高等制藥分離工程中國(guó)藥科大學(xué)-蒸餾技術(shù)課件

第十一章

蒸餾技術(shù)

蒸餾:利用各組分的揮發(fā)度（沸點(diǎn)）不同而進(jìn)行分離均相液體混合物的一種廣泛應(yīng)用的技術(shù)。（單級(jí)蒸餾）:若過(guò)程中只有一次部分氣化或冷凝的蒸餾。精餾:具有多次部分氣化和多次部分冷凝的蒸餾。第十一章

蒸餾技術(shù)連續(xù)精餾:原料處理量較多和分離要求較高。間歇精餾:原料處理量較少和分離要求較高時(shí)。特殊蒸餾（共沸精餾、萃取精餾和反應(yīng)精餾）:相對(duì)揮發(fā)度接近1或恒沸體系的混合物分離。真空精餾和分子蒸餾:高沸點(diǎn)、熱敏性混合物的分離。水蒸汽蒸餾:對(duì)一些液體混合物不能在釜內(nèi)蒸干或析出固體的高沸點(diǎn)體系。蒸餾實(shí)驗(yàn)多功能精餾塔反應(yīng)精餾法合成一氯丙酮11.1間歇精餾間歇精餾特點(diǎn)：（1）單塔分離多組分溶液獲得多種產(chǎn)品；（2）可處理不同原料而獲得不同產(chǎn)品；（3）可用于特殊條件下的分離，如高真空、高凝固點(diǎn)和熱敏性物料；（4）設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活和投資費(fèi)少。

一、間歇精餾的流程和操作

精餾式間歇精餾：原料一次性加入塔釜，經(jīng)升溫氣化、全回流操作、部分回流操作及產(chǎn)品和中間餾分在塔頂排出。塔頂餾出液的沸點(diǎn)逐步提高，高沸物和不揮發(fā)性物質(zhì)最后一次從塔釜排出。目標(biāo)產(chǎn)品為輕組分。提餾式間歇精餾：原料一次性加入塔頂貯罐，逐步加入塔內(nèi)，經(jīng)升溫氣化、全回流操作及產(chǎn)品和中間餾分從塔釜排出，塔釜產(chǎn)品的沸點(diǎn)逐步下降。目標(biāo)產(chǎn)品為重組分。精餾式間歇精餾間歇精餾裝置流程提餾式間歇精餾二、分離的主要影響因素

主要因素:相對(duì)揮發(fā)度、設(shè)備參數(shù)（理論塔板數(shù)、持液量）和操作參數(shù)（塔壓、回流比、蒸發(fā)速率）。1．相對(duì)揮發(fā)度αα是反映混合物分離難易程度的物性參數(shù)。

相對(duì)揮發(fā)度與1的差距越大，混合物的分離越容易。

二、分離的主要影響因素純組分的飽和蒸汽壓用Antoine方程計(jì)算A、B和C為Antoine常數(shù)。溫度升高↑→飽和蒸汽壓增大↑→相對(duì)揮發(fā)度變化不大。

ABC水7．9671668228大茴香醚7.8282331235.5二、分離的主要影響因素2．設(shè)備參數(shù)1）理論塔板數(shù)精餾塔越高,相當(dāng)?shù)睦碚撍鍞?shù)越多，則能達(dá)到的產(chǎn)品純度和收率越高，間歇精餾時(shí)過(guò)渡餾分量越少；塔底與塔頂?shù)臏囟炔钤酱?，能量消耗越多，設(shè)備投資越大。測(cè)定理論塔板數(shù)的方法：選用理想溶液在全回流下→測(cè)定塔釜和塔頂?shù)慕M成和溫度，用芬斯克方程計(jì)算。二、分離的主要影響因素2）持液量持液量:間歇精餾操作時(shí)，塔內(nèi)和塔頂冷凝器內(nèi)存在一定量的液體量。持液量對(duì)塔頂組成變化有延緩作用，對(duì)產(chǎn)品收率和操作時(shí)間有顯著影響。結(jié)果：持液量越多，開(kāi)工時(shí)間越長(zhǎng)；分離難度加大；過(guò)渡餾分量增加，產(chǎn)品收率下降。板式塔比填料塔的持液量大，制藥工業(yè)中間歇精餾較多采用填料塔。二、分離的主要影響因素3．操作參數(shù)1）操作壓力壓力的選擇主要考慮混合物的沸點(diǎn)范圍、熱敏溫度限制和供熱冷卻條件。沸點(diǎn)不高的物料采用常壓操作；沸點(diǎn)較高或易分解的物料采用真空操作。二、分離的主要影響因素2）回流比回流比是精餾操作的最重要控制調(diào)節(jié)參數(shù)，對(duì)間歇精餾，它直接決定著產(chǎn)品純度、收率、操作時(shí)間和過(guò)渡餾分量。對(duì)一定的塔，回流比R↑越大，塔頂輕組分濃度越高；產(chǎn)品的餾出速率越小；操作時(shí)間越長(zhǎng)；過(guò)渡餾分越少。三、間歇精餾計(jì)算間歇精餾計(jì)算→確定產(chǎn)量、產(chǎn)品濃度、操作時(shí)間和產(chǎn)品收率。間歇精餾的兩種計(jì)算方法：1）簡(jiǎn)化法，用于設(shè)備參數(shù)和操作參數(shù)的估算。2）嚴(yán)格法，計(jì)算精確，需要解微分方程組。

雙組分恒回流比操作的計(jì)算恒回流比下的間歇精餾操作，餾出液組成逐漸減少。在時(shí)間dt內(nèi)，塔頂餾出組成從xD下降至xD-dxD，所得產(chǎn)品量為dD，此時(shí)塔釜的量B，組成為xB，則易揮發(fā)組分的物料衡算式為雙組分恒回流比操作的計(jì)算產(chǎn)品量為產(chǎn)品的平均濃度為操作總時(shí)間產(chǎn)品的一次收率為×100%

=60~80%

四、間歇精餾過(guò)程模擬模型條件：塔內(nèi)為恒摩爾流量，塔內(nèi)氣相滯留量可忽略；塔板上為恒摩爾持液量；塔板為理論板。數(shù)學(xué)模型由物料衡算方程、熱量衡算方程、相平衡方程和組成歸一方程組構(gòu)成。

四、間歇精餾過(guò)程模擬四、間歇精餾過(guò)程模擬1）組分i的物料衡算方程組全凝器第j板塔釜M為持液量kmol

四、間歇精餾過(guò)程模擬2）總物料衡算方程組全凝器第j板塔釜3）相平衡方程組

四、間歇精餾過(guò)程模擬4）歸一方程組5）熱量衡算組全凝器

第j板

塔釜組分i，板數(shù)j,h為焓,Q為外加熱量。

五、

特殊間歇精餾過(guò)程

1．間歇共沸精餾

fAB<fAA，fBB正偏差，極端時(shí)可能形成最低恒沸點(diǎn)。如乙醇-水、甲醇-丙酮

fAB>fAA，fBB負(fù)偏差，極端時(shí)可能形成最高恒沸點(diǎn)。如硝酸-水恒沸物（恒沸液）：平衡時(shí)出現(xiàn)氣相組成與液相組成相同的溶液。此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為恒沸點(diǎn)，該處的相對(duì)揮發(fā)度為1。

間歇共沸精餾間歇共沸精餾：將足夠量的共沸劑與原料一次性加入塔釜，在精餾過(guò)程中，共沸劑與原共沸液中的一種組分形成新的最低共沸物，并從塔頂蒸出，直至釜內(nèi)僅剩下原共沸物中的另一組分。

間歇共沸精餾流程以苯為共沸劑分離乙醇~水溶液為例。共沸精餾流程1．間歇共沸精餾共沸劑的選擇原則：（1）共沸劑與原共沸液中的組分形成新的最低共沸物，該共沸點(diǎn)比其它組分或共沸點(diǎn)有較大的沸點(diǎn)差。（2）為使共沸劑重復(fù)使用，新的共沸物最好為分層液體，以便分離。（3）新的共沸物中共沸劑的含量應(yīng)盡可能小。（4）價(jià)格低、低毒、熱穩(wěn)定性好和腐蝕性小。

2．萃取精餾萃取精餾：在精餾過(guò)程中，從塔上部加入萃取劑，以增加原溶液中組分間的相對(duì)揮發(fā)度，從而實(shí)現(xiàn)分離。在加入第三組分（萃取劑）于溶液中，使組分間的活度系數(shù)和相對(duì)揮發(fā)度發(fā)生變化，由熱力學(xué)原理得：萃取精餾流程以乙二醇為萃取劑分離乙醇~水溶液為例。間歇萃取精餾分離乙醇一水2．萃取精餾萃取劑的選擇原則：（1）萃取劑應(yīng)明顯增加原溶液中組分間的相對(duì)揮發(fā)度。（2）萃取劑的揮發(fā)性小，沸點(diǎn)比原料組分沸點(diǎn)高很多，且不與原料形成恒沸物。（3）價(jià)格低、低毒、熱穩(wěn)定性好和腐蝕性小。應(yīng)用：（1）相對(duì)揮發(fā)度接近于的體系，如苯和環(huán)已烷-糠醛、甲醇-四氫呋喃-水。（2）恒沸體系，如乙醇-水-乙二醇。11．2水蒸汽蒸餾

一、原理水蒸汽蒸餾：在混合物中直接通入水蒸汽后，當(dāng)混合物各組分的蒸氣分壓和水蒸氣分壓之和等于操作總壓時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始沸騰。氣相蒸汽蒸出后經(jīng)冷凝得到與水不互溶的塔頂組分，分層后去掉水得到產(chǎn)品。水蒸汽蒸餾是根據(jù)不互溶液體具有獨(dú)立蒸氣壓原理，目的是降低蒸餾溫度。11．2水蒸汽蒸餾水蒸汽蒸餾有飽和水蒸汽蒸餾和過(guò)熱蒸汽蒸餾兩種形式。如相圖和流程圖所示當(dāng)系統(tǒng)中有水相和A的液相同時(shí)存在時(shí)，系統(tǒng)的沸騰溫度為該系統(tǒng)壓力下的最低值tf。外壓一定，則溫度就確定。在常壓下，水蒸汽蒸餾在100oC以下進(jìn)行。若用過(guò)熱蒸汽蒸餾時(shí)，待分離組分的沸點(diǎn)為，釜內(nèi)只有A的液相存在，隨著水蒸汽量的增加，A組分的分壓減少，系統(tǒng)沸點(diǎn)不斷下降。

11．2水蒸汽蒸餾二、水蒸氣量的確定如果總壓確定，系統(tǒng)狀態(tài)也就確定。在一般的溫度下，每一液相都各有自己的蒸汽壓而不受另一相存在的影響。當(dāng)兩液相的蒸汽壓之和等于總壓時(shí)，混合液就沸騰，且有：只要有兩個(gè)液相存在，混合液就始終在相同的溫度下沸騰，蒸出汽相組成ｙA也不變。

11．2水蒸汽蒸餾進(jìn)行飽和水蒸汽蒸餾時(shí)，蒸餾物與水不相溶，則水蒸汽的用量可根據(jù)分壓定律來(lái)計(jì)算。所需蒸汽的最小理論用量，實(shí)際用量還需除以飽和系數(shù)φ（=0.6-0.8）。Ａ物質(zhì)的蒸汽