1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
1课题背景
我国是一个中药的生产大国,中药工业为人民预防疾病治疗疾病和国家的经济建设作出了重要贡献,并并发展成具一定规模的新兴产业,但是中药的生产装备还存在许多问题,已不适应中药生产标准化、规范化和产品市场化的需要和发展。因此,开发研制技术性能更先进的中药生产装备,可提高产品质量、生产效率,降低产品成本,而且能更合理利用宝贵的中药材资源、节约能源、减少污染。
中药指在中医的理论指导下，被用于疾病的预防、治疗、诊断、康复的天然药物及制品的总称。因此，传统的中药材、中成药、中成药、草药及其制品，中草药提取物，民族药及其制品，中药和天然药物有效部位及制品，进口中药和植物药及制品，有效成分的结构修饰物及制品，用天然的活性成分为先导化合物的半合成和合成药物等都可涵盖于广义中药范畴之中。
中药的前处理是将中药材（植物类，动物类，矿物类）通过切制、净制、粉碎、炮炙、干燥等方法，改变其原形态和性状的生产过程，包括药材的挑选、洗药、润药、切药、干燥、粉碎等，完成这些过程的机械和设备就是中药前处理机械及设备[1]。提取工序包括提取、浓缩、分离（醇沉/水沉、过滤、离心）等。本次设计是设计提取工序中的浓缩工序，设计降膜蒸发器来完成浓缩。
2中药浓缩方式
浓缩是中药制剂的原料成型前处理中的中药单元操作，浓缩分为平衡浓缩和非平衡浓缩。
平衡浓缩是利用两相分配上的差异获得溶质和溶剂分离的方法，例如冷冻浓缩[2]和蒸发浓缩。
非平衡浓缩是指利用半透膜来分离溶剂和溶质的过程，两相间用膜隔开，分离不是两相的直接接触。利用半透膜的方法也叫做膜分离[2]。
蒸发是浓缩的重要手段，也就是经传热过程将几种挥发性不同的物质，进行分离工艺操作，即溶液经过受热，通过气化作用除去溶剂的过程。
3中药浓缩设备
蒸发器分为循环型蒸发器和单程型蒸发器（非循环型蒸发器），其中循环型蒸发器分为水平列管式蒸发器、中央循环管式（标准式）蒸发器、外加热式蒸发器、强制循环蒸发器、列文蒸发器等类型，单程型蒸发器分为降膜式蒸发器和升膜式蒸发器[3、4]、刮板式蒸发器和离心薄膜蒸发器。下面列举一些常见的蒸发设备[5]。
中央循环管蒸发器：中央循环管蒸发器是最常见的蒸发器，结构如图1所示，主要由加热室、蒸发室、中央循环管和除沫器组成。蒸发器的加热器由垂直管束构成。主要优点有：结构简单、紧凑，制造方便，操作可靠，投资费用小。缺点是：清理和检修麻烦，溶液循环速度较低，传热系数小。
图1.中央循环管蒸发器
外加热式蒸发器：外加热式蒸发器如图2所示，以加热室与分离室分开为特点，把加热室安装在分离室外面，易于清洗、更换，同时还有利于降低蒸发器的总高度，这种蒸发器的加热管较长，循环管又未受蒸汽加热，这两点均有利于液体在器内循环，使循环速度较大。由于循环速度提高，造成加热面附近的溶液浓度梯度差较小，有利于减轻结构。
图2.外加热式蒸发器
升模式蒸发器：升模式蒸发器的加热室由垂直的长管组成。加热管长为3~10m，直径为25~50mm，管长与管径之比为100~150，如图3所示。原料液经预热后从加热管底部通入，加热蒸汽在管外被冷凝。在加热管中的溶液受热后迅速沸腾汽化，生成二次蒸汽在管内高速上升，溶液被拉成环状薄膜不断蒸发，气液混合物进入分离室后，被压缩的完成液与二次蒸汽分离后，由分离室底部排出。
降膜蒸发器：如图4所示，原料液由加热室顶部加入，经降膜分布器分布后，在重力作用下沿壁面呈膜状向下流动，在下降过程中被蒸发浓缩。气液混合物由加热管下端加入分离室，经气液分离后即得完成液，完成液从分离室底部排出。降膜式蒸发器可用于蒸发黏度较大或溶液浓度较高的物料，但不适宜处理易结垢或结晶的溶液，此时形成均匀的液膜较难，且传热系数也不高。设计和操作这种蒸发器的要点是：尽量使料液在加热管内壁形成均匀液膜，并且不能让二次蒸汽由管上端窜出。
图3.升膜式蒸发器图4.降膜式蒸发器
用于中药生产所使用的蒸发浓缩设备有降膜式、升膜式、真空盘管式、外循环式、碟片式离心薄膜蒸发器、刮板式、真空浓缩罐等，一般根据浓缩比进行选择设备。
浓缩器又分为单效浓缩器和多效浓缩器[6、7]。多效浓缩器如双效浓缩器（如图5）是将一次蒸发浓缩产生的二次蒸汽作为其下一步浓缩使用的热源，一次浓缩过的药液通过串联管线进至下一效浓缩。还有三效、四效、五效浓缩器以此类推，根本目的是为节约能源。
图5双效浓缩器
单效浓缩器（如图6）的节能效果比不上多效浓缩器。但是单效浓缩器采用了外加热自然循环和真空负压蒸发结合的方式，蒸发速度较快、浓缩比重大（可达1.3）、减压低温浓缩、清洗方便（打开加热器的上盖就可以进行清洗）。另外，单效浓缩器还有占地面积小、操作简单的特点。
图6单效蒸发器
不管哪种浓缩器都有各自的优缺点，如滚筒刮膜式中药浓缩器[8]有较大汽液分离空间和二次蒸汽通道,并具有特殊设计的除沫装置,这有利于汽液分离,不容易产生液沫夹带。采用真空浓缩,使蒸发温度降低,循环蒸发减少筒体高度,因此料液在加热面上停留的时间更短,适合于热敏性和高粘度物料，同时,即使在料液较少的时候,也能在全部加热面呈膜状浓缩,特别适用于浓缩后期的料液较少情况；双滚筒中药真空浓缩机[9]较一般的浓缩器将滑动摩擦刮板改为滚筒挤压,不再存在磨损异物的隐患,这是离心刮板式薄膜蒸发机的巨大改革,使产品质量有了更多保证；单位蒸发面积蒸发热强度大,蒸发的效率高。因此，对于浓缩器的选用还需要根据实际需要。
4浓缩设备的自动化控制
目前在国内中药生产企业中,中药浓缩器的使用大部分都是手动操作的。正是这种原因,导致药液浓缩效果会因操作人员的不同而产生不同偏差,最终造成浓缩效果的不稳定,对下一步的生产工序造成了影响。所以,让中药浓缩器实现自动控制将会有利于保证中药生产过程相对稳定,也能提高中药生产效率,降低生产的成本。下面以双效浓缩器自动化控制[10]为例。
图7控制系统图
如图7所示,此控制系统采用了下位机PLC控制,上位机通过组态软件进行监控，现场仪表负责采集控制参数信号,通过PLC分析数据,按照一定控制流程,将控制指令返至现场控制元件,实现双效自动控制。
图8双效浓缩器蒸发简易图
①双效浓缩换热器
②双效浓缩器蒸发室
图9双效浓缩器简易连接图
①双效浓缩器-效蒸发室②罗茨泵③磁浮子液位计④质量流量计
左图:主程序流程图
右图:补液控制流程图
图10 浓缩控制流程图
5新发展及展望
为了提高浓缩效果和提高药品质量,已做了很多实验进行研究，如盘形蒸发器环路热管的实验研究[11]，喷淋式蒸发器的计算[12]，双芯平板蒸发器环路热管的实验研究[13]，两相闭式环路热管的实验研究[14]，在降膜蒸发器上增加所蒸发的液体的粘度的影响[15]等实验，开发了许多具有价值的中药浓缩新工艺、新技术。合理引进这些先进的共性技术和装置,可提升中药制药业的科技含量以及整体制造水平。对主要浓缩新工艺、新技术进行分析、述评,以供参考选择。涉及到的浓缩新方法有蒸发浓缩[16-18]，冷冻浓缩[19-22]，膜浓缩[23-27]，吸附树脂分离浓缩[28-30]等。
中药提取液的浓缩新工艺、新技术近年来获得了巨大的进步。根据中药提取液的特点,多效或单效自然外循环蒸发浓缩工艺及装置有广泛的品种适应性。中药提取液非热浓缩工艺、技术及装置目前尚处于研发的阶段,但无疑是未来发展的方向。冷冻浓缩方面,可在深入研究溶剂结晶机理基础上,降低浓缩比率或者提高浓缩倍数。在膜浓缩领域,可在分子水平上进行研究,以解决膜污染的问题,提高浓缩倍数等。大孔吸附树脂分离浓缩则是最有前景的中药提取液分离浓缩工艺和技术,但需要树脂合成领域学者积极参与。此外,采用化学方法(水浸出物、指标成分、有机溶剂浸出物)、生物学方法(药理学、微生物学)、有效成分法等指标进行的中药浓缩新工艺、新技术的综合评价应当受到重视。
参考文献
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
本次毕业论文的题目是《降膜式蒸发器的设计》，主要内容为：熟悉中药制药工艺过程，并在此基础上设计一套浓缩装置。
考虑到中药提取液浓缩工艺及gmp标准，准备设计降膜式蒸发器。降膜式蒸发器中，料液从蒸发器顶部加入，液体在重力作用下沿着加热管内壁呈膜状往下流动。液膜在流动过程中受热蒸发，产生的二次蒸汽和液体一起通过加热管底部进入到蒸发室，然后分别排出。降膜式蒸发器在真空低温条件下能进行连续操作，并且蒸发能力高，运行费用低，节能讲耗，能保证物料蒸发过程中不变性，适用于蒸发浓度高、粘度高的热敏性物料。
本次设计准备从给定的处理量上入手，查阅文献、手册找到设计要求及基本机构，根据工作需要设计蒸发器结构、尺寸和外形，并添加辅助设备，最终完成整个设计。
