中藥蒸發(fā)濃縮過程設備及的熱能利用

關于中藥蒸發(fā)濃縮過程設備及的熱能利用1.概述

在中藥制藥工業(yè)等眾多的行業(yè)中，通常要遇到將溶液蒸濃的工業(yè)操作。這種借加熱作用使溶液中一部分溶劑汽化因而獲得濃縮的過程稱為蒸發(fā)過程。蒸發(fā)的目的是為了使溶液中的溶劑汽化，這種情況下，要求溶劑具有揮發(fā)性而溶液中的溶質則不應具有揮發(fā)性。第2頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2.蒸發(fā)的基本理論

按照分子運動學說，當溶液受熱時，靠近加熱面的分子獲得的動能勝過分子間的吸引力，故逸向液面上的空間，變?yōu)樽杂煞肿?，這就稱為氣化。因氣化而生成的蒸汽，倘若在逸向空間后不予除去，則蒸汽與溶液將漸漸趨于平衡狀態(tài)，使氣化不能繼續(xù)進行。所以進行蒸發(fā)的必備條件為熱能的不斷供給和所產(chǎn)生的蒸汽不斷排除。第3頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2.蒸發(fā)的基本理論

在蒸發(fā)過程中，溶液中溶劑的氣化可分為在沸點時的氣化與低于沸點時的氣化，前者的速率遠超過后者，所以工業(yè)上的蒸發(fā)都在沸騰情況下進行的。在沸騰情況下進行溶劑的蒸發(fā)，仍需要熱能的不斷供給。蒸發(fā)單位重量溶劑所需的熱量，稱為蒸發(fā)潛熱，或氣化潛熱。如果是水溶液則溶劑為水。工業(yè)上采用的熱源通常為水蒸汽，所以遇到水溶液的蒸發(fā)時，一方面用蒸汽作為熱源以供給熱能，另一方面則水溶液本身蒸發(fā)時也產(chǎn)生蒸汽，為易于區(qū)別，前者稱為加熱蒸汽，后者稱為二次蒸汽。第4頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3.中藥蒸發(fā)濃縮設備

蒸發(fā)設備是實現(xiàn)蒸發(fā)操作的基礎。隨著工業(yè)的需要和發(fā)展，蒸發(fā)器構造的形式也逐步改進。先以橫管加熱式取代了夾套加熱式，再改進成為豎管加熱式，而后者在廣泛使用中又繼續(xù)得到改進，為了避免溶液靜壓強的影響，創(chuàng)造了液膜蒸發(fā)器，為了提高生產(chǎn)強度，又創(chuàng)造了加熱室在外的蒸發(fā)器和強制循環(huán)蒸發(fā)器。此外，節(jié)省加熱蒸汽的辦法，除了將二次蒸汽加以利用成為多效蒸發(fā)外，還可借二次的絕熱壓縮，使其溫度升高而能再度用于原蒸發(fā)器，以作為加熱蒸汽，如此操作的蒸發(fā)器稱為熱泵蒸發(fā)器。這些改進和創(chuàng)造，都以蒸發(fā)的基本原理以及與其生產(chǎn)強度有關的許多因素的研究為依據(jù)。第5頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3.1.蒸發(fā)設備的類型1.加熱面形狀和位置——夾套、蛇管、直管、加熱室在內或在外；2.蒸發(fā)器本身的放置方法——橫臥、豎立、傾斜。3.溶液的循環(huán)方法——自然循環(huán)、強制循環(huán)。第6頁,共52頁，2024年2月25日，星期天敞口傾倒式夾套蒸發(fā)鍋

這類蒸發(fā)鍋是中藥制藥廠早期應用較多的一類，用來蒸發(fā)及熬濃提取液，其結構如圖所示。它是一個圓底開口容器，底部設有夾層，內通蒸汽加熱，使物料在常壓下煮沸蒸發(fā)濃縮。夾套外側兩端附有耳軸，耳軸一端進蒸汽，另一端排除冷凝水。蒸發(fā)鍋用軸承支持，軸經(jīng)過蝸輪裝置用人工可使鍋反轉，以將鍋中濃縮的料液或清洗水傾倒排出。此蒸發(fā)鍋對料液的粘度范圍適應很廣，清洗簡便，但傳熱面積有限，由于是開口蒸發(fā)，排放的蒸汽對環(huán)境衛(wèi)生有一定影響。第7頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

敞口傾倒式夾套蒸發(fā)鍋第8頁,共52頁，2024年2月25日，星期天NZ真空濃縮器

真空濃縮是指在密閉的容器中，通過抽真空以降低容器內部的壓力，使液體沸騰溫度降低的蒸發(fā)操作，它具有溫度低，蒸發(fā)速度快，可防止熱敏性物料的分解失效。一般減壓后的溫度在40~60℃時溶液就可沸騰。真空濃縮罐有采用搪玻璃反應釜改制成的，也有用不銹鋼制造。此設備結構簡單，操作方便，但處理量較小，料液受熱時間較長。夾套式真空濃縮罐是中藥生產(chǎn)中普遍采用的一種蒸發(fā)器。常用的有NZ真空濃縮器系列，它主要包括夾套濃縮罐、第一冷凝器、汽液分離器、第二冷凝器、冷卻器、受液罐六個部件組成,全部由不銹鋼制成。如圖所示。

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NZ真空濃縮器第10頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共52頁，2024年2月25日，星期天外循環(huán)式蒸發(fā)器

外循環(huán)蒸發(fā)器的特征在于加長的加熱管（管長與直徑之比L/D=50~100），并使加熱室安裝在蒸發(fā)器的外面，這樣就可以減低蒸發(fā)器的總長度，同時循環(huán)管沒有受到蒸汽加熱，使溶液的自然循環(huán)速度較快（循環(huán)速度可達1.5m/s）。其外形結構如圖第12頁,共52頁，2024年2月25日，星期天外循環(huán)式蒸發(fā)器第13頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第14頁,共52頁，2024年2月25日，星期天外循環(huán)式蒸發(fā)器的工業(yè)生產(chǎn)裝置第15頁,共52頁，2024年2月25日，星期天降膜式蒸發(fā)器

降膜式蒸發(fā)器其結構如圖所示。物料加熱室頂部加入，經(jīng)液體分布器分布后呈膜狀向下流動。在管內被加熱汽化，被汽化的蒸汽與液體一起由加熱管下端引出，經(jīng)氣液分離后即得到完成液。第16頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

降膜式蒸發(fā)器第17頁,共52頁，2024年2月25日，星期天升膜式蒸發(fā)器

升膜式蒸發(fā)器如圖，其加熱管束很長，可達3~10米。溶液由加熱管底部進入，并將液面維持在較低的位置，溶液被加熱沸騰而汽化，因而產(chǎn)生大量的二次蒸汽泡沫，發(fā)生向上的推進作用，最終液體被上升的蒸汽拉成環(huán)狀薄膜，沿壁向上運動，非常劇烈，氣液混合物由管口高速沖出，這時溶液與泡沫的混合物在管中的速度可達20m/s。這種高速度具有以下兩個優(yōu)點：（1）增加沸騰給熱系數(shù)，因此傳熱系數(shù)可以很大；（2）結垢不易生成，從而可以減慢蒸發(fā)器在操作期間因結垢的生成而減小傳熱系數(shù)的現(xiàn)象。被濃縮的液體經(jīng)氣液分離器后即排出蒸發(fā)器。第18頁,共52頁，2024年2月25日，星期天升膜式蒸發(fā)器第19頁,共52頁，2024年2月25日，星期天刮板蒸發(fā)器

這種蒸發(fā)器專為高粘度溶液的蒸發(fā)而設計的。蒸發(fā)器的加熱管為一根較粗的直立圓管，中、下部設有兩個夾套進行加熱，圓管中心裝有旋轉刮板。刮板的型式有兩種，一種是固定間隙式，刮板端部與加熱管內壁留有約1mm左右的間隙。另一種是可擺動式轉子，刮板借旋轉離心力緊壓于液膜表面。料液自頂部進入蒸發(fā)器后，在重力和刮板的攪動下分布于加熱管壁，并呈膜狀旋轉向下流動。汽化的二次蒸汽在加熱管上端無套管部分被旋轉刮板分去液沫，然后由上部抽出并加以冷凝，濃縮液由蒸發(fā)器底部放出。旋轉刮板式蒸發(fā)器的主要特點是借助外力強制料液成膜狀流動，可適應高粘度、易結晶、結垢的濃溶液的蒸發(fā)，此時仍能獲得較高的傳熱系數(shù)。某些場合下可將溶液蒸干，而由底部直接獲得粉末狀的固體產(chǎn)物。這種蒸發(fā)器的缺點是結構復雜，制造要求高，加熱面不大，而且需消耗一定的動力。第20頁,共52頁，2024年2月25日，星期天固定間隙的刮板蒸發(fā)器第21頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

轉子式刮板蒸發(fā)器第22頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第24頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3.2.對蒸發(fā)設備的要求和選型（1）蒸發(fā)設備選型時應考慮的幾點工藝要求：

1）盡量保證較大的傳熱系數(shù)；

2）要適合溶液的一些特性，如粘度、起泡性、熱敏性、溶解度隨溫度變化的特性及腐蝕性；

3）能完善地分離液沫；

4）盡量減少溫差損失；

5）盡量減慢傳熱面上污垢的生成速度；

6）能排出溶液在蒸發(fā)過程中所析出的結晶體；

7）能方便地清洗傳熱面。第25頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3.2.對蒸發(fā)設備的要求和選型

（2）機械加工和設備價格的要求：

1）設備的體積和金屬材料的消耗量??；

2）機械加工和制造，安裝應該合理和方便；

3）檢修要容易；

4）設備的使用壽命要長；

5）有足夠的機械強度；

6）操作費用要低。第26頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3.2.對蒸發(fā)設備的要求和選型（3）蒸發(fā)物料的特性：

1）溶液的結垢性；

2）溶液的粘度；

3）溶液的熱敏性；

4）有無結晶析出；

5）溶液的發(fā)泡性及腐蝕性。第27頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3.3.中藥蒸發(fā)濃縮過程的工藝組配單效蒸發(fā)：蒸發(fā)過程僅利用加熱蒸汽（生蒸汽）進行一次蒸發(fā)濃縮的操作過程；雙效蒸發(fā)：蒸發(fā)過程除利用生蒸汽外，同時利用二次蒸汽進行二次蒸發(fā)濃縮的操作過程；多效蒸發(fā)：多次利用二次蒸汽進行多次蒸發(fā)濃縮的操作過程。第28頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3.3.1.蒸發(fā)裝置流程的確定1）效數(shù)的確定

（1）經(jīng)濟上的限制是指效數(shù)超過一定值則經(jīng)濟上不合理。（2）技術上的限制是指效數(shù)過多，蒸發(fā)操作將難以進行。

沸點升高較大通常為2~3效。沸點升高較小可取4~6效真正適應的效數(shù)，還需要通過最優(yōu)化的方法來確。第29頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3.3.1.蒸發(fā)裝置流程的確定2）多效蒸發(fā)裝置中溶液流程的選擇

在多效蒸發(fā)裝置中，溶液的流程可以是并流、逆流和平流，流程的選擇，主要根據(jù)溶液特性，操作方式以及經(jīng)濟程度來決定。第30頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第31頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第32頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第33頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3.3.2蒸發(fā)濃縮過程的工藝組配

（1）外循環(huán)單效蒸發(fā)（2）雙降膜雙效蒸發(fā)；（3）降升膜雙效蒸發(fā)；（4）一降二升三效蒸發(fā)；（5）三降膜三效蒸發(fā)；第34頁,共52頁，2024年2月25日，星期天單效蒸發(fā)流程第35頁,共52頁，2024年2月25日，星期天降升膜雙效蒸發(fā)流程第36頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

三效降膜蒸發(fā)流程第37頁,共52頁，2024年2月25日，星期天一降二升三效蒸發(fā)流程第38頁,共52頁，2024年2月25日，星期天雙效外循環(huán)真空蒸發(fā)器第39頁,共52頁，2024年2月25日，星期天三效濃縮器（蒸發(fā)器）第40頁,共52頁，2024年2月25日，星期天三效蒸發(fā)器第41頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3.4.蒸發(fā)過程中的節(jié)能

蒸發(fā)過程也是一個熱平衡過程，理論上講，蒸發(fā)1公斤水需消耗1公斤水蒸汽，實際過程中，由于有熱能的損耗存在，蒸發(fā)1公斤水實際所消耗的蒸汽遠遠大于1公斤的蒸汽量，所以，蒸發(fā)過程如何來節(jié)約能耗，除了減少過程的能量損耗、提高換熱設備的傳熱效果外，主要就是要充分考慮過程中二次蒸汽的合理利用。第42頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3.4.1.可考慮的節(jié)能措施

（1）改進蒸發(fā)設備的制作工藝；（2）選用高效的加熱設備；（3）改進蒸發(fā)工藝和操作，充分有效地利用加熱蒸汽和二次蒸汽第43頁,共52頁，2024年2月25日，星期天中藥板式單效蒸發(fā)濃縮過程

用板式換熱器作為蒸發(fā)的受熱元件，改變傳統(tǒng)的用列管式換熱器的加熱方式，提高熱傳遞的效果，增加熱能的利用率，

（1）板式單效蒸發(fā)裝置的主要設備配置：板式加熱器、板式冷凝器、分離器、冷凝液貯罐、循環(huán)泵等設備。

（2）板式單效蒸發(fā)的工藝流程說明：提取液由系統(tǒng)的真空作用進入分離器，到達一定量后（分離器液位計的上限液位后），關閉進料閥門，開啟濃縮循環(huán)泵。根據(jù)被蒸發(fā)料液的性質，設定分離器內物料的蒸發(fā)溫度，并由此溫度倆控制蒸汽加熱量，提取液由分離器底部被濃縮循環(huán)泵強制打入板式加熱器加熱，受熱后的提取液離開板式加熱器，經(jīng)分離器內的片狀噴淋器進入分離器進行蒸發(fā)，蒸汽由分離器上端離開，進入冷凝器，冷凝液進入受液罐內，回收使用；液體則再由分離器底部被濃縮循環(huán)泵強制打入板式加熱器加熱，當分離器內的液位到達下限液位時，開啟進料閥門加料，直至上限液位后停止，以此循環(huán)，直至被濃縮液體密度達到要求。兩臺冷凝液貯罐連續(xù)切換使用。第44頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

板式單效蒸發(fā)工藝流程第45頁,共52頁，2024年2月25日，星期天中藥板式雙效蒸發(fā)濃縮過程

利用一效分離產(chǎn)生的二次蒸汽來加熱二效蒸發(fā)加熱器，可充分有效地利用熱能資源；而雙效蒸發(fā)采用一效正壓操作和二效負壓操作的工藝路線，更有效地利用了二次蒸汽的熱能。（1）雙效蒸發(fā)組合裝置的主要設備配置：板式加熱器、板式冷凝器、分離器、冷凝液貯罐、循環(huán)泵等設備。（2）雙效蒸發(fā)的工藝流程說明：提取液按蒸發(fā)要求確定流量后由輸送泵送入板式加熱器，受熱后的提取液離開加熱器，經(jīng)一效分離器內的片狀噴淋器進入分離器進行蒸發(fā)，蒸汽由一效分離器上端離開，進入二效加熱器，