洗次數(shù)，可采用圖11-5所示的列文蒸發(fā)器。這種蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在加熱室之上增設(shè)沸騰室。這樣加熱室中的溶液因受到這一段附加的液柱靜壓力的作用而并不沸騰，只是在上升到沸騰室內(nèi)當(dāng)其所受壓力降低后才能開(kāi)始沸騰，因而溶液的沸騰氣化由加熱室移到了沒(méi)有傳熱面的沸騰室。另外，這種蒸發(fā)器的循環(huán)管的截面積約為加熱管的總截面積的23倍，溶液流動(dòng)時(shí)的阻力小，因而循環(huán)速度可達(dá)2.5m/s以上。這些措施，不僅對(duì)減輕和避免加熱管表面結(jié)晶和結(jié)垢有顯著的作用，從而可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不需要清洗，且

12、總傳熱系數(shù)亦較大。列文蒸發(fā)器的主要缺點(diǎn)是液柱靜壓頭效應(yīng)引起的溫度差損失較大，為了保持一定的有效溫度差要求加熱蒸汽有較高的壓力。此外，設(shè)備龐大，消耗的材料多，需要高大的廠房，也是它的缺點(diǎn)。除了上述自然循環(huán)蒸發(fā)器外，在蒸發(fā)粘度大，易結(jié)晶和結(jié)垢的物料時(shí)，還常用到強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器，其結(jié)構(gòu)如圖11-6所示，這類蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)為加熱室、蒸發(fā)室、除沫器、循環(huán)管、循環(huán)泵等。與自然循環(huán)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)相比較是增設(shè)了循環(huán)泵，從而料液形成定向流動(dòng)，速度一般為1.53.5m/s，最高達(dá)5 m/s。其蒸發(fā)原理與上述幾種蒸發(fā)器是相同的。傳熱系數(shù)可達(dá)9305800W/（m2K），每平方米加熱面的動(dòng)力消耗量為0.40.8kW，因

13、此限制了過(guò)大的加熱面積。該設(shè)備適用于高粘度和易于結(jié)晶析出、易結(jié)垢或易于產(chǎn)生泡沫的溶液的蒸發(fā)。（二）單程型蒸發(fā)器這一大類蒸發(fā)器的主要特點(diǎn)是：溶液在蒸發(fā)器中只通過(guò)加熱室一次，不作循環(huán)流動(dòng)即成為濃縮液排出。溶液通過(guò)加熱室時(shí)，在管壁上呈膜狀流動(dòng)，故習(xí)慣上又稱為液膜式蒸發(fā)器（實(shí)際上這一名稱不夠確切，因在循環(huán)型蒸發(fā)器的加熱管壁上溶液亦可作膜狀流動(dòng)）。根據(jù)物料在蒸發(fā)器中流向的不同，單程型蒸發(fā)器又分為以下幾種。1升膜式蒸發(fā)器升膜式蒸發(fā)器的加熱室由許多垂直長(zhǎng)管組成，如圖11-7。常用的熱管直徑為2550mm，管長(zhǎng)和管徑之比約為100150。料液經(jīng)預(yù)熱后由蒸發(fā)器底部引入，進(jìn)到加熱管內(nèi)受熱沸騰后迅速汽化，生成的蒸汽

14、在加熱管內(nèi)高速上升。溶液則被上升的蒸汽所帶動(dòng)，沿管壁成膜狀上升，并在此過(guò)程中繼續(xù)蒸發(fā)，汽、液混合物在分離器2內(nèi)分離，完成液由分離器底部排出，二次蒸汽則在頂部導(dǎo)出。為了能在加熱管內(nèi)有效的成膜，上升的蒸汽應(yīng)具有一定的速度。例如，常壓下操作時(shí)適宜的出口汽速一般為2050m/s，減壓下操作時(shí)汽速則應(yīng)更高。因此，如果從料液中蒸汽的水量不多，就難以達(dá)到上述要求的汽速，即升膜式蒸發(fā)器不適用于較濃溶液的蒸發(fā)；它對(duì)粘度很大，易結(jié)晶或易結(jié)垢的物料也不適用。2降膜式蒸發(fā)器這種蒸發(fā)器（如圖11-8所示）和升膜式蒸發(fā)器的區(qū)別在于，料液是從蒸發(fā)器的頂部加入，在重力作用下沿管壁成膜狀下降，并在此過(guò)程中不斷被蒸發(fā)而蒸濃，在其

15、底部得到完成液。為了使液體在進(jìn)入加熱管后能有效地成膜，每根管的頂部裝有液體分布器，其型式很多，圖11-9列出幾種常見(jiàn)的分布器。降膜式蒸發(fā)器可以蒸發(fā)濃度較高的溶液，對(duì)于粘度較大（例如在0.050.45Ns/m2范圍內(nèi)）的物料也能適用。但因液膜在管內(nèi)分布不易均勻，傳熱系數(shù)比升膜式蒸發(fā)器的較小。3升降膜式蒸發(fā)器將升膜和降膜式蒸發(fā)器裝在一個(gè)外殼中即成升降膜式蒸發(fā)器，如圖11-10所示。預(yù)熱后的料液先經(jīng)升膜式蒸發(fā)器上升，然后由降膜式蒸發(fā)器下降，在分離器中和二次蒸汽分離即得完成液。這種蒸發(fā)器多用于蒸發(fā)過(guò)程中溶液粘度變化很大、溶液中水分蒸發(fā)量不大和廠房高度有一定限制的場(chǎng)合。單程蒸發(fā)器的出現(xiàn)，使蒸發(fā)器又有了新

16、的發(fā)展。這種類型的蒸發(fā)器，在形式上雖然也不使溶液循環(huán)，但又不是原來(lái)水平管式這一類蒸發(fā)器的簡(jiǎn)單重復(fù)，在一定條件下，它比循環(huán)型蒸發(fā)器具有更大的優(yōu)點(diǎn)。由于溶液在單程型蒸發(fā)器中呈膜狀流動(dòng)，因而對(duì)流傳熱系數(shù)大為提高，使得溶液能在加熱室中一次通過(guò)不再循環(huán)就達(dá)到要求的濃度。溶液不再循環(huán)，帶來(lái)的好處有：（1）溶液在蒸發(fā)器中的停留時(shí)間很短，因而特別適用于熱敏性物料的蒸發(fā)；（2）整個(gè)溶液的濃度，不像循環(huán)型那樣總是接近于完成液的濃度，因而其溫度差損失相對(duì)地就較?。淮送饽盍鲃?dòng)時(shí)，液柱靜壓頭引起的溫度差損失可以忽略不計(jì)；所以在相同操作條件下，這種蒸發(fā)器的有效溫差較大。因此，近年來(lái)，單程型蒸發(fā)器獲得了廣泛的應(yīng)用。其主要

17、缺點(diǎn)是：對(duì)進(jìn)料負(fù)荷的波動(dòng)相當(dāng)敏感，當(dāng)設(shè)計(jì)或操作不適當(dāng)時(shí)不易成膜，此時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)將明顯下降；另外，它也不適用于易結(jié)晶和結(jié)垢物料的蒸發(fā)。4刮板式蒸發(fā)器這是一種利用外加動(dòng)力成膜的單程型蒸發(fā)器，其結(jié)構(gòu)如圖11-11所示。蒸發(fā)器外殼帶有夾套，內(nèi)通入加熱蒸汽加熱。加熱部分裝有旋轉(zhuǎn)的刮板，刮板本身又可分為固定式和轉(zhuǎn)子式兩種，前者與殼體內(nèi)壁的間隙為0.51.5mm，后者與器壁的間隙隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)而變。料液由蒸發(fā)器上部沿切線方向加入（亦有加至與刮板同軸的甩料盤(pán)上的），在重力和旋轉(zhuǎn)刮板刮帶下，溶液在殼體內(nèi)壁形成下旋的薄膜，并在下降過(guò)程中不斷被蒸發(fā)，在底部得到完成液。這種蒸發(fā)器的突出優(yōu)點(diǎn)是對(duì)物料的適應(yīng)性很強(qiáng)，例如

18、，對(duì)高粘度和易結(jié)晶、結(jié)垢的物料都能適用。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)力消耗大，每平方米傳熱面約需1.53kw。此外，受夾套傳熱面的限制，其處理量也很小。 （三）直接接觸傳熱的蒸發(fā)器除了上述循環(huán)型和單程型兩大類間壁傳熱的蒸發(fā)器外，實(shí)際生產(chǎn)中，還應(yīng)用直接接觸傳熱的蒸發(fā)器，其構(gòu)造如圖11-12所示。它是將燃料（通常為煤氣和油）與空氣混合后，在浸于溶液中的燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的高溫火焰和煙氣經(jīng)燃燒室下部的噴嘴直接噴入被蒸發(fā)的溶液中。高溫氣體和溶液直接接觸，同時(shí)進(jìn)行傳熱使水分迅速汽化，蒸發(fā)出的大量水汽和廢煙氣一起由蒸發(fā)器頂部出口管排出。這種蒸發(fā)器又常稱為浸沒(méi)燃燒蒸發(fā)器。其燃燒室在溶液中的浸沒(méi)深度一般為200600

19、mm，出燃燒室的 高溫氣體的溫度可達(dá)1000以上，但由于氣液直接接觸時(shí)傳熱速率快，氣體離開(kāi)液面時(shí)只比溶液溫度高出24。噴嘴由于浸沒(méi)在高溫液體中，較易損壞，故應(yīng)采用耐高溫和耐腐蝕的材料制作噴嘴，并考慮使它便于更換。浸沒(méi)燃燒蒸發(fā)器不需要固定的傳熱壁面，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別適用于易結(jié)晶、結(jié)垢和具有腐蝕性物料的蒸發(fā)。由于是直接接觸傳熱，故它的傳熱效果很好，熱利用率高。目前在廢酸處理和硫酸銨溶液的蒸發(fā)中，它已得到了廣泛應(yīng)用。但若蒸發(fā)的料液不允許被煙氣所污染，則浸沒(méi)燃燒蒸發(fā)器一般不適用。此外由于有大量的煙氣存在，也限制了二次蒸汽的利用。從上述的介紹可以看出，蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)型式是很多的，各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用的場(chǎng)合

20、。在選型時(shí)，除了要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、金屬消耗少，維修方便、傳熱效果好等等外，首要的，還需看它能否適應(yīng)所蒸發(fā)物料的工藝特性，包括物料的粘性、熱敏性、腐蝕性、以及是否容易結(jié)晶或結(jié)垢等等。這樣全面綜合地加以考慮，才能免于失誤。三、蒸發(fā)器的附屬設(shè)備蒸發(fā)器的附屬設(shè)備有汽液分離器及冷凝與不凝氣體的排除裝置。（一）汽液分離器（捕沫器）從蒸發(fā)器溢出的二次蒸汽帶有液沫，需要加以分離和回收。在分離室上部或分離室外面裝有阻止液滴隨二次蒸汽跑出的裝置，稱為分離器或捕沫器。1裝于蒸發(fā)器頂蓋下面的分離器，如圖11-13的裝置是使蒸汽的流動(dòng)方向突變，從而分離了霧沫。（c）是用細(xì)金絲，塑料絲等編成網(wǎng)帶，分離效果好，壓強(qiáng)降

21、較小，可以分離直徑小于10m的液滴。（d）是蒸汽在分離器中作圓周運(yùn)動(dòng)，因離心作用將氣流中液滴分離出來(lái)。2裝于蒸發(fā)器外面的分離器，如圖11-14所示，（a）是隔板式，（b）（c）（d）是旋風(fēng)分離器，其分離效果較好。（二）冷凝與不凝氣體的排除裝置在蒸發(fā)操作過(guò)程中，二次蒸汽若是有用物料，應(yīng)采用間壁式冷凝器回收；二次蒸汽不被利用時(shí)，必須冷凝成水方可排除，同時(shí)排除不凝性氣體。對(duì)于水蒸氣的冷凝，可采用汽、水直接接觸的混合式冷凝器。圖11-15為高位逆流混合式冷凝器，氣壓管3又稱大氣腿，大氣腿的高度應(yīng)大于10m，才能保證冷凝水通過(guò)大氣腿自動(dòng)流至接通大氣的下水系統(tǒng)。無(wú)論使用哪種冷凝器，都要設(shè)置真空裝置，不斷排

22、除不凝性氣體并向系統(tǒng)提供一定的真空度。水環(huán)真空泵、往復(fù)式真空泵及噴射泵是常用作抽真空的設(shè)備。四、蒸發(fā)器的選型設(shè)計(jì)蒸發(fā)器之前，必須根據(jù)任務(wù)對(duì)蒸發(fā)器的型式有恰當(dāng)?shù)倪x擇。一般選型時(shí)應(yīng)考濾以下因素。1溶液的粘度蒸發(fā)過(guò)程中溶液粘度變化的范圍，是選型首要考慮的因素，各類蒸發(fā)器適用于溶液粘度的范圍見(jiàn)表11-1。2溶液的熱穩(wěn)定性長(zhǎng)時(shí)間受熱易分解、易聚合以及易結(jié)垢的溶液蒸發(fā)時(shí)，應(yīng)采用滯料量少、停留時(shí)間短的蒸發(fā)器。3有晶體析出的溶液對(duì)蒸發(fā)時(shí)有晶體析出的溶液應(yīng)采用外加熱式蒸發(fā)器或強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。4易發(fā)泡的溶液易發(fā)泡的溶液在蒸發(fā)時(shí)會(huì)生成大量層層重疊不易破碎的泡沫，充滿了整個(gè)分離室后即隨二次蒸汽排出，不但損失物料，而且

23、污染冷凝器。蒸發(fā)這種溶液宜采用外加熱式蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器或升膜式蒸發(fā)器。若將中央循環(huán)管蒸發(fā)器和懸筐蒸發(fā)器設(shè)計(jì)大一些，也可用于這種溶液的蒸發(fā)。5有腐蝕性的溶液蒸發(fā)腐蝕性溶液時(shí)，加熱管應(yīng)采用特殊材質(zhì)制成，或內(nèi)壁襯以耐腐蝕材料。若溶液不怕污染，也可采用直接接觸式蒸發(fā)器。6易結(jié)垢的溶液無(wú)論蒸發(fā)何種溶液，蒸發(fā)器長(zhǎng)久使用后，傳熱面上總會(huì)有污垢生成。垢層的導(dǎo)熱系數(shù)小，因此對(duì)易結(jié)垢的溶液，應(yīng)考慮選擇便于清洗和溶液循環(huán)速度大的蒸發(fā)器。7溶液的處理量溶液的處理量也是選型應(yīng)考慮的因素。要求傳熱面積大于10m2時(shí)，不宜選用刮板攪拌薄膜蒸發(fā)器，要求傳熱面在20 m2以上時(shí)，宜采用多效蒸發(fā)操作?？傊瑧?yīng)視具體情況，選

24、用適宜的蒸發(fā)器，表11-1列出常見(jiàn)蒸發(fā)器的一些性能，以供參考。五、蒸發(fā)設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算（一）單效蒸發(fā)的設(shè)計(jì)計(jì)算單效蒸發(fā)是蒸發(fā)時(shí)二次蒸汽移除后不再利用，只是單臺(tái)設(shè)備的蒸發(fā)。對(duì)于單效蒸發(fā)，在給定生產(chǎn)任務(wù)和確定了操作條件后，通常需要計(jì)算水分蒸發(fā)量、加熱蒸汽消耗量和蒸發(fā)器的傳熱面積。蒸這些問(wèn)題，可以應(yīng)用物料衡算、焓衡算和傳熱速率方程來(lái)解決。1物料衡算和焓衡算（1）蒸發(fā)量的計(jì)算如圖11-16，令溶液的進(jìn)料量，kg/h；水分的蒸發(fā)量，kg/h；完成液流量，kg/h；料液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分率；完成液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分率。溶質(zhì)在蒸發(fā)過(guò)程中不會(huì)揮發(fā)，進(jìn)料中的溶質(zhì)將全部進(jìn)入完成液。故溶質(zhì)的物料衡算應(yīng)為：由此，可

25、求得水分蒸發(fā)量為： （11-1）完成液的濃度： （11-2）（2）加熱蒸汽的消耗量的計(jì)算令 加熱蒸汽消耗量，kg/h；料液溫度，；蒸發(fā)器中溶液溫度，；料液的焓，kJ/kg；料液的比熱，kJ/kgK；完成液的焓，kJ/kg；完成液的比熱，kJ/kgK；水的比熱，kJ/kgK；加熱器中冷凝水的焓，kJ/kg；加熱蒸汽的飽和溫度，；加熱蒸汽的焓，kJ/kg；二次蒸汽（溫度為t的過(guò)熱蒸汽）的焓，kJ/kg；加熱蒸汽的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg； 溫度為t時(shí)二次蒸汽的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg； 熱損失，kJ/h。當(dāng)加熱蒸汽的冷凝液在飽和溫度下排出時(shí)，由焓衡算，見(jiàn)圖11-16，可得 （11-3）整理后得 （11-4

26、）用式11-3進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須預(yù)制溶液在一定濃度和溫度下的焓。對(duì)于大多數(shù)物料的蒸發(fā)，可以不計(jì)溶液的濃縮熱，而由比熱求得其焓。習(xí)慣上取0為基準(zhǔn)，即令0液體的焓為零，故有；代入上式并整理之，得 （11-5）式中料液的比熱和完成液的比熱可按下式近似地計(jì)算：式中為溶質(zhì)的比熱，kJ/kgK。由式11-3或11-4可解得加熱蒸汽消耗量為： （11-6）若忽略濃縮熱，則 （11-6a）考慮到，故得 （11-6b）若為沸點(diǎn)進(jìn)料，即，并忽略熱損失和比熱和的差別，則有：或 （11-7）式中 稱為單位蒸汽消耗量，用以表示蒸汽利用的經(jīng)濟(jì)程度。由于蒸汽的潛熱隨溫度的變化不大，即溶液溫度t和加熱蒸汽溫度下的潛熱和相差不多

27、，故單效蒸發(fā)時(shí)，1，即蒸發(fā)1kg的水，約需1kg的加熱蒸汽。考慮到和的實(shí)際差別以及熱損失等因素，約為1.1或稍多。2. 蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算由傳熱速率方程得 式中 蒸發(fā)器的傳熱面積，m2；傳熱量，W，顯熱；傳熱系數(shù)，W/m2K；平均傳熱溫度差，K。由于蒸發(fā)過(guò)程為蒸汽冷凝和溶液沸騰之間的恒溫差傳熱，故有 （11-8）（二） 多效蒸發(fā)及其設(shè)計(jì)計(jì)算1操作原理在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，往往需蒸發(fā)大量水分，這就需要消耗大量加熱蒸汽。為了減少加熱蒸汽的消耗，可采用多效蒸發(fā)。將加熱蒸汽通入一蒸發(fā)器，則溶液受熱而沸騰，而產(chǎn)生的二次蒸汽其壓力與溫度較原加熱蒸汽（即生蒸汽）為低，但此二次蒸汽仍可設(shè)法加以利用。在多效蒸發(fā)

28、中，則可將二次蒸汽當(dāng)作加熱蒸汽，引入另一個(gè)蒸發(fā)器，只要后者蒸發(fā)室壓力和溶液沸點(diǎn)均較原來(lái)蒸發(fā)器中的為低，則引入的二次蒸汽即能起加熱熱源的作用。同理，第二個(gè)蒸發(fā)器新產(chǎn)生的新的二次蒸汽又可作為第三蒸發(fā)器的加熱蒸汽。這樣，每一個(gè)蒸發(fā)器即稱為一效，將多個(gè)蒸發(fā)器連接起來(lái)一同操作，即組成一個(gè)多效蒸發(fā)系統(tǒng)。加入生蒸汽的蒸發(fā)器稱為第一效，利用第一效二次蒸汽加熱的稱為第二效，依此類推。2生蒸汽的利用率在多效蒸發(fā)中，末效或后幾效總是在真空下操作，足以使得各效（除末效外）的二次蒸汽均作為下一效的加熱蒸汽，故可大大提高生蒸汽的利用率，即經(jīng)濟(jì)性。即蒸發(fā)同樣數(shù)量的水（W），采用多效蒸發(fā)所需要的生蒸汽量（D）遠(yuǎn)較只采用單效時(shí)

29、為小。所以，在蒸發(fā)大量水分時(shí)，采用多效蒸發(fā)，其節(jié)省生蒸汽的效果是很明顯的，在工程中應(yīng)用也是很廣泛的。常用的有雙效、三效、四效蒸發(fā)，甚至有多達(dá)六效的。3多效蒸發(fā)流程按照加料方式的不同，常見(jiàn)的多效蒸發(fā)流程有三種，現(xiàn)以三效為例加以說(shuō)明。（1）并流如圖11-17所示，溶液和蒸汽的流向相同，即均由第一效順序流至末效，此種流程稱為并流。操作時(shí)生蒸汽通入第一效加熱室，蒸發(fā)的二次蒸汽引入第二效的加熱室作加熱蒸汽，第二效的二次蒸汽又引入第三效加熱室作為加熱蒸汽，作為末效的第三效的二次蒸汽則送至冷凝器被全部冷凝。同時(shí)，原料首先進(jìn)入第一效，經(jīng)濃縮后由底部排出，再以次進(jìn)入第二效和第三效被連續(xù)濃縮，完成液由末效的底部排

30、出。并流的優(yōu)點(diǎn)：a. 后一效蒸發(fā)室的壓力以次比前效的為低，故溶液可以利用各效間壓力差依次由前效送到下一效，而不必用泵。b. 后一效溶液的沸點(diǎn)較前一效為低，故溶液由前一效進(jìn)入后一效時(shí)，會(huì)因過(guò)熱而自行蒸發(fā)，即產(chǎn)生閃蒸，因而可產(chǎn)較多的二次蒸汽。并流的缺點(diǎn)：由于溶液的濃度依次比前效升高，但溫度又降低，所以沿溶液流動(dòng)方向其粘度逐漸增高，致使傳熱系數(shù)依次下降，后二效尤為嚴(yán)重。（2）逆流圖11-18所示為逆流蒸發(fā)流程。該流程是將原料液由末效引入，并用泵依次輸送至前效，完成液由第一效底部排出。而加熱蒸汽仍是由第一效進(jìn)入并依次流向末效。因蒸汽和溶液的流動(dòng)方向相反，故稱為逆流。逆流蒸發(fā)流程的主要優(yōu)點(diǎn)：隨著各效溶液

31、濃度的不斷提高，溫度也相應(yīng)提高。因此各效溶液的粘度接近，使各效的傳熱系數(shù)也大致相同。其缺點(diǎn)是效間溶液需用泵輸送，能量消耗較大，且各效進(jìn)料溫度均低于沸點(diǎn)，與并流相比較，產(chǎn)生的二次蒸汽量較少。（3）平流平流法蒸發(fā)流程如圖11-19所示。原料液分別加入每一效中，完成液也是分別自各效中排出。蒸汽的流向仍是由第一效流至末效。上述并流在工業(yè)中采用的最多，而逆流適用于處理粘度隨溫度和濃度變化較大的溶液，但不適于處理熱敏性溶液。平流適于處理蒸發(fā)過(guò)程中伴有結(jié)晶析出的溶液。多效蒸發(fā)除以上幾種流程外，還可根據(jù)實(shí)際情況采用上述基本流程的變型，例如，NaOH水溶液的蒸發(fā)，亦有采用并流和逆流結(jié)合的流程。此外在多效蒸發(fā)中，

32、有時(shí)并不將二次蒸汽全部作為次一效的加熱蒸汽用，而是將其中一部分引出用于預(yù)熱料液或用于其它和蒸發(fā)操作無(wú)關(guān)的傳熱過(guò)程。這種引出的蒸汽稱為額外蒸汽。末效的二次蒸汽因其壓力較低，一般不再引出作為它用，而是全部進(jìn)入冷凝器中。4多效蒸發(fā)的計(jì)算多效蒸發(fā)因效數(shù)多，變量的數(shù)目亦多，故其計(jì)算方法要遠(yuǎn)比單效復(fù)雜。已知條件是：原料液的流率、濃度和溫度；生蒸汽的壓力，冷凝器的真空度；末效完成液的濃度等。需計(jì)算的項(xiàng)目有：各效溶液的沸點(diǎn)；生蒸汽的消耗量；各效的蒸發(fā)量，各效的傳熱面積。解決上述問(wèn)題的基本方法仍然是依據(jù)物料衡算、熱量衡算和傳熱速率方程。但若將描述多效蒸發(fā)過(guò)程的方法聯(lián)立求解，是很繁瑣和困難的。通常在計(jì)算中，常先做

33、一些簡(jiǎn)化和假設(shè)用試差法求解，現(xiàn)以圖11-20所示的并流流程為例說(shuō)明之。 圖中 各效的蒸發(fā)量，kg/h；原料液流率，kg/h；總蒸發(fā)量，kg/h原料液及各效完成液的濃度，質(zhì)量分率原料液的溫度，各效溶液的沸點(diǎn)，生蒸汽消耗量，kg/h加熱蒸汽壓力，N/m2生蒸汽溫度，各效二次蒸汽溫度，生蒸汽及各效二次蒸汽的焓，kJ/kg原料液及各效完成液的焓，kJ/kg各效蒸發(fā)器的傳熱面積，m2（1）物料衡算對(duì)圖11-20所示多效蒸發(fā)系統(tǒng)做溶質(zhì)的物料衡算，得： （11-9） （11-9a） （11-10） 對(duì)任一效作溶質(zhì)的物料衡算，則 （11-11）i2或 （11-11a）應(yīng)提出的是，在多效蒸發(fā)計(jì)算中，一般僅知道原

34、料液和末效完成液的濃度，而其它各效的濃度均為未知，因此利用上述物料衡算只能求得總蒸發(fā)量，至于各效蒸發(fā)量和溶液的濃度，還需結(jié)合熱量衡算才能求得。（2） 熱量衡算對(duì)圖11-20所示的多效蒸發(fā)系統(tǒng)的各效分別作熱量衡算。對(duì)第一效，得： （11-12）式中 原料液和第一效中溶液的比熱容，kJ/（kg）生蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg于是式（11-12）可變?yōu)椋?（11-12a）同單效蒸發(fā)的熱量衡算，將式中溶液的比熱容用原料液的比熱容表示，即：且 將上二式代入（11-12a），并整理后得： （11-12b）式中 第一效中二次蒸汽的汽化潛熱，KJ/kg同理，對(duì)第二效，得：式中 =或 對(duì)第效，同樣得： （11-1

35、3）式中 =或 由式（11-13），可求出第效的蒸發(fā)量，即： （11-13a）若代入溶液的稀釋熱（但無(wú)焓濃圖可查）及蒸發(fā)器熱損失時(shí)，可將式（11-13a）右邊乘以熱利用系數(shù)。一般可取0.960.98。對(duì)于稀釋熱較大的溶液，值與其濃度有關(guān)，例如NaOH水溶液，可取0.980.007（式中為溶液的濃度變化）。（3）有效溫差在各效的分配由于各效的傳熱速率方程，如已求得加熱蒸汽的消耗量，即可求得各效蒸發(fā)器的傳熱面積，對(duì)于三效，則： （11-14） 式中 通常在多效蒸發(fā)中多采用各效面積相等的蒸發(fā)器，即：若由式（11-14）求得的傳熱面積不相等，應(yīng)重新分配各效的有效溫度差，方法如下：設(shè)各效面積相等時(shí)的有效

36、溫度差為： （11-15）將式（11-14）兩邊除以，經(jīng)整理得： （11-16） 由式（11-15）和式（11-16），得 （11-17）將式（11-17）中各式相加，得：或 （11-18）式中 各效的有效溫度差之和，稱為有效總溫度差，?？梢?jiàn)，由式（11-18）求得傳熱面積A，即可由式（11-17）重新分配各效的有效溫度差。另外，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可取，再由式（11-17）分配有效溫度差。顯然，由此法計(jì)算得到的不一定等于，但可對(duì)各值稍作調(diào)整，使得。另外，若算出的傳熱面積還不相等，應(yīng)根據(jù)第二次算出的有效溫度差按式11-17和11-18再分配一次，一般重復(fù)計(jì)算的次數(shù)不會(huì)太多。若要求各效傳熱面積不相等，則

37、應(yīng)按傳熱面積總和為最小的原則來(lái)分配各效的有效溫度差。第二節(jié) 結(jié)晶結(jié)晶是指溶質(zhì)自動(dòng)從過(guò)飽和溶液中析出形成新相的過(guò)程。這一過(guò)程不僅包括溶質(zhì)分子凝聚成固體，并包括這些分子有規(guī)律的排列在一定晶格中，這種有規(guī)律的排列與表面分子化學(xué)鍵力變化有關(guān)。因此結(jié)晶過(guò)程又是一個(gè)表面化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。結(jié)晶是制備純物質(zhì)的有效方法。溶液中的溶質(zhì)在一定條件下因分子有規(guī)律的排列而結(jié)合成晶體，晶體的化學(xué)成分均一，具有各種對(duì)稱的晶狀，其特征為離子和分子在空間晶格的結(jié)點(diǎn)上成有規(guī)則的排列。固體有結(jié)晶和無(wú)定形兩種狀態(tài)。兩者的區(qū)別就是構(gòu)成單位（原子、離子或分子）的排列方式不同，前者有規(guī)則，后者無(wú)規(guī)則。在條件變化緩慢時(shí)，溶質(zhì)分子具有足夠時(shí)間進(jìn)行

38、排列，有利于結(jié)晶形成；相反，當(dāng)條件變化劇烈，強(qiáng)迫快速析出，溶質(zhì)分子來(lái)不及排列就析出，結(jié)果形成無(wú)定形沉淀。通常只有同類分子或離子才能排列成晶體，所以結(jié)晶過(guò)程有很好的選擇性，通過(guò)結(jié)晶溶液中的大部分雜質(zhì)會(huì)留在母液中，再通過(guò)過(guò)濾、洗滌等就可得到純度高的晶體。許多抗生素、氨基酸、維生素等就是利用多次結(jié)晶的方法制取高純度產(chǎn)品的。但是結(jié)晶過(guò)程是復(fù)雜的，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)晶體大小不一，形狀各異甚至形成晶簇等現(xiàn)象，因此附著在晶體表面及空隙中的母液難以完全除去，需要重結(jié)晶，否則將直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。由于結(jié)晶過(guò)程成本低，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，所以目前廣泛應(yīng)用于微生物藥物的精制。一、晶核的生成和晶體的生長(zhǎng)（一）結(jié)晶過(guò)程的推動(dòng)力結(jié)

39、晶是一個(gè)傳質(zhì)過(guò)程，結(jié)晶的速率與推動(dòng)力成正比。在結(jié)晶的實(shí)踐中可以觀察到推動(dòng)力愈大，結(jié)晶速率愈大的現(xiàn)象，而在這種情況下往往獲得的結(jié)晶顆粒數(shù)多且顆粒細(xì)微；結(jié)晶速率緩慢而推動(dòng)力不很大的情況，則可以得到較少的顆粒數(shù)和較大的晶粒。將析出結(jié)晶的細(xì)微顆粒，連同母液一起放置，結(jié)果是顆粒數(shù)減少而顆粒增大。因此可以認(rèn)為，在結(jié)晶析出過(guò)程中存在著晶核的生成和晶體的生長(zhǎng)兩個(gè)并存的子過(guò)程。（二）晶核的生成成核的過(guò)程在理論上分為兩大類：一種是在溶液的過(guò)飽和之后自發(fā)形成的，稱為“一次成核”，此時(shí)可以是自發(fā)成核，也可以是外界干擾（如塵粒、結(jié)晶器的粗糙內(nèi)表面等）；另一種成核是加入晶種誘發(fā)的“二次成核”。有關(guān)晶核形成的理論本書(shū)不作討

40、論，但在結(jié)晶過(guò)程中一定要把握好下面幾點(diǎn)。首先要盡可能避免自發(fā)成核過(guò)程，以防止由于晶核的“泛濫”而造成晶體無(wú)法繼續(xù)成長(zhǎng)，一般可在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)投放適量晶種，誘發(fā)成核，使結(jié)晶過(guò)程得以起動(dòng)；第二，要避免使用機(jī)械沖擊或研磨嚴(yán)重的循環(huán)泵，可使用氣升管、隔膜泵或襯里的、葉片數(shù)很少的低轉(zhuǎn)速開(kāi)式葉輪泵；第三，結(jié)晶器的內(nèi)壁應(yīng)當(dāng)光滑，要求表面光潔、少焊縫、無(wú)毛刺和粗糙面，避免對(duì)成核的誘發(fā)；最后，待結(jié)晶料液中的固體懸浮雜質(zhì)要預(yù)先清除。總之，要避免自發(fā)成核的發(fā)生，以及由此而造成的晶核過(guò)多、結(jié)晶過(guò)細(xì)；結(jié)晶的推動(dòng)力不宜過(guò)大，即使要在不穩(wěn)區(qū)起動(dòng)結(jié)晶過(guò)程，在起動(dòng)后也要設(shè)法降低推動(dòng)力，甚至要取出部分晶核以控制結(jié)晶顆粒的總數(shù)。（三）晶

41、體的成長(zhǎng)按照最普遍使用的擴(kuò)散理論，晶體的成長(zhǎng)大致分為三個(gè)階段：首先是溶質(zhì)分子從溶液主體向晶體表面的靜止液層擴(kuò)散；接著是溶質(zhì)穿過(guò)靜止液層后到晶體表面，晶體按晶格排列增長(zhǎng)并產(chǎn)生結(jié)晶熱；然后是釋放出的結(jié)晶熱穿過(guò)晶體表面靜止液層向溶液主體擴(kuò)散（圖8-4）。實(shí)際上晶體的成長(zhǎng)與晶核的形成在速度上存在著相互的競(jìng)爭(zhēng)，如圖8-5。當(dāng)推動(dòng)力（即過(guò)飽和程度）變得較大的時(shí)候，晶核生成速度急劇增加，盡管晶體成長(zhǎng)速度也在增大，但是競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)晶核的生成，數(shù)量多而粒度細(xì)的晶體的析出就成為必然了。當(dāng)結(jié)晶逐漸析出，過(guò)飽和度最終下降為0時(shí)，隨著時(shí)間的推延，晶核的數(shù)量會(huì)逐漸減少而晶體會(huì)逐漸增大。解釋這種現(xiàn)象要用動(dòng)態(tài)平衡的觀點(diǎn)，此時(shí)作為

42、結(jié)晶-溶解過(guò)程雖處于平衡狀態(tài)，但是結(jié)晶、溶解的微觀過(guò)程從來(lái)也沒(méi)有停止，只不過(guò)是結(jié)晶速度和溶解速度相等而已。既然如此，大小不等的晶體都有同等的晶體成長(zhǎng)和被溶解的機(jī)會(huì)。但是粒度小的晶體相對(duì)于粒度大的晶體有較大的比表面積，這一情況使得細(xì)微晶粒被溶解的可能性大而晶體增大的可能性要小。因此結(jié)晶時(shí)間的延長(zhǎng)有利于晶體的成長(zhǎng)。二、提高晶體質(zhì)量的途徑晶體的質(zhì)量主要是指晶體的大小，形狀和純度三個(gè)方面。工業(yè)上通常希望得到粗大而均勻的晶體。粗大而均勻的晶體較細(xì)小不規(guī)則的晶體便于過(guò)濾與洗滌，在儲(chǔ)存過(guò)程中不易結(jié)塊。（一）晶體大小結(jié)晶過(guò)程是成核及其生長(zhǎng)是同時(shí)進(jìn)行的，因此必須同時(shí)考慮這些因素對(duì)兩者的影響。過(guò)飽和度增加能使成核

43、速度和晶體生長(zhǎng)速度增快，但成核速度增加更快，因而得到細(xì)小的晶體。尤其過(guò)飽和度很高時(shí)影響更為顯著。當(dāng)溶液快速冷卻時(shí)，能達(dá)到較高的過(guò)飽和度得到較細(xì)小的晶體，反之緩慢冷卻常得到較大的晶體。當(dāng)溶液的溫度升高時(shí)，使成核速度核晶體生長(zhǎng)速度皆增快，但對(duì)后者影響更顯著。因此低溫得到較細(xì)的晶體。攪拌能促進(jìn)成核和加快擴(kuò)散，提高晶核長(zhǎng)大的速度。但當(dāng)攪拌強(qiáng)度到一定程度后，再加快攪拌效果就不顯著，相反，晶體還會(huì)因攪拌剪切力過(guò)大而被打碎。另外，晶種能夠控制晶體的形狀，大小和均勻度，為此要求晶種首先要有一定的形狀，大小，而且比較均勻。因此，適宜的晶種的選擇是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。（二）晶體形狀同種物質(zhì)的晶體，用不同的結(jié)晶方法產(chǎn)生，

44、雖然仍屬于同一晶系，但其外形可以完全不同。外形的變化是因?yàn)樵谝粋€(gè)方向生長(zhǎng)受阻，或在另一方向生長(zhǎng)加速所致。通過(guò)一些途徑可以改變晶體外形，例如：控制晶體生長(zhǎng)速度，過(guò)飽和度，結(jié)晶溫度，選擇不同的溶劑，溶液pH的調(diào)節(jié)和有目的的加入某種能改變晶形的雜質(zhì)等方法。在結(jié)晶過(guò)程中，對(duì)于某些物質(zhì)來(lái)說(shuō)，過(guò)飽和度對(duì)其各晶面的生長(zhǎng)速度影響不同，所以提高或降低過(guò)飽和度有可能使晶體外形受到顯著影響。如果只在過(guò)飽和度超過(guò)亞穩(wěn)區(qū)的界限后才能得到所要求的晶體外形，則需采用向溶液中加入抑制晶核生成的添加劑。從不同溶劑中結(jié)晶常得到不同的外形，而且雜質(zhì)的存在還會(huì)影響到晶形。（三）晶體純度結(jié)晶過(guò)程中，含許多雜質(zhì)的母液是影響產(chǎn)品純度的一個(gè)

45、重要因素。晶體表面具有一定的物理吸附能力，因此表面上有很多母液和雜質(zhì)黏附在晶體上。晶體愈細(xì)小，比表面積愈大，表面自由能愈高，吸附雜質(zhì)愈多。若沒(méi)有處理好必然降低產(chǎn)品純度，一般把結(jié)晶和溶劑一同放在離心機(jī)或過(guò)濾機(jī)中，攪拌后再離心或抽濾，這樣洗滌效果好。邊洗滌邊過(guò)濾的效果較差，因?yàn)橐仔纬蓽狭魇褂行┚w不能洗到。當(dāng)結(jié)晶速度過(guò)大時(shí)（如過(guò)飽和度較高，冷卻速度很快），常發(fā)生若干顆晶體聚結(jié)成為“晶簇”現(xiàn)象，此時(shí)易將母液等雜質(zhì)包藏在內(nèi)，或因晶體對(duì)溶劑親和力大，晶格中常包含溶劑。為防止晶簇產(chǎn)生，在結(jié)晶過(guò)程中可以進(jìn)行適度攪拌。為除去晶格中的有機(jī)溶劑只能采用重結(jié)晶的方法。晶體粒度及粒度分布對(duì)質(zhì)量有很大的影響。一般來(lái)說(shuō)，

46、粒度大均勻一致的晶體比粒度小參差不齊的晶體含母液少而且容易洗滌。雜質(zhì)與晶體具有相同晶形時(shí)，稱為同晶現(xiàn)象。對(duì)于這種雜質(zhì)需用特殊的物理化學(xué)方法分離除去。（四）晶體結(jié)塊晶體結(jié)塊給使用帶來(lái)不便。結(jié)塊原因目前公認(rèn)的有結(jié)晶理論和毛細(xì)管吸附理論兩種。1結(jié)晶理論由于物理或化學(xué)原因，使晶體表面溶解并重結(jié)晶，于是晶粒之間在接觸點(diǎn)上形成了固體聯(lián)結(jié)，即形成晶橋，而呈現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象。物理原因是晶體與空氣之間進(jìn)行水分交換。如果晶體是水溶性的，則當(dāng)某溫度下空氣中的水蒸氣分壓大于晶體飽和溶液在該溫度下的平衡蒸汽壓時(shí)，晶體就從空氣中吸收水分。晶體吸水后，在晶粒表面形成飽和溶液。當(dāng)空氣中濕度降低時(shí)，吸水形成的飽和溶液蒸發(fā)，在晶粒相互

47、接觸點(diǎn)上形成晶橋而粘連在一起。化學(xué)原因是由于晶體與其存在的雜質(zhì)或空氣中的氧、二氧化碳等產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，或在晶粒間的液膜中發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)。由于以上某些反應(yīng)產(chǎn)物的溶解度較低而析出，而導(dǎo)致結(jié)塊。 2毛細(xì)管吸附理論由于細(xì)小晶粒間形成毛細(xì)管其彎月面上的飽和蒸汽壓低于外部飽和蒸汽壓，這樣就為水蒸氣在晶粒間的擴(kuò)散創(chuàng)造條件。另外，晶體雖經(jīng)干燥，但總會(huì)存在一定濕度梯度。這種水分的擴(kuò)散會(huì)造成溶解的晶體移動(dòng)從而為晶粒間晶橋提供飽和溶液，導(dǎo)致晶體結(jié)塊。均勻整齊的粒狀晶體結(jié)塊傾向較小，即使發(fā)生結(jié)塊，由于晶塊結(jié)構(gòu)疏松，單位體積的接觸點(diǎn)少結(jié)塊易弄碎如圖11-21（a）所示。粒度不齊的粒狀晶體由于大晶粒之間的空隙充填著較小晶粒

48、，單位體積中接觸點(diǎn)增多結(jié)塊傾向較大，而且不易弄碎如圖11-21（b）。晶粒均勻整齊但為長(zhǎng)柱形，能擠在一起而結(jié)塊如圖11-21（c）。晶體呈長(zhǎng)柱狀，又不整齊，緊緊地?cái)D在一起，很易結(jié)塊形成空隙很小的晶塊。大氣濕度、溫度、壓力及貯存時(shí)間等對(duì)結(jié)塊也有影響?？諝鉂穸雀邥?huì)使結(jié)塊嚴(yán)重。溫度高增大化學(xué)反應(yīng)速度使結(jié)塊速度加快。晶體受壓，一方面使晶體緊密接觸增加接觸面，另一方面對(duì)其溶解度有影響，因此壓力增加導(dǎo)致結(jié)塊嚴(yán)重。隨著貯存時(shí)間增長(zhǎng)，結(jié)塊現(xiàn)象趨于嚴(yán)重，這是因?yàn)槿芙饧爸亟Y(jié)晶反復(fù)次數(shù)增多所致。為避免結(jié)塊，在結(jié)晶過(guò)程中應(yīng)控制晶體粒度，保持較窄的粒度分布及良好的晶體外形。還應(yīng)貯存在干燥、密閉的容器中。（五）重結(jié)晶重結(jié)

49、晶就是將晶體用合適的溶劑溶解再次結(jié)晶，能使純度提高。因?yàn)殡s質(zhì)和結(jié)晶物質(zhì)在不同溶劑和不同溫度下的溶解度不同。重結(jié)晶的關(guān)鍵是選擇合適的溶劑，選擇溶劑的原則：（1）溶質(zhì)在某溶劑中的溶解度隨溫度升高而迅速增加，冷卻時(shí)能析出大量結(jié)晶；（2）溶質(zhì)易溶于某一溶劑而難溶于另一溶劑，且兩溶劑互溶，則通過(guò)試驗(yàn)確定兩者在混合溶劑中所占比例。其方法是將溶質(zhì)溶于溶解度較大的一種溶劑中，然后將第二種溶劑加熱后緩緩的加入，一直到稍成渾濁，結(jié)晶剛出現(xiàn)為止，接著冷卻，放置一段時(shí)間使結(jié)晶完全。三、結(jié)晶設(shè)備的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)按照生產(chǎn)作業(yè)方式，結(jié)晶器分成間歇和連續(xù)兩大類，連續(xù)式結(jié)晶器又可分為線性的和攪拌的兩種。早期的結(jié)晶裝置多為間歇式，而

50、現(xiàn)代結(jié)晶裝置多數(shù)采用連續(xù)作業(yè)，而且逐漸發(fā)展為大型化，操作自動(dòng)化。按照形成過(guò)飽和溶液途徑的不同，可將結(jié)晶設(shè)備分為冷卻結(jié)晶器、蒸發(fā)結(jié)晶器、真空結(jié)晶器、鹽析結(jié)晶器和其他結(jié)晶器五大類，其中前三類使用較廣。（一）冷卻結(jié)晶器冷卻結(jié)晶設(shè)備是采用降溫來(lái)使溶液進(jìn)入過(guò)飽和（自然起晶或晶種起晶），并不斷降溫，以維持溶液一定的過(guò)飽和濃度進(jìn)行育晶，常用于溫度對(duì)溶解度影響比較大的物質(zhì)結(jié)晶。結(jié)晶前先將溶液升溫濃縮。1槽式結(jié)晶器通常用不銹鋼板制作，外部有夾套通冷卻水以對(duì)溶液進(jìn)行冷卻降溫；連續(xù)操作的槽式結(jié)晶器，往往采用長(zhǎng)槽并設(shè)有長(zhǎng)螺距的螺旋攪拌器，以保持物料在結(jié)晶槽的停留時(shí)間。槽的上部要有活動(dòng)的頂蓋，以保持槽內(nèi)物料的潔凈。槽式

51、結(jié)晶器的傳熱面積有限，且勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)溶液的過(guò)飽和度難以控制；但小批量、間歇操作時(shí)還比較合適。槽式結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)如圖11-22及圖11-23所示。 2結(jié)晶罐這是一類立式帶有攪拌器的罐式結(jié)晶器，冷卻采用夾層，也可用裝于罐內(nèi)的鼠籠冷卻管（圖11-24）。在結(jié)晶罐中冷卻速度可以控制的比較緩慢。因?yàn)槭情g歇操作，結(jié)晶時(shí)間可以任意調(diào)節(jié)，因此可得到較大的結(jié)晶顆粒，特別適合于有結(jié)晶水的物料的晶析過(guò)程。但是生產(chǎn)能力較低，過(guò)飽和度不能精確控制。結(jié)晶罐的攪拌轉(zhuǎn)速要根據(jù)對(duì)產(chǎn)品晶粒的大小要求來(lái)定：對(duì)抗生素工業(yè)，在需要獲得微粒晶體時(shí)采用高轉(zhuǎn)速，即10003000r/min、一般結(jié)晶過(guò)程的轉(zhuǎn)速為50500r/min。3粒析式

52、冷卻結(jié)晶器這是一種能夠嚴(yán)格控制晶體大小的結(jié)晶器，如圖11-25所示，料液沿入口管進(jìn)入器內(nèi)，經(jīng)循環(huán)管于冷卻器室中達(dá)到過(guò)飽和（呈介穩(wěn)態(tài)），此過(guò)飽和溶液經(jīng)循環(huán)泵沿中央管路進(jìn)入結(jié)晶器室的底部，由此向上流動(dòng)，通過(guò)一層晶體懸浮體層，進(jìn)行結(jié)晶。不同大小的晶體因沉降速度不同，大的顆粒在下，小的顆粒在上進(jìn)行粒析。晶體長(zhǎng)大的沉降速度大于循環(huán)液上升速度后而沉降到器底，連續(xù)或定期從出口管處排出。小的晶體與溶液一同循環(huán)，直到長(zhǎng)大為止。極細(xì)的晶粒浮在液面上，用分離器使之分離，設(shè)有冷卻水循環(huán)泵，在結(jié)晶器中可按晶體大小予以分類。（二）蒸發(fā)結(jié)晶器蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備是采用蒸發(fā)溶劑，使?jié)饪s溶液進(jìn)入過(guò)飽和區(qū)起晶（自然起晶或晶種起晶），并不斷蒸發(fā)，以維持溶液在一定的過(guò)飽和度進(jìn)行育晶。結(jié)晶過(guò)程與蒸發(fā)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，故一般稱為煮晶設(shè)備。對(duì)于溶質(zhì)的溶解度隨溫度變化不大、或者單靠溫度變化進(jìn)行結(jié)晶時(shí)結(jié)晶率較低的場(chǎng)合，需要蒸除部分溶劑以取得結(jié)晶操作必要的