第十三章-蒸发与干燥-第十四章-清洁生产导论

第十三章蒸发与干燥第一节前言蒸发：使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从使溶液中溶质浓度提高的过程。蒸发所用设备称为蒸发器。目的：1、增加溶质浓度，减少溶液体积，以便进一步分离提纯；2、蒸发得到的溶剂较为纯净，可以再利用或无污染排故。干燥：指利用热能位湿物料中湿分汽化并排除蒸汽，从而得到较干物料的过程。干燥所采用的设备称为干燥器。目的：1、产品便于包装贮存运输；2、许多生物制品在湿分含量较低的状态下较为稳定，从而使生物制品有较长的保质期。蒸发和干燥是能耗较高的单元操作，在完成基本任务的同时降低操作的能耗具有重要的意义，同时生物制品多具有热敏性，如何减少蒸发和干燥过程中的损失也是必须注意的。第二节蒸发一、蒸发的基本流程蒸发过程的两个必要组成部分：1、加热使溶液沸腾汽化；2、不断排除水蒸气。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。冷凝器实际上也是换热器，它有直接接触式和问歇式两种类型，二次蒸汽在冷凝器内冷凝后排出系统。蒸发系统总的蒸发速度是内蒸发器的蒸发速度和冷凝器的冷凝速度共同决定的。二、蒸发的操作方法1．常压蒸发和减压蒸发：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。目的：降低溶液的沸点。与常压蒸发相比，它有以下优点：(1)溶液沸点低，可用温度较低的低压蒸汽或废蒸汽作加热蒸汽。(2)溶液沸点低，同样蒸汽，所需的传热面小。(3)沸点低，有利于处理高温下易分解和变质的热敏性物料。(4)蒸发器的操作温度低，系统的热损失小。真空蒸发的缺点：(1)溶液温度低，粘度大热系数小。(2)蒸发器和冷凝器的内压力低于大气压，完成液和冷凝水需用泵或大气腿徘出。(3)需用真空泵抽出不凝性气体，保持一定真空度，需多耗能。真空蒸发的真空度取决于冷凝器中水的冷凝温度和真空泵的能力。最低极限是冷凝水的饱和蒸汽压。2单效蒸发和多放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。1）单效蒸发：约1kg蒸汽可蒸发1kg水。2）多效蒸发：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，依此类推。三、蒸发器及蒸发系统1．蒸发器的分类：分为膜式蒸发器和非膜式蒸发器两大类。2．膜式蒸发器的结构与特征：1)升膜蒸发器：垂直长管组成，长3-15m，直径25-50mm。适用于较稀的溶液，热敏性及易生泡沫的溶液，不适浓溶液。2)降膜蒸发器：蒸发器顶部须设液体分布器。降膜蒸发器宜于浓度、粘度较大的溶液。1)，2)都不宜易析晶或易结垢溶液。3)旋转刮板蒸发器：宜于处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液。4)板式蒸发器：体积小，停留时间短，传热系数高，加热面积可调，易拆洗，宜于热敏性料液。缺点：密封边长，压力小。3．蒸发工艺的确定：(热敏性成分的损失和蒸发的能耗等）(1)料液的性质：成分组成，粘度，热稳定性，发泡性，腐蚀性，是否易结垢、结晶，是否含有固体悬浮初等。(2)工程技术要求：处理量，蒸发量，料掖进出口的浓皮和温度，安装现场的面积和高度，设备投资，要求连续或间歇生产等；(3)公用系统的情况：热源，蒸汽供应量及压力，能利用的冷却水之水量、水质和温度等。四、蒸发的应用及节能1、蒸发系统的节能技术：料液蒸发时，能耗非常大。采用蒸发的节能技术则可大大降低蒸发的能耗，蒸发节能主要有以下几种：(1)多效蒸发(2)二次蒸汽的再压缩(3)额外蒸汽(4)冷凝水显热的利用2．蒸发技术的应用：抗生素生产中，薄膜蒸发日前广泛应用于链霉素、庆大霉素、春雷霉素、新霉素、博莱霉素、丝裂霉素、杆菌肽等抗生素料液的浓缩。在酒精、味精、柠檬酸工业中，采用膜式多效蒸发系统浓缩高浓度有机废水。第三节干燥一、概述(一)干燥的方法按照热能供给湿物料的方式不同，干烘可分为以下儿类：1．导热干燥热能通过传热壁面以传导的方式传给湿物料，使其中的水分汽化，然后，所产生的蒸汽被干燥介质带走，或用真空泵抽走的干燥操作过程。又称间接加热干燥。热能利用较高，但与传热壁面接触的物料在干燥时易局部过热而变质。2辐射干燥热能以电磁波的形式由辐射器发射至湿物料表面后，被物料所吸收转化为热能，而将水分加热汽化，达到干燥的目的。有电能辐射器(如专供发射红外线的灯泡)和热能辐射器。3．介质加热干燥介电加热干燥是将需要干燥的物料置于高频电场内，利用高频电场的交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥。由于干燥时物料内部温度较高，因此，这种方法一般不用于热敏性物料的干燥。4．对流干燥热能以对流给热的方式出热下燥介质(通常是热空气)传给湿物科，使物料中的水分汽化，物料内部的水分以气态或液态形式扩散至物料表面，然后汽化的蒸汽从表明扩散至下操介质主体，再由介质带走的干燥过程称为对流干燥。(二)干燥的基本概念和原理1．固体物料中的湿分：(1)按照物料和水分于间的结合方式分：化学结合水、物理化学结含水、机械结合水。(2)按照物料中所含水分去除难度分：结合水和非结合水。(3)根据物料在一定条件下，水分能否用干燥方法除去分：平衡水和自由水。2干燥的基本过程：（固体物料包括两个基本过程）①对固体加热，以使湿分汽化的传热过程；②湿分蒸汽由于其蒸汽分压较大而扩散进人气相的传质过程。1）干燥速率：单位干燥面积，单位时间内汽化的水量。影响干燥速率的因素：①物料的性质、结构和形状；②干燥介质的温度和湿度；③十燥操作条件；④干燥器的结构型式。2）干燥曲线和干燥速度曲线：通过实验求得。2干燥的基本过程(3)干燥过程分析①恒速干燥段：湿物料表面全为非结合水，其汽化与纯水同速。②降速干燥段：除结合水，其产生的蒸汽压低，干燥速率下降。总之，如果物料内部的水分能有足够的速度流向表面，及时补充被干燥的水量，则物料表面依然可以保持湿润，干燥速率也不变；若内部水分流出的速率低于物料表面的汽化速率，则物料温度升高，或部分表面变干，从而进入降速干燥阶段。(4)干燥的副作用①物料的收缩：要注意干燥过程因物料收缩造成的物料体积缩小、形状变化和表面裂纹。②化学变化：结晶无机物在强烈干燥时会失去它们的结晶水，任何热敏性有机物在热空气中干燥时．容易发生某些氧化和热分解。③生化变化：物料温度的升高和结合水分的失去，所有具有生理活性和生化特性的物料都会发生不同程度的不可逆变化。二、干燥器及干燥工艺(一)干燥器：种类繁多，如表。(二)干燥工艺1．干燥工艺的确定(1)物料的化学性质，如组成、热敏性(软化点、熔点或分解点)、物料的毒性、可燃性、氧化性和酸碱性(度)、吸水性等。(2)物料的热性质，如物料含水率、假密度、真密度、比热容、导热系数及粒度和粒度分布。原液浓度、粘度及表面张力等。(3)其他性质，如膏糊状物料的粘附件、触变性(即膏糊状物料在振动场或在搅动条件下，物料可从塑性状态过渡到具有一定流动性的性质)，这些性质用于设计干燥器及加料器。2．干燥器的选型干燥器的选型是确定干燥工艺的一个重要步骤。干燥器选型是否恰当合理，是所确定的干燥工艺是否成功的关键。干燥器选型所要考虑的因素与决定干燥工艺基本相同。可参考表15-4所列干燥器。可使我们对不同的干燥器有进一步的了解。(三)生物工业常用的干燥技术1．气流干燥技术气流干燥的特点：(1)干燥强度大(2)干燥时间短(3)热效率高(4)处理量大(5)设备简单(6)应用范围广2．喷雾干燥技术(1)喷雾干燥的原理：料液在热风中喷雾成细小液滴，在下落过程中，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒状的产品。(2)喷雾干燥的特点①干燥速度十分迅速。②液滴的温度不高，产品质量较好③产品具有良好的分散性、流动性和溶解性。④生产过程简化，操作控制方便。⑤适宜于连续化大规模生产。(3)喷雾干燥的主要缺点：①当热风温度低于150℃时，热容量系数低，蒸发强度小，干燥塔的体积比较庞大。②废气中回收微粒的分离装置要求较高。3．冷冻干燥技术(1)冷冻干燥机理、冻干曲线及其控制在冷陈干燥过程中，被干燥的产品首先要进行预冻，然后在真空状态下进行升华，使水分直接由冰变成汽而获得干燥。(2)冷陈干燥器的特点：①因物料处于冷冻状态下干燥，水分以冰的状态直接升华成水蒸气，故物料的物理结构和分子结构变化极小。②由于物料在低温真空条件下进行干燥操作，故对热敏感的物料，也能在不丧失其酶活力或生物试样原来性质的条件下长期保存，故干燥产品十分稳定。③因为干燥后的物料在被除去水分后，其原组织的多孔性能不变，故若添加水或汤，即可在短时间内基本恢复干燥前状态。④因干燥后物料的残存水分很低，故苦防湿包装优良，可在常温条件下长期贮存。(3)冷冻干燥器：①医药品用冷冻干燥器；②食品用冷冻干燥器。干燥的应用及节能1．干燥过程的节能：(1)应用高效能的干燥装置，以提高温物料的干燥速率和节能效果，从而使整个生产工艺都得到了很大的改进。(2)扩大干燥介质的种类。除热空气外，应用情性气体、高温燃气，特别是应用过热蒸汽作为干燥介质。(3)应用干燥基础理论，以改进有关干燥过程。(4)在于燥前尽量降低物料的湿含量。(5)降低干燥过程中废气带走的热量（它占总热量支出的比例很大），可大大提高于燥过程的热效率。(6)尽量采用高温干燥，在保证干燥物料质量的前提下。(7)其他的措施。如改善保温，防止热风泄漏，防止物料的过度干燥，部分废气循环和废热回收，采用热泵干燥器等。2．干燥技术的应用由于生物技术产品多是热敏性物料，某些产品还具有生物活性，因此，在干燥过程中控制干燥温度和干燥时间特别重要。第十四章清洁生产导论第一节前言一、人类与自然关系的哲学观变迁空间技术、信息技术、生命科学、人工材料科学等科技发展更使人类认识自然、改造自然的能力得到前所未有的提高。人类好像无所不能，人类真能成为自然界的“主人”吗?答案已经显现。二、工业文明的成果及其代价1．工业文明的主要表现(1)社会生产力的空前提高促使社会物质财富空前增加。(2)科学技术迅速进步已成为生产力发展的主导性力量。(3)物质财富改善了生活条件和医疗水平，寿命增加和人口激增。(4)城市化的扩大，生产和生活废物对环境的污染日益严重。(5)地下资源大规模开采，改变着地球物质循环的自然过程。(6)人类精神生活技术化2．工业文明的代价(1)生态环境恶化(2)廉价资源趋于耗竭(3)全球性的环境问题开始出现三、对未来的思索1．宇宙飞船经济理论2．增长的极限3．墒——一种新的世界观四、可持续发展观1．发展模式的转折(1)人类发展观的改变。(2)人口增长趋势的转折。(3)能源结构的转变。(4)经济发展战略的转变。(5)工业发展模式的转变。2．可持续发展3．清洁生产的由来清洁生产的概念最早出现于1976年。1989年联合国环境规划署工业与环境计划活动中心制定了《清洁生产计划》，在全球范围内推行清洁生产。4．清洁生产在中国1983年国务院发布了技术改造应结合工业污染防治的规定，归纳起来有以下几点：(1)采用先进技术，提高资源利用率，把污染物消除在生产过程之中，从根本广解决污染问题。(2)采用使资源能源最大限度转化为产品而污染物最小化的新工艺，替代污染物诽放量大的工艺。(3)采用无污染、少污染、低噪声、节约资源能源的新型装备，更新污染严重、浪费资源的老设备。(4)采用无毒无害、低毒低害原料，替代剧毒有害原料。(5)发展无污染、少污染的新产品等。第二节清洁生产概念一、清洁生产的概念清洁生产按英文词义可解释为比较清洁的生产过程，因而是一个相对概念，目前尚无一个完整统一为各方所接受的定义。联合国环境规划署工业与环境计划活动中心曾提出一个非常简短的定义如下：清洁生产是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。清洁生产的定义涉及到两个全过程控制：生产全过程控制和产品整个生命周期控制。因此，“清洁生产”应该包括三方面的内容：(1)清洁生产工艺技术和过程(含先进的无废少废技术、高效的装备和完善的管理)；(2)清洁产品(