高等制藥分離工程中國藥科大學-蒸餾技術課件

第十一章

蒸餾技術

蒸餾:利用各組分的揮發(fā)度（沸點）不同而進行分離均相液體混合物的一種廣泛應用的技術。（單級蒸餾）:若過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。特殊蒸餾（共沸精餾、萃取精餾和反應精餾）:相對揮發(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、熱敏性混合物的分離。水蒸汽蒸餾:對一些液體混合物不能在釜內蒸干或析出固體的高沸點體系。蒸餾實驗多功能精餾塔反應精餾法合成一氯丙酮11.1間歇精餾間歇精餾特點：（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、高凝固點和熱敏性物料；（4）設備簡單、操作靈活和投資費少。

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。塔頂餾出液的沸點逐步提高，高沸物和不揮發(fā)性物質最后一次從塔釜排出。目標產(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，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)品的沸點逐步下降。目標產(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:相對揮發(fā)度、設備參數(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方程計算A、B和C為Antoine常數(shù)。溫度升高↑→飽和蒸汽壓增大↑→相對揮發(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．設備參數(shù)1）理論塔板數(shù)精餾塔越高,相當?shù)睦碚撍鍞?shù)越多，則能達到的產(chǎn)品純度和收率越高，間歇精餾時過渡餾分量越少；塔底與塔頂?shù)臏囟炔钤酱?，能量消耗越多，設備投資越大。測定理論塔板數(shù)的方法：選用理想溶液在全回流下→測定塔釜和塔頂?shù)慕M成和溫度，用芬斯克方程計算。二、分離的主要影響因素2）持液量持液量:間歇精餾操作時，塔內和塔頂冷凝器內存在一定量的液體量。持液量對塔頂組成變化有延緩作用，對產(chǎn)品收率和操作時間有顯著影響。結果：持液量越多，開工時間越長；分離難度加大；過渡餾分量增加，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范圍、熱敏溫度限制和供熱冷卻條件。沸點不高的物料采用常壓操作；沸點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節(jié)參數(shù)，對間歇精餾，它直接決定著產(chǎn)品純度、收率、操作時間和過渡餾分量。對一定的塔，回流比R↑越大，塔頂輕組分濃度越高；產(chǎn)品的餾出速率越?。徊僮鲿r間越長；過渡餾分越少。三、間歇精餾計算間歇精餾計算→確定產(chǎn)量、產(chǎn)品濃度、操作時間和產(chǎn)品收率。間歇精餾的兩種計算方法：1）簡化法，用于設備參數(shù)和操作參數(shù)的估算。2）嚴格法，計算精確，需要解微分方程組。

雙組分恒回流比操作的計算恒回流比下的間歇精餾操作，餾出液組成逐漸減少。在時間dt內，塔頂餾出組成從xD下降至xD-dxD，所得產(chǎn)品量為dD，此時塔釜的量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算產(chǎn)品量為產(chǎn)品的平均濃度為操作總時間產(chǎn)品的一次收率為×100%

=60~80%

四、間歇精餾過程模擬模型條件：塔內為恒摩爾流量，塔內氣相滯留量可忽略；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成。

四、間歇精餾過程模擬四、間歇精餾過程模擬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、

特殊間歇精餾過程

1．間歇共沸精餾

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

fAB>fAA，fBB負偏差，極端時可能形成最高恒沸點。如硝酸-水恒沸物（恒沸液）：平衡時出現(xiàn)氣相組成與液相組成相同的溶液。此時對應的溫度為恒沸點，該處的相對揮發(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，該共沸點比其它組分或共沸點有較大的沸點差。（2）為使共沸劑重復使用，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盡可能小。（4）價格低、低毒、熱穩(wěn)定性好和腐蝕性小。

2．萃取精餾萃取精餾：在精餾過程中，從塔上部加入萃取劑，以增加原溶液中組分間的相對揮發(fā)度，從而實現(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)和相對揮發(fā)度發(fā)生變化，由熱力學原理得：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）萃取劑應明顯增加原溶液中組分間的相對揮發(fā)度。（2）萃取劑的揮發(fā)性小，沸點比原料組分沸點高很多，且不與原料形成恒沸物。（3）價格低、低毒、熱穩(wěn)定性好和腐蝕性小。應用：（1）相對揮發(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，系統(tǒng)開始沸騰。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熱蒸汽蒸餾兩種形式。如相圖和流程圖所示當系統(tǒng)中有水相和A的液相同時存在時，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以下進行。若用過熱蒸汽蒸餾時，待分離組分的沸點為，釜內只有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。當兩液相的蒸汽壓之和等于總壓時，混合液就沸騰，且有：只要有兩個液相存在，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水蒸汽蒸餾進行飽和水蒸汽蒸餾時，蒸餾物與水不相溶，則水蒸汽的用量可根據(jù)分壓定律來計算。所需蒸汽的最小理論用量，實際用量還需除以飽和系數(shù)φ（=0.6-0.8）。Ａ物質的蒸汽