制藥反應工程(gōngchéng)基礎與設備分離工程基礎與設備江蘇大學

制藥工程(gōngchéng)原理與設備教學課件第一頁，共六十九頁。1制藥工程原理與設備-03分離工程基礎與設備7(蒸餾)蒸餾

Distillation一蒸餾的分類(fēnlèi)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第二頁，共六十九頁。2一、蒸餾(zhēngliú)的分類

1.按操作(cāozuò)流程：間歇蒸餾、連續蒸餾；

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第三頁，共六十九頁。3本章(běnzhānɡ)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油的提取和精制(jīngzhì)；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。第四頁，共六十九頁。4二、間歇(jiànxiē)精餾

1.間歇精餾(jīnɡliú)的基本原理

2.裝置流程

3.間歇精餾過程的現象和規律（過程分析）

4.計算第五頁，共六十九頁。51.間歇(jiànxiē)精餾的基本原理⑴精餾裝置的結構：塔釜、精餾塔、冷凝器、接收罐⑵精餾原理：①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(cǐshí)蒸出的物料一般不能滿足產品的質量要求，此時(cǐshí)物料稱為過渡餾分。蒸餾中將過渡餾分回收到中間餾分罐。第六頁，共六十九頁。6②產物(chǎnwù)從塔底采出組分按沸點從高到低依次(yīcì)蒸出。適用于難揮發組分為目標產品或難揮發組分為熱敏性物質。工業生產過程中，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）。第七頁，共六十九頁。72.裝置(zhuāngzhì)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(wùliào)蒸氣，防止物料(wùliào)從放空口揮發損失。第八頁，共六十九頁。83.間歇精餾過程的現象(xiànxiàng)和規律（過程分析）⑴分段恒回流恒回流易實現，因此工業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(biànhuà)，前期餾出物的濃度比規定值高，后期比規定值要低，但接收罐內物料的平均濃度能符合要求。第九頁，共六十九頁。9⑵規律（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(biànhuà)曲線XB-D/F變化曲線第十頁，共六十九頁。10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濃度繼續升高。當然，相鄰兩組分餾出液接收(jiēshōu)過程中存在過渡區，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。第十一頁，共六十九頁。11①回流(huíliú)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(yǐngxiǎng)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。第十二頁，共六十九頁。12②理論塔板數對間歇(jiànxiē)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-甲基環己烷或苯-CCl4在塔底規定壓力和規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(nóngdù)XC、XB不變時，由芬斯克方程計算得理論塔板數。第十三頁，共六十九頁。13芬斯克方程為：理論塔板數受上升蒸氣流速的影響較大，影響規律(guīlǜ)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。第十四頁，共六十九頁。14③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(wùliào)外，塔板上（填料層上）塔頂冷凝器及回流系統均存在原料液，稱為持液。第十五頁，共六十九頁。15持液對塔操作(cāozuò)的作用A.持液延遲了塔身濃度梯度的穩定過程，因此需要一定的時間建立這個(zhège)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，雖然釜內易揮發組分很低，但由于持液中依然含有易揮發組成，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。第十六頁，共六十九頁。16持液量對過渡餾分(liúfèn)段的影響：結論：持液量越大，分離度越小，過渡餾分量越大。第十七頁，共六十九頁。174.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（以一次蒸發為基礎進行(jìnxíng)計算）第十八頁，共六十九頁。18(3)二組分(zǔfèn)恒回流比操作計算

A.操作(cāozuò)線方程第十九頁，共六十九頁。19第二十頁，共六十九頁。20B.圖解(tújiě)過程間歇精餾塔在恒回流R的條件下操作時，易揮發組分在塔頂液中濃度逐漸降低，在dt時間(shíjiān)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。第二十一頁，共六十九頁。21方法(fāngfǎ)：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(jìsuàn)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：第二十二頁，共六十九頁。22三、間歇(jiànxiē)共沸精餾

1.間歇(jiànxiē)共沸精餾的原理

2.共沸劑的選擇原則第二十三頁，共六十九頁。231.間歇共沸精餾的原理①共沸：指一定條件下液體混合物蒸發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。②原理：以A、B兩組分二元體系溶液(róngyè)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。第二十四頁，共六十九頁。24T-x-y

和y-x圖形成共沸物時，氣液組成恒定(héngdìng)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。第二十五頁，共六十九頁。25③間歇(jiànxiē)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(jīnɡliú)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。第二十六頁，共六十九頁。262.共沸劑的選擇(xuǎnzé)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：①共沸劑應該能與被分離組分形成新的共沸物，其沸點(fèidiǎn)與待分離共沸物以及混合物中的每一組分的沸點(fèidiǎn)差值較大，有利于分離。②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。③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。④共沸劑應無毒或低毒，無腐蝕性，熱穩定性好，易于回收，價格低廉。第二十七頁，共六十九頁。27四、間歇萃取(cuìqǔ)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(xuǎnzé)的原則5.間歇萃取精餾的過程第二十八頁，共六十九頁。28在精餾過程中，在塔上部向塔內加入一種適當(shìdàng)的溶劑，增大被分離組分間的相對揮發度，從而實現精餾的分離純化。1.間歇萃取精餾(jīnɡliú)的原理第二十九頁，共六十九頁。292.適用范圍①全濃度范圍內被分離組分的相對(xiāngduì)揮發度接近1的混合物。②共沸物。相對揮發度僅在共沸點及臨近區域等于或接近1，其他區域遠離1。第三十頁，共六十九頁。303.間歇萃取精餾(jīnɡliú)的熱力學原理溶劑之所以能增大相對(xiāngduì)揮發度，原因在于溶劑存在時待分離組分的活度系數發生了變化。關系如下：式中：-無溶劑存在時的相對揮發度；

-有溶劑存在時的相對揮發度；

-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；第三十一頁，共六十九頁。314.溶劑選擇(xuǎnzé)的原則①能增大被分離組分間的相對(xiāngduì)揮發度；這是選擇溶劑的首要的基本前提。②溶劑揮發性應較低，即溶劑的沸點較其它組分高，且不與原組分形成共沸物。③無毒，無腐蝕，熱穩定性好，價格低廉，易回收利用。第三十二頁，共六十九頁。325.間歇(jiànxiē)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(huíliú)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。第三十三頁，共六十九頁。33五、水蒸氣蒸餾(zhēngliú)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(zhēnɡqì)量的計算第三十四頁，共六十九頁。34水蒸氣蒸餾是中藥生產中提取和純化揮發油的主要方法。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(yālì)時，系統開始沸騰，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。水蒸氣蒸餾的優點：能夠降低蒸餾的溫度。第三十五頁，共六十九頁。353.水蒸氣蒸餾(zhēngliú)的形式按照加熱水蒸氣的狀態分：飽和水蒸氣蒸餾、過熱水蒸氣蒸餾①飽和水蒸氣蒸餾水蒸氣蒸餾相圖：在常壓下，待分離組分（揮發油）A沸點為，純水的沸點為100℃。由于水蒸氣提供熱量使揮發油蒸發，對于飽和水蒸氣而言，肯定有部分要冷凝(lěngníng)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，系統沸騰溫度降至該系統壓力下的最小值，即，此時系統會以恒定的組成蒸發A和水蒸氣。第三十六頁，共六十九頁。36②過熱(ɡuòrè)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，此時隨著水蒸氣量的不斷增加，A組分分壓不斷減小，系統沸點也不斷下降。

過熱水蒸氣加熱的優點：

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(wùzhì)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，有利于防止揮發油的結晶。第三十七頁，共六十九頁。374.蒸汽(zhēnɡqì)量的計算①飽和水蒸氣蒸餾(zhēngliú)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，總壓一定時系統的沸點也隨之而定。第三十八頁，共六十九頁。38用于夾帶蒸餾液的水蒸氣量可以(kěyǐ)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.第三十九頁，共六十九頁。39說明上式中僅為帶出所需要的水蒸氣的量，未計算加熱(jiārè)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：第四十頁，共六十九頁。40②過熱(ɡuòrè)水蒸氣蒸餾方式

過熱水蒸氣不會冷凝，因此(yīncǐ)，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。第四十一頁，共六十九頁。41六、分子(fēnzǐ)蒸餾概述1.分子蒸餾(zhēngliú)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.分子蒸發器6.分子蒸餾的計算7.分子蒸餾的應用第四十二頁，共六十九頁。42

分子蒸餾也稱短程(duǎnchénɡ)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蒸餾過程。由于操作壓力很低，揮發組分的沸點降低，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，對低揮發度（高沸點）、熱敏性生物活性物質比較適合。第四十三頁，共六十九頁。43第四十四頁，共六十九頁。44第四十五頁，共六十九頁。45目前國內最大的分子(fēnzǐ)蒸餾裝置北京(běijīnɡ)新特科技發展公司第四十六頁，共六十九頁。461.分子蒸餾(zhēngliú)的原理分子蒸餾是一種特殊的液---液分離技術，它不同于傳統蒸餾依靠沸點差分離原理(yuánlǐ)，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λ表示）是指分子相鄰兩次碰撞之間所走的路程。第四十七頁，共六十九頁。47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(fēnlí)的目的。第四十八頁，共六十九頁。482.分子(fēnzǐ)蒸餾的過程①分子從液相主體（混合液）到蒸發的表面。②分子在液層表面上的自由蒸發。③分子從蒸發表面向冷凝面飛射(fēishè)。④分子在冷凝面上冷凝。第四十九頁，共六十九頁。493.分子(fēnzǐ)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(tōngguò)比較兩者的差別來分析一下分子蒸餾的特點。第五十頁，共六十九頁。504.分子(fēnzǐ)蒸餾流程

分子蒸餾裝置主要包括：分子蒸餾器、脫氣系統、進料系統、加熱系統、冷卻系統、真空系統和控制系統。

脫氣系統：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生爆沸。常用的脫氣設備(shèbèi)有降膜式、噴射式、填充式、層板式。第五十一頁，共六十九頁。515.分子(fēnzǐ)蒸發器分子蒸發器有四種：靜止式分子蒸發器、降膜式分子蒸發器、刮膜式分子蒸發器、離心式分子蒸發器①靜止式分子蒸發器最早的一種(yīzhǒnɡ)分子蒸發器，特點：結構簡單，蒸發面不動，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。第五十二頁，共六十九頁。52②降膜式分子(fēnzǐ)蒸發器優點：液膜厚度小，液體因重力沿蒸發表面流動，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(chǎnshēng)溝流就易產生(chǎnshēng)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器的一個重點，同時也可以看出，降膜式分子蒸發器不適合于分離粘度很大的物料。第五十三頁，共六十九頁。53③刮膜式分子(fēnzǐ)蒸發器

優點：液膜厚度小，刮膜器的作用可以避免溝流，是蒸發表面均勻分布；物料停留時間短，熱分解危險性小，可以了連續操作，生產能力大；加上擋板可以使霧沫夾帶的液體(yètǐ)在擋板上冷凝。第五十四頁，共六十九頁。54④離心式分子(fēnzǐ)蒸發器具有旋轉的蒸發表面，操作時進料在旋轉盤的中心，靠離心力在蒸發表面分布。優點：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(fēnlí)。缺點：設備結構復雜，真空密封較差，設備成本高。第五十五頁，共六十九頁。556.分子(fēnzǐ)蒸餾的計算

①分子平均自由程：分子在兩次連續碰撞之間所走的路程的平均值。它是分子蒸發器設計的重要參數。

-分子平均自由程；d-分子直徑；

T-蒸發溫度；p-真空度；

R-摩爾(móěr)常數；NA-阿伏伽德羅常數；第五十六頁，共六十九頁。56②蒸發(zhēngfā)速率蒸發速率(sùlǜ)是分子蒸發器生產能力的標志。在絕對真空下，表面自由蒸發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速率：式中：-組分i蒸發處理量；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-總蒸發處理量；

-組分i的摩爾分率；第五十七頁，共六十九頁。57實際上，蒸發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(bǐjiào)成熟的經驗式。第五十八頁，共六十九頁。58經驗(jīngyàn)公式A.Stephan式：式中：Ac-冷凝面積；Ae-蒸發面積；

h-冷凝面與蒸發面之間的距離(jùlí)；

λ-蒸發潛熱；

n-每立方米所含的氣體分子數；第五十九頁，共六十九頁。59

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器，它假設分子蒸發只是表面現象是合理的。但是(dànshì)對于液膜厚度較大的降膜式分子蒸發器，就必須考慮擴散阻力。因此，Stephan式不適合于降膜式分子蒸發器。第六十頁，共六十九頁。60經驗(jīngyàn)公式B.Micov式：實質是兩組分的蒸發速率方程。

Micov式的適應條件：蒸發溫度和冷凝溫度均不變，傳熱(chuánrè)和傳質過程穩定。工業生產中，由于液膜的表面溫度無法測量，一般用壁溫代替，因此計算結果與實驗結果會有一定的差異。第六十一頁，共六十九頁。61③分離(fēnlí)因子分離因子是衡量物料(wùliào)分離難度大小的參數，在分子蒸餾中，受溫度和