制药工程原理与设备-03分离工程基础与设备7(蒸馏).ppt

1 制药反应工程基础与设备分离工程基础与设备 江苏大学制药工程原理与设备教学课件 2 蒸馏Distillation 一蒸馏的分类二间歇蒸馏三间歇共沸精馏四间歇萃取精馏五水蒸气蒸馏六分子蒸馏 3 一 蒸馏的分类 1 按操作流程 间歇蒸馏 连续蒸馏 2 按蒸馏方式 简单蒸馏 平衡蒸馏 闪蒸 精馏 特殊精馏 3 按操作压力 常压蒸馏 加压蒸馏 常压下气态混合物 减压蒸馏 沸点高且热敏的混合物 4 按分离混合物的数目 双组分蒸馏多组分蒸馏 4 本章主要介绍的内容 蒸馏的种类多 只介绍制药生产过程中常用的几种蒸馏方式 间歇精馏 水蒸气蒸馏以及分子蒸馏三种 间歇精馏 主要应用于化学制药药物成分的分离 纯化 水蒸气蒸馏 主要应用于中药制药中植物挥发油的提取和精制 分子蒸馏 能在远低于沸点的温度下实现分离 广泛应用于天然药物的提取和精制 5 二 间歇精馏 1 间歇精馏的基本原理2 装置流程3 间歇精馏过程的现象和规律 过程分析 4 计算 6 1 间歇精馏的基本原理 精馏装置的结构 塔釜 精馏塔 冷凝器 接收罐 精馏原理 产物从塔顶采出原料一次性投入釜中 用再沸器加热精馏控制适当的R 产品按沸点从低到高依次蒸出 注 产品切换时 此时蒸出的物料一般不能满足产品的质量要求 此时物料称为过渡馏分 蒸馏中将过渡馏分回收到中间馏分罐 7 产物从塔底采出 组分按沸点从高到低依次蒸出 适用于难挥发组分为目标产品或难挥发组分为热敏性物质 工业生产过程中 一般包括加料 升温和平衡 全回流 产品采出 中间馏分采出 釜残液排出 或贮罐液排放 8 2 装置流程 装置 甲醇 乙醇 丙醇常压间歇精馏装置捕集器 冷凝冷凝器未冷凝完全的物料蒸气 防止物料从放空口挥发损失 9 3 间歇精馏过程的现象和规律 过程分析 分段恒回流恒回流易实现 因此工业间歇精馏多采用分段恒回流比控制塔顶产品的采出 操作过程中 当馏出某一馏分时 回流比不变 但是馏出物的浓度随时间变化 前期馏出物的浓度比规定值高 后期比规定值要低 但接收罐内物料的平均浓度能符合要求 10 规律 以甲醇A 乙醇B 丙醇C常压间歇精馏为例 塔顶馏出液组成塔底釜液组成XC D F变化曲线XB D F变化曲线 11 开始段 塔顶得到A组分 釜液中A浓度渐小 此时B C由于A组分的蒸出而浓度升高 当A组分全部蒸出 或几乎全部蒸出 釜液温度升高 当达到B沸点时 B开始蒸出 因此釜液中B浓度降低 随B的蒸出 C浓度继续升高 当然 相邻两组分馏出液接收过程中存在过渡区 称为过渡馏分段 此段馏出物为过渡馏分 需在下一批处理物料进料时返回塔釜重蒸 过渡馏分的量越少越好 过渡蒸馏时间越短越好 这两点主要与回流比 理论塔板数有关 另外 过渡馏分还受到持液量及上升蒸气流率有关 12 回流比对间歇精馏的影响 在任何情况下 回流比越大 塔顶易挥发组分浓度越高 产品馏出速率越小 操作时间越长 回流比对过渡馏分段的影响如右图所示 结论 回流比R越大 过渡馏分量越小 分离效果越好 13 理论塔板数对间歇精馏的影响 足够的理论塔板数为精馏塔实现分离的基本条件 当精馏的操作压力和上升蒸气流率稳定时 理论塔板数也相应固定 测定理论塔板数的方法 采用二元物系正庚烷 甲基环己烷或苯 CCl4在塔底规定压力和规定上升蒸气流率下全回流操作 当全塔达到平衡时 即塔顶塔釜浓度XC XB不变时 由芬斯克方程计算得理论塔板数 14 芬斯克方程为 理论塔板数受上升蒸气流速的影响较大 影响规律如图 结论 上升蒸气流率越大 每米理论塔板数越少 理论塔板数对精馏的影响 理论塔板数越多 产品的浓度越高 收率越高 过渡馏分量越小 缺点 塔设备高度越大 设备投资越大 塔底温度越高 能耗越大 15 持液量对间歇精馏过渡馏分段的影响持液 间歇精馏塔工作时 除塔釜有被分离物料外 塔板上 填料层上 塔顶冷凝器及回流系统均存在原料液 称为持液 16 持液对塔操作的作用 A 持液延迟了塔身浓度梯度的稳定过程 因此需要一定的时间建立这个过程 即开工时间 持液量越大 开工时间越长 B 持液在开始蒸馏时会吸收易挥发组分 它会使釜液浓度降低 因此浓缩时浓缩倍数增大 分离难度增大 C 产生 飞轮效应 蒸馏后期 虽然釜内易挥发组分很低 但由于持液中依然含有易挥发组成 塔顶仍可馏出高浓度产品 好似惯性一样 这种现象称为飞轮效应 飞轮效应 使过渡馏分段操作时间加长 馏分量增大 17 持液量对过渡馏分段的影响 结论 持液量越大 分离度越小 过渡馏分量越大 18 4 计算 1 一次收率 无过渡馏分的返回重蒸 2 总收率 考虑过渡馏分的重蒸 以一次蒸发为基础进行计算 19 3 二组分恒回流比操作计算 A 操作线方程 20 21 B 图解过程 间歇精馏塔在恒回流R的条件下操作时 易挥发组分在塔顶液中浓度逐渐降低 在dt时间内 浓度从xc降至xc dxc 所得产品的量为dD 取若干组 xB图解积分 可以求出任意变化时釜液终量与初量的比 22 方法 图解法 一般精馏的理论板数一定 任意取一操作线方程计算和xB值 然后取和xB值作图 即可得 xB图形 若采取模拟计算可得出模拟曲线的方程 这样就可以定量计算了 产品量 D B0 B1产品平均浓度 操作时间 23 三 间歇共沸精馏 1 间歇共沸精馏的原理2 共沸剂的选择原则 24 1 间歇共沸精馏的原理 共沸 指一定条件下液体混合物蒸发时气液两相组成相同的现象 即液相中的组分以恒定的比例被蒸出 此时无分离功能 原理 以A B两组分二元体系溶液为例 当溶液中A B间吸引力小于A A和B B间的吸引力时称为溶液对拉乌尔定律有正偏差 当相互的吸引力减小到一定程度时就会形成最低共沸组成和最低沸点 当溶液中A B间吸引力大于A A和B B间的吸引力时称为溶液对拉乌尔定律有负偏差 当相互的吸引力增大到一定程度时就会形成最高共沸组成和最高沸点 25 T x y和y x图 形成共沸物时 气液组成恒定不变 采用普通蒸馏无法实现分离 这时就必须采用间歇共沸蒸馏进行分离 26 间歇共沸蒸馏的过程 向能形成共沸物的A B两组分体系中加入共沸剂C 在精馏过程中C能与A B两组分中的一种或两种形成新的共沸物 一般情况下为最低共沸物 精馏中首先从塔顶蒸出 直至塔内只剩下待分离共沸物中的另一组分 然后从塔顶蒸出 实现分离 当然 形成的新共沸物要采取措施进行分离 使共沸剂回收利用 27 2 共沸剂的选择原则 共沸剂的选择是实现间歇共沸精馏的关键 选择原则如下 共沸剂应该能与被分离组分形成新的共沸物 其沸点与待分离共沸物以及混合物中的每一组分的沸点差值较大 有利于分离 新共沸液中所含共沸剂越少越好 以便于减少共沸剂的用量及气化 回收时所需的能量 新共沸物最好为非均相 以便于用分层法直接分离 降低共沸剂回收的难度 共沸剂应无毒或低毒 无腐蚀性 热稳定性好 易于回收 价格低廉 28 四 间歇萃取精馏 1 间歇萃取精馏的原理2 间歇萃取精馏的适用范围3 间歇萃取精馏的热力学原理4 溶剂选择的原则5 间歇萃取精馏的过程 29 在精馏过程中 在塔上部向塔内加入一种适当的溶剂 增大被分离组分间的相对挥发度 从而实现精馏的分离纯化 1 间歇萃取精馏的原理 30 2 适用范围 全浓度范围内被分离组分的相对挥发度接近1的混合物 共沸物 相对挥发度仅在共沸点及临近区域等于或接近1 其他区域远离1 31 3 间歇萃取精馏的热力学原理 溶剂之所以能增大相对挥发度 原因在于溶剂存在时待分离组分的活度系数发生了变化 关系如下 式中 无溶剂存在时的相对挥发度 有溶剂存在时的相对挥发度 无溶剂存在时两组分活度系数比 有溶剂存在时两组分活度系数比 32 4 溶剂选择的原则 能增大被分离组分间的相对挥发度 这是选择溶剂的首要的基本前提 溶剂挥发性应较低 即溶剂的沸点较其它组分高 且不与原组分形成共沸物 无毒 无腐蚀 热稳定性好 价格低廉 易回收利用 33 5 间歇萃取精馏的过程 将能形成共沸物的A B混合物一次性投入到塔釜中 溶剂S在精馏全回流完成之后从塔的上部加入 由于S的存在 A B两物质的相对挥发度变大 共沸点消失 可以从塔顶依次得到沸点低的和沸点高的两组分 由于溶剂沸点高 将顺塔流至塔釜 在塔釜最终得到溶剂S 34 五 水蒸气蒸馏 1 水蒸气蒸馏的原理2 水蒸气蒸馏的过程3 水蒸气蒸馏的形式4 蒸气量的计算 35 水蒸气蒸馏是中药生产中提取和纯化挥发油的主要方法 1 水蒸气蒸馏的原理 不互溶液体的独立蒸气压原理 2 水蒸气蒸馏的过程被分离混合物中通入蒸气后 当混合物各组分的蒸气分压和水蒸气分压之和等于操作压力时 系统开始沸腾 水蒸气和被分离组分的蒸气一起蒸出 塔顶产品和水几乎不互溶的情况下 馏出液经冷凝分层除去水便得目标产品 水蒸气蒸馏的优点 能够降低蒸馏的温度 36 3 水蒸气蒸馏的形式 按照加热水蒸气的状态分 饱和水蒸气蒸馏 过热水蒸气蒸馏 饱和水蒸气蒸馏水蒸气蒸馏相图 在常压下 待分离组分 挥发油 A沸点为 纯水的沸点为100 由于水蒸气提供热量使挥发油蒸发 对于饱和水蒸气而言 肯定有部分要冷凝成为水相 当水相和A液相同时存在时 即图中的A L 水 L 相区 系统沸腾温度降至该系统压力下的最小值 即 此时系统会以恒定的组成蒸发A和水蒸气 37 过热水蒸气蒸馏 过热水蒸气蒸馏时 液相只有A液相存在 即相图中的A l g相区 此时随着水蒸气量的不断增加 A组分分压不断减小 系统沸点也不断下降 过热水蒸气加热的优点 A 蒸气干度大 不形成液相层 有两个自由度可以控制 即可以同时规定蒸馏的温度和蒸馏的压力 B 蒸气温度越高 比容越大 一定质量蒸气鼓泡越多 因此随蒸气带出的挥发油也越多 即效率越高 当然 温度也不易太高 太高会引起某些物质的分解或聚合 需对具体的体系分析 C 蒸气温度高 无液相水存在 有利于防止挥发油的结晶 38 4 蒸汽量的计算 饱和水蒸气蒸馏方式饱和水蒸气蒸馏时 釜内有水层和被分离组分层 两组分的蒸气压仅与温度有关 与组成无关 蒸气分压等于同温度下纯水和被分离组分各自单独存在时的蒸气压 蒸气总压 当混合液各组分的蒸气分压之和等于外界压力时 混合液就会沸腾 此时混合液的沸点比任意组分的沸点都低 同时也说明 总压一定时系统的沸点也随之而定 39 用于夹带蒸馏液的水蒸气量可以根据理想气体分压定律计算 若待分离组分与水完全不互溶 则 式中 G 物质的质量 M 物质的分子量 A 待分离组分 待分离组分和水的分压 待分离组分和水的饱和蒸汽压 40 说明 上式中仅为带出所需要的水蒸气的量 未计算加热混合物和使产品汽化以及弥补热损失所消耗的饱和蒸气的量 另外 离开蒸馏釜的水蒸气通常并未被产物蒸气所饱和 因此 实际蒸气消耗的量比上式计算值大的多 一般情况下 41 过热水蒸气蒸馏方式 过热水蒸气不会冷凝 因此 会随水蒸气的量变化 而蒸馏温度一般比有水层时高 当釜内压力和蒸馏温度确定后 结论 减小时 不变 因此减小 可见水蒸气蒸馏也可以减压进行 这样减少了蒸气的消耗量 降低了温度 还可以防止热敏性物质的分解 42 六 分子蒸馏 概述1 分子蒸馏的原理2 分子蒸馏的过程3 分子蒸馏的特点4 分子蒸馏流程5 分子蒸发器6 分子蒸馏的计算7 分子蒸馏的应用 43 分子蒸馏也称短程蒸馏 是一种在高真空度条件下进行非平衡分离操作的连续蒸馏过程 由于操作压力很低 挥发组分的沸点降低 同时分子蒸馏的平均停留时间很短 所以分子蒸馏是一种温和的蒸馏方式 对低挥发度 高沸点 热敏性生物活性物质比较适合 44 45 46 目前国内最大的分子蒸馏装置 北京新特科技发展公司 47 1 分子蒸馏的原理 分子蒸馏是一种特殊的液 液分离技术 它不同于传统蒸馏依靠沸点差分离原理 而是靠不同物质分子运动平均自由程的不同实现分离 分子运动自由程 用 表示 是指分子相邻两次碰撞之间所走的路程 48 原理 当液体混合物沿加热板流动并被加热 轻 重分子会逸出液面而进入气相 由于轻 重分子的自由程不同 因此 不同物质的气相分子移动距离不同 若设置一块冷凝板 使冷凝板与加热板间的距离小于轻组分的分子运动自由程而大于重组分的分子运动自由程 则轻分子达到冷凝板被冷凝并排出 而重分子达不到冷凝板沿混合液排出 这样 达到物质分离的目的 49 2 分子蒸馏的过程 分子从液相主体 混合液 到蒸发的表面 分子在液层表面上的自由蒸发 分子从蒸发表面向冷凝面飞射 分子在冷凝面上冷凝 50 3 分子蒸馏的特点 分子蒸馏是在一定的真空度下完成的 而减压蒸馏和减压精馏也是在一定的真空度下完成 我们通过比较两者的差别来分析一下分子蒸馏的特点 51 4 分子蒸馏流程 分子蒸馏装置主要包括 分子蒸馏器 脱气系统 进料系统 加热系统 冷却系统 真空系统和控制系统 脱气系统 将待处理的物料中溶解的气体在高真空条件下排出 以防止分子蒸馏过程中发生爆沸 常用的脱气设备有降膜式 喷射式 填充式 层板式 52 5 分子蒸发器 分子蒸发器有四种 静止式分子蒸发器 降膜式分子蒸发器 刮膜式分子蒸发器 离心式分子蒸发器 静止式分子蒸发器最早的一种分子蒸发器 特点 结构简单 蒸发面不动 静止式使得设备生产能力低 分离效果差 热分解危险性大 缺点较多 现已淘汰 53 降膜式分子蒸发器 优点 液膜厚度小 液体因重力沿蒸发表面流动 因此 物料的停留时间短 热分解的危险性小 可以连续操作 生产能力大 缺点 液体的均匀分布难以实现 易出现沟流 产生沟流就易产生雾沫夹带溅到冷凝面上 分离效果降低 由此可以看出 均匀分布装置的完善是降膜式分子蒸发器的一个重点 同时也可以看出 降膜式分子蒸发器不适合于分离粘度很大的物料 54 刮膜式分子蒸发器 优点 液膜厚度小 刮膜器的作用可以避免沟流 是蒸发表面均匀分布 物料停留时间短 热分解危险性小 可以了连续操作 生产能力大 加上挡板可以使雾沫夹带的液体在挡板上冷凝 55 离心式分子蒸发器 具有旋转的蒸发表面 操作时进料在旋转盘的中心 靠离心力在蒸发表面分布 优点 液膜非常薄 流动好 生产能力大 停留时间很短 液膜分布均匀 有利于热敏性物质的分离 缺点 设备结构复杂 真空密封较差 设备成本高 56 6 分子蒸馏的计算 分子平均自由程 分子在两次连续碰撞之间所走的路程的平均值 它是分子蒸发器设计的重要参数 分子平均自由程 d 分子直径 T 蒸发温度 p 真空度 R 摩尔常数 NA 阿伏伽德罗常数 57 蒸发速率 蒸发速率是分子蒸发器生产能力的标志 在绝对真空下 表面自由蒸发速率应等于分子的热运动速率 两组分理想混合物的理论分子蒸发速率 式中 组分i蒸发处理量 T 绝对温度 组分i的饱和蒸汽压 R 摩尔常数 组分i的摩尔分子量 G 总蒸发处理量 组分i的摩尔分率 58 实际上 蒸发速率受很多因素的影响 如 物料的性质 设备的形状 操作参数等等 分子蒸馏的速率远小于理想状况下 于是提出了很多的经验修正式 简要介绍两种相对比较成熟的经验式 59 经验公式 A Stephan式 式中 Ac 冷凝面积 Ae 蒸发面积 h 冷凝面与蒸发面之间的距离 蒸发潜热 n 每立方米所含的气体分子数 60 Stephan式适用于液膜厚度非常小 扩散阻力可以忽略的离心式分子蒸发器 它假设分子蒸发只是表面现象是合理的 但是对于液膜厚度较大的降膜式分子蒸发器 就必须考