濃縮是使不銹鋼濃縮罐溶液中的溶媒蒸發、溶液濃度增大的過程。蒸發一般情況下是用加熱的方法,使溶液中部分溶媒氣化并除去,從而提高濃縮液濃度的工藝操作。
一、影響蒸發的主要因素
影響蒸發的主要因素有溫度、壓力和蒸發面積等。在濃縮時我們常用單位時間內的蒸發量計算公式,來計算蒸發量。
單位時間內的蒸發量計算公式:
m=s(F-f)/p
式中m——單位時間內的蒸發量;
s——液體暴露的面積;
p——大氣壓力;
F——在一定溫度下液體的飽和蒸汽壓;
f——在一定溫度下實際的飽和蒸汽壓。
通過公式可以看出:m與p成反比(減壓濃縮的優點),m與s(F-f)成正比(面積越大蒸發速度越快)。
要使蒸發速度加快,則要求加熱溫度與液體溫度有一定的溫度差(即加熱的溫度要絕對高于液體的溫度),從而使溶媒分子獲得足夠的熱能不斷汽化。在同等條件下,液體暴露面積越大,蒸發速度就越快。在實際操作中我們可以將濃縮罐內的液面高度控制在加熱器噴口的1/3處,用液體噴射的動力帶動濃縮罐內液面的翻騰,來增加液體暴露面積。
減壓蒸發又稱真空蒸發。減壓蒸發是指在密閉容器內,通過抽真空的方式來降低液體表面壓力,使液體低溫沸騰蒸發的操作方法。單效、多效濃縮器都可以進行減壓蒸發。減壓蒸發的優點是:減壓蒸發的溫度低,蒸發速度快(水在-0.08MPa時70℃左右便會沸騰),可以減少對熱不穩定有效成分的損失,收膏時溫度低,浸膏不易產生焦屑。因減壓蒸發速度快,高效節能,是目前較為先進的蒸發方法之一。有時又將減壓蒸發裝置稱為減壓蒸餾裝置,蒸發與蒸餾的區別在于蒸發不一定收集揮發的蒸汽,而蒸餾則是收集蒸汽。
二、濃縮設備
1、多效濃縮器
1.1、多效濃縮器的工作原理
雙效濃縮器是將一次蒸發濃縮所產生的二次蒸汽作為下一步濃縮的熱源,一次濃縮的藥液通過串聯管線進入下一效濃縮。以此類推還有三效、四效、五效濃縮器,其根本目的是為了節約能源。例如:單效濃縮器濃縮1t蒸發量需要1.2t蒸汽,雙效濃縮器則只需要0.57t蒸汽,三效濃縮器只需要0.43t蒸汽。即用一次濃縮產生的蒸汽作為下次濃縮的熱源來實現節能。如在真空條件下進行低溫連續濃縮,節能效果更加明顯,更適用于熱敏性物料的濃縮。采用真空減壓濃縮時,真空度的高低要根據設備結構、物料性質和生產工藝的不同來確定。濃縮水溶液時不回收蒸汽真空度高速度快,回收有機溶劑時真空度不要過高,以減少有機溶劑的損耗。多效濃縮器用作濃縮工藝時,第一冷凝器不要通入冷凝水,否則會產生內回流,使濃縮速度減慢。在回收乙醇時第一冷凝器要通入冷凝水使其產生冷凝作用,以利于乙醇的回收。出料時要注意,必須使設備恢復常壓后才能進行出料操作。
多效濃縮器的缺點是殘留多、清洗困難,第一效的濃縮溫度高、對熱敏性成分損失較多。
1.2、多效濃縮器的使用注意點
(1)為了加快濃縮速度,可采用真空減壓濃縮,其真空度的高低要根據物料性質和生產工藝的不同確定;(2)回收有機溶劑時真空度不要過大,以減少有機溶劑的損耗;(3)設備用作濃縮工藝時,第一冷凝器不要通入冷凝水,否則會產生內回流,減慢濃縮速度,在回收乙醇時,第一冷凝器要通入冷凝水使其產生冷凝作用,以利于乙醇的回收;(4)出料時必須使設備恢復常壓。
2、單效濃縮器(乙醇回收器)
因單效濃縮器乙醇回收能力大,有時也稱之為乙醇回收器。但節能效果不如雙效和多功能濃縮設備。單效濃縮器采用外加熱自然循環與真空負壓蒸發相結合的方式,蒸發速度快、可減壓低溫濃縮、濃縮比重大(可達1.3)、清洗方便(打開加熱器的上蓋即可進行清洗)。另外,單效濃縮器還有操作簡單、占地面積小的特點。
2.1、能源消耗
單效濃縮器能源消耗大的主要原因在兩個方面:(1)在加熱器內加熱稀溶液使溶液中溶媒蒸發所消耗的工業蒸汽;(2)使已經汽化的溶媒蒸汽再冷凝成溶媒液體時在冷凝器中所需要的冷卻水。
前者需要供給熱量,而后者需要帶走熱量。被加熱的溶液所產生的溶媒蒸汽中含有大量的熱能,在這里不但沒有得到利用,相反還要消耗大量的冷卻水來冷卻它。產量越大需蒸發量越大,所需的加熱蒸汽就越多,同時所消耗的冷卻水也越多。這就是單效濃縮器耗能大的主要原因。
2.2、單效濃縮器的使用注意點
(1)回收乙醇時蒸發器內溫度要控制在80℃以下,蒸發溫度越高冷凝效果越差,回收率就越低,能耗就越多。(2)不銹鋼濃縮設備減壓濃縮時真空度不要太高,真空度過高會將汽化的乙醇吸走,造成有機溶液回收率降低。(3)真空度過高還會引起罐內藥液過度沸騰,損失藥液(沒有汽水分離裝置的可以通過加裝汽水分離裝置來改善)。(4)因空氣和蒸汽冷凝后體積相差非常大,不能產生所需的壓差,使用前要將設備內的大部分空氣抽出(可結合真空上料一起完成),以免影響冷凝效果。(5)冷卻循環水溫度要低于40℃,溫度越低冷凝效果越好。
在正常情況下,單效濃縮器乙醇回收的濃度可達85%左右,再經精餾可達90%~92%。
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