制藥工程原理與設備-03分離工程基礎與設備7(蒸餾).ppt

1 制藥反應工程基礎與設備分離工程基礎與設備 江蘇大學制藥工程原理與設備教學課件 2 蒸餾Distillation 一蒸餾的分類二間歇蒸餾三間歇共沸精餾四間歇萃取精餾五水蒸氣蒸餾六分子蒸餾 3 一 蒸餾的分類 1 按操作流程 間歇蒸餾 連續(xù)蒸餾 2 按蒸餾方式 簡單蒸餾 平衡蒸餾 閃蒸 精餾 特殊精餾 3 按操作壓力 常壓蒸餾 加壓蒸餾 常壓下氣態(tài)混合物 減壓蒸餾 沸點高且熱敏的混合物 4 按分離混合物的數目 雙組分蒸餾多組分蒸餾 4 本章主要介紹的內容 蒸餾的種類多 只介紹制藥生產過程中常用的幾種蒸餾方式 間歇精餾 水蒸氣蒸餾以及分子蒸餾三種 間歇精餾 主要應用于化學制藥藥物成分的分離 純化 水蒸氣蒸餾 主要應用于中藥制藥中植物揮發(fā)油的提取和精制 分子蒸餾 能在遠低于沸點的溫度下實現分離 廣泛應用于天然藥物的提取和精制 5 二 間歇精餾 1 間歇精餾的基本原理2 裝置流程3 間歇精餾過程的現象和規(guī)律 過程分析 4 計算 6 1 間歇精餾的基本原理 精餾裝置的結構 塔釜 精餾塔 冷凝器 接收罐 精餾原理 產物從塔頂采出原料一次性投入釜中 用再沸器加熱精餾控制適當的R 產品按沸點從低到高依次蒸出 注 產品切換時 此時蒸出的物料一般不能滿足產品的質量要求 此時物料稱為過渡餾分 蒸餾中將過渡餾分回收到中間餾分罐 7 產物從塔底采出 組分按沸點從高到低依次蒸出 適用于難揮發(fā)組分為目標產品或難揮發(fā)組分為熱敏性物質 工業(yè)生產過程中 一般包括加料 升溫和平衡 全回流 產品采出 中間餾分采出 釜殘液排出 或貯罐液排放 8 2 裝置流程 裝置 甲醇 乙醇 丙醇常壓間歇精餾裝置捕集器 冷凝冷凝器未冷凝完全的物料蒸氣 防止物料從放空口揮發(fā)損失 9 3 間歇精餾過程的現象和規(guī)律 過程分析 分段恒回流恒回流易實現 因此工業(yè)間歇精餾多采用分段恒回流比控制塔頂產品的采出 操作過程中 當餾出某一餾分時 回流比不變 但是餾出物的濃度隨時間變化 前期餾出物的濃度比規(guī)定值高 后期比規(guī)定值要低 但接收罐內物料的平均濃度能符合要求 10 規(guī)律 以甲醇A 乙醇B 丙醇C常壓間歇精餾為例 塔頂餾出液組成塔底釜液組成XC D F變化曲線XB D F變化曲線 11 開始段 塔頂得到A組分 釜液中A濃度漸小 此時B C由于A組分的蒸出而濃度升高 當A組分全部蒸出 或幾乎全部蒸出 釜液溫度升高 當達到B沸點時 B開始蒸出 因此釜液中B濃度降低 隨B的蒸出 C濃度繼續(xù)升高 當然 相鄰兩組分餾出液接收過程中存在過渡區(qū) 稱為過渡餾分段 此段餾出物為過渡餾分 需在下一批處理物料進料時返回塔釜重蒸 過渡餾分的量越少越好 過渡蒸餾時間越短越好 這兩點主要與回流比 理論塔板數有關 另外 過渡餾分還受到持液量及上升蒸氣流率有關 12 回流比對間歇精餾的影響 在任何情況下 回流比越大 塔頂易揮發(fā)組分濃度越高 產品餾出速率越小 操作時間越長 回流比對過渡餾分段的影響如右圖所示 結論 回流比R越大 過渡餾分量越小 分離效果越好 13 理論塔板數對間歇精餾的影響 足夠的理論塔板數為精餾塔實現分離的基本條件 當精餾的操作壓力和上升蒸氣流率穩(wěn)定時 理論塔板數也相應固定 測定理論塔板數的方法 采用二元物系正庚烷 甲基環(huán)己烷或苯 CCl4在塔底規(guī)定壓力和規(guī)定上升蒸氣流率下全回流操作 當全塔達到平衡時 即塔頂塔釜濃度XC XB不變時 由芬斯克方程計算得理論塔板數 14 芬斯克方程為 理論塔板數受上升蒸氣流速的影響較大 影響規(guī)律如圖 結論 上升蒸氣流率越大 每米理論塔板數越少 理論塔板數對精餾的影響 理論塔板數越多 產品的濃度越高 收率越高 過渡餾分量越小 缺點 塔設備高度越大 設備投資越大 塔底溫度越高 能耗越大 15 持液量對間歇精餾過渡餾分段的影響持液 間歇精餾塔工作時 除塔釜有被分離物料外 塔板上 填料層上 塔頂冷凝器及回流系統(tǒng)均存在原料液 稱為持液 16 持液對塔操作的作用 A 持液延遲了塔身濃度梯度的穩(wěn)定過程 因此需要一定的時間建立這個過程 即開工時間 持液量越大 開工時間越長 B 持液在開始蒸餾時會吸收易揮發(fā)組分 它會使釜液濃度降低 因此濃縮時濃縮倍數增大 分離難度增大 C 產生 飛輪效應 蒸餾后期 雖然釜內易揮發(fā)組分很低 但由于持液中依然含有易揮發(fā)組成 塔頂仍可餾出高濃度產品 好似慣性一樣 這種現象稱為飛輪效應 飛輪效應 使過渡餾分段操作時間加長 餾分量增大 17 持液量對過渡餾分段的影響 結論 持液量越大 分離度越小 過渡餾分量越大 18 4 計算 1 一次收率 無過渡餾分的返回重蒸 2 總收率 考慮過渡餾分的重蒸 以一次蒸發(fā)為基礎進行計算 19 3 二組分恒回流比操作計算 A 操作線方程 20 21 B 圖解過程 間歇精餾塔在恒回流R的條件下操作時 易揮發(fā)組分在塔頂液中濃度逐漸降低 在dt時間內 濃度從xc降至xc dxc 所得產品的量為dD 取若干組 xB圖解積分 可以求出任意變化時釜液終量與初量的比 22 方法 圖解法 一般精餾的理論板數一定 任意取一操作線方程計算和xB值 然后取和xB值作圖 即可得 xB圖形 若采取模擬計算可得出模擬曲線的方程 這樣就可以定量計算了 產品量 D B0 B1產品平均濃度 操作時間 23 三 間歇共沸精餾 1 間歇共沸精餾的原理2 共沸劑的選擇原則 24 1 間歇共沸精餾的原理 共沸 指一定條件下液體混合物蒸發(fā)時氣液兩相組成相同的現象 即液相中的組分以恒定的比例被蒸出 此時無分離功能 原理 以A B兩組分二元體系溶液為例 當溶液中A B間吸引力小于A A和B B間的吸引力時稱為溶液對拉烏爾定律有正偏差 當相互的吸引力減小到一定程度時就會形成最低共沸組成和最低沸點 當溶液中A B間吸引力大于A A和B B間的吸引力時稱為溶液對拉烏爾定律有負偏差 當相互的吸引力增大到一定程度時就會形成最高共沸組成和最高沸點 25 T x y和y x圖 形成共沸物時 氣液組成恒定不變 采用普通蒸餾無法實現分離 這時就必須采用間歇共沸蒸餾進行分離 26 間歇共沸蒸餾的過程 向能形成共沸物的A B兩組分體系中加入共沸劑C 在精餾過程中C能與A B兩組分中的一種或兩種形成新的共沸物 一般情況下為最低共沸物 精餾中首先從塔頂蒸出 直至塔內只剩下待分離共沸物中的另一組分 然后從塔頂蒸出 實現分離 當然 形成的新共沸物要采取措施進行分離 使共沸劑回收利用 27 2 共沸劑的選擇原則 共沸劑的選擇是實現間歇共沸精餾的關鍵 選擇原則如下 共沸劑應該能與被分離組分形成新的共沸物 其沸點與待分離共沸物以及混合物中的每一組分的沸點差值較大 有利于分離 新共沸液中所含共沸劑越少越好 以便于減少共沸劑的用量及氣化 回收時所需的能量 新共沸物最好為非均相 以便于用分層法直接分離 降低共沸劑回收的難度 共沸劑應無毒或低毒 無腐蝕性 熱穩(wěn)定性好 易于回收 價格低廉 28 四 間歇萃取精餾 1 間歇萃取精餾的原理2 間歇萃取精餾的適用范圍3 間歇萃取精餾的熱力學原理4 溶劑選擇的原則5 間歇萃取精餾的過程 29 在精餾過程中 在塔上部向塔內加入一種適當的溶劑 增大被分離組分間的相對揮發(fā)度 從而實現精餾的分離純化 1 間歇萃取精餾的原理 30 2 適用范圍 全濃度范圍內被分離組分的相對揮發(fā)度接近1的混合物 共沸物 相對揮發(fā)度僅在共沸點及臨近區(qū)域等于或接近1 其他區(qū)域遠離1 31 3 間歇萃取精餾的熱力學原理 溶劑之所以能增大相對揮發(fā)度 原因在于溶劑存在時待分離組分的活度系數發(fā)生了變化 關系如下 式中 無溶劑存在時的相對揮發(fā)度 有溶劑存在時的相對揮發(fā)度 無溶劑存在時兩組分活度系數比 有溶劑存在時兩組分活度系數比 32 4 溶劑選擇的原則 能增大被分離組分間的相對揮發(fā)度 這是選擇溶劑的首要的基本前提 溶劑揮發(fā)性應較低 即溶劑的沸點較其它組分高 且不與原組分形成共沸物 無毒 無腐蝕 熱穩(wěn)定性好 價格低廉 易回收利用 33 5 間歇萃取精餾的過程 將能形成共沸物的A B混合物一次性投入到塔釜中 溶劑S在精餾全回流完成之后從塔的上部加入 由于S的存在 A B兩物質的相對揮發(fā)度變大 共沸點消失 可以從塔頂依次得到沸點低的和沸點高的兩組分 由于溶劑沸點高 將順塔流至塔釜 在塔釜最終得到溶劑S 34 五 水蒸氣蒸餾 1 水蒸氣蒸餾的原理2 水蒸氣蒸餾的過程3 水蒸氣蒸餾的形式4 蒸氣量的計算 35 水蒸氣蒸餾是中藥生產中提取和純化揮發(fā)油的主要方法 1 水蒸氣蒸餾的原理 不互溶液體的獨立蒸氣壓原理 2 水蒸氣蒸餾的過程被分離混合物中通入蒸氣后 當混合物各組分的蒸氣分壓和水蒸氣分壓之和等于操作壓力時 系統(tǒng)開始沸騰 水蒸氣和被分離組分的蒸氣一起蒸出 塔頂產品和水幾乎不互溶的情況下 餾出液經冷凝分層除去水便得目標產品 水蒸氣蒸餾的優(yōu)點 能夠降低蒸餾的溫度 36 3 水蒸氣蒸餾的形式 按照加熱水蒸氣的狀態(tài)分 飽和水蒸氣蒸餾 過熱水蒸氣蒸餾 飽和水蒸氣蒸餾水蒸氣蒸餾相圖 在常壓下 待分離組分 揮發(fā)油 A沸點為 純水的沸點為100 由于水蒸氣提供熱量使揮發(fā)油蒸發(fā) 對于飽和水蒸氣而言 肯定有部分要冷凝成為水相 當水相和A液相同時存在時 即圖中的A L 水 L 相區(qū) 系統(tǒng)沸騰溫度降至該系統(tǒng)壓力下的最小值 即 此時系統(tǒng)會以恒定的組成蒸發(fā)A和水蒸氣 37 過熱水蒸氣蒸餾 過熱水蒸氣蒸餾時 液相只有A液相存在 即相圖中的A l g相區(qū) 此時隨著水蒸氣量的不斷增加 A組分分壓不斷減小 系統(tǒng)沸點也不斷下降 過熱水蒸氣加熱的優(yōu)點 A 蒸氣干度大 不形成液相層 有兩個自由度可以控制 即可以同時規(guī)定蒸餾的溫度和蒸餾的壓力 B 蒸氣溫度越高 比容越大 一定質量蒸氣鼓泡越多 因此隨蒸氣帶出的揮發(fā)油也越多 即效率越高 當然 溫度也不易太高 太高會引起某些物質的分解或聚合 需對具體的體系分析 C 蒸氣溫度高 無液相水存在 有利于防止揮發(fā)油的結晶 38 4 蒸汽量的計算 飽和水蒸氣蒸餾方式飽和水蒸氣蒸餾時 釜內有水層和被分離組分層 兩組分的蒸氣壓僅與溫度有關 與組成無關 蒸氣分壓等于同溫度下純水和被分離組分各自單獨存在時的蒸氣壓 蒸氣總壓 當混合液各組分的蒸氣分壓之和等于外界壓力時 混合液就會沸騰 此時混合液的沸點比任意組分的沸點都低 同時也說明 總壓一定時系統(tǒng)的沸點也隨之而定 39 用于夾帶蒸餾液的水蒸氣量可以根據理想氣體分壓定律計算 若待分離組分與水完全不互溶 則 式中 G 物質的質量 M 物質的分子量 A 待分離組分 待分離組分和水的分壓 待分離組分和水的飽和蒸汽壓 40 說明 上式中僅為帶出所需要的水蒸氣的量 未計算加熱混合物和使產品汽化以及彌補熱損失所消耗的飽和蒸氣的量 另外 離開蒸餾釜的水蒸氣通常并未被產物蒸氣所飽和 因此 實際蒸氣消耗的量比上式計算值大的多 一般情況下 41 過熱水蒸氣蒸餾方式 過熱水蒸氣不會冷凝 因此 會隨水蒸氣的量變化 而蒸餾溫度一般比有水層時高 當釜內壓力和蒸餾溫度確定后 結論 減小時 不變 因此減小 可見水蒸氣蒸餾也可以減壓進行 這樣減少了蒸氣的消耗量 降低了溫度 還可以防止熱敏性物質的分解 42 六 分子蒸餾 概述1 分子蒸餾的原理2 分子蒸餾的過程3 分子蒸餾的特點4 分子蒸餾流程5 分子蒸發(fā)器6 分子蒸餾的計算7 分子蒸餾的應用 43 分子蒸餾也稱短程蒸餾 是一種在高真空度條件下進行非平衡分離操作的連續(xù)蒸餾過程 由于操作壓力很低 揮發(fā)組分的沸點降低 同時分子蒸餾的平均停留時間很短 所以分子蒸餾是一種溫和的蒸餾方式 對低揮發(fā)度 高沸點 熱敏性生物活性物質比較適合 44 45 46 目前國內最大的分子蒸餾裝置 北京新特科技發(fā)展公司 47 1 分子蒸餾的原理 分子蒸餾是一種特殊的液 液分離技術 它不同于傳統(tǒng)蒸餾依靠沸點差分離原理 而是靠不同物質分子運動平均自由程的不同實現分離 分子運動自由程 用 表示 是指分子相鄰兩次碰撞之間所走的路程 48 原理 當液體混合物沿加熱板流動并被加熱 輕 重分子會逸出液面而進入氣相 由于輕 重分子的自由程不同 因此 不同物質的氣相分子移動距離不同 若設置一塊冷凝板 使冷凝板與加熱板間的距離小于輕組分的分子運動自由程而大于重組分的分子運動自由程 則輕分子達到冷凝板被冷凝并排出 而重分子達不到冷凝板沿混合液排出 這樣 達到物質分離的目的 49 2 分子蒸餾的過程 分子從液相主體 混合液 到蒸發(fā)的表面 分子在液層表面上的自由蒸發(fā) 分子從蒸發(fā)表面向冷凝面飛射 分子在冷凝面上冷凝 50 3 分子蒸餾的特點 分子蒸餾是在一定的真空度下完成的 而減壓蒸餾和減壓精餾也是在一定的真空度下完成 我們通過比較兩者的差別來分析一下分子蒸餾的特點 51 4 分子蒸餾流程 分子蒸餾裝置主要包括 分子蒸餾器 脫氣系統(tǒng) 進料系統(tǒng) 加熱系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng) 真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng) 脫氣系統(tǒng) 將待處理的物料中溶解的氣體在高真空條件下排出 以防止分子蒸餾過程中發(fā)生爆沸 常用的脫氣設備有降膜式 噴射式 填充式 層板式 52 5 分子蒸發(fā)器 分子蒸發(fā)器有四種 靜止式分子蒸發(fā)器 降膜式分子蒸發(fā)器 刮膜式分子蒸發(fā)器 離心式分子蒸發(fā)器 靜止式分子蒸發(fā)器最早的一種分子蒸發(fā)器 特點 結構簡單 蒸發(fā)面不動 靜止式使得設備生產能力低 分離效果差 熱分解危險性大 缺點較多 現已淘汰 53 降膜式分子蒸發(fā)器 優(yōu)點 液膜厚度小 液體因重力沿蒸發(fā)表面流動 因此 物料的停留時間短 熱分解的危險性小 可以連續(xù)操作 生產能力大 缺點 液體的均勻分布難以實現 易出現溝流 產生溝流就易產生霧沫夾帶濺到冷凝面上 分離效果降低 由此可以看出 均勻分布裝置的完善是降膜式分子蒸發(fā)器的一個重點 同時也可以看出 降膜式分子蒸發(fā)器不適合于分離粘度很大的物料 54 刮膜式分子蒸發(fā)器 優(yōu)點 液膜厚度小 刮膜器的作用可以避免溝流 是蒸發(fā)表面均勻分布 物料停留時間短 熱分解危險性小 可以了連續(xù)操作 生產能力大 加上擋板可以使霧沫夾帶的液體在擋板上冷凝 55 離心式分子蒸發(fā)器 具有旋轉的蒸發(fā)表面 操作時進料在旋轉盤的中心 靠離心力在蒸發(fā)表面分布 優(yōu)點 液膜非常薄 流動好 生產能力大 停留時間很短 液膜分布均勻 有利于熱敏性物質的分離 缺點 設備結構復雜 真空密封較差 設備成本高 56 6 分子蒸餾的計算 分子平均自由程 分子在兩次連續(xù)碰撞之間所走的路程的平均值 它是分子蒸發(fā)器設計的重要參數 分子平均自由程 d 分子直徑 T 蒸發(fā)溫度 p 真空度 R 摩爾常數 NA 阿伏伽德羅常數 57 蒸發(fā)速率 蒸發(fā)速率是分子蒸發(fā)器生產能力的標志 在絕對真空下 表面自由蒸發(fā)速率應等于分子的熱運動速率 兩組分理想混合物的理論分子蒸發(fā)速率 式中 組分i蒸發(fā)處理量 T 絕對溫度 組分i的飽和蒸汽壓 R 摩爾常數 組分i的摩爾分子量 G 總蒸發(fā)處理量 組分i的摩爾分率 58 實際上 蒸發(fā)速率受很多因素的影響 如 物料的性質 設備的形狀 操作參數等等 分子蒸餾的速率遠小于理想狀況下 于是提出了很多的經驗修正式 簡要介紹兩種相對比較成熟的經驗式 59 經驗公式 A Stephan式 式中 Ac 冷凝面積 Ae 蒸發(fā)面積 h 冷凝面與蒸發(fā)面之間的距離 蒸發(fā)潛熱 n 每立方米所含的氣體分子數 60 Stephan式適用于液膜厚度非常小 擴散阻力可以忽略的離心式分子蒸發(fā)器 它假設分子蒸發(fā)只是表面現象是合理的 但是對于液膜厚度較大的降膜式分子蒸發(fā)器 就必須考