蒸发与干燥技术幻灯片

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1、蒸发与干燥技术,第十章,蒸发与干燥技术,第一节 蒸发 第二节 干燥,第一节 蒸发,一、蒸发过程 1蒸发的基本流程 蒸发的根本目的是使溶剂与溶质分离。从蒸发过程的机理看，溶剂的分离是靠供给溶剂汽化需要的热量使溶剂变成蒸汽，而从溶液中分离出来。因此蒸发过程的两个必要组成部分是加热使溶液沸腾汽化和不断排除水蒸汽。与此相应的蒸发系统是由蒸发器和冷凝器两部分组成的。蒸发器实质上是一个换热器，它由加热室和气液分离器两部分组成。加热沸腾产生的二次蒸汽经气液分离器与溶液分离后引出。为了防止液滴随蒸汽带出，一般在蒸发器的顶部设有汽液分离用的除沫装置。从蒸发器蒸出的蒸汽称为二次蒸汽，以便与加热用的蒸汽(加热蒸汽)

2、相区别。冷凝器实际上也是换热器，它有直接接触式和间接式两种类型。,第一节 蒸发,二次蒸汽进入冷凝器直接冷凝，冷却水从冷凝器顶加入，与上行的水蒸汽直接接触，将它冷凝成水从下部排出。二次蒸汽中含有的不凝性气体从冷凝器顶部排出。不凝性气体的来源有以下两方面：料液中溶解的空气和当系统减压操作时从周围环境中漏入的空气。蒸发系统总的蒸发速度是由蒸发器的蒸发速度和冷凝器的冷凝速度共同决定的，蒸发速度或冷凝速度发生变化，则系统总的蒸发速度也相应发生变化。因此，操作时必须保证蒸发器和冷凝器均工作正常。 料液在蒸发器中蒸发到要求的浓度后，称为完成液，从蒸发器底部放出，是过程的产品。如果溶液的沸点很高，不能用饱和水

3、蒸汽加热，可以采用其它的加热方法，如高温载热体加热、熔盐加热、烟道气直接加热或电加热等。,第一节 蒸发,2. 蒸发过程应考虑的因素 液体在任何温度下都可以蒸发，而且蒸发现象只发生于液体表面。因此蒸发过程中应该考虑以下一些因素： （1）液体蒸发面的面积 在一定温度下，单位时间内一定量蒸汽蒸发速度与蒸发面的大小成正比，即蒸发的表面积愈大，蒸发速度愈快。故常压蒸发时应采用直径大、锅底浅的广口蒸发锅。 （2）加热温度与液体温度应有一定的温度差 根据热传导与分子动力学理论，汽化是由于分子受热后振动能力超过分子间内聚力而产生的。因此要使蒸发速度加快，必须使加热温度与液体温度间有一定的温度差，以使溶媒分子获

4、得足够能量而不断汽化。,第一节 蒸发,（3）搅拌 液体的汽化在液面总是最大的。由于热量的损失，液体的温度下降最快，加之液体的挥发，浓度的增加也较快。液面温度下降和浓度升高造成液面粘滞度增加，因而液面往往产生结膜现象。结膜后不利于传热及蒸发，通过经常搅拌可以克服结膜现象，使蒸汽发散加快，提高蒸发速度。 （4）液面外蒸汽的浓度 在温度、液面压力，蒸发面积等因素不变的前提下，蒸发速度与蒸发时液面上大气中的蒸汽浓度成反比。蒸汽浓度大，分子不易逸出，蒸发速度就慢，反之则快。故在蒸发浓缩的车间里应使用电扇、排风扇等通风设备，及时排除液面的蒸汽，以加速蒸发的进行。,第一节 蒸发,（5）液面外蒸汽的温度 蒸发

5、速度可随着蒸发温度的增加而加快，例如15时1m3充分饱和的空气含12g水蒸汽，50时可含82g、75时则可含234g，即温度愈高，在单位体积的空气内，可能含有的水蒸汽愈多；反之，如将较高的温度下降及已饱和的蒸汽重新冷却，则一部分蒸汽又重新冷结为液体。因此，在蒸发液上部通入热风可促进蒸发。如片剂包糖衣时鼓入热风，即可加速水分的蒸发。 （6）液体表面的压力 液体表面压力越大，蒸发速度越慢。所以，有条件者可以采用减压蒸发，即可加速蒸发，又可避免药物受高温而破坏。,第一节 蒸发,二、蒸发的操作方法 1. 常压蒸发与减压蒸发 根据操作压力的不同，蒸发过程可分为常压蒸发和减压蒸发(真空蒸发)。常压蒸发是指

6、冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力为大气压或略高于大气压，此时系统中不凝性气体依靠本身的压力从冷凝器中排出。真空蒸发时冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力低于大气压，此时系统中的不凝性气体必须用真空泵抽出。 采用真空蒸发的基本目的是降低溶液的沸点。与常压蒸发相比，它有以下优点： 溶液沸点低，可以用温度较低的低压蒸汽或废蒸汽作加热蒸汽； 溶液沸点低，采用同样的加热蒸汽，蒸发器传热的平均温度差大，所需的传热面小； 溶液沸点低，有利于处理热敏性物料，即高温下易分解和变质的物料； 蒸发器的操作温度低，系统的热损失小。,第一节 蒸发,真空蒸发的缺点： 溶液温度低，粘度大，沸腾的传热数小，蒸发器的传热系数小； 蒸发

7、器和冷凝器的内压力低于大气压，完成液和冷凝水需用泵排出； 需用真空泵抽出不凝性气体，以保持一定的真空度，因而需多耗能量。 真空蒸发的操作压力(真空度)取决于冷凝器中水的冷凝温度和真空泵的能力。冷凝器操作压力的最低极限是冷凝水的饱和蒸汽压，所以它取决于冷凝水的温度。真空泵的作用是抽走系统中的不凝性气体，真空泵的能力越大，冷凝器内的操作压力可以越接近冷凝水的饱和蒸汽压。一般真空蒸发时，冷凝器的压力为（1020）kPa。,第一节 蒸发,2. 单效蒸发和多效蒸发 根据二次蒸汽是否用来作为另一蒸发器的加热蒸汽，蒸发过程可分为单效蒸发和多效蒸发。,图10-1 单效蒸发流程图,第一节 蒸发,单效蒸发的流程如

8、图10-1所示，二次蒸汽在冷凝器中用水冷却，冷凝成水而排出，二次蒸汽所含的热能没有利用，而是随冷却水直接排放至环境中。因为蒸发器中依靠加热蒸汽冷凝放出热量使溶液中的水汽化。 多效蒸发中，第一个蒸发器(称为第一效)中蒸出的二次蒸汽用作第二个蒸发器(第二效)的加热蒸汽，第二个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第三个蒸发器(第三效)的加热蒸汽，如此类推。二次蒸汽利用次数可根据具体情况而定，系统中串联的蒸发器的数目称为效数。多效蒸发中，第一个蒸发器(称为第一效)中蒸出的二次蒸汽用作第二个蒸发器(第二效)的加热蒸汽，第二个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第三个蒸发器(第三效)的加热蒸汽，如此类推。二次蒸汽利用次数可根据具

9、体情况而定，系统中串联的蒸发器的数目称为效数。,第一节 蒸发,图10-2所示为三效蒸发的流程图。多效蒸发的优点是可以节省加热蒸汽的消耗量。如果按1kg蒸汽冷凝可以从溶液中蒸发出1kg水估算，二效蒸发中1kg加热蒸汽可以从溶液中蒸出2kg水，即蒸出1kg水需消耗0.5kg加热蒸汽，n效蒸发中，1kg加热蒸汽可以蒸出nkg水，即蒸出1kg水，需要1nkg加热蒸汽。可见效数愈多，每蒸出1kg水所需要的加热蒸汽量愈少。,图10-2 三效蒸发流程图,第二节 干燥,一、基本原理 干燥是指通过气化而使湿物料中水分除去的方法。物料的干燥程度与物料中水分的存在状态有关。湿物料中水分与物料的结合有如下三种方式：

10、（1）化学结合水 如晶体中的结晶水，这种水分不能用干燥方法去除。化学结合水的解离不应视为干燥过程。 （2）物化结合水 如吸附水分、渗透水分和结构水分。其中以吸附水分与物料的结合力最强。 （3）机械结合水 如毛细管水分，孔隙中水分和表面润湿水分。其中以润湿水分与物料的结合力最弱。物料中水分与物料的结合力愈强，水分的活度即愈小，水分也就愈难除去。反之，如结合力较小，则较易除去。,第二节 干燥,因此，又可以根据水分除去的难易，将水分大体分为非结合水分和结合水分。 （1）非结合水 存在于物料的表面或物料间隙的水分，此种水分与物料的结合力为机械力。属于非结合水分的有上述机械结合水中的表面润湿水分和孔隙中

11、的水分，结合较弱，易用一般方法除去。 （2）结合水 存于细胞及毛细臂中的水分，主要是指物化结合的水分及机械结合中的毛细管水分，由于结合力使结合水所产生的蒸汽压低于同温度下纯水所产生的蒸汽压，所以降低了水气向空气扩散的传质推动力。此水分与物科的结合力为物理化学的结合力，由于结合力较强，水分较难从物料中除去。,第二节 干燥,当湿物料与湿空气接触时，如空气中的水蒸汽分压低于湿物料的平衡水蒸汽压，则湿物料中的水分将汽化，物料被干燥，这一过程进行到湿物料的含水量降低到其水蒸汽压等于空气中的水蒸汽分压为止，这时湿物料的含水量称为平衡水含量。湿物料中高于平衡水含量的水称为自由水含量。可见，自由水含量是用定温

12、度和湿度的空气干燥湿物料时，可以从湿物料除去的水分的最大量。平衡水分的数值不仅与物料的性质有关还受空气湿度的影响。湿空气的相对湿度愈大，或温度愈低，则平衡水分的数值愈大。 由此可见，在一定条件下，无限制地延长干燥时间也不能改变物料的湿度。此外，干燥的物料应密封保存，否则物料将吸收湿空气中的水分，使平衡水分的数值增大。,第二节 干燥,1.干燥速率 干燥速率U是指单位时间内被干燥物料所能汽化的水分量，而干燥速度则是指单位时间内于单位干燥面积A上所能汽化的水分量。干燥速率受以下几方面因素的影响： （1）物料的性质、结构和形状 物料的性质和结构不同，物料与水分的结合方式以及结合水与非结合水的界线也不同

13、，因此其干燥速率也不同。物料的形状、大小以及堆置方式不仅影响干燥面积，而且影响干燥速率。 （2）物料的湿度和温度 物料中水分的活度与湿度有关，因而影响干燥速度。而物料温度与物料中水分的蒸汽压有关，并且也与水分的扩散系数有关，一般温度愈高，则干燥速度愈大。,第二节 干燥,（3）干燥介质的温度和湿度 干燥介质的温度越高，湿度越低，干燥速度越大。但干燥介质的温度过高，最初干燥速率过快不仅会损坏物料，还会造成临界含水量的增加，反而会使后期的干燥速率降低。 （4）干燥操作条件 干燥操作条件主要是干燥介质与物料的接触方式，以及干燥介质与物料的相对运动方向和流动状况。介质的流动速度影响干燥过程的对流传热和对

14、流传质，一般介质流动速度愈大，干燥速度愈大，特别是在干燥的初期。介质与物料的接触状况，主要是指流动方向。流动方向与物料汽化表面垂直时，干燥速度最快，平行时最差。凡是对介质流动造成较强烈的湍动，使气固边界层变薄的因素，均可提高干燥速度。例如块状或粒状物料堆成一层一层地、或在半悬浮或悬浮状态下干燥时，均可提高干燥速度。,第二节 干燥,（5）干燥器的结构型式 烘箱、烘房等因为物料处于静态，物料暴露面小，水蒸汽散失慢，干燥效率差，干燥速率慢。沸腾干燥器、喷雾干燥器属流化操作，被干燥物料在动态情况下，粉粒彼此分开，不停的跳动，与干燥介质接触面大，干燥效率高，干燥的速率大。 需要指出，由于影响干燥的因素很

15、多，所以物料的干燥速度与湿度的关系必须通过具体的实验来测定。,第二节 干燥,2.干燥过程 干燥过程是指水分从湿物料内部借扩散作用到达表面，并从物料表面受热气化的过程。带走气化水分的气体叫干燥介质。通常为空气。大多数情况下干燥介质除带走水蒸汽外，还供给水分汽化所需要的能量。 在一般情况下，干燥速度曲线是随湿物料与水分结合情况的不同而不同的，图10-3所示仅为恒定干燥条件下物料干燥速度曲线的一种类型。在此种情况下，依据干燥速度的变化，干燥过程可分为预热阶段、恒速阶段、降速阶段和平衡阶段。,图10-3 u-曲线图,第二节 干燥,（1）预热阶段 当湿物料与干燥介质接触时，干燥介质首先将热量传给湿物料，

16、使湿物料及其所带水的温度升高，由于受热水分开始汽化，干燥速度由零增加到最大值。湿物料中的水分则因汽化而减少。此阶段仅占全过程的5左右，其特点是干燥速度由零升到最大值，热量主要消耗在湿物料加温和少量水分汽化上，因此水分降低很少。 （2）恒速阶段 干燥速度达最大值后，由于物料表面水分蒸汽分压大于该温度下空气中水蒸汽分压，水分从物料表面汽化并进入热空气，物料内部的水分不断向表面扩散，使其表面保持润湿状态。,第二节 干燥,只要物料表面均有水分时，汽化速度可保持不变，故称恒速阶段。该阶段的特点是，干燥速度达最大值并保持不变，BC平行于横坐标；物料的含水量迅速下降；如果热空气传给湿物料的热量等于物料表面水分汽化所需热量，则物料表面湿度保持不变。该阶段时间长，占整个干燥过程的80左右，是主要的干燥脱水阶段。预热阶段和恒速阶段脱除的是非结合水分，即自由水和部分毛细管水。恒速阶段结束时的物料含水量称为第一临界含水量，常简称为临界含水量，以0表示。,