中药蒸发浓缩过程设备及的热能利用

关于中药蒸发浓缩过程设备及的热能利用1.概述

在中药制药工业等众多的行业中，通常要遇到将溶液蒸浓的工业操作。这种借加热作用使溶液中一部分溶剂汽化因而获得浓缩的过程称为蒸发过程。蒸发的目的是为了使溶液中的溶剂汽化，这种情况下，要求溶剂具有挥发性而溶液中的溶质则不应具有挥发性。第2页,共52页，2024年2月25日，星期天2.蒸发的基本理论

按照分子运动学说，当溶液受热时，靠近加热面的分子获得的动能胜过分子间的吸引力，故逸向液面上的空间，变为自由分子，这就称为气化。因气化而生成的蒸汽，倘若在逸向空间后不予除去，则蒸汽与溶液将渐渐趋于平衡状态，使气化不能继续进行。所以进行蒸发的必备条件为热能的不断供给和所产生的蒸汽不断排除。第3页,共52页，2024年2月25日，星期天2.蒸发的基本理论

在蒸发过程中，溶液中溶剂的气化可分为在沸点时的气化与低于沸点时的气化，前者的速率远超过后者，所以工业上的蒸发都在沸腾情况下进行的。在沸腾情况下进行溶剂的蒸发，仍需要热能的不断供给。蒸发单位重量溶剂所需的热量，称为蒸发潜热，或气化潜热。如果是水溶液则溶剂为水。工业上采用的热源通常为水蒸汽，所以遇到水溶液的蒸发时，一方面用蒸汽作为热源以供给热能，另一方面则水溶液本身蒸发时也产生蒸汽，为易于区别，前者称为加热蒸汽，后者称为二次蒸汽。第4页,共52页，2024年2月25日，星期天3.中药蒸发浓缩设备

蒸发设备是实现蒸发操作的基础。随着工业的需要和发展，蒸发器构造的形式也逐步改进。先以横管加热式取代了夹套加热式，再改进成为竖管加热式，而后者在广泛使用中又继续得到改进，为了避免溶液静压强的影响，创造了液膜蒸发器，为了提高生产强度，又创造了加热室在外的蒸发器和强制循环蒸发器。此外，节省加热蒸汽的办法，除了将二次蒸汽加以利用成为多效蒸发外，还可借二次的绝热压缩，使其温度升高而能再度用于原蒸发器，以作为加热蒸汽，如此操作的蒸发器称为热泵蒸发器。这些改进和创造，都以蒸发的基本原理以及与其生产强度有关的许多因素的研究为依据。第5页,共52页，2024年2月25日，星期天3.1.蒸发设备的类型1.加热面形状和位置——夹套、蛇管、直管、加热室在内或在外；2.蒸发器本身的放置方法——横卧、竖立、倾斜。3.溶液的循环方法——自然循环、强制循环。第6页,共52页，2024年2月25日，星期天敞口倾倒式夹套蒸发锅

这类蒸发锅是中药制药厂早期应用较多的一类，用来蒸发及熬浓提取液，其结构如图所示。它是一个圆底开口容器，底部设有夹层，内通蒸汽加热，使物料在常压下煮沸蒸发浓缩。夹套外侧两端附有耳轴，耳轴一端进蒸汽，另一端排除冷凝水。蒸发锅用轴承支持，轴经过蜗轮装置用人工可使锅反转，以将锅中浓缩的料液或清洗水倾倒排出。此蒸发锅对料液的粘度范围适应很广，清洗简便，但传热面积有限，由于是开口蒸发，排放的蒸汽对环境卫生有一定影响。第7页,共52页，2024年2月25日，星期天

敞口倾倒式夹套蒸发锅第8页,共52页，2024年2月25日，星期天NZ真空浓缩器

真空浓缩是指在密闭的容器中，通过抽真空以降低容器内部的压力，使液体沸腾温度降低的蒸发操作，它具有温度低，蒸发速度快，可防止热敏性物料的分解失效。一般减压后的温度在40~60℃时溶液就可沸腾。真空浓缩罐有采用搪玻璃反应釜改制成的，也有用不锈钢制造。此设备结构简单，操作方便，但处理量较小，料液受热时间较长。夹套式真空浓缩罐是中药生产中普遍采用的一种蒸发器。常用的有NZ真空浓缩器系列，它主要包括夹套浓缩罐、第一冷凝器、汽液分离器、第二冷凝器、冷却器、受液罐六个部件组成,全部由不锈钢制成。如图所示。

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NZ真空浓缩器第10页,共52页，2024年2月25日，星期天第11页,共52页，2024年2月25日，星期天外循环式蒸发器

外循环蒸发器的特征在于加长的加热管（管长与直径之比L/D=50~100），并使加热室安装在蒸发器的外面，这样就可以减低蒸发器的总长度，同时循环管没有受到蒸汽加热，使溶液的自然循环速度较快（循环速度可达1.5m/s）。其外形结构如图第12页,共52页，2024年2月25日，星期天外循环式蒸发器第13页,共52页，2024年2月25日，星期天第14页,共52页，2024年2月25日，星期天外循环式蒸发器的工业生产装置第15页,共52页，2024年2月25日，星期天降膜式蒸发器

降膜式蒸发器其结构如图所示。物料加热室顶部加入，经液体分布器分布后呈膜状向下流动。在管内被加热汽化，被汽化的蒸汽与液体一起由加热管下端引出，经气液分离后即得到完成液。第16页,共52页，2024年2月25日，星期天

降膜式蒸发器第17页,共52页，2024年2月25日，星期天升膜式蒸发器

升膜式蒸发器如图，其加热管束很长，可达3~10米。溶液由加热管底部进入，并将液面维持在较低的位置，溶液被加热沸腾而汽化，因而产生大量的二次蒸汽泡沫，发生向上的推进作用，最终液体被上升的蒸汽拉成环状薄膜，沿壁向上运动，非常剧烈，气液混合物由管口高速冲出，这时溶液与泡沫的混合物在管中的速度可达20m/s。这种高速度具有以下两个优点：（1）增加沸腾给热系数，因此传热系数可以很大；（2）结垢不易生成，从而可以减慢蒸发器在操作期间因结垢的生成而减小传热系数的现象。被浓缩的液体经气液分离器后即排出蒸发器。第18页,共52页，2024年2月25日，星期天升膜式蒸发器第19页,共52页，2024年2月25日，星期天刮板蒸发器

这种蒸发器专为高粘度溶液的蒸发而设计的。蒸发器的加热管为一根较粗的直立圆管，中、下部设有两个夹套进行加热，圆管中心装有旋转刮板。刮板的型式有两种，一种是固定间隙式，刮板端部与加热管内壁留有约1mm左右的间隙。另一种是可摆动式转子，刮板借旋转离心力紧压于液膜表面。料液自顶部进入蒸发器后，在重力和刮板的搅动下分布于加热管壁，并呈膜状旋转向下流动。汽化的二次蒸汽在加热管上端无套管部分被旋转刮板分去液沫，然后由上部抽出并加以冷凝，浓缩液由蒸发器底部放出。旋转刮板式蒸发器的主要特点是借助外力强制料液成膜状流动，可适应高粘度、易结晶、结垢的浓溶液的蒸发，此时仍能获得较高的传热系数。某些场合下可将溶液蒸干，而由底部直接获得粉末状的固体产物。这种蒸发器的缺点是结构复杂，制造要求高，加热面不大，而且需消耗一定的动力。第20页,共52页，2024年2月25日，星期天固定间隙的刮板蒸发器第21页,共52页，2024年2月25日，星期天

转子式刮板蒸发器第22页,共52页，2024年2月25日，星期天第23页,共52页，2024年2月25日，星期天第24页,共52页，2024年2月25日，星期天3.2.对蒸发设备的要求和选型（1）蒸发设备选型时应考虑的几点工艺要求：

1）尽量保证较大的传热系数；

2）要适合溶液的一些特性，如粘度、起泡性、热敏性、溶解度随温度变化的特性及腐蚀性；

3）能完善地分离液沫；

4）尽量减少温差损失；

5）尽量减慢传热面上污垢的生成速度；

6）能排出溶液在蒸发过程中所析出的结晶体；

7）能方便地清洗传热面。第25页,共52页，2024年2月25日，星期天3.2.对蒸发设备的要求和选型

（2）机械加工和设备价格的要求：

1）设备的体积和金属材料的消耗量小；

2）机械加工和制造，安装应该合理和方便；

3）检修要容易；

4）设备的使用寿命要长；

5）有足够的机械强度；

6）操作费用要低。第26页,共52页，2024年2月25日，星期天3.2.对蒸发设备的要求和选型（3）蒸发物料的特性：

1）溶液的结垢性；

2）溶液的粘度；

3）溶液的热敏性；

4）有无结晶析出；

5）溶液的发泡性及腐蚀性。第27页,共52页，2024年2月25日，星期天3.3.中药蒸发浓缩过程的工艺组配单效蒸发：蒸发过程仅利用加热蒸汽（生蒸汽）进行一次蒸发浓缩的操作过程；双效蒸发：蒸发过程除利用生蒸汽外，同时利用二次蒸汽进行二次蒸发浓缩的操作过程；多效蒸发：多次利用二次蒸汽进行多次蒸发浓缩的操作过程。第28页,共52页，2024年2月25日，星期天3.3.1.蒸发装置流程的确定1）效数的确定

（1）经济上的限制是指效数超过一定值则经济上不合理。（2）技术上的限制是指效数过多，蒸发操作将难以进行。

沸点升高较大通常为2~3效。沸点升高较小可取4~6效真正适应的效数，还需要通过最优化的方法来确。第29页,共52页，2024年2月25日，星期天3.3.1.蒸发装置流程的确定2）多效蒸发装置中溶液流程的选择

在多效蒸发装置中，溶液的流程可以是并流、逆流和平流，流程的选择，主要根据溶液特性，操作方式以及经济程度来决定。第30页,共52页，2024年2月25日，星期天第31页,共52页，2024年2月25日，星期天第32页,共52页，2024年2月25日，星期天第33页,共52页，2024年2月25日，星期天3.3.2蒸发浓缩过程的工艺组配

（1）外循环单效蒸发（2）双降膜双效蒸发；（3）降升膜双效蒸发；（4）一降二升三效蒸发；（5）三降膜三效蒸发；第34页,共52页，2024年2月25日，星期天单效蒸发流程第35页,共52页，2024年2月25日，星期天降升膜双效蒸发流程第36页,共52页，2024年2月25日，星期天

三效降膜蒸发流程第37页,共52页，2024年2月25日，星期天一降二升三效蒸发流程第38页,共52页，2024年2月25日，星期天双效外循环真空蒸发器第39页,共52页，2024年2月25日，星期天三效浓缩器（蒸发器）第40页,共52页，2024年2月25日，星期天三效蒸发器第41页,共52页，2024年2月25日，星期天3.4.蒸发过程中的节能

蒸发过程也是一个热平衡过程，理论上讲，蒸发1公斤水需消耗1公斤水蒸汽，实际过程中，由于有热能的损耗存在，蒸发1公斤水实际所消耗的蒸汽远远大于1公斤的蒸汽量，所以，蒸发过程如何来节约能耗，除了减少过程的能量损耗、提高换热设备的传热效果外，主要就是要充分考虑过程中二次蒸汽的合理利用。第42页,共52页，2024年2月25日，星期天3.4.1.可考虑的节能措施

（1）改进蒸发设备的制作工艺；（2）选用高效的加热设备；（3）改进蒸发工艺和操作，充分有效地利用加热蒸汽和二次蒸汽第43页,共52页，2024年2月25日，星期天中药板式单效蒸发浓缩过程

用板式换热器作为蒸发的受热元件，改变传统的用列管式换热器的加热方式，提高热传递的效果，增加热能的利用率，

（1）板式单效蒸发装置的主要设备配置：板式加热器、板式冷凝器、分离器、冷凝液贮罐、循环泵等设备。

（2）板式单效蒸发的工艺流程说明：提取液由系统的真空作用进入分离器，到达一定量后（分离器液位计的上限液位后），关闭进料阀门，开启浓缩循环泵。根据被蒸发料液的性质，设定分离器内物料的蒸发温度，并由此温度俩控制蒸汽加热量，提取液由分离器底部被浓缩循环泵强制打入板式加热器加热，受热后的提取液离开板式加热器，经分离器内的片状喷淋器进入分离器进行蒸发，蒸汽由分离器上端离开，进入冷凝器，冷凝液进入受液罐内，回收使用；液体则再由分离器底部被浓缩循环泵强制打入板式加热器加热，当分离器内的液位到达下限液位时，开启进料阀门加料，直至上限液位后停止，以此循环，直至被浓缩液体密度达到要求。两台冷凝液贮罐连续切换使用。第44页,共52页，2024年2月25日，星期天

板式单效蒸发工艺流程第45页,共52页，2024年2月25日，星期天中药板式双效蒸发浓缩过程

利用一效分离产生的二次蒸汽来加热二效蒸发加热器，可充分有效地利用热能资源；而双效蒸发采用一效正压操作和二效负压操作的工艺路线，更有效地利用了二次蒸汽的热能。（1）双效蒸发组合装置的主要设备配置：板式加热器、板式冷凝器、分离器、冷凝液贮罐、循环泵等设备。（2）双效蒸发的工艺流程说明：提取液按蒸发要求确定流量后由输送泵送入板式加热器，受热后的提取液离开加热器，经一效分离器内的片状喷淋器进入分离器进行蒸发，蒸汽由一效分离器上端离开，进入二效加热器，