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制药反应工程基础与设备 分离工程基础与设备分离工程基础与设备 江苏大学江苏大学 制药工程原理与设备制药工程原理与设备教学课件教学课件 2 蒸蒸 馏馏 Distillation 一一 蒸馏的分类蒸馏的分类 二二 间歇蒸馏间歇蒸馏 三三 间歇共沸精馏间歇共沸精馏 四四 间歇萃取精馏间歇萃取精馏 五五 水蒸气蒸馏水蒸气蒸馏 六六 分子蒸馏分子蒸馏 3 一、蒸馏的分类一、蒸馏的分类 1.按操作流程：间歇蒸馏、按操作流程：间歇蒸馏、连续蒸馏；连续蒸馏；2.按蒸馏方式：简单蒸馏、平衡蒸馏（闪按蒸馏方式：简单蒸馏、平衡蒸馏（闪蒸）、精馏、特殊精馏；蒸）、精馏、特殊精馏；3.按操作压力：常压蒸馏、按操作压力：常压蒸馏、加压蒸馏：常压加压蒸馏：常压下气态混合物、下气态混合物、减压蒸馏：沸点高且热敏的减压蒸馏：沸点高且热敏的混合物；混合物；4.按分离混合物的数目：双组分蒸馏按分离混合物的数目：双组分蒸馏 多组分蒸馏多组分蒸馏 4 本章主要介绍的内容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蒸馏方式：间歇精馏、水蒸气蒸馏以及分子蒸馏三种。种。间歇精馏间歇精馏:主要应用于化学制药药物成分的分离、纯主要应用于化学制药药物成分的分离、纯化；化；水蒸气蒸馏水蒸气蒸馏:主要应用于中药制药中植物挥发油的提主要应用于中药制药中植物挥发油的提取和精制；取和精制；分子蒸馏分子蒸馏:能在远低于沸点的温度下实现分离，广泛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。应用于天然药物的提取和精制。5 二、间歇精馏二、间歇精馏 1.间歇精馏的基本原理间歇精馏的基本原理 2.装置流程装置流程 3.间歇精馏过程的现象和规律（过程分析）间歇精馏过程的现象和规律（过程分析）4.计计 算算 6 1.间歇精馏的基本原理间歇精馏的基本原理 精馏装置的结构：塔釜、精馏精馏装置的结构：塔釜、精馏塔、冷凝器、接收罐塔、冷凝器、接收罐 精馏原理：精馏原理：产物从塔顶采出产物从塔顶采出 原料一次性投入釜中，用再沸原料一次性投入釜中，用再沸器加热精馏控制适当的器加热精馏控制适当的R，产品，产品按沸点从低到高依次蒸出。按沸点从低到高依次蒸出。注：产品切换时，此时蒸出的物料注：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，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中将过渡馏分回收到中间馏分罐。罐。7 产物从塔底采出产物从塔底采出 组分按沸点从高到低依次蒸出。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。难挥发组分为热敏性物质。工业生产过程中，一般包括加工业生产过程中，一般包括加料、升温和平衡（全回流）、产料、升温和平衡（全回流）、产品采出、中间馏分采出、釜残液品采出、中间馏分采出、釜残液排出（或贮罐液排放）。排出（或贮罐液排放）。8 2.装置流程装置流程 装置：装置：甲醇甲醇乙醇乙醇丙醇常丙醇常压间歇精馏装置压间歇精馏装置 捕集器捕集器：冷凝冷凝器未：冷凝冷凝器未冷凝完全的物料蒸气，冷凝完全的物料蒸气，防止物料从放空口挥防止物料从放空口挥发损失。发损失。9 3.间歇精馏过程的现象和规律（过程分析）间歇精馏过程的现象和规律（过程分析）分段恒回流分段恒回流 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。定值要低，但接收罐内物料的平均浓度能符合要求。10 规规 律律（以甲醇（以甲醇A乙醇乙醇B丙醇丙醇C常压间歇精馏为例）常压间歇精馏为例）塔顶馏出液组成塔顶馏出液组成 塔底釜液组成塔底釜液组成 XC-D/F变化曲线变化曲线 XB-D/F变化曲线变化曲线 11 开始段，塔顶得到开始段，塔顶得到A组分，釜液中组分，釜液中A浓度渐小，此时浓度渐小，此时B、C由由于于A组分的蒸出而浓度升高，当组分的蒸出而浓度升高，当A组分全部蒸出（或几乎全部组分全部蒸出（或几乎全部蒸出），釜液温度升高，当达到蒸出），釜液温度升高，当达到B沸点时，沸点时，B开始蒸出，因此开始蒸出，因此釜液中釜液中B浓度降低，随浓度降低，随B的蒸出，的蒸出，C浓度继续升高。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。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。液量及上升蒸气流率有关。12 回流比对间歇精馏的影响回流比对间歇精馏的影响 在任何情况下，回流比越大，在任何情况下，回流比越大，塔顶易挥发组分浓度越高，产塔顶易挥发组分浓度越高，产品馏出速率越小，品馏出速率越小，操作时间越长。操作时间越长。回流比对过渡馏分段的影响如回流比对过渡馏分段的影响如右图所示右图所示:结论：回流比结论：回流比R越大，过渡馏越大，过渡馏分量越小，分离效果越好。分量越小，分离效果越好。13 理论塔板数对间歇精馏的影响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，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。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测定理论塔板数的方法：采用二元物系正庚烷-甲基甲基环己烷或苯环己烷或苯-CCl4在塔底规定压力和规定上升蒸气流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，即塔顶塔釜率下全回流操作，当全塔达到平衡时，即塔顶塔釜浓度浓度XC、XB不变时，由芬斯克方程计算得理论塔板不变时，由芬斯克方程计算得理论塔板数。数。14 芬斯克方程为：芬斯克方程为：理论塔板数受上升蒸气流速理论塔板数受上升蒸气流速的影响较大，影响规律如图：的影响较大，影响规律如图：结论：上升蒸气流率越大，结论：上升蒸气流率越大，每米理论塔板数越少。每米理论塔板数越少。理论塔板数对精馏的影响：理论塔板数对精馏的影响：理论塔板数越多，产品的浓度理论塔板数越多，产品的浓度越高，收率越高，过渡馏分量越高，收率越高，过渡馏分量越小。缺点：塔设备高度越大，越小。缺点：塔设备高度越大，设备投资越大，塔底温度越高，设备投资越大，塔底温度越高，能耗越大。能耗越大。)11ln(BBCCxxxxN15 持液量对间歇精馏过渡馏分段的影响持液量对间歇精馏过渡馏分段的影响 持液持液：间歇精馏塔工作时，除塔釜有被分离物料：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。均存在原料液，称为持液。16 持液对塔操作的作用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，开工时间越间建立这个过程，即开工时间。持液量越大，开工时间越长。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。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”产生“飞轮效应”：蒸馏后期，虽然釜内易挥发组分很低，：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。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。“飞轮效应”使过渡馏分段操作时间加长，馏分量增大。17 持液量对过渡馏分持液量对过渡馏分段的影响：段的影响：结论：持液量越大，结论：持液量越大，分离度越小，过渡分离度越小，过渡馏分量越大。馏分量越大。18 4.计计 算算 (1)一次收率：无过渡馏分的返回重蒸一次收率：无过渡馏分的返回重蒸 (2)总收率：考虑过渡馏分的重蒸（以一次蒸发为基总收率：考虑过渡馏分的重蒸（以一次蒸发为基础进行计算）础进行计算）00 xBxDeC)1(0000 xBWxexBxWexDeWWC19(3)二组分恒回流比操作计算二组分恒回流比操作计算 A.操作线方程操作线方程 DDDnnDnnxRxRRyxVDxVLyxVDxVLyDxLxVyDLRDLV11111即：20 21 B.图解过程图解过程 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。)(BcBxddDxdBdDdBxBdxdBxBBc)(BcBxxdBBdx1010BBxxBcBBBxxdxBdB1001lnBBxxBcBxxdxBBBcxx 122 方法：图解法方法：图解法 一般精馏的理论板数一定，任意取一操作线方程一般精馏的理论板数一定，任意取一操作线方程计算计算 和和xB值，然后取值，然后取 和和 xB值作图，值作图，即可得即可得 xB图形。若采取模拟计算可得出模图形。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。拟曲线的方程，这样就可以定量计算了。产品量：产品量：D=B0-B1 产品平均浓度：产品平均浓度：操作时间：操作时间：Bcxx 1Bcxx 1Bcxx 1101100BBxBxBxBBDDBBBBVRLVBBt101010123 三、间歇共沸精馏三、间歇共沸精馏 1.间歇共沸精馏的原理间歇共沸精馏的原理 2.共沸剂的选择原则共沸剂的选择原则 24 1.间歇共沸精馏的原理间歇共沸精馏的原理 共沸共沸：指一定条件下液体混合物蒸发时气液两：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。例被蒸出，此时无分离功能。原理原理：以：以A、B两组分二元体系溶液为例。两组分二元体系溶液为例。当溶液中当溶液中A-B间吸引力小于间吸引力小于A-A和和B-B间的吸引力间的吸引力时称为时称为溶液对拉乌尔定律有正偏差溶液对拉乌尔定律有正偏差。当相互的吸。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。最低沸点。当溶液中当溶液中A-B间吸引力大于间吸引力大于A-A和和B-B间的吸引力间的吸引力时称为时称为溶液对拉乌尔定律有负偏差溶液对拉乌尔定律有负偏差。当相互的吸。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。最高沸点。25 T-x-y 和和y-x图图 形成共沸物时，气液形成共沸物时，气液组成恒定不变，采用组成恒定不变，采用普通蒸馏无法实现分普通蒸馏无法实现分离，这时就必须采用离，这时就必须采用间歇共沸蒸馏进行分间歇共沸蒸馏进行分离。离。26 间歇共沸蒸馏的过程间歇共沸蒸馏的过程 向能形成共沸物的向能形成共沸物的A、B两组分体系中加入共沸剂两组分体系中加入共沸剂C，在精馏过程，在精馏过程中中C