中国药科大学高等制药分离工程5蒸发.ppt

,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,蒸发,讲授人:王志祥教授 中国药科大学,蒸发是指采用加热方法，使含有不挥发性溶质的溶液沸腾，以气化并移除部分溶剂，从而提高溶液浓度的过程。简单地说蒸发是一种浓缩溶液的单元操作，它在药品生产中有着广泛的应用，如在制剂与中草药的提纯生产中，蒸发通常是一道重要的操作工序。,第一节 概述,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第一节 概述,蒸发室 （分离室） 加热室 加热蒸汽 二次蒸汽,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第一节 概述,一、蒸发过程的特点 蒸发操作的目的是将溶剂与溶质分离开来，但其过程的实质是热量传递而非物质传递。溶剂的气化量和气化速率均受传热速率和传热量的控制，因此蒸发应属于传热操作的范畴。但因传热对象的特殊性，蒸发传热过程又不同于一般的传热过程。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第一节 概述,（1）对于含有不挥发性溶质的溶液，溶液的蒸气压要低于同温度下纯溶剂的蒸气压，故在相同的压强下，溶液的沸点要高于纯溶剂的沸点。因此，当加热蒸气的温度一定时，蒸发操作的传热温度差要小于加热纯溶剂时的温度差，且溶液的浓度越大，这种现象就越明显。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第一节 概述,（2）溶液在蒸发沸腾的过程中，可能会在加热表面上析出溶质而结垢，从而使传热系数减小，传热速率下降。为此，在进行蒸发器的结构设计时，应确保加热表面易于清洗。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第一节 概述,（3）许多药品具有热敏性，不宜在高温下过久停留，因此应设法减少溶液在蒸发器中的停留时间。此外，在蒸发操作中，还应考虑某些溶液可能因浓缩而出现粘度和腐蚀性增大的现象，故蒸发器的结构还应具有良好的适应性。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第一节 概述,（4）通常蒸发时溶剂的气化量较大，能耗较高。因此，如何充分利用加热蒸气带入的热量，将对蒸发操作费用产生很大的影响。 （5）蒸发过程中，传热壁面两侧的流体均有相变化，即加热侧的蒸气冷凝和受热侧的溶剂气化。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第一节 概述,二、蒸发的 分类 蒸发操作中，用于加热的热源多为饱和或过热的水蒸气，而被蒸发的物料也多为水溶液，气化后的溶剂亦形成水蒸气。习惯上将用于加热的水蒸气称为加热蒸气或生蒸气，而将溶剂气化产生的水蒸气称为二次蒸气。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第一节 概述,加热蒸气与二次蒸气的区别在于两者的温度不同，即加热蒸气的温度相对较高，二次蒸气的温度相对较低，故蒸发操作是一个由高温蒸气向低温蒸气转化的过程。因此，温度较低的二次蒸气的再利用率必将对整个蒸发操作的能耗产生重要的影响。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第一节 概述,根据二次蒸气是否被重新用作另一蒸发器的加热蒸气，蒸发操作可分为单效蒸发和多效蒸发。在单效蒸发中，蒸发产生的二次蒸气将不再被蒸发系统重新利用，通常二次蒸气经冷凝后直接排出，所含热能未予回收。而在多效蒸发中，二次蒸气将被继续引入另一压强较低的蒸发器中用作加热蒸气，以提高热能的利用率。一般情况下，当生产规模不大时，宜采用单效蒸发；而当生产规模较大时，则宜采用多效蒸发。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第一节 概述,按操作方式的不同，蒸发可分为间歇蒸发和连续蒸发两大类。而按操作压强的高低，蒸发又可分为加压、常压和减压蒸发三种。其中减压蒸发又称为真空蒸发，它是根据溶液沸点随操作压强的减小而下降的特性，来降低蒸发操作的温度，从而在加热蒸气一定的条件下，增大管壁两侧的传热温度差，并减少系统的热损失。由于减压蒸发的温度较低，故对热敏性物系尤为适宜。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第二节 单效蒸发,1-加热室； 2-蒸发室； 3-直接混合冷凝器； 4-贮罐; 5-水槽,一、单效蒸发流程,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第二节 单效蒸发,二、计算,1.溶剂蒸发量,2.加热蒸气消耗量,经验：每蒸发1kg水分，约需1kg的加热蒸气。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第二节 单效蒸发,3.传热面积的近似计算,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第二节 单效蒸发,例：单效蒸发器，每小时将5000kg、40%(质量分率)的某种水溶液浓缩至65%。已知加热蒸气为饱和水蒸气，绝对压强为700kPa；蒸发器中的平均绝对压强为40kPa，溶液沸点可取80；原料液的温度为40，定压比热为3.8 ，溶液的浓缩热可忽略；蒸发器的热损失为10kW，总传热系数为1.43 。试计算水分蒸发量、加热蒸气消耗量以及蒸发器的传热面积。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第二节 单效蒸发,解：水分蒸发量为,kgh-1,查附录8：P=700kPa,T=164.7oC,r=2072kJkg-1,查附录7：t=80oC,r=2307kJkg-1,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第二节 单效蒸发,加热蒸气消耗量为,蒸发器的传热面积为,m2,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第四节 多效蒸发,1.原理 在蒸发生产中，二次蒸气的产量一般较大，且含有大量的潜热，因而应将其回收并加以利用。若将二次蒸气通入另一蒸发器的加热室，只要后者的操作压强和溶液沸点低于原蒸发器中的操作压强和溶液沸点，则通入的二次蒸气仍能起到加热作用，这种操作方式即为多效蒸发。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,在多效蒸发中，每一蒸发器都称为一效，第一个生成二次蒸气的蒸发器称为第一效，利用第一效的二次蒸气来加热的蒸发器称为第二效，依此类推，最后一个蒸发器常称为末效。,第四节 多效蒸发,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,在多效蒸发中，仅第一效需要从外界引入加热蒸气即生蒸气，此后的各效均是利用前一效的二次蒸气，因而与单效蒸发相比，当生蒸气量相同时，多效蒸发可蒸发出更多的溶剂，即提高了生蒸气的经济性。由于多效蒸发可显著提高蒸发过程的热利用率，因而在工业上有着广泛的应用，尤其适用于浓缩程度较大的溶液蒸发。,第四节 多效蒸发,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第四节 多效蒸发,2. 流程并流加料蒸发流程(三效),优点： 1.前后自动流动；2.后效可自行蒸发；3.完成液带走热量小。 缺点：粘度逐渐增大。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第四节 多效蒸发,在并流加料操作中，溶液可凭借前后两效之间的操作压强差，自动地由前效流入后效，无需动力输送。此外，由于前效溶液的沸点高于后效的沸点，因而当溶液进入后效时，一般会因过热而自行蒸发，从而可减轻后效的操作负荷。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第四节 多效蒸发,多数情况下，并流加料蒸发末效中的压强为负压，相应的溶液沸点较低，因而完成液带走的热量较少。但并流加料流程也有不足之处，由于各效中的溶液浓度依次升高，而操作温度依次降低，故容易导致后几效中的溶液粘度偏高，引起传热状况的恶化。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第四节 多效蒸发,2. 流程逆流加料蒸发流程(三效),特点：1.前后不能自动流动，需送料泵；2.无自蒸发；3.各效粘度变化不明显；4.适宜于粘度随温度和浓度变化较大的溶液的蒸发，不适用于热敏性物料的蒸发。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第四节 多效蒸发,在溶液流向上，各效蒸发器中的压强和温度将依次升高，溶液不能在蒸发器之间自动流动，只能采用泵输送，且各效中必须对流入的溶液再次加热才能使其沸腾，因此，逆流加料流程一般不适用于热敏性物料的蒸发。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第四节 多效蒸发,在逆流加料操作中，溶液浓度沿流动方向逐渐升高，相应的温度亦随之升高，故各效间溶液粘度的变化并不明显，因而各效间的传热系数变化不大，所以逆流加料流程比较适宜于粘度随温度和浓度变化较大的溶液的蒸发。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第四节 多效蒸发,2. 流程平流加料蒸发流程,对于在蒸发过程中易于结晶的物料，为避免溶液夹带着晶体在各效之间流动，一般采用平流加料蒸发流程。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第六节 蒸发节能,1. 采用多效蒸发 将单效蒸发改为多效蒸发，可大幅提高生蒸气的经济性，提高热能的利用率。 2. 额外蒸气的引出 将单效乃至多效蒸发中的二次蒸气引出，并用作其他加热设备的热源，同样能提高生蒸气的热能利用率，此种节能方法称为额外蒸气的引出。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第六节 蒸发节能,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第六节 蒸发节能,与单效蒸发不同，多效蒸发中的各效均会产生二次蒸气，但其中包含的气化潜热各不相同，因此额外蒸气的利用效果将与引出蒸气的效数有关。在多效蒸发中，不论蒸气由第几效引出，均需对第一效中的生蒸气进行适当补充，以确保给定蒸发任务的顺利完成。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第六节 蒸发节能,蒸发是蒸气由高温向低温不断转化的过程。若额外蒸气是从第i效引出，则当生蒸气的热量传递至额外蒸气时，已在前i效蒸发器中反复利用。因此，在引出蒸气的温度能够满足加热设备需要的前提下，应尽可能从效数较高的蒸发器中引出额外蒸气，从而保证蒸气在引出前已得到充分利用，且此时需补充的生蒸气量也较少。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第六节 蒸发节能,3. 热泵蒸发 在蒸发操作中，虽然二次蒸气含有较高的热能，其热焓值一般并不比加热蒸气低太多，但由于二次蒸气的压力和温度不及加热蒸气，故限制了二次蒸气的用途。为此，工业上常采用热泵蒸发的处理方法。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第六节 蒸发节能,热泵蒸发是指通过对二次蒸气的绝热压缩，以提高蒸气的压力，从而使蒸气的饱和温度有所提高，然后再将其引至加热室用作加热蒸气，以实现二次蒸气的再利用。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第六节 蒸发节能,热泵蒸发可大幅节约生蒸气的用量，操作时仅需在蒸发的启动阶段通入一定量的生蒸气，一旦操作达到稳态，就无须再补充生蒸气。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第六节 蒸发节能,4. 冷凝水自蒸发的利用 加热室排出的冷凝水温度较高，其中含有一定的热能，应适当加以利用。通常，温度较高的冷凝水可用于其他物料的加热或蒸发料液的预热。此外，也可将冷凝水减压，使其饱和温度低于现有温度，此时冷凝水会因过热而出现自蒸发，然后将气化出的蒸气与二次蒸气混合并一起送入后一效的加热室，即用于后一效的蒸发加热。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第六节 蒸发节能,流程,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,蒸发设备实为传热设备，其主体是蒸发器，它是料液受热并形成二次蒸汽的场所。根据溶液在器内流动情况的不同，蒸发器可分为循环型和单程型两大类，其加热方式有直接热源加热和间接热源加热两种，其中尤以间接热源加热方式最为常用。,第七节 蒸发设备,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,1. 循环型蒸发器 根据引起循环的原因不同，此类蒸发器又可分为自然循环型和强制循环型两大类。对于自然循环型，溶液循环是由于溶液的受热程度不同所产生的密度差而引起的；而对于强制循环型，溶液循环则是因外力的作用而引起。,第七节 蒸发设备,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第七节 蒸发设备 循环型蒸发器,中央循环管式蒸发器 （标准式蒸发器）,1-蒸发室； 2-加热室； 3-中央循环管,S循环/S沸腾=0.41 u=0.40.5 m/s,中央 循环管,沸腾管,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第七节 蒸发设备循环型蒸发器,优点：结构简单、制造方便，且操作相对稳定，对于粘度较大或在浓缩过程中易于结晶的蒸发操作均能适用。当有晶体析出时，可将底部设计成锥形，以便排出晶体。 缺点：u=0.40.5m/s，在循环型蒸发器中K偏小，也不便于日常的清洗和维护。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第七节 蒸发设备 循环型蒸发器,优点：循环流速较高，与蒸发器壳壁接触的是温度较低的溶液，故热损失较低。 缺点：设备耗材较多、加热管内溶液的滞留量较大。 用途：常用于易结晶或结垢溶液的蒸发过程。,1-液沫回流管 2-除沫器 3-加热蒸气管 4-加热室,S循环/S沸腾=11.5 u=1.1.5 m/s,悬筐式蒸发器,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第七节 蒸发设备 循环型蒸发器,优点：沸腾室中无传热面，可减轻加热管内结晶或结垢现象；循环流速较高，可进一步减少管内结晶或结垢几率，并可保证较高的传热系数。 缺点：体积较大，需建高大厂房；存在附加液柱，传热温度差损失增大，需适当提高加热蒸汽压力。 用途：常用于易结晶或结垢溶液的蒸发过程。,1-蒸发室 2-挡板 3-沸腾室 4-加热室 5-循环管 6-除沫器,S循环/S沸腾=23 u=23 m/s,列文式蒸发器,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第七节 蒸发设备 循环型蒸发器,优点：加热室与蒸发室相分离，因而清洗或更换比较方便。加热管较长，一般可达直径的50100倍，同时循环管并未受热，其内溶液的密度相对较高，因此溶液的循环速度较大，可达1.5m/s。外热式蒸发器的生产强度较大，且适应性较强。 缺点：热损失较高 。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第七节 蒸发设备 循环型蒸发器,优点：在循环泵作用下，可获得较自然循环蒸发器更高的溶液循环流速，一般可达1.5 3.5m/s，且溶液流动具有一定的方向性。 缺点：动力消耗较大。 用途：用于处理高粘度、易结晶或结垢的料液。,强制循环式蒸发器,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,单程型蒸发器也称为非循环型蒸发器，其特点是溶液只流经加热管一次，即以完成液的形式排出蒸发器。为此，必须确保溶液在较短的停留时间内，能够浓缩至预定浓度。与循环型蒸发器相比，单程型蒸发器的设计和操作难度均较大。单程型蒸发器较适用于中草药等热敏性物料的蒸发。 由于溶液在单程型蒸发器的加热管壁上一般呈膜状流动，故又称为液膜式蒸发器。,第七节 蒸发设备 单程型蒸发器,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第七节 蒸发设备 单程型蒸发器,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,升膜式蒸发器： 为顺利成膜，二次蒸汽流速不能过低。对于常压和减压操作，加热管出口处的汽速一般应分别控制在2050m/s和100160m/s。因此，升膜式蒸发器一般不适用于处理浓度较高的溶液，因为其中的溶剂量较少而难以形成上述要求的蒸汽流速。此外，升膜式蒸发器一般也不适用于处理高粘度、易结晶或结垢的料液。,第七节 蒸发设备 单程型蒸发器,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,降膜式蒸发器：,料液由蒸发器的顶部加入，在自身重力作用下沿加热管内壁呈膜状向下流动。液膜在向下流动过程中因受热而蒸发，产生的二次蒸汽随液体一起由加热管底部进入蒸发室，然后分别排出。,第七节 蒸发设备 单程型蒸发器,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,降膜式蒸发器：,成膜关键在于液体流动的初始分布，需在每根加热管顶部安装性能良好的液体分布器。 降膜式蒸发器可用于处理 浓度或粘度较高的料液， 但仍不能处理易结晶、 易结垢或粘度特大的料液。,第七节 蒸发设备 单程型蒸发器,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第七节 蒸发设备 单程型蒸发器,刮板式蒸发器：刮板式蒸发器的加热管是一根垂直安装的空心圆管，管外设有加热蒸汽夹套，内部装有可旋转的刮板。刮板有固定式和活动式之分，但与管内壁之间均留有较小的空隙。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第七节 蒸发设备 单程型蒸发器,刮板式蒸发器：当料液由蒸发器顶部沿切线方向进入后，将被刮板带动旋转，并在管内壁形成下旋的液膜，使溶液被快速蒸发和浓缩。结构复杂，能耗较大，处理量一般不高，但对于高粘度、易结晶或结垢的料液具有良好的适应性。,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第七节 蒸发设备 附属设备,1.除沫器,折流式,球形,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第七节 蒸发设备 附属设备,1.除沫器,百叶窗式,金属丝网,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,1.除沫器,冲击式,第七节 蒸发 附属设备,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第七节 蒸发设备 附属设备,1.除沫器,离心式,旋风式,高等制药分离工程蒸发 主讲人：王志祥,第七节 蒸发设备 附属设备,2. 冷凝器 若二次蒸汽的潜热不需重新利用，则可将其通入冷凝器进行冷却。蒸发生产中的冷凝器常采用