生物工业下游技术蒸发与干燥省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

蒸发与干燥蒸发与干燥o概述概述o蒸发过程及系统组成蒸发过程及系统组成o蒸发操作方法蒸发操作方法o蒸发设备蒸发设备o蒸发节能办法蒸发节能办法o干燥基本概念和原理干燥基本概念和原理o干燥方法干燥方法o干燥工艺及干燥技术干燥工艺及干燥技术o干燥节能办法干燥节能办法第1页概述概述蒸发与干燥基本概念蒸发与干燥基本概念o蒸发：蒸发：是使含有是使含有不挥发不挥发溶质溶质溶液溶液沸腾沸腾汽化并移出蒸汽化并移出蒸汽汽，从而使溶液中溶质，从而使溶液中溶质浓度提升浓度提升过程。蒸发浓缩主过程。蒸发浓缩主要目标有两个：一是增加溶质浓度，降低溶液体积，要目标有两个：一是增加溶质浓度，降低溶液体积，方便方便深入分离提纯深入分离提纯；二是蒸发得到溶剂较为纯净，；二是蒸发得到溶剂较为纯净，能够能够再利用或无污染排放再利用或无污染排放。o干燥：干燥：是指利用热能将是指利用热能将湿物料湿物料中湿分中湿分汽化并排除蒸汽化并排除蒸汽汽，从而得到较，从而得到较干物料干物料过程。干燥主要目标是：一过程。干燥主要目标是：一是产品是产品便于包装贮存运输便于包装贮存运输；二是许多生物制品在湿；二是许多生物制品在湿分含量较低状态下较为稳定，从而使生物制品有分含量较低状态下较为稳定，从而使生物制品有较较长保质期长保质期。第2页概述概述o蒸发和干燥中应该注意问题蒸发和干燥中应该注意问题（1）蒸发和干燥是能耗较高单元操作，工业应用中需）蒸发和干燥是能耗较高单元操作，工业应用中需采取办法降低能耗。采取办法降低能耗。（2）生物制品多含有热敏性，怎样降低蒸发和干燥过）生物制品多含有热敏性，怎样降低蒸发和干燥过程中损失也是必须注意。程中损失也是必须注意。o蒸发和干燥应用蒸发和干燥应用 化工、石油工业、医药、食品、原子能、纺织、建化工、石油工业、医药、食品、原子能、纺织、建材、采矿、电工与机械制造以及农产品等行业中，材、采矿、电工与机械制造以及农产品等行业中，在国民经济中占很主要地位。同时，它们也是生物在国民经济中占很主要地位。同时，它们也是生物工业中基本单元操作。工业中基本单元操作。第3页蒸发过程及系统组成蒸发过程及系统组成o蒸发过程蒸发过程n加热使溶液沸腾汽化加热使溶液沸腾汽化n不停排除水蒸气不停排除水蒸气o蒸发系统蒸发系统n蒸发器：蒸发器：它由加热室和气液分离器两部分组成，加热它由加热室和气液分离器两部分组成，加热沸腾产生二次蒸汽经气液分离器与溶液分离后引出。沸腾产生二次蒸汽经气液分离器与溶液分离后引出。n冷凝器：冷凝器：二次蒸汽在冷凝器内冷凝后排出系统。二次蒸汽在冷凝器内冷凝后排出系统。n蒸发系统总蒸发速度：蒸发系统总蒸发速度：是由蒸发器蒸发速度和冷凝是由蒸发器蒸发速度和冷凝器冷凝速度共同决定。器冷凝速度共同决定。第4页蒸发操作方法蒸发操作方法常压蒸发和减压蒸发常压蒸发和减压蒸发o常压蒸发：常压蒸发：是指冷凝器和蒸发器溶液侧操作压力是指冷凝器和蒸发器溶液侧操作压力为大气压或略高于大气压为大气压或略高于大气压，此时系统中不凝性气体，此时系统中不凝性气体依靠依靠本身压力本身压力从冷凝器中排出（从冷凝器中排出（操作温度为溶剂正操作温度为溶剂正常沸点常沸点）。）。o减压蒸发（真空蒸发）：减压蒸发（真空蒸发）：是冷凝器和蒸发器溶是冷凝器和蒸发器溶液侧操作压力液侧操作压力低于大气压低于大气压，此时系统中不凝性气体，此时系统中不凝性气体必须用必须用真空泵抽出真空泵抽出（操作温度低于溶剂正常沸点操作温度低于溶剂正常沸点）。）。第5页蒸发操作方法蒸发操作方法减压蒸发优缺点减压蒸发优缺点o优点：优点：（1）溶液沸点低，需要）溶液沸点低，需要较少加热蒸汽较少加热蒸汽。（2）溶液沸点低，采取一样加热蒸汽，蒸发器传热平均温度差大）溶液沸点低，采取一样加热蒸汽，蒸发器传热平均温度差大所需传热面小所需传热面小。（3）沸点低，）沸点低，有利于处理热敏性物料有利于处理热敏性物料，即高温下易分解和变质物，即高温下易分解和变质物料。料。（4）蒸发器操作温度低，）蒸发器操作温度低，系统热损失小系统热损失小。o缺点：缺点：（1）溶液温度低，粘度大，沸腾传热系数小，）溶液温度低，粘度大，沸腾传热系数小，蒸发器传热系数小。蒸发器传热系数小。（2）蒸发器和冷凝器内压力低于大气压，完成液和冷凝水）蒸发器和冷凝器内压力低于大气压，完成液和冷凝水需用泵需用泵排出。排出。（3）需用真空泵抽出不凝性气体，以保持一定真空度，因而）需用真空泵抽出不凝性气体，以保持一定真空度，因而需多需多耗能耗能。第6页蒸发操作方法蒸发操作方法单效蒸发和多放蒸发单效蒸发和多放蒸发o单效蒸发：单效蒸发：二次蒸汽在冷凝器中用二次蒸汽在冷凝器中用水冷却，冷凝成水而排出，水冷却，冷凝成水而排出，二次蒸汽二次蒸汽所含热能未能利用所含热能未能利用。o多效蒸发：多效蒸发：第一个蒸发器第一个蒸发器(称为第一称为第一效效)中蒸出二次蒸汽用作第二个蒸发器中蒸出二次蒸汽用作第二个蒸发器(第二效第二效)加热蒸汽，第二个蒸发器蒸加热蒸汽，第二个蒸发器蒸出二次蒸汽用作第三个蒸发器出二次蒸汽用作第三个蒸发器(第三效第三效)加热蒸汽，依这类推。二次蒸汽利用加热蒸汽，依这类推。二次蒸汽利用次数可依据详细情况而定，系统中次数可依据详细情况而定，系统中串串联蒸发器数目称为效数联蒸发器数目称为效数。第7页蒸发设备蒸发设备蒸发设备（蒸发器）分类蒸发设备（蒸发器）分类第8页蒸发设备蒸发设备膜式蒸发器主要型式和特点膜式蒸发器主要型式和特点蒸发器型式蒸发器型式特征和特点特征和特点o适合处理物料性质升膜蒸发器升膜蒸发器o原料从底部进入，由蒸汽带动由下向上形成液膜，并逐步得到浓缩。o适适用于较稀溶液、热敏性且易生泡沫溶液。但不适适用于高粘度、蒸发易结晶或易结垢浓溶液。降膜蒸发器降膜蒸发器o原料液由加热室顶部进入，在重力作用下沿管内壁呈膜状向下流动，在下流过程中被蒸发增浓。o可蒸发浓度、粘度较大溶液，但不适适用于蒸发易结晶或易结垢溶液。旋转刮板式蒸发旋转刮板式蒸发器器o依靠旋转刮片拨刮使液体分布在热管壁上。o适适用于易结晶、易结垢、高粘度溶液。板式蒸发器板式蒸发器结构类似于薄板换热器，料液结构类似于薄板换热器，料液形成液体薄膜在板间流动而得形成液体薄膜在板间流动而得到浓缩。到浓缩。停留时间短停留时间短（仅数秒）（仅数秒）。o尤其适合于热敏性物料蒸发。第9页蒸发节能办法蒸发节能办法o多效蒸发多效蒸发o二次蒸汽再压缩（热泵蒸发）二次蒸汽再压缩（热泵蒸发）o二次蒸汽作为额外蒸汽使用二次蒸汽作为额外蒸汽使用o冷凝水显热利用冷凝水显热利用第10页干燥基本概念和原理干燥基本概念和原理o物料中湿分性质物料中湿分性质（1 1）按照物料和水分子之间）按照物料和水分子之间结合方式结合方式不一样：不一样：n化学结合水化学结合水n物理结合水物理结合水n机械结合水机械结合水（2 2）按照物料中所含水分）按照物料中所含水分去除难易去除难易分类：分类：n结合水结合水n非结合水非结合水（3 3）依据物料在一定干燥条件下，其水分）依据物料在一定干燥条件下，其水分能否用干燥方法去除能否用干燥方法去除分类：分类：n平衡水平衡水n自由水自由水第11页干燥基本概念和原理干燥基本概念和原理o干燥基本过程干燥基本过程（1）对湿物料加热，使水分气化（）对湿物料加热，使水分气化（传热过程传热过程）。）。（2）汽化后蒸汽在蒸气压作用下进入气相而排）汽化后蒸汽在蒸气压作用下进入气相而排出，同时水分从物料内部不停扩散到固体表出，同时水分从物料内部不停扩散到固体表面（面（传质过程传质过程）。）。第12页干燥基本概念和原理干燥基本概念和原理o干燥速率影响原因干燥速率影响原因 干燥速率干燥速率是干燥时单位干燥面积，单位时间内汽化水量。是干燥时单位干燥面积，单位时间内汽化水量。其主要影响原因以下。其主要影响原因以下。o物料性质、结构和形状：物料性质、结构和形状：o干燥介质温度和湿度：干燥介质温度和湿度：o干燥操作条件干燥操作条件o干燥器结构形式干燥器结构形式第13页干燥基本概念和原理干燥基本概念和原理o干燥曲线和干燥速率曲线干燥曲线和干燥速率曲线有一个有一个恒速干燥恒速干燥阶段（阶段（BC段）；段）；有一个有一个降速干燥降速干燥阶段（阶段（CD段）；段）；曲线上有一个显著转折点曲线上有一个显著转折点C，此处物料湿含量称为，此处物料湿含量称为 临界湿含量临界湿含量w w0。第14页干燥基本概念和原理干燥基本概念和原理o干燥副作用干燥副作用（1 1）物料收缩）物料收缩（2 2）物料化学改变）物料化学改变（3 3）物料生化改变）物料生化改变第15页干燥方法干燥方法o导热干燥：导热干燥：热能经过传热壁面以传导方式传给湿物料，热能经过传热壁面以传导方式传给湿物料，气化蒸汽被干燥介质带走（干燥介质和物料间接接触）。气化蒸汽被干燥介质带走（干燥介质和物料间接接触）。o辐射干燥：辐射干燥：热能以电磁波形式由辐射器发射到湿物料热能以电磁波形式由辐射器发射到湿物料表面。表面。o介电加热干燥：介电加热干燥：将需要干燥物料置于高频电场内，利将需要干燥物料置于高频电场内，利用高频电场交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干用高频电场交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥燥(如微波炉加热如微波炉加热)。o对流干燥：对流干燥：热能以对流给热方式由热干燥介质（热空热能以对流给热方式由热干燥介质（热空气、烟道气等）传给湿物料（干燥介质和物料直接接触）。气、烟道气等）传给湿物料（干燥介质和物料直接接触）。第16页干燥工艺及干燥技术干燥工艺及干燥技术o干燥工艺选择干燥工艺选择（1）干燥操作分为间歇操作和连续操作；）干燥操作分为间歇操作和连续操作；（2）了解）了解物料状态和理化性质物料状态和理化性质，选择不一样操，选择不一样操作方式和干燥方法；作方式和干燥方法；（3）干燥器选型（参见表）干燥器选型（参见表15-4）也是确定干）也是确定干燥工艺主要步骤。燥工艺主要步骤。第17页干燥工艺及干燥技术干燥工艺及干燥技术o生物工业惯用干燥技术生物工业惯用干燥技术（1）气流干燥技术）气流干燥技术（2）喷雾干燥技术）喷雾干燥技术（3）冷冻干燥技术）冷冻干燥技术第18页干燥工艺及干燥技术干燥工艺及干燥技术生物工业惯用干燥技术生物工业惯用干燥技术气流干燥技术气流干燥技术o工作原理：工作原理：把呈把呈泥状、粉粒状泥状、粉粒状或或块状块状湿物料送入热气流中，与之并流，从湿物料送入热气流中，与之并流，从而得到分散成粒状干燥产品，是一个而得到分散成粒状干燥产品，是一个连续式高效固体流态化连续式高效固体流态化干燥方式。干燥方式。o特点：特点：（1）干燥强度大）干燥强度大（2）干燥时间短）干燥时间短（3）热效率高）热效率高 （4）处理量大）处理量大（5）设备简单）设备简单 （6）应用范围广）应用范围广o不宜采取此法物料或产品性质：不宜采取此法物料或产品性质：（1）要求有一定形状颗粒产品；）要求有一定形状颗粒产品；（2）易于沾壁、非常粘稠物料；）易于沾壁、非常粘稠物料；（3）产生毒气物料。）产生毒气物料。第19页干燥工艺及干燥技术干燥工艺及干燥技术生物工业惯用干燥技术生物工业惯用干燥技术喷雾干燥技术喷雾干燥技术o工作原理：工作原理：将将溶液、乳浊液、悬浮液溶液、乳浊液、悬浮液或或浆浆料料在热风中在热风中喷雾喷雾成细小成细小液滴液滴，在它下落过程，在它下落过程中，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒状产品。中，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒状产品。o特点：特点：（1）干燥速度十分快速；）干燥速度十分快速；（2）干燥过程中液滴温度不高，产品质量好；）干燥过程中液滴温度不高，产品质量好；（3）产品有良好分散型、流动性和溶解性；）产品有良好分散型、流动性和溶解性；（4）生产过程简化；）生产过程简化；（5）适合连续化大规模生产；）适合连续化大规模生产；（6）当热风温度低于）当热风温度低于150度时，蒸发强度小，度时，蒸发强度小，干燥塔体积较庞大；干燥塔体积较庞大；（7）废气中回收微粒分离装置要求高。）废气中回收微粒分离装置要求高。第20页干燥工艺及干燥技术干燥工艺及干燥技术生物工业惯用干燥技术生物工业惯用干燥技术冷冻干燥技术冷冻干燥技术o工作原理：工作原理：在冷冻干燥过程中，被干燥产品首先要进在冷冻干燥过程中，被干燥产品首先要进行行预冻预冻，然后在，然后在真空状态真空状态下进行下进行升华升华，使水分直接由冰，使水分直接由冰变成汽而取得干燥。变成汽而取得干燥。o冻干曲线制订：冻干曲线制订：依据不一样产品和不一样冻干设备来依据不一样产品和不一样冻干设备来制订（首先要确定产品制订（首先要确定产品共熔点共熔点）o过程控制：过程控制：利用利用电阻电阻检测和控制冷冻干燥整个过程。检测和控制冷冻干燥整个过程。o特点：特点：（1）冷冻干燥过程中，物料物理结构和分子结构改变极小；）冷冻干燥过程中，物料物理结构和分子结构改变极小；（2）有利于保持热敏型物料生物学活性；）有利于保持热敏型物料生物学活性；（3）物料原组织多孔性能不变，加水后可在短时间内恢复）物料原组织多孔性能不变，加水后可在短时间内恢复干燥前状态；干燥前状态；（4）干燥后残余水分很低，可在常温下长久保留。）干燥后残余水分很低，可在常温下长久保留。第21页干燥节能办法干燥节能办法o应用高效能干燥装置应用高效能干燥装置o扩大干燥介质种类扩大干燥介质种类o依据干燥过程规律，改变干燥策略。依据干燥过程规律，改变干燥策略。o使物料湿含量降低使物料湿含量降低o降低废气带走热量降低废气带走热量o在确保物料质量前提下，尽可能采取高温操在确保物料质量前提下，尽可能采取高温操作作o改进保温效果、预防物料过分干燥、采取热改进保温效果、预防物料过分干燥、采取热量循环使用等。量循环使用等。第22页