中药厂水提液浓缩系统节能改造技术—蒸发水量毕业设计论文.doc

摘要随着人们生活水平的提高，越来越重视药物的使用，中药因其毒副作用小、适合养生而备受关注，中药的的品质也越来越受到大家的关注。采用升膜蒸发器来获取所需的中药成品，已成为当今中药成品的首选。本文是对采用升膜蒸发器系统的研究，主要是研究升膜蒸发器的设计。中药是中华民族五千年传统文化的瑰宝，是千百年医疗实践的结晶，也是世界优秀文化的精华。我国中药产业经过几十年的发展，已具有一定的规模和研发能力，在中药材、中药饮片和剂型等方面取得了一定的成绩。然而随着人们生活水平的不断提高，以及新的健康理念产生，国内市场对中药的需求量迅速增长，竞争力的加强，中药的发展面临着巨大的挑战和机遇。本系统为四效升膜蒸发器，拥有四个蒸发器和分离器，药剂原液经过四个不同的蒸发器，蒸发温度低，部分二次蒸汽经喷射式热压泵重新吸入一效加热器，热量得到充分利用，蒸发温度相对较低。浓缩比大，升膜式蒸发，使粘度较大的料液容易流动蒸发，不容易结垢，浓缩时间短，浓缩比可达到15。本设备可以实现全自动化生产，智能化系统管理，符合GMP标准要求。升膜蒸发器适宜处理蒸发量较大，热敏性，粘度不大及易起沫的溶液，但不适于高粘度、有晶体析出和易结垢的溶液。在不同的蒸发器中达到相应的浓度，经过分离式分离，然后进入下一效升膜蒸发器，最后获得所需要的药剂浓度。升膜蒸发器的构成是液体根据虹吸泵的原理进入加热管加热，流入到分离器后液体与蒸汽分离开来，通过循环管流回到蒸发器，形成闭路循环，这种蒸发器又称外循环蒸发器。与升膜蒸发器结构基本相同，主要区别在于原料液是从加热室的底部进入，料液进入加热管后，受热沸腾迅速汽化；蒸汽在管内迅速上升，料液受到高速上升蒸汽的带动，沿管壁形成膜状上升，并继续蒸发。产生的蒸汽与液相共同进入蒸发器的分离室，汽液经充分分离，低温位的蒸汽经压缩机压缩，温度、压力提高，热焓增加，然后进入换热器冷凝，以充分利用蒸汽的潜热，液相则由分离室排出1。本系统达到了预定药剂的浓度要求，生产效率较之前的降膜蒸发器有所提高，蒸发量也有所提高，升膜蒸发器适宜处理蒸发量较大，热敏性，粘度不大及易起沫的溶液，但不适于高粘度、有晶体析出和易结垢的溶液，采用升膜蒸发器，蒸发效率更高，加上PLC控制系统，浓度精度控制更加精确，有很大的使用价值，市场前景广阔，实现了自动化的生产2。关键词： 四效升膜蒸发器； 中药； 蒸发效率； 浓度AbstractWith the improvement of peoples living standards, more and more emphasis on the use of drugs, traditional Chinese medicine because of its toxic side effects, and concern for the health and quality of Chinese medicine are increasingly being everyones attention. Use rising film evaporator to obtain the desired end product of traditional Chinese medicine, Chinese medicine has become the first choice for the finished product. This article is the use of climbing film evaporator system research is to study the climbing film evaporator design. 5,000 years of Chinese medicine is a treasure of traditional culture, thousands of years of medical practice is the crystallization of the worlds best is the essence of culture. Traditional Chinese medicine industry after decades of development, already has a certain scale and research and development capabilities, has made certain achievements in Chinese herbal medicine, Chinese medicine Pieces, and other aspects of the dosage form. However, with the continuous improvement of peoples living standards, and the new concept of health production, the rapid growth of the domestic market demand for traditional Chinese medicine, strengthening the competitiveness of Chinese development is facing enormous challenges and opportunities.The four effect rising film evaporator, with four evaporation and separators, pharmaceutical dope through four different evaporator, the temperature is low, the second part of the steam jet by pressing the suction pump to a heater efficiency, heat is fully utilized, the relatively low evaporation temperature. Concentration ratio, rising film evaporation, the viscosity of the liquid material flow easily evaporate, not easy to scale, concentration time is short, concentration ratio up to 1: 5. This equipment can be fully automated production, intelligent management system, in line with GMP standards. Rising film evaporator suitable for processing a large amount of evaporation, heat-sensitive, small and easy to frothing viscosity of the solution, but not suitable for high viscosity, there are crystal precipitation fouling and easy solution. To achieve the appropriate concentration in different evaporator after separation separation, then go to the next effect rising film evaporator, and finally obtain the desired concentration of the agent. Climbing film evaporator constituting the liquid into the heating tube pump according to the principles of the siphon, the liquid flows into the separator after the separated vapor, flows back through the circulation tube evaporator, to form a closed loop, which is also called outer evaporator circulation evaporator. And rising film evaporator structure is basically the same, the main difference is that the raw material liquid entering from the bottom of the heating chamber, feed liquid into the heating pipe, the heat boiling the rapid vaporization; steam rose rapidly in the tube, the material was being driven by high-speed ascending vapor along rising wall formed into a film, and evaporation was continued. Steam generated by the liquid phase separation of the common into the evaporator chamber sufficiently vapor-liquid separation, cryogenic bit vapor compressed by the compressor, temperature, pressure increased enthalpy increases and then condensed into the heat exchanger, to take advantage of steam latent heat, the liquid is discharged by the separation chamber.The system has reached a predetermined concentration of the agent requirements, production efficiency falling film evaporator improved than before, evaporation also increased, rising film evaporator suitable for processing large amount of evaporation, not heat-sensitive, viscosity and easy to frothing solution, but not suitable for high viscosity, there are crystal precipitation fouling and easy solution, using the rising film evaporator, higher evaporation efficiency, coupled with PLC control system, the concentration of precision control more precise, there is great value, market prospects broad, automated production.Key words： apo Four-effect rising film evaporator; traditional Chinese medicine; Ev ration efficiency; Concentration目 录 第一章绪论 1 1.1 中药产业的发展现状 1 1.2 设计内容及采取方法 2 1.2.1 设计内容 2 1.2.2采取方法 2 第二章蒸发技术 4 2.1 蒸发技术 4 2.2 降膜蒸发器结构 5 2.3 降膜蒸发器的特点 5 第三章设计计算 7 3.1 物料衡算 7 3.1.1 热压泵的喷射系数 7 3.1.2 蒸发水量 7 3.2 热量衡算 8 3.2.1 一效蒸发罐的热量衡算 8 3.2.2 二效蒸发罐的热量衡算 10 3.2.3 三效蒸发罐的热量衡算 11 3.2.4 四效蒸发罐的热量衡算 12 3.2.4 总热量衡算 13 3.3 蒸发罐设计计算 14 3.3.1 各效蒸发罐设计 14 3.3.2 周边流量校核 16 3.3.3.蒸发罐筒体内径 18 3.3.4 蒸发罐壁厚校核 19 3.4 各效预热盘管的设计计算 24 3.4.1 一效预热盘管 24 3.4.2 二效预热盘管 26 3.4.3 三效预热盘管 27 3.4.4 四效预热盘管 27 3.4.4 筒体封头的设计 27 3.5 分离器直径和高度的设计 27 3.5.1 分离器直径 27 3.5.2 分离室高度 27 3.5.3 分离器壁厚设计 27 3.5.4 分离器封头的设计 27 3.6 热能压缩泵的设计 27 3.6.1 拉伐尔喷嘴的计算 27 3.6.2 泵体的基本尺寸 27 3.6.3 扩压室的设计计算 27 3.7 预热器的设计 27 3.8 冷凝器的设计 27 3.8.1 热量 27 3.8.2 冷凝器所需冷却的热量 27 3.8.3 冷凝器的结构设计 27 3.8.4 冷凝器封头 27 3.8.5 冷凝器壁厚校核 27 3.9 管路设计计算 27 3.9.1 蒸汽矩形管道设计 27 3.9.2 物料管设计 27 3.9.3 上、下不凝气管 27 3.9.4 冷凝水出口管 27 3.10 泵的设计与选择 27 3.10.1 离心泵的设计与选择 27 3.10.2 真空泵的选择与设计 27 3.11 CIP局部清洗系统 27 3.11.1 CIP系统的简介与应用 27 第四章安装前的准备要求与安装注意事项 27 参考文献 27 致 谢 27沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论1.1 中药产业的发展现状1 中药是中华民族传统文化中的瑰宝，在我国各族人民长期的生产生活实践和与疾病作斗争中逐步形成并不断丰富发展，为中华民族的繁衍生息做出了重要贡献。中医药和民族医药所承载的民族传统和文化价值，所蕴含的人类对生命和健康的认识理念，所体现的预防、治疗、保健、养生、康复等维护健康的综合性疗效，以及所采用的药物、非药物等多种诊疗方法，在提高防治疾病的效果、避免和减少化学药物的毒副作用、降低医疗成本和费用、丰富卫生保健内涵等方面显示出其特色与优势，深刻体现了以人为本、维护健康的卫生工作宗旨，是国特色医药卫生体系的重要组成部分，至今仍在维护人民健康中发挥着独特作用。 近二十年来，我国中药生产企业提取液的浓缩采用双效、三效、四效蒸发器的居多，这两种蒸发器为我国中药产业改革原始的提取液蒸发浓缩方式，步入现代化工业生产的轨道，做出了很大贡献，确实功不可没。然而，这二种蒸发器应用到中药生产，普遍存在二个先天性问题需要解决。(1)一效加热温度在110120，沸点8090左右，正处中药温度敏感区，造成提取液中热敏性有效成分的破坏。(2)收膏方式是四效分别收膏后再混合，不仅操作困难，且浸膏比重不均匀。耗能大更是这一设备的不足。(1T水/1.2T蒸汽，1T水蒸汽/34T冷却水。)如果提取液杂质多，易产生结垢，传热效果急剧下降，耗能就更大。 当前中药提取液的浓缩方式存在着诸多不合理之处，主要有几点：（1）长时间的常压浓缩，如敞口浓缩、常压薄膜浓缩等，蒸发时间长、加热温度高、消耗能量大，药物中的有效成分易被破坏、碳化而影响药品质量，且设备易结垢，管道易堵塞；（2）水提取液直接用减压设备浓缩时，由于提取液温度高于减压浓缩设备中药液的沸腾温度，药液在设备中易引起瀑沸而跑料，影响产品质量和收得率。如果采用增多储罐、自然或强制其降温后再进行减压浓缩，则不仅会增加储罐的设备投资，增加能耗，而且药液在贮存等待浓缩的过程中容易被污染、变质发酵、夏季尤甚；（3）中药乙醇提取液采用真空蒸发器回收溶剂，损失率较大，回收乙醇浓度较低，需要进一步浓缩才能再次利用。 随着多学科技术在新产品开发中的综合应用及分析技术的进步，中药提取、纯化、精制、干燥工艺有较大提高，尤其是单品种单一组分的提取、纯化尤为突出。相比之下，装备的开发有些滞后，这一点必须引起制药装备行业的高度重视，加强装备与工艺的紧密配合，重视工程技术的研究与开发，尽快使科研成果转为生产力。中药现代化首先应是工艺技术的现代化，工艺技术的现代化离不开装备的现代化，只有工艺与装备紧密配合，才能真正实现中药现代化。相信，伴随着中药现代化前进的步伐，中药企业的制药装备一定会逐渐全面实现技术先进、高效、节能、高收率、生产自动化、控制智能化，充分体现“GMP”内涵的新局面1.2 设计内容及采取方法1.2.1 设计内容 节能型中药厂中药水提取液蒸发系统设计，蒸发水量4000kg/h。技术参数；为中药浸出液初始温度为15，初始固形物含量为0.05，浓缩终了固形物含量为35。本设计采用的是多效蒸发，设计效数为四效，料液经预热器预热后，再通过各效盘管预热，最终达到超沸点进料。蒸发所需要的热量是通过热压泵将一效产生的二次蒸汽和锅炉的生蒸汽混合后得到。1.2.2采取方法 多效蒸发装置的设计程序一般为： （1）根据溶液的性质及工业要求确定蒸发的操作条件、蒸发器形式和蒸发操作的流程及最佳效数等； （2）根据物料衡算及热量衡算计算加热蒸汽消耗及各效蒸发量； （3）求出各效传热量和传热有效温度差，确定传热系数，从而计算各效的热传面积； （4）根据传热面积和选定的加热管直径和长度，计算加热管数；确定管新和排列方式，计算加热室的外壳直径； （5）确定蒸发器的工艺尺寸，包括接管、连接方式、法兰、人孔和视镜的标准； （6）确定二次蒸汽冷凝器结构并计算冷凝器的工艺尺寸及其他附属设备的计算或选型； （7）真空系统计算及真空泵的选型； （8）绘制工艺流程图及蒸发器装备图和编写设计说明书。48沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 蒸发技术第二章 蒸发技术2.1 蒸发技术 使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质组成提高的单元操作称为蒸发，所采用的设备称为蒸发器。蒸发操作广泛应用于化工、石油化工、制药、制糖、造纸、深冷、海水及原子能等工业中。 工业上采用蒸发操作主要达到以下目的： （1）直接得到经浓缩后的液体产品，例如稀烧碱溶液、各种果汁、牛奶的浓缩等。 （2）制取纯净溶剂，例如海水蒸发脱盐制取淡水。 （3）同时制备浓溶液和回收溶剂，例如中药生产中酒精浸出液的蒸发。 被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其他溶剂的溶液，而化学工业中主要以蒸发水溶液为主。蒸发中的热源常采用新鲜的饱和的水蒸汽，又称生蒸汽。从溶液中蒸发出去的蒸汽称为二次蒸汽。 根据分类角度的不同，可以将蒸发操作分类如下： （1）单效蒸发与多效蒸发。 （2）加压蒸发、常压蒸发、和减压蒸发。 （3）间歇蒸发和连续蒸发。 蒸发过程的实质是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液沸腾间的传热过程，溶剂的汽化速率由传热速率控制，故蒸发属于热量传递过程，但又有别于一般传热过程，因为蒸发过程具有下述特点： （1）传热性质 传热壁面一侧的加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液进行沸腾，故蒸发过程属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。 （2）溶液沸点的改变 含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下溶剂（即纯水）的低，换言之，在相容压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点，故当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差。溶液组成越高这种现象越显著。 （3）溶液性质 有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢和生泡沫，高温下易分解或聚合；溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。 （4）泡沫夹带 二次蒸汽中常夹带大量液沫，冷凝前必须设法除去，否则不但损失物料，而且会污染冷凝设备。 （5）能源利用 蒸发时产生大量二次蒸汽，如何利用他的潜热，是蒸发操作重要考虑的关键之一。232.2 降膜蒸发器结构 降膜蒸发是将料液自降膜蒸发器加热室上管箱加入，经液体分布及成膜装置，均匀分配到各换热管内，在重力和真空诱导及气流作用下，成均匀膜状自上而下流动。流动过程中，被壳程加热介质加热汽化，产生的蒸汽与液相共同进入蒸发器的分离室，汽液经充分分离，蒸汽进入冷凝器冷凝（单效操作）或进入下一效蒸发器作为加热介质，从而实现多效操作，液相则由分离室排出。 降膜蒸发器主要组成及各自的作用如下： （1）杀菌器：杀灭乳中的致病菌、酶类。 （2）冷凝器：冷凝二次蒸汽，同时预热原奶，进行热回收。 （3）蒸发罐：利用蒸汽将乳中的水分在真空状态下蒸发。 （4）分离室：将乳中蒸发出来的二次蒸汽与浓缩乳分离。 （5）热压泵：利用生蒸汽将二次蒸汽高效率的进行再压缩，供一效蒸发器使用。 （6）水环真空泵：为蒸发室提供一定的真空度使蒸发操作连续进行。 （7）物料泵：采用自吸式卫生泵，输送物料。 （8）冷凝水泵：输送冷凝水。 （9）出料泵：导出物料。 （10）冷却水泵：输送冷却水。2.3 降膜蒸发器的特点 优点： （1）物料一次通过受热时间短，可防止热分解，提高奶粉复原性，易于热敏性物料； （2）连续操作，设备有效时间利用率高； （3）蒸发与预热都在小温差下进行，因而不易结焦，易于清洗也易于二次蒸气再压缩和多效流程操作； （4）由于可多效操作及二次蒸发再压缩等原因，热能消耗少； 缺点： （1）设备较高，要求高层厂房； （2）要求工作蒸汽压力较高且稳定； （3）设备投资较高。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 设计计算第三章 设计计算3.1 物料衡算3.1.1 热压泵的喷射系数 ,绝压为0.039 Mpa；【5】 ,绝压为0.070 Mpa； =1.0Mpa计算热压泵喷射系数： 式中： 高压引射蒸汽与其绝压绝热膨胀到吸入低压汁汽压力时的焓值差 低压吸入汁汽由其绝压绝热浓缩到混合蒸汽的绝压时的焓值差 查焓熵图得： 128 25，则 3.1.2 蒸发水量 总蒸发水量： Kg/h 为保证设备可靠，将总蒸发水量扩大到10： Kg/h 总蒸发水量： Kg/h Kg/h 式中： 中草药浸出液入料浓度，0.05 中草药浸出液出料浓度，35% 原料液流量（Kg/h） W 总蒸发量（Kg/h） 总蒸发量W应等于各效蒸发量总和： 式中： 一效蒸发量（Kg/h） 二效蒸发量（Kg/h） 三效蒸发量（Kg/h） 四效蒸发量（Kg/h）3.2 热量衡算3.2.1 一效蒸发罐的热量衡算一效蒸发罐示意图：FFhL(70)D1hg(89)0.03D1hg(89)FhL(65)0.02D1hg(89)(FW1)hL(68)D1hL(89)W1hg(68)图31 效蒸发罐示意图 式中： 65时汽体的焓值，272.59Kj/Kg 68时液体的焓值，285.15Kj/Kg 68时液体的焓值，2624.56 Kj/Kg 70时汽体的焓值，292.97Kj/Kg 89时液体的焓值，2658.48 Kj/Kg 89时液体的焓值，372.736 Kj/Kg 代入数值得： 整理得： （1）3.2.2 二效蒸发罐的热量衡算D2hg(68)(FW1)FhL(65)D1hL(89)0.03D2hg(68)FhL(55)0.02D2hg(68)(FW1W2)hL(60)(D1D2)hL(68)W2hg(60) 二效蒸发罐示意图：WWW图32 二效蒸发罐示意图 式中： 55时液体的焓值，230.75 Kj/Kg 60时汽体的焓值，2608.9 Kj/Kg 60时液体的焓值，251.65 Kj/Kg 65时液体的焓值，272.59 Kj/Kg 68时液体的焓值，2624.56 Kj/Kg 68时汽体的焓值，285.15 Kj/Kg 89时液体的焓值，372.736 Kj/Kg 代入数值得： 整理得： （2） 3.2.3 三效蒸发罐的热量衡算 三效蒸发罐示意图：D3hg(60)(FW1W2)hL(60)FhL(55)(D1D2)hL(68)0.03D3hg(60)FhL(45)0.02D3hg(60)(FWi)hL(52)DihL(60)W3hg(52)图33 三效蒸发罐示意图 式中： 45时液体的焓值，188.95 Kj/Kg 52时汽体的焓值，2598.21 Kj/Kg 52时浸出液的焓值，218.12 Kj/Kg 55时浸出液的焓值，230.75 Kj/Kg 60时蒸汽的焓值，2608.9 Kj/Kg 60时浸出液的焓值，251.65 Kj/Kg 68时浸出液的焓值，285.15 Kj/Kg 代入数值得： 整理得 （3） 3.2.4 四效蒸发罐的热量衡算 四效蒸发罐示意图：D4hg(45)(FWi)FhL(45)DihL(60)0.03D4hg(52)FhL(35)0.02D4hg(52)(FWi)hL(44)DihL(52)W4hg(44) 图34 四效蒸发罐示意图 式中： 35时液体的焓值，151.47 Kj/Kg 442时汽体的焓值，2580.43 Kj/Kg 44时浸出液的焓值，184.77 Kj/Kg 45时浸出液的焓值，188.95Kj/Kg 52时蒸汽的焓值，2598.21 Kj/Kg 52时浸出液的焓值，218.12 Kj/Kg 60时浸出液的焓值，251.65 Kj/Kg 代入数值得： 整理得 （4）3.2.4 总热量衡算 （5） 因为： ； ； 由（1）、（2）、（3）、（4）、（5）四个方程联立得 =1840.12Kg/h =2103.03Kg/h =897.62Kg/h =996.09Kg/h =831.13Kg/h =849.66Kg/h =831.13Kg/h =845.57Kg/h 比例符合要求。3.3 蒸发罐设计计算3.3.1 各效蒸发罐设计3.3.1.1 一效蒸发罐 传热量 KJ/h 传热系数 w/m2oc=5400 KJ/hm2oc 各效温差均为： 传热面积 m2 传热面积 m2，降膜蒸发器加热管长径比为125250，选用的不锈钢管，管长8m。则管数： 根3.3.1.2 二效蒸发罐 传热量 KJ/h 各效传热系数： w/m2oc=5040KJ/hm2oc 各效温差均为： 换热面积为： m2 传热面积m2，降膜蒸发器加热管长径比为125250，选用的不锈钢管，管长8m。 则管数： 根 3.3.1.3 三效蒸发罐 传热量 KJ/h 传热系数： w/m2oc=4680KJ/hm2oc 各效温差均为： 换热面积为： m2 传热面积 m2，降膜蒸发器加热管长径比为125250，选用的不锈钢管，管长8m。 则管数： 根 3.3.1.4 四效蒸发罐 传热量 KJ/h 传热系数： w/m2oc=4320KJ/hm2oc 各效温差均为： 换热面积为： m2 传热面积 m2，降膜蒸发器加热管长径比为125250，选用的不锈钢管，管长8m。 则管数： 根 3.3.2 周边流量校核 一效： Kg/hm，不需要分程 一效管子排列如图所示：7图35 一效排管示意图 二效： Kg/hm，不需要分程 二效管子排列如图所示：【8】 图36 二效排管示意图 三效： Kg/hm，需要分程。 分为两程：第一程30根，第二程31根 第一程： Kg/hm，分层后符合要求。 三效管子排列如图所示：图37 三效排管示意图 四效： Kg/hm，需要分程。 分为三程：第一程23根，第二程22根，第二程21根 第一程： Kg/hm分层后符合要求。四效管子排列如图所示：图38 三效排管示意图3.3.3.蒸发罐筒体内径 （1）一效壳体内径的计算： 根据计算得知一效的换热管数为113根。因此筒体的内径有以下公式计算得出：筒体的内径： 管心距，胀接法（换热管的外径） 横过管束中心线的管数，按照正三角形布管其中表示管数 管束中心线上最外层管中心线到壳体内壁的距离 mm 根据计算得到筒体小端和大端的直径： 小端内径：620+70=690； 圆整到700 大端内径：700+64+64=828； 圆整到900 （2）二效壳体内径的计算（同上）： 小端内径：463+70=533； 圆整到600 大端内径：600+64+64=728； 圆整到800 （3）三效壳体内径的计算（同上）： 小端内径：466+70=536； 圆整到600 大端内径：600+64+64=728； 圆整到800 （4）四效壳体内径的计算（同上）： 小端内径：483+70=553； 圆整到600 大端内径：600+64+64=728； 圆整到8003.3.4 蒸发罐壁厚校核3.3.4.1 一效蒸发罐 （1）大端： 假设厚度取mm。 大端外径mm 临界长度： mm 3056 mm 大圆筒的长度按黄金分割得到： m 由于故该圆筒属于短圆筒。