年處理150噸茯苓提取車間提取工段工藝設(shè)計(jì)

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說(shuō)明書

題目：年處理150噸茯苓提取車間提

取工段工藝設(shè)計(jì)

學(xué)生姓名：張琪

學(xué)院：化工與能源學(xué)院班級(jí)：制藥工程一班指導(dǎo)教師：黃佳佳

摘要

近幾十年來(lái)，中藥的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了一定程度的機(jī)械化和半機(jī)械化。傳統(tǒng)中藥往往被認(rèn)為有效成分含量低、雜質(zhì)多、質(zhì)量不穩(wěn)定，為解決這個(gè)問(wèn)題，中藥必需走提取和純化的道路。而中藥的提取是其中很重要的單元操作過(guò)程，是大多數(shù)中藥生產(chǎn)的起點(diǎn)。中藥提取工藝的好壞，直接關(guān)系到中藥材的利用率和后續(xù)加工的難易。中藥提取工藝可以視為中藥生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要環(huán)節(jié)，因此，研究并優(yōu)化中藥提取工藝十分必要。本文設(shè)計(jì)了茯苓提取車間提取工段的工藝流程。尋常采用的提取方法有水提醇沉法、堿提醇沉法、酶加熱水浸提法、微波、超聲波輔助提取法、發(fā)酵醇沉法、二氧化碳超臨界萃取法等。而茯苓提取車間提取工段工藝設(shè)計(jì)采用水提醇沉法進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)囊括了工藝過(guò)程的物料衡算、熱量衡算、設(shè)備選型以及管道工藝計(jì)算，并且繪制出茯苓提取車間提取工段的管道儀表流程圖。該設(shè)計(jì)目的是培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決制藥車間設(shè)計(jì)實(shí)際問(wèn)題的能力，把握中藥制藥工藝流程設(shè)計(jì)，工藝計(jì)算及選型，使設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

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目錄

引言1第1章茯苓提取工藝2

1.1茯苓簡(jiǎn)介2

1.1.1茯苓化學(xué)成份21.1.2茯苓的作用21.2茯苓提取3

1.2.1茯苓提取機(jī)理及方法31.2.2茯苓提取工藝過(guò)程4

第2章物料衡算5

2.1茯苓提取工段物料衡算62.2茯苓濃縮工段物料衡算6第3章熱量衡算7

3.1茯苓提取工段熱量衡算8

3.1.1Q2的計(jì)算83.1.2提取加熱蒸汽用量W蒸的計(jì)算93.1.3提取冷凝水用量Wc的計(jì)算93.2茯苓濃縮工段熱量衡算9

3.2.1進(jìn)料比的計(jì)算103.2.2濃縮加熱蒸汽用量D蒸的計(jì)算113.2.3濃縮冷凝水用量的計(jì)算12

第4章提取工藝設(shè)備設(shè)計(jì)12

4.1主要設(shè)備工藝計(jì)算12

4.1.1提取罐的設(shè)計(jì)124.1.2提取液儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)13

4.1.3冷凝器的設(shè)計(jì)134.2管路工藝計(jì)算14

4.2.1物料管徑的計(jì)算144.2.2蒸汽管徑的計(jì)算154.2.3冷凝器進(jìn)出水管徑計(jì)算16

結(jié)論17

2.茯苓食療保健

茯苓含茯苓多糖、葡萄糖、蛋白質(zhì)、氨基酸、有機(jī)酸、脂肪、卵磷脂、腺嘌呤、膽堿、麥角甾醇、多種酶和鉀鹽。

能加強(qiáng)機(jī)體免疫功能，茯苓多糖有明顯的抗腫瘤作用；有利尿作用，能增加尿中鉀、鈉、氯等電解質(zhì)的排出；有鎮(zhèn)靜及保護(hù)肝臟、抑制潰瘍的發(fā)生、降血糖、抗放射等作用。茯苓還用作茯苓餅、茯苓酥和茯苓酒等。有的國(guó)家將茯苓作為海軍常用藥物及滋補(bǔ)品的原料。在溫度較大的地區(qū)和場(chǎng)所，茯苓可作為重要的食療品種，經(jīng)常食用可健脾去濕，助消化，壯體質(zhì)。1.2茯苓提取

1.2.1茯苓提取機(jī)理及方法

中藥提取原理是將中藥材中（細(xì)胞）的有效成分（絕大部分為植物細(xì)胞的次生代謝產(chǎn)物），通過(guò)浸潤(rùn)、溶解、擴(kuò)散的過(guò)程，將其從細(xì)胞壁一側(cè)的原生質(zhì)中轉(zhuǎn)至細(xì)胞另一側(cè)提取溶劑中。

細(xì)胞是構(gòu)成中藥材的基本單元，為了使固體原藥材中的有效成分被快速充分地從細(xì)胞中提取出來(lái)，中藥材需經(jīng)過(guò)預(yù)處理加工成中藥飲片：如切片、粉碎、研磨或加工成型。茯苓多糖主要存在于茯苓細(xì)胞壁中，依照溶解度的不同又分為水溶性茯苓多糖和堿溶性茯苓多糖。尋常采用的提取方法有水提醇沉法、堿提醇沉法、酶+熱水浸提法、微波、超聲波輔助提取法、發(fā)酵醇沉法、二氧化碳超臨界萃取法等。而茯苓提取車間提取工段工藝設(shè)計(jì)采用水提醇沉法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

水提醇沉法：稱取適量茯苓→熱水浸提→濾過(guò)→濾液雙效濃縮→加75%乙醇沉淀（含醇量達(dá)40%）→上清液?jiǎn)涡饪s→真空枯燥得茯苓多糖粗品。該法采用水作為溶劑，具有價(jià)廉、無(wú)毒、操作安全等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是浸提時(shí)間長(zhǎng)且提取率較低。

水溶性多糖的提取主要與提取次數(shù)、時(shí)間、固液比及溫度等因素有關(guān)。隨著提取次數(shù)增多，多糖的浸出率明顯增高，但提取次數(shù)不易過(guò)多，一般為兩次，否則，將造成后期工作量增大，提取成本過(guò)高。提取時(shí)間延長(zhǎng)可提高多糖的浸出率，但浸提時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將造成提取工藝延長(zhǎng)。同

3

時(shí)，還有可能增加雜質(zhì)的溶出，尋常選3h。固液比也影響多糖的浸出，在保證浸出率的前提下，盡可能減少液體體積，以減少濃縮工作量。多糖的浸出率還與浸提溫度有關(guān)，隨后者的升高而提高，但溫度過(guò)高可能破壞多糖的結(jié)構(gòu)，一般選擇80℃提取。在乙醇沉淀步驟中，浸提液濃縮比及乙醇加量是影響茯苓多糖沉淀率的主要因素。1.2.2茯苓提取工藝過(guò)程

中藥提取過(guò)程是利用溶劑、儀器及設(shè)備的手段將自然物質(zhì)中所含有的生理活性物質(zhì)、有效成分及有效部位群提取出來(lái)的工藝過(guò)程。

植物性藥材的提取過(guò)程：潮濕滲透階段，解吸溶解階段，擴(kuò)散置換階段，提取速率。1.茯苓提取工藝流程

（1）.提?。喝≤蜍哌m量，加水煎煮，第一次加水12倍量，浸泡一小時(shí)，煎煮2小時(shí)；其次次加水8倍量，煎煮1小時(shí)，濾過(guò)，合并濾液。

（2）.濃縮：將提取液參與到雙效濃縮器中，濃縮至相對(duì)密度1.13—1.17g/ml。

（3）.醇沉：將濃縮液轉(zhuǎn)入醇沉罐中，加75%乙醇使醇含量達(dá)40%。將醇沉后的上清液轉(zhuǎn)入單效濃縮罐中，回收乙醇至提取液相對(duì)密度達(dá)到1.24—1.28g/ml。

茯苓水提取水提取液雙效濃縮醇沉圖1-1茯苓水提醇沉工藝流程框圖

回收乙醇產(chǎn)品單效濃縮醇沉上清液4

2.茯苓提取工藝設(shè)計(jì)條件

茯苓年處理量150噸，年工作日為270天。（1）提取工段

提取溫度：95?C；提取加熱用蒸汽，壓力：0.475MPa冷凝水進(jìn)口溫度25?C，出口溫度45?C（2）濃縮工段

出料系數(shù)為16.1kg提取液/kg藥材，提取液密度為1.02g/ml。提取液在室溫25?C進(jìn)料；濃縮加熱用蒸汽，壓力：0.475MPa

冷凝水進(jìn)口溫度25?C，出口溫度45?C；濃縮真空度0.03—0.05MPa。

第2章物料衡算

物料衡算是物料的平衡計(jì)算，是制藥工程計(jì)算中最基礎(chǔ)最重要的內(nèi)容之一，是進(jìn)行藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)、物料查定、過(guò)程經(jīng)濟(jì)評(píng)估以及過(guò)程控制、過(guò)程優(yōu)化的基礎(chǔ)。它以質(zhì)量守恒定律和化學(xué)計(jì)量關(guān)系為基礎(chǔ)。簡(jiǎn)單地講，它是指“在一個(gè)特定物系中，進(jìn)入物系的全部物料質(zhì)量加上所有生成量之和必定等于離開該系統(tǒng)的全部產(chǎn)物質(zhì)量加上消耗掉的和累積起來(lái)的物料質(zhì)量之和〞。用式（2-1）表示為：

?G進(jìn)料??G生成??G出料??G累積??G消耗

（2-1）

式中?G進(jìn)料所有進(jìn)入物系質(zhì)量之和；

?G生成物系中所有生成質(zhì)量之和；?G出料所有離開物系質(zhì)量之和；

?G累積物系中所有消耗質(zhì)量之和（包括損失）；?G消耗物系中所有累積質(zhì)量之和；

所謂“物系〞就是人為規(guī)定一個(gè)過(guò)程的全部或它的某一部分作

為完整的研究對(duì)象，也稱為體系或系統(tǒng)。它可以是一個(gè)操作單元，也可以是一個(gè)過(guò)程的一部分或者整體，如一個(gè)工廠，一個(gè)車間，一個(gè)工段或一個(gè)設(shè)備。

而茯苓提取工藝物料衡算就是分別以提取工段和雙效濃縮工段作為一個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的過(guò)程。

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2.1茯苓提取工段物料衡算

采用水提醇沉法進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，茯苓年處理量150噸，年工作日為270天，每天生產(chǎn)4批，每批進(jìn)行6小時(shí)。

每天處理量W?150?103/270?555.56kg/批

以批為基準(zhǔn)進(jìn)行工藝計(jì)算，設(shè)放出藥渣量為W4，忽略提取工段過(guò)程中物料損失。

每批處理量W1?555.56/4?138.89kg/批

每批所得提取液量W3?16.1?138.89?2236.11kg/批兩次共加水量W2?(12?8)?138.89?2777.8kg/批依

據(jù)

質(zhì)

量

守

恒

方

程

：

（2-2）

即138.89?2777.8?2236.11?W4求得藥渣量W4?680.58kg/批

藥渣含水量W5?W4?W1?680.58?138.89?541.69kg/批假設(shè)提取罐中液體沸騰蒸發(fā)回流的量為總加水量的1/4,

則提取罐中液體的回流量W6?2.2茯苓濃縮工段物料衡算

??1020Kg/m31.提取液組成：以1Kg藥材為基準(zhǔn)，提取液量m提=16.1Kg，

W1?W2?W3?W4

1W2?694.45kg/批4V提?m/??0.01578m3

忽略提取液中有效成份的體積，則V提?V水25?C下的水的密度?水?996.95kg/m3則有：

m水??水V水?996.95?0.01578?15.732kg（2-3）

m有效?m提-m水?16.1-15.732?0.368kg（2-4）

有效成分在提取液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：則x0?0.368?0.023

16.12.濃縮液的組成：以1Kg藥材為基準(zhǔn)，設(shè)濃縮液量為m濃，由于濃縮真

6

空度0.03~0.05Mpa，取P=0.04Mpa，則飽和溫度T=75?C，密度

?水?974.8kg/3m，取濃縮液密度?濃?1150Kg/m3

m濃則m濃-?濃（2-5）?水?m有效

即m濃?2.42kg有效成分在濃縮液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

則x2?0.368?0.152

2.416以1批為基準(zhǔn)進(jìn)行工藝計(jì)算：提取液進(jìn)液量F?W3?2236.1kg/批根(2-6)

得出雙效濃縮蒸出水總量M：

M?F(1?x00.023)?2236.1?(1?)?1897.743kg/批x20.152據(jù)物料衡算式：

Fx0?(F?M)x2

濃縮液量L?F?M?2236.1?1897.743?338.357kg/批（2-7）

第3章熱量衡算

能量衡算是以車間物料衡算的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行的，所以車間物料衡算是進(jìn)行車間能量衡算的首要條件。能量衡算的主要依據(jù)是能量守恒定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為能量守恒基本方程：

環(huán)境輸入到系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)輸出到環(huán)境的能量+系統(tǒng)內(nèi)積累的能量

對(duì)于制藥車間工藝設(shè)計(jì)中的能量衡算，大量項(xiàng)目可以忽略，車間能量衡算的目的是要確定設(shè)備的熱負(fù)荷，而且在藥品生產(chǎn)過(guò)程中熱能是最常用的能量表現(xiàn)形式，所以能量衡算可簡(jiǎn)化為熱量衡算。

當(dāng)內(nèi)能、動(dòng)能、勢(shì)能的變化量可以忽略且無(wú)軸功時(shí)，根據(jù)能量守恒方程式可以得出以下熱量平衡方程式：

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Q1?Q2?Q3?Q4?Q5?Q6

（3-1）

式中Q1物料帶入設(shè)備的熱量.KJ

Q2加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備所處理物料的熱量.KJQ3過(guò)程熱效應(yīng).KJ

Q4物料離開設(shè)備所帶走的熱量.KJQ5加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量.KJQ6設(shè)備內(nèi)環(huán)境散失的熱量.KJ

在熱量衡算過(guò)程中的Q2，即設(shè)備熱負(fù)荷，是衡算的主要目的。3.1茯苓提取工段熱量衡算

茯苓的提取工段工藝過(guò)程中，需要計(jì)算出加熱水蒸氣的用量W蒸，以及藥液沸騰蒸發(fā)回流所需冷凝水的量Wc。

由于茯苓提取過(guò)程中無(wú)化學(xué)反應(yīng)，僅發(fā)生物理變化，故Q3=03.1.1Q2的計(jì)算

設(shè)基準(zhǔn)溫度t0?0物料進(jìn)料溫度為t1?25?C出料溫度為t2?95?C查資料得t0?t1之間的平均溫度下的定壓比熱容：茯苓的比熱容

Cp1?1.5KJ/(kg??C)，水的比熱容Cp2?4.195KJ/(kg??C)。

按公式（3-2）計(jì)算Q1：

Q1?W1CP1(t1-t0）?W2CP2(t1-t0）

（3-2）

=138.89?1.5?25?2777.8?4.195?25=296530.15KJ/批

查資料得t0?t2之間的平均溫度下的定壓比熱容：由于提取液濃度很稀接近于水，則比熱近似為水的比熱為Cp3?4.174KJ/(kg??C)，

Cp4?Cp3?4.174KJ/(kg??C)。95?C下水蒸汽的汽化潛熱r=2270.9KJ/kg

則按公式（3-3）計(jì)算Q4：

Q4?W1CP1(t2?t0)?W5Cp4(t2?t0)?W3Cp3(t2?t0)?W6r

（3-3）

8

=138.89?1.5?95?541.69?4.174?95?2236.1?4.174?95?694.45?2270.9=2698295.399KJ/批

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，茯苓提取工藝計(jì)算（Q5?Q6）一般為（Q4?Q5?Q6）的10%，即Q5?Q6?(Q4?Q5?Q6)?10%

Q5?Q6?0.1?Q4?299810.600KJ/批0.9由公式（3-1）得：

Q2?Q4?Q5?Q6?Q1

（3-4）

=2698295.399?299810.66?296530.15?2701575.849KJ/批

3.1.2提取加熱蒸汽用量W蒸的計(jì)算

提取加熱用蒸汽在P?0.475Kpa汽化潛熱r1?2119.3KJ/kg按公式（3-5）計(jì)算加熱蒸汽用量W蒸：

Q2?W蒸r

（3-5）

W蒸?2701575.849?2119.3?1274.75kg/批

3.1.3提取冷凝水用量Wc的計(jì)算

平均溫度下t?45?25/2?35?C的定壓比熱容為4.174KJ/(kg??C)

則提取罐中藥液沸騰蒸發(fā)回流所產(chǎn)生的熱量等于冷凝水吸收的熱量。

W6r?WcCP(t2?t2)

694.45?2270.9?18891.069kg/批

4.174?(45?25)（3-6）

由式（3-6）得冷凝水消耗量Wc?3.2茯苓濃縮工段熱量衡算

蒸發(fā)濃縮的依據(jù)是利用溶劑具有揮發(fā)性而溶質(zhì)不揮發(fā)的特性使兩者實(shí)現(xiàn)分開。

9

3.2.1進(jìn)料比的計(jì)算

以1批為基準(zhǔn)，忽略操作過(guò)程物料損失，物料以平行方式進(jìn)料。設(shè)進(jìn)料比為x，設(shè)第一效蒸發(fā)量為M1，其次效蒸發(fā)量為M2，則M1M2?x，M1?M2?M推出：M1?xMM，M2?1?x1?xxFxL，濃縮液出量L1?；1?x1?xFL其次效進(jìn)料量F2?，濃縮液出量L2?

1?x1?x同理可推出第一效進(jìn)料量F1?對(duì)其次效進(jìn)行熱量衡算（第2效加熱蒸汽為第一效產(chǎn)生的量，過(guò)程中無(wú)熱量補(bǔ)給）

Q1?Q2?Q3?Q4?Q5?Q6

由于本操作屬于純物理操作故Q3?0，設(shè)基準(zhǔn)溫度t0?0，物料進(jìn)料溫度t1?25?c

由于濃縮真空度0.03~0.05Mpa，取P=0.04Mpa，物料出料溫度t2?75?C。

由于提取液濃度很稀接近于水，0~25?C物料平均溫度下的比熱容近似于水的比熱容C1?4.195KJ/(kg??C)

其（3-7）

由于濃縮液濃度很稀接近于水0~75?C物料平均溫度下的定壓比熱容近似于水的比熱容C2?4.174KJ/(kg??C)，75?C時(shí)蒸汽的汽化熱

r2?2312.2KJ/kg

中

Q1?F2C1(t1?t0)

Q2?M1r2（3-8）

Q4?L2C2(t2?t0)?M2r2（3-9）(3-10)則(3-11)

數(shù)據(jù)代入式（3-11）

10

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)Q5?Q6?(Q4?Q5?Q6)?10%

?1?0.10.9）F2C（?M1r2??L2C（?M2r2（1t1-t0）2t2-t0）

2236.11897.743x338.3571897.7431?4.195?25??2312.2?(?4.174?75??2312.2)?1?x1?x1?x1?x0.9得：x=1.084第一效加料量F1?xF1.084?2236.1??1163.115kg/批1?x1?1.084xM1.084?1897.743??987.118kg/批1?x1?1.084其次效加料量F2?F?F1?2236.1-1163.115?1072.985kg/批第一效蒸發(fā)量M1?其次效蒸發(fā)量M2?M-M1?1897.743?987.118?910.625kg/批第一效濃縮量L1?xL1.084?338.357??175.998kg/批1?x1?1.084其次效濃縮量L2?L-L1?338.357?175.998?162.359kg/批3.2.2濃縮加熱蒸汽用量D蒸的計(jì)算提

取

加

熱

用

蒸

汽

在

P?0.475Kpa，飽和溫度約150?C，汽化潛熱r1?2119.3KJ/kg

第一效能量衡算式：Q1?Q2?Q3?Q4?Q5?Q6（Q3?0）

Q1?F1C1(t1?t0)（3-12）

Q4?L1C2(t2?t0)?M1r2

（3-13）根帶

據(jù)

經(jīng)入驗(yàn)

數(shù)

據(jù)

(3-14)

計(jì)

算

出

Q2?(93.866?4.174?75?526.465?2