制藥工程原理與設備03分離工程基礎與設備7蒸餾

1、1 蒸蒸 餾餾 Distillation 一一 蒸餾的分類蒸餾的分類 二二 間歇蒸餾間歇蒸餾 三三 間歇共沸精餾間歇共沸精餾 四四 間歇萃取精餾間歇萃取精餾 五五 水蒸氣蒸餾水蒸氣蒸餾 六六 分子蒸餾分子蒸餾 2 一、蒸餾的分類一、蒸餾的分類 1. 按操作流程：間歇蒸餾、按操作流程：間歇蒸餾、 連續(xù)蒸餾；連續(xù)蒸餾； 2. 按蒸餾方式：簡單蒸餾、平衡蒸餾（閃按蒸餾方式：簡單蒸餾、平衡蒸餾（閃 蒸）、精餾、特殊精餾；蒸）、精餾、特殊精餾； 3. 按操作壓力：常壓蒸餾、按操作壓力：常壓蒸餾、 加壓蒸餾：常加壓蒸餾：常 壓下氣態(tài)混合物、壓下氣態(tài)混合物、 減壓蒸餾：沸點高且熱敏減壓蒸餾：沸點高且熱敏 的

2、混合物；的混合物； 4. 按分離混合物的數(shù)目：雙組分蒸餾按分離混合物的數(shù)目：雙組分蒸餾 多組分蒸餾多組分蒸餾 3 本章主要介紹的內容本章主要介紹的內容 蒸餾的種類多，只介紹制藥生產(chǎn)過程中常用的幾種蒸餾的種類多，只介紹制藥生產(chǎn)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蒸餾方式：間歇精餾、水蒸氣蒸餾以及分子蒸餾三 種。種。 間歇精餾間歇精餾:主要應用于化學制藥藥物成分的分離、純主要應用于化學制藥藥物成分的分離、純 化；化； 水蒸氣蒸餾水蒸氣蒸餾:主要應用于中藥制藥中植物揮發(fā)油的提主要應用于中藥制藥中植物揮發(fā)油的提 取和精制；取和精制； 分子蒸餾分子蒸餾:能在遠低于沸點的溫度下實

3、現(xiàn)分離，廣泛能在遠低于沸點的溫度下實現(xiàn)分離，廣泛 應用于天然藥物的提取和精制。應用于天然藥物的提取和精制。 4 二、間歇精餾二、間歇精餾 1. 間歇精餾的基本原理間歇精餾的基本原理 2. 裝置流程裝置流程 3. 間歇精餾過程的現(xiàn)象和規(guī)律（過程分析）間歇精餾過程的現(xiàn)象和規(guī)律（過程分析） 4. 計計 算算 5 1. 間歇精餾的基本原理間歇精餾的基本原理 精餾裝置的結構：塔釜、精餾精餾裝置的結構：塔釜、精餾 塔、冷凝器、接收罐塔、冷凝器、接收罐 精餾原理：精餾原理： 產(chǎn)物從塔頂采出產(chǎn)物從塔頂采出 原料一次性投入釜中，用再沸原料一次性投入釜中，用再沸 器加熱精餾控制適當?shù)钠骷訜峋s控制適當?shù)腞，產(chǎn)品，

4、產(chǎn)品 按沸點從低到高依次蒸出。按沸點從低到高依次蒸出。 注：產(chǎn)品切換時，此時蒸出的物料注：產(chǎn)品切換時，此時蒸出的物料 一般不能滿足產(chǎn)品的質量要求，一般不能滿足產(chǎn)品的質量要求， 此時物料稱為過渡餾分。蒸餾此時物料稱為過渡餾分。蒸餾 中將過渡餾分回收到中間餾分中將過渡餾分回收到中間餾分 罐。罐。 6 產(chǎn)物從塔底采出產(chǎn)物從塔底采出 組分按沸點從高到低依次蒸出。組分按沸點從高到低依次蒸出。 適用于難揮發(fā)組分為目標產(chǎn)品或適用于難揮發(fā)組分為目標產(chǎn)品或 難揮發(fā)組分為熱敏性物質。難揮發(fā)組分為熱敏性物質。 工業(yè)生產(chǎn)過程中，一般包括加工業(yè)生產(chǎn)過程中，一般包括加 料、升溫和平衡（全回流）、產(chǎn)料、升溫和平衡（全回流）

5、、產(chǎn) 品采出、中間餾分采出、釜殘液品采出、中間餾分采出、釜殘液 排出（或貯罐液排放）。排出（或貯罐液排放）。 7 2. 裝置流程裝置流程 裝置：裝置： 甲醇甲醇乙醇乙醇丙醇常丙醇常 壓間歇精餾裝置壓間歇精餾裝置 捕集器捕集器：冷凝冷凝器未：冷凝冷凝器未 冷凝完全的物料蒸氣，冷凝完全的物料蒸氣， 防止物料從放空口揮防止物料從放空口揮 發(fā)損失。發(fā)損失。 8 3. 間歇精餾過程的現(xiàn)象和規(guī)律（過程分析）間歇精餾過程的現(xiàn)象和規(guī)律（過程分析） 分段恒回流分段恒回流 恒回流易實現(xiàn)，因此工業(yè)間歇精餾多采用分段恒恒回流易實現(xiàn)，因此工業(yè)間歇精餾多采用分段恒 回流比控制塔頂產(chǎn)品的采出。操作過程中，當餾出回流比控制塔

6、頂產(chǎn)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某一餾分時，回流比不變。但是餾出物的濃度隨時 間變化，前期餾出物的濃度比規(guī)定值高，后期比規(guī)間變化，前期餾出物的濃度比規(guī)定值高，后期比規(guī) 定值要低，但接收罐內物料的平均濃度能符合要求。定值要低，但接收罐內物料的平均濃度能符合要求。 9 規(guī)規(guī) 律律 （以甲醇（以甲醇A乙醇乙醇B丙醇丙醇C常壓間歇精餾為例）常壓間歇精餾為例） 塔頂餾出液組成塔頂餾出液組成 塔底釜液組成塔底釜液組成 XC-D/F變化曲線變化曲線 XB-D/F變化曲線變化曲線 10 開始段，塔頂?shù)玫介_始段，塔頂?shù)玫紸組分，釜液中組分，釜液中A濃度漸小，此時濃度

7、漸小，此時B、C由由 于于A組分的蒸出而濃度升高，當組分的蒸出而濃度升高，當A組分全部蒸出（或幾乎全部組分全部蒸出（或幾乎全部 蒸出），釜液溫度升高，當達到蒸出），釜液溫度升高，當達到B沸點時，沸點時，B開始蒸出，因此開始蒸出，因此 釜液中釜液中B濃度降低，隨濃度降低，隨B的蒸出，的蒸出，C濃度繼續(xù)升高。濃度繼續(xù)升高。 當然，相鄰兩組分餾出液接收過程中存在過渡區(qū)，稱為過渡當然，相鄰兩組分餾出液接收過程中存在過渡區(qū)，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。時返回塔釜重蒸。 過渡餾分的量越少越好，過渡蒸餾時

8、間越短越好。這兩點主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(shù)有關。另外，過渡餾分還受到持液要與回流比、理論塔板數(shù)有關。另外，過渡餾分還受到持液 量及上升蒸氣流率有關。量及上升蒸氣流率有關。 11 回流比對間歇精餾的影響回流比對間歇精餾的影響 在任何情況下，回流比越大，在任何情況下，回流比越大， 塔頂易揮發(fā)組分濃度越高，產(chǎn)塔頂易揮發(fā)組分濃度越高，產(chǎn) 品餾出速率越小，品餾出速率越小， 操作時間越長。操作時間越長。 回流比對過渡餾分段的影響如回流比對過渡餾分段的影響如 右圖所示右圖所示: 結論：回流比結論：回流比R越大，過渡餾越大，過渡餾 分量越小，分離效果越好。

9、分量越小，分離效果越好。 12 理論塔板數(shù)對間歇精餾的影響理論塔板數(shù)對間歇精餾的影響 足夠的理論塔板數(shù)為精餾塔實現(xiàn)分離的基本條件，足夠的理論塔板數(shù)為精餾塔實現(xiàn)分離的基本條件， 當精餾的操作壓力和上升蒸氣流率穩(wěn)定時，理論塔當精餾的操作壓力和上升蒸氣流率穩(wěn)定時，理論塔 板數(shù)也相應固定。板數(shù)也相應固定。 測定理論塔板數(shù)的方法：采用二元物系正庚烷測定理論塔板數(shù)的方法：采用二元物系正庚烷-甲基甲基 環(huán)己烷或苯環(huán)己烷或苯-CCl4在塔底規(guī)定壓力和規(guī)定上升蒸氣流在塔底規(guī)定壓力和規(guī)定上升蒸氣流 率下全回流操作，當全塔達到平衡時，即塔頂塔釜率下全回流操作，當全塔達到平衡時，即塔頂塔釜 濃度濃度XC、XB不變時，

10、由芬斯克方程計算得理論塔板不變時，由芬斯克方程計算得理論塔板 數(shù)。數(shù)。 13 芬斯克方程為：芬斯克方程為： 理論塔板數(shù)受上升蒸氣流速理論塔板數(shù)受上升蒸氣流速 的影響較大，影響規(guī)律如圖：的影響較大，影響規(guī)律如圖： 結論：上升蒸氣流率越大，結論：上升蒸氣流率越大， 每米理論塔板數(shù)越少。每米理論塔板數(shù)越少。 理論塔板數(shù)對精餾的影響：理論塔板數(shù)對精餾的影響： 理論塔板數(shù)越多，產(chǎn)品的濃度理論塔板數(shù)越多，產(chǎn)品的濃度 越高，收率越高，過渡餾分量越高，收率越高，過渡餾分量 越小。缺點：塔設備高度越大，越小。缺點：塔設備高度越大， 設備投資越大，塔底溫度越高，設備投資越大，塔底溫度越高， 能耗越大。能耗越大。

11、) 1 1 ln( B B C C x x x x N 14 持液量對間歇精餾過渡餾分段的影響持液量對間歇精餾過渡餾分段的影響 持液持液：間歇精餾塔工作時，除塔釜有被分離物料：間歇精餾塔工作時，除塔釜有被分離物料 外，塔板上（填料層上）塔頂冷凝器及回流系統(tǒng)外，塔板上（填料層上）塔頂冷凝器及回流系統(tǒng) 均存在原料液，稱為持液。均存在原料液，稱為持液。 15 持液對塔操作的作用持液對塔操作的作用 A. 持液延遲了塔身濃度梯度的穩(wěn)定過程，因此需要一定的時持液延遲了塔身濃度梯度的穩(wěn)定過程，因此需要一定的時 間建立這個過程，即開工時間。持液量越大，開工時間越間建立這個過程，即開工時間。持液量越大，開工時間

12、越 長。長。 B. 持液在開始蒸餾時會吸收易揮發(fā)組分，它會使釜液濃度降持液在開始蒸餾時會吸收易揮發(fā)組分，它會使釜液濃度降 低。因此濃縮時濃縮倍數(shù)增大，分離難度增大。低。因此濃縮時濃縮倍數(shù)增大，分離難度增大。 C.產(chǎn)生產(chǎn)生“飛輪效應飛輪效應” ：蒸餾后期，雖然釜內易揮發(fā)組分很低，：蒸餾后期，雖然釜內易揮發(fā)組分很低， 但由于持液中依然含有易揮發(fā)組成，塔頂仍可餾出高濃度但由于持液中依然含有易揮發(fā)組成，塔頂仍可餾出高濃度 產(chǎn)品，好似慣性一樣，這種現(xiàn)象稱為飛輪效應。產(chǎn)品，好似慣性一樣，這種現(xiàn)象稱為飛輪效應。 “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。使過渡餾分段操作時間加長，餾分量增大。

13、 16 持液量對過渡餾分持液量對過渡餾分 段的影響：段的影響： 結論：持液量越大，結論：持液量越大， 分離度越小，過渡分離度越小，過渡 餾分量越大。餾分量越大。 17 4. 計計 算算 (1) 一次收率：無過渡餾分的返回重蒸一次收率：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(fā)為基總收率：考慮過渡餾分的重蒸（以一次蒸發(fā)為基 礎進行計算）礎進行計算） 00 x B xD e C )1 ( 0000 xB Wx e xB xWexD e WWC 18 (3) 二組分恒回流比操作計算二組分恒回流比操作計算 A. 操作線方程操作線方程 D D Dnn Dnn x R x R R

14、 y x V D x V L y x V D x V L y DxLxVy D L R DLV 1 1 1 1 1 即： 19 20 B.圖解過程圖解過程 間歇精餾塔在恒回流R的條件下操作時，易揮發(fā) 組分在塔頂液中濃度逐漸降低，在dt時間內，濃 度從xc降至xc-dxc，所得產(chǎn)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。 )( Bc BxddDx dBdD dBxBdxdBx BBc )( BcB xxdBBdx 1 0 1 0 B B x x Bc B B B xx dx B dB 1 0 0 1 ln B B x x Bc B xx dx B B Bc

15、xx 1 21 方法：圖解法方法：圖解法 一般精餾的理論板數(shù)一定，任意取一操作線方程一般精餾的理論板數(shù)一定，任意取一操作線方程 計算計算 和和xB值，然后取值，然后取 和和 xB值作圖，值作圖， 即可得即可得 xB圖形。若采取模擬計算可得出模圖形。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。擬曲線的方程，這樣就可以定量計算了。 產(chǎn)品量：產(chǎn)品量：D=B0-B1 產(chǎn)品平均濃度：產(chǎn)品平均濃度： 操作時間：操作時間： Bc xx 1 Bc xx 1 Bc xx 1 10 1100 BB xBxB x BB D D BB BB V R LV BB t 10 10 10 1 22 三、間歇

16、共沸精餾三、間歇共沸精餾 1. 間歇共沸精餾的原理間歇共沸精餾的原理 2.共沸劑的選擇原則共沸劑的選擇原則 23 1. 間歇共沸精餾的原理間歇共沸精餾的原理 共沸共沸：指一定條件下液體混合物蒸發(fā)時氣液兩：指一定條件下液體混合物蒸發(fā)時氣液兩 相組成相同的現(xiàn)象，即液相中的組分以恒定的比相組成相同的現(xiàn)象，即液相中的組分以恒定的比 例被蒸出，此時無分離功能。例被蒸出，此時無分離功能。 原理原理：以：以A、B兩組分二元體系溶液為例。兩組分二元體系溶液為例。 當溶液中當溶液中A-B間吸引力小于間吸引力小于A-A和和B-B間的吸引力間的吸引力 時稱為時稱為溶液對拉烏爾定律有正偏差溶液對拉烏爾定律有正偏差。當

17、相互的吸。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。最低沸點。 當溶液中當溶液中A-B間吸引力大于間吸引力大于A-A和和B-B間的吸引力間的吸引力 時稱為時稱為溶液對拉烏爾定律有負偏差溶液對拉烏爾定律有負偏差。當相互的吸。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。最高沸點。 24 T-x-y 和和y-x圖圖 形成共沸物時，氣液形成共沸物時，氣液 組成恒定不變，采用組成恒定不變，采用 普通蒸餾無法實現(xiàn)分普通蒸餾無法實現(xiàn)分 離，這時就必須采用離，這時就必須采用 間歇共

18、沸蒸餾進行分間歇共沸蒸餾進行分 離。離。 25 間歇共沸蒸餾的過程間歇共沸蒸餾的過程 向能形成共沸物的向能形成共沸物的A、B兩組分體系中加入共沸劑兩組分體系中加入共沸劑C，在精餾過程，在精餾過程 中中C能與能與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(xiàn)分離。當然，形離共沸物中的另一組分，然后從塔頂蒸出，實現(xiàn)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。成的新共沸物要采

19、取措施進行分離，使共沸劑回收利用。 26 2.共沸劑的選擇原則共沸劑的選擇原則 共沸劑的選擇是實現(xiàn)間歇共沸精餾的關鍵，選擇原則如下：共沸劑的選擇是實現(xiàn)間歇共沸精餾的關鍵，選擇原則如下： 共沸劑應該能與被分離組分形成新的共沸物，其沸點與待共沸劑應該能與被分離組分形成新的共沸物，其沸點與待 分離共沸物以及混合物中的每一組分的沸點差值較大，有分離共沸物以及混合物中的每一組分的沸點差值較大，有 利于分離。利于分離。 新共沸液中所含共沸劑越少越好，以便于減少共沸劑的用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。量及氣化、回收時所需的能量。 新共沸物最好為非均相，以便于

20、用分層法直接分離，降低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。共沸劑回收的難度。 共沸劑應無毒或低毒，無腐蝕性，熱穩(wěn)定性好，易于回收，共沸劑應無毒或低毒，無腐蝕性，熱穩(wěn)定性好，易于回收， 價格低廉。價格低廉。 27 四、間歇萃取精餾四、間歇萃取精餾 1. 間歇萃取精餾的原理間歇萃取精餾的原理 2. 間歇萃取精餾的適用范圍間歇萃取精餾的適用范圍 3. 間歇萃取精餾的熱力學原理間歇萃取精餾的熱力學原理 4. 溶劑選擇的原則溶劑選擇的原則 5. 間歇萃取精餾的過程間歇萃取精餾的過程 28 在精餾過程中，在塔上部向塔內加入一種適當在精餾過程中，在塔上部向塔內加入一種適當

21、的溶劑，增大被分離組分間的相對揮發(fā)度，從而的溶劑，增大被分離組分間的相對揮發(fā)度，從而 實現(xiàn)精餾的分離純化。實現(xiàn)精餾的分離純化。 1. 間歇萃取精餾的原理間歇萃取精餾的原理 29 2. 適用范圍適用范圍 全濃度范圍內被分離組分的相對揮發(fā)度接近全濃度范圍內被分離組分的相對揮發(fā)度接近1 的混合物。的混合物。 共沸物。相對揮發(fā)度僅在共沸點及臨近區(qū)域共沸物。相對揮發(fā)度僅在共沸點及臨近區(qū)域 等于或接近等于或接近1，其他區(qū)域遠離，其他區(qū)域遠離1。 30 3. 間歇萃取精餾的熱力學原理間歇萃取精餾的熱力學原理 溶劑之所以能增大相對揮發(fā)度，原因在于溶劑存在時待溶劑之所以能增大相對揮發(fā)度，原因在于溶劑存在時待 分

22、離組分的活度系數(shù)發(fā)生了變化。關系如下：分離組分的活度系數(shù)發(fā)生了變化。關系如下： 式中：式中： -無溶劑存在時的相對揮發(fā)度；無溶劑存在時的相對揮發(fā)度； -有溶劑存在時的相對揮發(fā)度；有溶劑存在時的相對揮發(fā)度； -無溶劑存在時兩組分活度系數(shù)比；無溶劑存在時兩組分活度系數(shù)比； -有溶劑存在時兩組分活度系數(shù)比；有溶劑存在時兩組分活度系數(shù)比； 21 21 12 /12 / / SS 12 S/12 21 / S 21 / 31 4.溶劑選擇的原則溶劑選擇的原則 能增大被分離組分間的相對揮發(fā)度；這是選擇溶劑能增大被分離組分間的相對揮發(fā)度；這是選擇溶劑 的首要的基本前提。的首要的基本前提。 溶劑揮發(fā)性應較低，

23、即溶劑的沸點較其它組分高，溶劑揮發(fā)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。且不與原組分形成共沸物。 無毒，無腐蝕，熱穩(wěn)定性好，價格低廉，易回收利無毒，無腐蝕，熱穩(wěn)定性好，價格低廉，易回收利 用。用。 32 5.間歇萃取精餾的過程間歇萃取精餾的過程 將能形成共沸物的將能形成共沸物的A、B 混合物一次性投入到塔釜混合物一次性投入到塔釜 中，溶劑中，溶劑S在精餾全回流完在精餾全回流完 成之后從塔的上部加入，成之后從塔的上部加入， 由于由于S的存在，的存在，A、B兩物兩物 質的相對揮發(fā)度變大，共質的相對揮發(fā)度變大，共 沸點消失，可以從塔頂依沸點消失，可以從塔頂依 次得到沸點低的和

24、沸點高次得到沸點低的和沸點高 的兩組分。由于溶劑沸點的兩組分。由于溶劑沸點 高，將順塔流至塔釜，在高，將順塔流至塔釜，在 塔釜最終得到溶劑塔釜最終得到溶劑S。 33 五、水蒸氣蒸餾五、水蒸氣蒸餾 1. 水蒸氣蒸餾的原理水蒸氣蒸餾的原理 2. 水蒸氣蒸餾的過程水蒸氣蒸餾的過程 3. 水蒸氣蒸餾的形式水蒸氣蒸餾的形式 4. 蒸氣量的計算蒸氣量的計算 34 水蒸氣蒸餾水蒸氣蒸餾是中藥生產(chǎn)中提取和純化揮發(fā)油的主是中藥生產(chǎn)中提取和純化揮發(fā)油的主 要方法。要方法。 1. 水蒸氣蒸餾的原理水蒸氣蒸餾的原理：不互溶液體的獨立蒸氣壓：不互溶液體的獨立蒸氣壓 原理。原理。 2. 水蒸氣蒸餾的過程水蒸氣蒸餾的過程

25、被分離混合物中通入蒸氣后，當混合物各組分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時，的蒸氣分壓和水蒸氣分壓之和等于操作壓力時， 系統(tǒng)開始沸騰，水蒸氣和被分離組分的蒸氣一系統(tǒng)開始沸騰，水蒸氣和被分離組分的蒸氣一 起蒸出，塔頂產(chǎn)品和水幾乎不互溶的情況下，起蒸出，塔頂產(chǎn)品和水幾乎不互溶的情況下， 餾出液經(jīng)冷凝分層除去水便得目標產(chǎn)品。餾出液經(jīng)冷凝分層除去水便得目標產(chǎn)品。 水蒸氣蒸餾的優(yōu)點：能夠降低蒸餾的溫度。水蒸氣蒸餾的優(yōu)點：能夠降低蒸餾的溫度。 35 3.水蒸氣蒸餾的形式水蒸氣蒸餾的形式 按照加熱水蒸氣的狀態(tài)分：按照加熱水蒸氣的狀態(tài)分： 飽和水蒸氣蒸餾、過熱水

26、蒸氣蒸餾飽和水蒸氣蒸餾、過熱水蒸氣蒸餾 飽和水蒸氣蒸餾飽和水蒸氣蒸餾 水蒸氣蒸餾相圖：水蒸氣蒸餾相圖： 在常壓下，待分離組分（揮發(fā)油）在常壓下，待分離組分（揮發(fā)油） A沸點為沸點為 ，純水的沸點為，純水的沸點為100。 由于水蒸氣提供熱量使揮發(fā)油蒸發(fā)，由于水蒸氣提供熱量使揮發(fā)油蒸發(fā)， 對于飽和水蒸氣而言，肯定有部分要對于飽和水蒸氣而言，肯定有部分要 冷凝成為水相，當水相和冷凝成為水相，當水相和A液相同時存液相同時存 在時，即圖中的在時，即圖中的A（L）+水（水（L）相區(qū)，）相區(qū)， 系統(tǒng)沸騰溫度降至該系統(tǒng)壓力下的最系統(tǒng)沸騰溫度降至該系統(tǒng)壓力下的最 小值，即，此時系統(tǒng)會以恒定的組成小值，即，此時系

27、統(tǒng)會以恒定的組成 蒸發(fā)蒸發(fā)A和水蒸氣。和水蒸氣。 * f T 36 過熱水蒸氣蒸餾過熱水蒸氣蒸餾 過熱水蒸氣蒸餾時，液相只有過熱水蒸氣蒸餾時，液相只有A液相存在，即相圖液相存在，即相圖 中的中的A（l）+g相區(qū)，此時隨著水蒸氣量的不斷增加，相區(qū)，此時隨著水蒸氣量的不斷增加， A組分分壓不斷減小，系統(tǒng)沸點也不斷下降。組分分壓不斷減小，系統(tǒng)沸點也不斷下降。 過熱水蒸氣加熱的優(yōu)點：過熱水蒸氣加熱的優(yōu)點： A.蒸氣干度大，不形成液相層，有兩個自由度可以蒸氣干度大，不形成液相層，有兩個自由度可以 控制，即可以同時規(guī)定蒸餾的溫度和蒸餾的壓力?？刂疲纯梢酝瑫r規(guī)定蒸餾的溫度和蒸餾的壓力。 B.蒸氣溫度越高，

28、比容越大，一定質量蒸氣鼓泡越蒸氣溫度越高，比容越大，一定質量蒸氣鼓泡越 多，因此隨蒸氣帶出的揮發(fā)油也越多，即效率越高。多，因此隨蒸氣帶出的揮發(fā)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的分當然，溫度也不易太高，太高會引起某些物質的分 解或聚合，需對具體的體系分析。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(fā)油蒸氣溫度高，無液相水存在，有利于防止揮發(fā)油 的結晶。的結晶。 37 4. 蒸汽量的計算蒸汽量的計算 飽和水蒸氣蒸餾方式飽和水蒸氣蒸餾方式 飽和水蒸氣蒸餾時，釜內有水層和被分離組分飽和水蒸氣蒸餾時，釜內有水層和被分離組分 層，兩組分的蒸氣

29、壓僅與溫度有關，與組成無層，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：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，總壓一定時意組分的沸點都低，同時也說明，總壓一定時 系統(tǒng)的沸點也隨之而定。系統(tǒng)的沸點也隨之而定。 ba PPP 38 用于夾帶蒸餾液的水蒸氣量可以根據(jù)理想氣體分用于夾帶蒸餾液的水蒸氣量可以

30、根據(jù)理想氣體分 壓定律計算：壓定律計算： 若待分離組分與水完全不互溶，則：若待分離組分與水完全不互溶，則： 式中：式中：G-物質的質量；物質的質量；M-物質的分子量；物質的分子量；A-待分離組分；待分離組分； ， -待分離組分和水的分壓；待分離組分和水的分壓； ， -待分離組分和水的飽和蒸汽壓待分離組分和水的飽和蒸汽壓. AAAAA P P Py Py y y MG MG 水水水水水 / / 0 0 AA P P P P 水水 AAA MP MP G G 0 0 水水水 水 P A P 0 水 P 0 A P 39 說說 明明 上式中上式中 僅為帶出僅為帶出 所需要的水蒸氣的量，未所需要的水蒸

31、氣的量，未 計算加熱混合物和使產(chǎn)品汽化以及彌補熱損失所消計算加熱混合物和使產(chǎn)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(chǎn)物蒸氣所飽和。因此，實際蒸氣消耗的常并未被產(chǎn)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。量比上式計算值大的多。 一般情況下：一般情況下： 水 實際 G G 8 . 06 . 0 水 G A G 40 過熱水蒸氣蒸餾方式過熱水蒸氣蒸餾方式 過熱水蒸氣不會冷凝，因此過熱水蒸氣不會冷凝，因此 ， 會隨水會隨水 蒸氣的量變化，而蒸餾溫度一般比有水層時高，蒸氣的量變化，而蒸餾溫度一般比有水層

32、時高， 當釜內壓力和蒸餾溫度確定后：當釜內壓力和蒸餾溫度確定后： 結論結論： 減小時，減小時， 不變，因此不變，因此 減小，可見水減小，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耗量，降低了溫度，還可以防止熱敏性物質的分 解。解。 0 水水 PP 水 P AAA P P MG MG 水水水 / / 0 A PPP 總水 0 0 / / A A AA P PP MG MG 總水水 AA A A MP MPP G G 0 0 )( 水總水 總 P 0 A P 水 G 41 六、分子蒸餾六、分子蒸餾 概述概

33、述 1. 分子蒸餾的原理分子蒸餾的原理 2. 分子蒸餾的過程分子蒸餾的過程 3. 分子蒸餾的特點分子蒸餾的特點 4. 分子蒸餾流程分子蒸餾流程 5. 分子蒸發(fā)器分子蒸發(fā)器 6. 分子蒸餾的計算分子蒸餾的計算 7. 分子蒸餾的應用分子蒸餾的應用 42 分子蒸餾分子蒸餾也稱短程蒸餾，是一種在高真空度條也稱短程蒸餾，是一種在高真空度條 件下進行非平衡分離操作的連續(xù)蒸餾過程。件下進行非平衡分離操作的連續(xù)蒸餾過程。 由于操作壓力很低，揮發(fā)組分的沸點降低，同由于操作壓力很低，揮發(fā)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

34、低揮發(fā)度（高沸餾是一種溫和的蒸餾方式，對低揮發(fā)度（高沸 點）、熱敏性生物活性物質比較適合。點）、熱敏性生物活性物質比較適合。 43 44 45 目前國內最大的分子蒸餾裝置目前國內最大的分子蒸餾裝置 北京新特科技發(fā)展公司 http:/ 46 1. 分子蒸餾的原理分子蒸餾的原理 分子蒸餾是一種特殊的液分子蒸餾是一種特殊的液-液分離技術，它不同液分離技術，它不同 于傳統(tǒng)蒸餾依靠沸點差分離原理，而是靠不同物于傳統(tǒng)蒸餾依靠沸點差分離原理，而是靠不同物 質分子運動平均自由程的不同實現(xiàn)分離。質分子運動平均自由程的不同實現(xiàn)分離。 分子運動自由程（用分子運動自由程（用表示）是指分子相鄰兩次表示）是指分子相鄰兩次

35、 碰撞之間所走的路程。碰撞之間所走的路程。 47 原原 理理 當液體混合物沿加熱板流動并當液體混合物沿加熱板流動并 被加熱，輕、重分子會逸出液面被加熱，輕、重分子會逸出液面 而進入氣相，由于輕、重分子的而進入氣相，由于輕、重分子的 自由程不同，因此，不同物質的自由程不同，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而大于重組分的分子運動 自由程，則輕分子達到冷凝板被自由程，則輕分子達到冷凝板被 冷凝并排出，而重分子

36、達不到冷冷凝并排出，而重分子達不到冷 凝板沿混合液排出。這樣，達到凝板沿混合液排出。這樣，達到 物質分離的目的。物質分離的目的。 48 2.分子蒸餾的過程分子蒸餾的過程 分子從液相主體（混合液）到蒸發(fā)分子從液相主體（混合液）到蒸發(fā) 的表面。的表面。 分子在液層表面上的自由蒸發(fā)。分子在液層表面上的自由蒸發(fā)。 分子從蒸發(fā)表面向冷凝面飛射。分子從蒸發(fā)表面向冷凝面飛射。 分子在冷凝面上冷凝。分子在冷凝面上冷凝。 49 3.分子蒸餾的特點分子蒸餾的特點 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，我們通過和減壓精餾也是在一

37、定的真空度下完成，我們通過 比較兩者的差別來分析一下分子蒸餾的特點。比較兩者的差別來分析一下分子蒸餾的特點。 50 4.分子蒸餾流程分子蒸餾流程 分子蒸餾裝置主要包括：分分子蒸餾裝置主要包括：分 子蒸餾器、脫氣系統(tǒng)、進料子蒸餾器、脫氣系統(tǒng)、進料 系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、 真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。 脫氣系統(tǒng)脫氣系統(tǒng)：將待處理的物料：將待處理的物料 中溶解的氣體在高真空條件中溶解的氣體在高真空條件 下排出，以防止分子蒸餾過下排出，以防止分子蒸餾過 程中發(fā)生爆沸。常用的脫氣程中發(fā)生爆沸。常用的脫氣 設備有降膜式、噴射式、填設備有降膜式、噴射式、填 充式、層

38、板式。充式、層板式。 51 5. 分子蒸發(fā)器分子蒸發(fā)器 分子蒸發(fā)器有四種：靜止式分子蒸發(fā)器、分子蒸發(fā)器有四種：靜止式分子蒸發(fā)器、 降膜式降膜式 分子蒸發(fā)器、刮膜式分子蒸發(fā)器、分子蒸發(fā)器、刮膜式分子蒸發(fā)器、 離心式分子蒸離心式分子蒸 發(fā)器發(fā)器 靜止式分子蒸發(fā)器靜止式分子蒸發(fā)器 最早的一種分子蒸發(fā)器，特點：結構簡單，蒸發(fā)最早的一種分子蒸發(fā)器，特點：結構簡單，蒸發(fā) 面不動，靜止式使得設備生產(chǎn)能力低，分離效果面不動，靜止式使得設備生產(chǎn)能力低，分離效果 差，熱分解危險性大。缺點較多，現(xiàn)已淘汰。差，熱分解危險性大。缺點較多，現(xiàn)已淘汰。 52 降膜式分子蒸發(fā)器降膜式分子蒸發(fā)器 優(yōu)點：液膜厚度小，液體因重力沿

39、蒸發(fā)表面流動，優(yōu)點：液膜厚度小，液體因重力沿蒸發(fā)表面流動， 因此，物料的停留時間短，熱分解的危險性小，可因此，物料的停留時間短，熱分解的危險性小，可 以連續(xù)操作，生產(chǎn)能力大。以連續(xù)操作，生產(chǎn)能力大。 缺點：液體的均勻分布難以實現(xiàn)，易出現(xiàn)溝流，產(chǎn)缺點：液體的均勻分布難以實現(xiàn)，易出現(xiàn)溝流，產(chǎn) 生溝流就易產(chǎn)生霧沫夾帶濺到冷凝面上，分離效果生溝流就易產(chǎn)生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(fā)器的一個重點，同時也可以看出，降膜式分子蒸發(fā)器的一個重點，同時也可以看出，降膜 式分子蒸發(fā)器不適合于分離粘度很大的物料。

40、式分子蒸發(fā)器不適合于分離粘度很大的物料。 53 刮膜式分子蒸發(fā)器刮膜式分子蒸發(fā)器 優(yōu)點：優(yōu)點： 液膜厚度小，液膜厚度小， 刮膜器的作用可以刮膜器的作用可以 避免溝流，是蒸發(fā)避免溝流，是蒸發(fā) 表面均勻分布；物表面均勻分布；物 料停留時間短，熱料停留時間短，熱 分解危險性小，可分解危險性小，可 以了連續(xù)操作，生以了連續(xù)操作，生 產(chǎn)能力大；加上擋產(chǎn)能力大；加上擋 板可以使霧沫夾帶板可以使霧沫夾帶 的液體在擋板上冷的液體在擋板上冷 凝。凝。 54 離心式分子蒸發(fā)器離心式分子蒸發(fā)器 具有旋轉的蒸發(fā)表面，操作時進料在旋轉盤的具有旋轉的蒸發(fā)表面，操作時進料在旋轉盤的 中心，靠離心力在蒸發(fā)表面分布。中心，靠離

41、心力在蒸發(fā)表面分布。 優(yōu)點：液膜非常薄，流動好，生產(chǎn)能力大，停優(yōu)點：液膜非常薄，流動好，生產(chǎn)能力大，停 留時間很短，液膜分布均勻，有利于熱敏性物留時間很短，液膜分布均勻，有利于熱敏性物 質的分離。質的分離。 缺點：設備結構復雜，真空密封較差，設備成缺點：設備結構復雜，真空密封較差，設備成 本高。本高。 55 6. 分子蒸餾的計算分子蒸餾的計算 分子平均自由程：分子在兩次連續(xù)碰撞之間所走分子平均自由程：分子在兩次連續(xù)碰撞之間所走 的路程的平均值。它是分子蒸發(fā)器設計的重要參數(shù)。的路程的平均值。它是分子蒸發(fā)器設計的重要參數(shù)。 -分子平均自由程；分子平均自由程； d-分子直徑；分子直徑； T-蒸發(fā)溫度

42、；蒸發(fā)溫度； p-真空度；真空度； R-摩爾常數(shù)；摩爾常數(shù)； NA-阿伏伽德羅常數(shù)；阿伏伽德羅常數(shù)； pNd TR A 2 2 56 蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率 蒸發(fā)速率是分子蒸發(fā)器生產(chǎn)能力的標志。蒸發(fā)速率是分子蒸發(fā)器生產(chǎn)能力的標志。 在絕對真空下，表面自由蒸發(fā)速率應等于分子的熱在絕對真空下，表面自由蒸發(fā)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(fā)速率：運動速率，兩組分理想混合物的理論分子蒸發(fā)速率： 式中：式中： -組分組分i蒸發(fā)處理量；蒸發(fā)處理量； T-絕對溫度；絕對溫度； -組分組分i的飽和蒸汽壓；的飽和蒸汽壓； R-摩爾常數(shù)；摩爾常數(shù)； -組分組分i的摩爾分子量；的摩爾分子量； G

43、-總蒸發(fā)處理量；總蒸發(fā)處理量； -組分組分i的摩爾分率；的摩爾分率； 2/1 0 2 RT M pG i ii iiG xG i G 0 i p i M i x 57 實際上，蒸發(fā)速率受很多因素的影響，如：實際上，蒸發(fā)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(shù)等等。物料的性質、設備的形狀、操作參數(shù)等等。 分子蒸餾的速率遠小于理想狀況下，于是提分子蒸餾的速率遠小于理想狀況下，于是提 出了很多的經(jīng)驗修正式，簡要介紹兩種相對出了很多的經(jīng)驗修正式，簡要介紹兩種相對 比較成熟的經(jīng)驗式。比較成熟的經(jīng)驗式。 58 經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式 A. Stephan式：式： 式中：式中：Ac-冷凝面積；

44、冷凝面積； Ae-蒸發(fā)面積；蒸發(fā)面積； h-冷凝面與蒸發(fā)面之間的距離；冷凝面與蒸發(fā)面之間的距離； -蒸發(fā)潛熱；蒸發(fā)潛熱； n-每立方米所含的氣體分子數(shù)；每立方米所含的氣體分子數(shù)； n k h i ii ef RT M pG 111 2 2/1 0 ec c AA A f 41 . 038. 12 . 0lgfk iiG xG 59 Stephan式適用于液膜厚度非常小，擴散阻力可以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(fā)器，它假設分子蒸發(fā)只是忽略的離心式分子蒸發(fā)器，它假設分子蒸發(fā)只是 表面現(xiàn)象是合理的。但是對于液膜厚度較大的降表面現(xiàn)象是合理的。但是對于液膜厚度較大的降 膜式分

45、子蒸發(fā)器，就必須考慮擴散阻力。因此，膜式分子蒸發(fā)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(fā)器。式不適合于降膜式分子蒸發(fā)器。 60 經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式 B. Micov式：實質是兩組分的蒸發(fā)速率方程。式：實質是兩組分的蒸發(fā)速率方程。 Micov式的適應條件：蒸發(fā)溫度和冷凝溫度均不變，式的適應條件：蒸發(fā)溫度和冷凝溫度均不變， 傳熱和傳質過程穩(wěn)定。工業(yè)生產(chǎn)中，由于液膜的表傳熱和傳質過程穩(wěn)定。工業(yè)生產(chǎn)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。與實驗結果會有一定的差異。 22 0 211

46、 0 11 22TRMTpXTRMTpXG iiiiiii 11 0 122 0 22 22TRMTpXTRMTpXG iiiiiii 61 分離因子分離因子 分離因子是衡量物料分離難度大小的參數(shù)，分離因子是衡量物料分離難度大小的參數(shù)， 在分子蒸餾中，受溫度和被分離物質的分子在分子蒸餾中，受溫度和被分離物質的分子 量的影響較大。量的影響較大。 對于二元體系，以相對揮發(fā)度表示分離能力：對于二元體系，以相對揮發(fā)度表示分離能力： 理想溶液：理想溶液： 非理想溶液：非理想溶液： 2 1 p p 22 11 p p 62 對分子蒸餾，過程不可逆，用對分子蒸餾，過程不可逆，用 表示分離因子。表示分離因子。

47、 理想溶液：理想溶液： 非理想溶液：非理想溶液： 所以：所以： 結論結論：分子蒸餾的分離能力是普通蒸餾分離能力的：分子蒸餾的分離能力是普通蒸餾分離能力的 倍，因此，分子蒸餾可以分離蒸汽壓十分倍，因此，分子蒸餾可以分離蒸汽壓十分 接近但分子量有所差別的物質。接近但分子量有所差別的物質。 M 1 2 2 1 M M p p M 1 2 22 11 M M p p M 1 2 M M M 1 2 M M 63 7.分子蒸餾的應用分子蒸餾的應用 分子蒸餾作為一種高新分離技術，具有其它分分子蒸餾作為一種高新分離技術，具有其它分 離技術無法比擬的離技術無法比擬的優(yōu)點優(yōu)點：如：操作溫度低（遠低：如：操作溫度

48、低（遠低 于沸點）、真空度高（空載于沸點）、真空度高（空載1Pa）、受熱時間短）、受熱時間短 （以秒計）、分離效率和分離程度高，特別適宜（以秒計）、分離效率和分離程度高，特別適宜 于高沸點、熱敏性、易氧化物質的分離；由于分于高沸點、熱敏性、易氧化物質的分離；由于分 子蒸餾的這些特點，分子蒸餾被廣泛應用在藥物、子蒸餾的這些特點，分子蒸餾被廣泛應用在藥物、 食品等各個方面。食品等各個方面。 64 7.分子蒸餾的應用分子蒸餾的應用 純天然維生素純天然維生素E的提純的提純 從魚油中提取和精制從魚油中提取和精制DHA、EPA超濃縮液超濃縮液 從植物油中提取高純度從植物油中提取高純度-亞麻酸亞麻酸 小麥胚

49、芽油的精制小麥胚芽油的精制 高純度二聚酸的提純高純度二聚酸的提純 高純度硬脂酸單甘酯的提純高純度硬脂酸單甘酯的提純 高純度乳酸的提純高純度乳酸的提純 高純度月桂二酸的提純高純度月桂二酸的提純 辣椒紅色素的提取辣椒紅色素的提取 潤滑油的回收及中藥中殘留農(nóng)藥和有害重金屬潤滑油的回收及中藥中殘留農(nóng)藥和有害重金屬 的脫除的脫除 65 小小 結結 1 萃取的分類及其特點萃取的分類及其特點； 2 分配定律與分配平衡；分配定律與分配平衡； 3 弱電解質的分配平衡；弱電解質的分配平衡； 4 化學萃??；化學萃??； 5 有機溶劑的選擇；有機溶劑的選擇； 6 乳化現(xiàn)象；乳化現(xiàn)象； 66 預習預習 P17-24 67 Thank you for your joinThank you for your join 68 3. 間歇精餾過