负压低温在多效蒸馏水机中的应用

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摘要:多效蒸馏水机是产生注射用水的主要设备,其是无菌制剂必不可少的设备。本文介绍了一种负压多效蒸发工艺的原理及动态模型,负压低温蒸馏应用,增加了蒸馏水的产量。最后介绍了负压蒸馏的要点。

关键词:多效蒸馏 负压 蒸馏水

1负压低温多效蒸馏的概念

负压低温多效蒸馏系统是将前一个蒸发器蒸发出来的二次蒸汽引入下一蒸发器作为加热蒸汽。降低压强,所以其沸点降低,并在下一蒸发器中冷凝为产品,热能得以重复利用, 这样会大大增加蒸馏水产量。

2低温多效蒸馏技术的流程

原料水在排热冷凝器中被预热和脱气,之后被分成两部分。一部分物流作为冷凝液排弃,另外一部分物流变成蒸馏过程的进料液。料液被引入到热回收段中。喷淋系统把料液喷淋分布到各蒸发器中的顶排管上,沿顶排管向下自由流动,一部分原料水由于吸收了在蒸发器内潜热而汽化。被轻微蒸馏的剩余料液用泵压入到蒸发器的下一组中,该组的操作温度要比上一组低,在新的组中又重复了蒸发和喷淋过程。剩余的料液流到下一级,直到最后在温度最高的效组中以浓缩液的形式离开。生蒸汽输入到温度最高一效的蒸发管内部,在管内发生冷凝的同时,管外也产生了与冷凝量基本相同的蒸发。产生的二次蒸汽在穿过蒸馏水液滴分离器之后,又引入到下一效的传热管内,后一效的操作温度和压力要低于前一效。这种蒸发和冷凝过程沿着一串蒸发器的各效一直重复,每效都产生了相当数量的蒸馏水,到最后一效的蒸汽在排热段被原料水冷凝。

3蒸发器单元的数学模型

每一级蒸发器的热过程有原料水预热,原料水蒸馏,蒸汽凝结等环节。由热工理论,可建立多级蒸馏过程的数学模型。

3.1预热过程模型

第j级预热器的能量平衡方程为:

(1)

式中为预热器管内原料水热容量,原料水水当量。

管内热换量可以用下式表示:

(2)

蒸汽凝结量为,管外蒸汽冷凝放热量为,式中为蒸室压力下的凝结潜热。

蒸馏室温度方程为: (3)

3.2蒸馏室温度和压力的关系

根据热力学理论,假定蒸室内压力各处均匀。

即: (4)

=在动态过程中,温度损失会有所变化 ,设为常数。则各级闪蒸器的压力与温度的变化关系近似表示为:(5)

4系统的性能分析模型

4.1 蒸馏水产量

原料水蒸馏后离开每一级时都有一个温度降Δ,称为级间递减温度.在循环原料水初级和末级温度确定的情况下,按各级等温降原则可计算得到Δ.如果装置的总级数为n,则多级蒸馏装置的级间递减温度为

Δ= (-)/n (1)

式中: T为最高浓缩水温度; T为末级浓缩水温度.第j级蒸馏室产生的蒸汽流量为

=α+(2)

式中:α为引到下一级的蒸汽占本级蒸汽的比重.系统总的蒸馏水产量为

= (3)

4.2性能指标

4.2.1蒸馏效率

对于蒸馏系统, 蒸馏效率是衡量其性能的最重要的参数,它是指蒸发装置蒸馏水总产量与原料水加热器所有消耗的蒸汽量之比,定义=/(4)

系统原料水加热器的热平衡方程为

(-) (5)

式中: 为热回收段蒸馏室第1级冷凝管的出口水温.利用式(2)、(5)得

其中(6)

4.2.2循环率对于多级蒸馏系统,循环率U是衡量其装置重要性能指标,即为循环原料水流量与蒸馏水总产量之比

= / (7)

由式(2)、(3)、(7)得

= (8)

5负压蒸馏的要点

5.1真空度的选择

蒸发系统真空度的选择是负压蒸发的关键。在选择真空度时,应综合考虑真空度大小对二次蒸汽利用的可能性及其利用程度等。理论上说,系统的真空度越高,纯化水的沸点越低,蒸发所需的热量越少。对于第一蒸发器,操作温度不高,因此选择一蒸的负压时,主要考虑二次蒸汽热能利用和抽真空所需能耗两个方面的问题。由于二次蒸汽的量最大,其所含热量也最多,被用于一蒸加热的热源。如果真空度非常高,则由于蒸发操作温度低,其蒸发所需热量少,会导致二次蒸汽的热能利用不充分。降低真空度,则传热温差大,所需传热面积就小,但抽真空所需能源消耗大;蒸脱机二次蒸汽的温度一般为70~75℃,若一蒸的真空度低,则传热温差小,所需传热面积就大,由于一蒸的操作温度高,使二次蒸汽不能完全冷凝释放热量,不能充分利用能源;因此,一蒸真空度的选择应适宜。在采用蒸脱机的二次蒸汽作为其热源时,考虑20℃左右的传热温差,则一蒸的真空度应控制在70~75 kPa为宜。

5.2尾气的处理

从原料水蒸发系统抽出的气体主要为未凝结的溶剂气体和不凝性的空气,在蒸汽喷射泵的混合腔内与喷嘴喷出的蒸汽混合后排出,混合气体携带了较多的热量,具有利用的价值。因此通常的处理方法有下面两种:一是作为辅助加热热源;二是可以直接排入冷凝器。

5.3冷却水的配置

冷却水量供给选择循环水,进水温度在20℃―30℃不致于使溶剂冷凝液的温度太高。循环水量的确定可以先根据热量衡算得出总的传热负荷。用多于热量衡算计算的总量依次通过各冷凝器,通过每一冷凝器的水量都是相同的,而总的冷却水温度差还是7℃―10℃,不同冷凝器的温升会不一样。

6结语

本系统操作温度低,避免或减缓了设备的腐蚀和结垢,进料水的预处理简单,系统的操作弹性较大,系统的动力消耗小。

参考文献:

[1]国家药典委员会.中华人民共和国药典(二部)[Z].北京:化学工业出版社,2000.附录186

[2]王世昌.海水淡化工程[M].北京:化学工业出版社,2003.

[3]吴海泉.负压蒸发二次蒸汽利用工艺节能效果的理论分析.中国油脂,1993,18(3):22~28

作者简介:于明(1984年9月15日)、男、硕士、学生、控制理论与控制工程;长春工业大学、长春工业大学研究生学院0803班。

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