Chapter3制藥分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

利用先進(jìn)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段與方法，對(duì)目前藥物生產(chǎn)中相對(duì)落后的生產(chǎn)工藝和過程實(shí)施高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化改造，生產(chǎn)出“安全、高效、穩(wěn)定、可控”的，具有強(qiáng)大國際競爭力的現(xiàn)代藥物產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)藥物生產(chǎn)現(xiàn)代化及國際化，是我們制藥工程專業(yè)學(xué)生與制藥工程學(xué)科的科技工作者面臨的重要任務(wù)。概

述第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離定義利用溶解度的不同，使混合物中的組分得到完全或部分分離的過程。溶劑萃取是利用化合物在兩種互不相溶的溶劑中溶解度或分配系數(shù)不同，使化合物從一種溶劑內(nèi)轉(zhuǎn)移到另一種溶劑中而提取出來的方法。溶劑萃取的特點(diǎn)：對(duì)熱敏性物質(zhì)破壞少；采用多級(jí)萃取時(shí)，物質(zhì)濃縮倍數(shù)和純化度高，便于連續(xù)操作，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；分離效率高，生產(chǎn)能力大。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離一、液-液萃?。ㄒ唬┗驹硪淮屋腿《屋腿次萃取K-分配系數(shù)W0-萃取前化合物的總量V-原溶液的體積Wn-萃取n次后化合物剩余量S-萃取溶液的體積第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離一、液-液萃取2、分配比：當(dāng)萃取體系達(dá)到平衡時(shí)，被被萃取物在含萃取劑相O中的總濃度與原料液W中的總濃度之比。其值越大，萃取能力越強(qiáng)。不是常數(shù)。3、萃取率：被萃取物質(zhì)在萃取劑中的量與在萃取劑相和在原料液項(xiàng)中的總量的百分比。4、相比：兩液相體積比。當(dāng)為1時(shí)，萃取率為D與D+1之比。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離（二）萃取劑的選擇選擇性：萃取劑S對(duì)原料液中兩組份溶解能力的差異。

其值一般大于1，且越大，分離效果越好，萃取劑對(duì)物質(zhì)的選擇性越好。原溶劑B與萃取劑之間的互溶度越小越好，有利于溶質(zhì)A的分離。萃取劑S與原料液中的組分的相對(duì)揮發(fā)度要大，不應(yīng)形成恒沸物，且組成低的組分最好為易揮發(fā)成分。若被萃取的溶質(zhì)不揮發(fā)或揮發(fā)度很低時(shí)，萃取劑S的汽化熱要小，以節(jié)約能耗。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離（二）萃取劑的選擇萃取劑與被分離混合物之間有較大密度差；萃取劑的粘度要小，以利于兩相的混合與分層，利于傳質(zhì)和流動(dòng)；萃取劑應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，對(duì)設(shè)備腐蝕小，來源充分，價(jià)格較低廉，不易燃爆；界面張力要適當(dāng)?shù)?章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備例題：某溶液含F(xiàn)e3+10mg，將它萃取如入某有機(jī)溶劑中時(shí)，分配比=99。問用等體積溶劑萃取1次和2次，剩余Fe3+量各是多少？若在萃取2次后，分出有機(jī)層，用等體積水洗一次，會(huì)損失Fe3+多少毫克？解：體積比VW/VO=1等體積萃取，n次萃取后剩余量為：

萃取1次后剩余Fe3+量：

萃取2次后剩余Fe3+量：第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備100mL含釩40μg的試液，用10mL鉭試劑-CHCl3溶液萃取、萃取率為90%。以1cm比色皿于530nm波長下，測得吸光度為0.384，求分配比及吸光物質(zhì)得摩爾吸收系數(shù)。（5.4×103L/mol.cm）有一金屬螯合物在pH=3時(shí)從水相萃入甲基異丁基酮中，其分配比為5.96，現(xiàn)取50.0mL含該金屬離子的試液，每次用25.0mL甲基異丁基酮于pH=3萃取，若萃取率達(dá)99.9%。問一共要萃取多少次？（n=5）用有機(jī)溶劑從100mL某溶質(zhì)的水溶液中萃取兩次，每次用20mL，萃取率達(dá)89%，計(jì)算萃取體系的分配比。假定這種溶質(zhì)在兩相中均只有一種存在形式，且無其他副反應(yīng)。（10）

第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備二、固-液萃取就是應(yīng)用溶液將固體原料中的可溶組分提出來的操作。亦稱浸取或提取。中藥制藥過程，重要的是利用中草藥提取有效成分或有效部位做原料，浸取過程提取有效成分。溶劑主要包括水、親水性有機(jī)溶劑和親脂性有機(jī)溶劑。第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備（一）浸出過程原理1、中藥浸出過程

動(dòng)物性藥材的有效成分絕大部分是蛋白質(zhì)或多肽類，分子量較大，難以透過細(xì)胞膜

植物性藥材的有效成份的分子量一般都比無效成分的分子量小得多，浸取時(shí)要求有效成份透過細(xì)胞膜滲出，無效成分仍留在細(xì)胞組織中以便除去。第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備（1）動(dòng)物性藥材的浸出過程

動(dòng)物性藥材的有效成分絕大部分是蛋白質(zhì)、激素、酶等，必須將細(xì)胞膜破壞。浸取常用的溶劑有稀酸、鹽類溶液、乙醇、丙酮、醋酸、乙醚、甘油等。乙醇、丙酮及甘油可破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。浸取時(shí)應(yīng)控制適當(dāng)?shù)臏囟群腿軇┑挠昧?，用浸漬、回流等不同方法浸取。（2）植物性藥材的浸出過程植物性藥材的浸出過程是由濕潤、滲透、溶解及擴(kuò)散等幾個(gè)相互聯(lián)系的階段所組成第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備溶劑將藥材潤濕、后在藥材內(nèi)部滲透藥材內(nèi)部物質(zhì)的潤濕、可溶性物質(zhì)溶解可溶性物質(zhì)在藥材內(nèi)部經(jīng)多孔細(xì)胞壁擴(kuò)散物質(zhì)從藥材表面向溶液擴(kuò)散溶劑中藥及天然藥物固液萃取過程示意圖第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備目標(biāo)分子將經(jīng)歷液泡和細(xì)胞器的膜透過、細(xì)胞漿中的擴(kuò)散、細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的透過等復(fù)雜的傳質(zhì)過程。若細(xì)胞壁沒有破裂，浸取作用是靠細(xì)胞壁的滲透來完成的，浸取的速率很慢

細(xì)胞壁被破壞后，傳質(zhì)阻力減小，目標(biāo)產(chǎn)物比較容易進(jìn)入到萃取液主體，并依據(jù)相似相溶原理而溶解，達(dá)到萃取的目的第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備2、Fick擴(kuò)散定律與擴(kuò)散系數(shù)

中藥材提取過程可用Fick定律描述這種傳質(zhì)過程。有效成分溶解后在組織內(nèi)形成濃溶液而具有較高的滲透壓，從而形成擴(kuò)散點(diǎn)，不停地向周圍擴(kuò)散其溶解的成分以平衡其滲透壓，這是浸取的推動(dòng)力。第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備（1）Fick擴(kuò)散定律JAT為溶質(zhì)流量，mol/(cm2s)；CA為溶質(zhì)濃度，mol/cm3；Z為垂直于有效擴(kuò)散面積的位移，cm；D為溶質(zhì)分子擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；DE為渦流擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散方向，即藥物分子擴(kuò)散向濃度降低的方向進(jìn)行。擴(kuò)散動(dòng)力是擴(kuò)散方向Z上的濃度梯度dCA/dZ。適用于穩(wěn)態(tài)過程，即液體中溶質(zhì)的濃度不隨時(shí)間改變的過程體系。非穩(wěn)態(tài)過程，用Fick第二定律描述第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備（2）浸出的擴(kuò)散通量

中藥材等植物藥材中有效成分被浸出時(shí)，自藥材顆粒單位時(shí)間通過單位面積的物質(zhì)量—稱為擴(kuò)散通量，由Fick擴(kuò)散定律得：

擴(kuò)散通量J的因次kmol/(m2?s)，上式即浸出速率方程（3）擴(kuò)散系數(shù)

溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)DA通常在10-9~10-10，它不僅與物質(zhì)的種類性質(zhì)有關(guān)，而且與體系的溫度有關(guān)，并隨溶質(zhì)的濃度而變。在濃溶液中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)與活度有關(guān)，只有在稀釋溶液中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)才可視為常數(shù)。第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備對(duì)稀溶液大分子溶質(zhì)A擴(kuò)散到小分子溶劑B中時(shí)，可從理論上導(dǎo)出：DAB大分子溶質(zhì)A擴(kuò)散到小分子溶劑B中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

=1.38×10-23(波滋漫常數(shù))；T絕對(duì)溫度，K；uA/fA單位阻力下溶質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)速度，m/s。第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

假定將溶質(zhì)分子視為球形顆粒，在連續(xù)介質(zhì)中（即穩(wěn)態(tài)過程，有效成分在藥材固體與浸出液相主體中的濃度保持不變，⊿C恒定值），液體在固體表面流動(dòng)為層流時(shí)，溶質(zhì)分子所受阻力可由Stocks公式計(jì)算：fA=

6

rA

BuAfA溶質(zhì)分子在溶劑中受到的阻力，kg?m/s2；

uA溶質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)速度，m/s

；

rA溶質(zhì)分子A的半徑，m；

B溶劑分子B的黏度，Pa.s第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

由前兩個(gè)公式得：DAB=

T/6

rA

B對(duì)于n個(gè)分子的體積VA=4n

rA3/3，于是1mol(n=6.023×1023)時(shí)，VA即正常沸點(diǎn)下溶質(zhì)的分子體積(cm3/mol)，溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)DAB=

9.96×10-5T/（

BVA1/3）

式中

B因次cp，適用于分子量大于1000，非水合大分子溶質(zhì)，其水溶液中VA為500cm3/mol第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備對(duì)于溶質(zhì)為小分子的稀溶液，實(shí)際應(yīng)用中多采用威爾蓋方程進(jìn)行計(jì)算：DAB=

7.4×1012T(MB)

0.5

/(

BVA0.6

)MB溶劑分子量；

B溶劑的黏度Pa.s；

溶劑的締合參數(shù)，對(duì)于水為2.6，甲醇為1.9，乙醇為1.5，苯、乙醚、庚烷等均為1.0第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備（二）浸出過程計(jì)算1、浸出過程各階段所需時(shí)間的計(jì)算a.溶劑在藥材內(nèi)部的滲透：在植物組織中有大量的毛細(xì)管型小孔，溶劑進(jìn)入藥材內(nèi)部后，因毛細(xì)管的作用，沿毛細(xì)管滲透到植物組織中去，并將植物細(xì)胞和其間隙充滿。毛細(xì)管被水充滿所需時(shí)間

：

=1.37×10-4A?h2?

r

式中A=

2(14.46-12.5

)，

=p0/(p0–p)；r毛細(xì)管半徑，m；h毛細(xì)管長度，m；

p0毛細(xì)管壓力，N/m2；p大氣壓力，N/m2第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備b.在固體顆粒內(nèi)的溶質(zhì)由向顆粒表面的傳遞，在擴(kuò)散距離L內(nèi)，有效成分濃度自C1變化至C2，則傳遞在有多孔固體物質(zhì)中進(jìn)行在多孔固體中，L為物質(zhì)A的擴(kuò)散距離，相當(dāng)于固體顆粒尺寸c.停留在固體顆粒表面的溶質(zhì)由界面向液相主體的傳質(zhì)通量J，在擴(kuò)散距離Z內(nèi)，有效成分濃度自C2變化至C3，則K=D/Z表示組分A在液相中的傳質(zhì)分系數(shù)

第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備d.總的傳質(zhì)通量J，由前兩式得：擴(kuò)散系數(shù)等諸多參數(shù)是無確定的數(shù)據(jù)或沒有特定的檢測方法可用，具有理論意義。實(shí)際設(shè)計(jì)多采用平衡狀態(tài)下的浸出作近似計(jì)算。植物藥材浸出時(shí)，將浸出溶劑加到藥材中并浸漬一定時(shí)間后，浸出液中浸出物質(zhì)的濃度在一定時(shí)間內(nèi)是逐漸增加的。第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備2、平衡狀態(tài)下浸出的計(jì)算

如藥材浸出時(shí)間較短、藥材內(nèi)部液體濃度與浸出液的濃度未達(dá)到平衡，稱為非平衡狀態(tài)浸出。當(dāng)物質(zhì)從藥材中擴(kuò)散到浸出液的量與物質(zhì)從浸出液擴(kuò)散回到藥材的量相等時(shí)，浸出液的濃度恒定，即為平衡濃度，則稱為平衡狀態(tài)的浸出。此時(shí)藥材內(nèi)部的液體的濃度等于藥材外部浸出液的濃度第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備GG’g’g

G-藥材中所含待浸出物質(zhì)量平衡時(shí)：G’-浸出后所放出的溶劑量

g’-浸出后留在藥材中的溶劑量

g-浸出后留在藥材中的待浸出物質(zhì)量G’+g’

∵G/(G’+g’)=g/g’∴g=G×g’/(G’+g’)=G/(

+1)

=G’/g’

對(duì)一定量的溶劑，

大，即溶劑損失?。?）單級(jí)浸取第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備（2）重復(fù)浸取

第一次浸取分離出浸取液（G’+

G-

g）后，藥材中的尚有待浸出物質(zhì)量g和留在其中的溶劑量g’,若補(bǔ)入新鮮溶劑的量G2第二次浸出后殘留在藥材中待提取物質(zhì)量g2，停留在藥材中的溶劑量g2’∴g/(G2+g2’)=g2/g2’g2=g/[(G2/g’)+1]當(dāng)G2=G’，g2’

=g

’有g(shù)2=g/（

+1）即g2=G/（

+1）2對(duì)于n次浸取后殘留在藥材中待提取物質(zhì)量gn=G/（

+1）n第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備例題：含有浸出物質(zhì)25%的藥材100kg，第一級(jí)溶劑所加入量與藥材量之比為5:1，其他各級(jí)溶劑新加入量與藥材量之比為4:1，求浸取一次和浸取五次后藥材中所剩余的可浸出物質(zhì)的量是多少？（設(shè)藥材中所剩余的溶液量等于其本身的質(zhì)量。）解：藥材中所含浸出物質(zhì)總量G=100×25%-25（kg）藥材中剩余的溶劑量g，=100（kg）浸取一次后所放出的溶劑量G，=100×5-100=400（kg）由于第一次浸取后藥材中所剩余的可浸出物質(zhì)量g1為：第五次浸取后藥材中所剩余的可浸出物質(zhì)g5為第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

天然藥物或中藥的浸出過程，要求浸出率和效率達(dá)到和諧的統(tǒng)一，工程上只要達(dá)到一定的浸出率即可，不是100%。天然藥物或中藥的浸出率—浸出后所放出的浸出液或?yàn)V液中所含浸出物質(zhì)量與原藥材中所含浸出物質(zhì)總量的比值。若浸漬后藥材中所含溶劑量為1，總?cè)軇┝繛镸，放出的溶劑M-1。則平衡條件下浸取一次的浸出率第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備（2）重復(fù)浸取第一次浸取后藥材中余下的待浸出物質(zhì)的分率1-E1第二次第n次總浸出率一般地，n=4~5。若M=4，E5=？第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備書上p92例題：某藥材含20%無效成分和30%有效成分，浸出溶劑用量為藥材的20倍，藥材對(duì)溶劑的吸收量為4。求25kg藥材單次浸取所得的有效成分與無效成分量。解：設(shè)藥材中所吸收溶劑量為1，則溶劑量M=20÷4=5浸出率無效成分浸出量有效成分浸出量第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備書上p93例題：某藥材200kg有效成分浸出率達(dá)到0.963，需浸取三次可達(dá)到。試求浸出溶劑消耗量為多少？（已知藥材對(duì)溶劑的吸收量為1.5，并設(shè)藥材中所剩留的溶劑量等于其本身的質(zhì)量。）解：浸取率則M=3已知藥材吸收溶劑量為1.5，則200kg藥材提取三次所消耗溶劑總量W為：第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離（3）多級(jí)逆流浸取浸余率浸出率傾出的溶劑量與剩余在藥材中的溶劑量之比為

第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離M=1~3是浸出率變化較大的區(qū)間采用較小的值，提高浸出率較困難，一般應(yīng)大于1.5第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備（三）浸出方法與設(shè)備常用的方法：1．靜態(tài)浸出間歇式包括：(1)單級(jí)浸取一濕漬法、煎煮法．(2)單級(jí)多次提取一重復(fù)浸取法(3)多級(jí)逆流．2、動(dòng)態(tài)浸出間歇式(1)單態(tài)浸取一滲漉法(2)多級(jí)逆流一連續(xù)式由于植物藥材浸出過程有許多因素影響其過程與設(shè)備，所以上述的分類，還有許多變型第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備1、浸取法

浸取法是用液體來提取與分離固體藥材和方法，廣泛應(yīng)用于中草藥的浸取中。一般先把藥物粉碎，再加入一定量溶劑浸潰一定時(shí)間后，加以過濾去渣而得提取液。依加熱的溫度可分為：常溫-冷(室溫)浸法；沸點(diǎn)以下的加熱-溫浸法；沸點(diǎn)加熱-煎煮法、熱回流提取法。浸取法比較簡單，生產(chǎn)酊劑、酒劑中多采用。第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

可用于中草藥煎煮、減壓濃縮和真空蒸餾等氣動(dòng)裝置帶濾板的活底料叉加料口攪拌第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備適合于藥材較輕、易于攪拌的浸取第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

泵加壓和惰性氣體加壓0.3~0.6MPa第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備用于罐蓋的升降蒸汽或惰性氣體加壓罐體可傾斜125度故進(jìn)行上口出渣，適合塊大、品種雜的中草藥第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備除了上述結(jié)構(gòu)的浸取器外，還有：管式逆流浸取器逆流超聲波浸取器U形螺旋式提取器螺旋推進(jìn)式提取器肯尼迪式連續(xù)逆流提取器平轉(zhuǎn)式連續(xù)提取器等第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備2、滲漉法將藥粉置于滲漉器中，溶劑連續(xù)地從上部加入，滲漉液不斷從底部流出，從而提取藥物的有效成分。滲漉罐一般為圓筒設(shè)備。底部為錐形并裝有篩板、篩網(wǎng)或?yàn)V布等以支撐藥粉。工藝流程：經(jīng)前處理的藥材-濕潤-裝筒-排氣-浸漬-滲漉液收集第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

分離的任務(wù)通常要分幾步才能完成。首先要對(duì)每步分離選擇出合適的設(shè)備，然后將這些分離設(shè)備組成一個(gè)完整的流程。天然藥物和中藥的固液萃取過程中的分離是非均相混合物的分離，通常采用過濾或離心分離，或經(jīng)沉降分離加過濾。第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

液體中懸浮的固體在重力作用下沉降并形成-清液層和-固體濃漿層的過程稱為沉降。過濾介質(zhì)或?yàn)樘烊焕w維或?yàn)楹铣衫w維或?yàn)槎嗫追墙饘倩蚨嗫捉饘佟V餅的純度不重要，故可加入多孔固體顆粒即助濾劑。第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離三、超臨界萃取(一)基本原理超臨界流體：超過臨界溫度和臨界壓力狀態(tài)的流體。具有氣體的粘度小、擴(kuò)散能力以及高滲透能力，兼具液體的大密度、較大溶解能力。溫度不變條件下，其溶解能力隨壓力升高而增加。原理：超臨界流體具有選擇性溶解其他物質(zhì)的能力。被萃取物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)與超臨界流體的越接近，溶解能力越強(qiáng)；反之，溶解能力越弱。利用這種選擇性，可以選擇性溶解某一組分，后經(jīng)升溫或降壓，使超臨界流體密度降低，變?yōu)槠胀怏w，被溶解組分析出，從而得以從混合物中分離。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離（二）萃取劑1、常用的有：二氧化碳、乙烷、乙烯、丙烯、丙烷、氨等。2、具備條件：化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)設(shè)備無腐蝕性；臨界溫度接近室溫或操作溫度，不要太高，也不要太低；操作溫度應(yīng)低于被萃取物質(zhì)的分解溫度；臨界壓力低，以降低壓縮動(dòng)力；對(duì)被萃取物質(zhì)的溶解度高，以減少溶劑的循環(huán)量；貨源充足，價(jià)格便宜；用于醫(yī)藥、食品工業(yè)時(shí)，必須對(duì)人體無毒。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離（三）超臨界流體萃取工藝過程等溫變壓萃取流程：

超臨界流體進(jìn)入萃取槽萃取，經(jīng)膨脹閥減壓成氣體，溶解度下降，被萃取物析出，氣體重復(fù)增壓套用。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離等壓變溫萃取流程

萃取后的超臨界流體經(jīng)加熱升溫，成為氣體，溶解度下降，被萃取物析出，氣體經(jīng)增壓、降溫重復(fù)套用。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離吸附萃取流程

萃取后的超臨界流體進(jìn)入分離器，經(jīng)分離器中吸附劑吸附被分離物質(zhì)后，超臨界流體重新回到萃取器中重復(fù)操作。屬于等溫、等壓操作。主要用于除雜。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離（四）超臨界流體萃取應(yīng)用提取有效藥物成分：魚肝油中分離二十五碳五烯酸、二十二碳六烯酸；蛋白質(zhì)分離提純；類固醇類試樣制備等。超臨界結(jié)晶干燥制粒第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離四、固相萃取(SolidPhaseExtraction，SPE)技術(shù)是基于液相色譜理論的一種分離、純化方法。具有高效性、高選擇性、高可靠性、高自動(dòng)化程度以及低耗性等特點(diǎn)。（一）原理：SPE就是利用固體吸附劑吸附液體樣品中的目標(biāo)物，使目標(biāo)物與樣品的基體和干擾化合物分離，然后再用洗脫液洗脫或加熱解吸附，達(dá)到分離和富集目標(biāo)物的目的。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備（二）固相萃取過程可分為吸附和洗脫兩個(gè)部分：在吸附過程中，當(dāng)溶液通過吸附劑床時(shí)，由于吸附劑對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的吸附力大于溶劑的吸附力，因此目標(biāo)物質(zhì)被選擇性地吸附在吸附床上進(jìn)行了富集?！跋疵摗笔且环N使保留在吸附劑上的物質(zhì)從吸附劑上去除的過程，通過加入一種對(duì)分離物的吸引大于吸附劑的物質(zhì)來完成。第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)萃取分離（三）固相萃取分類：在線萃取和離線萃取正相固相萃取、反相固相萃取、離子交換固相萃?。悍诸愐罁?jù)為吸附劑的種類（極性、非極性、陰陽離子），分別用于分離極性、非極性/中等級(jí)性、可電離物質(zhì)。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備固相萃取的優(yōu)點(diǎn)：克服了乳化現(xiàn)象的發(fā)生，保證了樣品中痕量目標(biāo)物質(zhì)的回收；萃取精度高、范圍廣。固相萃取可應(yīng)用于包括生物樣本中的痕量物質(zhì)檢測在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域中的痕量檢驗(yàn)；操作條件溫和，適應(yīng)的pH范圍廣；操作簡單易行，周期短，節(jié)省試劑，回收率高；效率高。第一節(jié)萃取分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第二節(jié)結(jié)晶分離結(jié)晶分離結(jié)晶是從蒸汽、溶液或熔融物中以晶體狀態(tài)析出固體物質(zhì)的過程，是一個(gè)同時(shí)有熱量和質(zhì)量傳遞的過程。結(jié)晶包括3個(gè)過程：（1）形成過飽和溶液；（2）晶核形成；（3）晶體生長。對(duì)結(jié)晶過程進(jìn)行控制常用物系介穩(wěn)區(qū)寬度進(jìn)行表達(dá)。在穩(wěn)定區(qū)(不飽和)內(nèi)，不發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象；在不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，結(jié)晶能自發(fā)進(jìn)行；在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)，結(jié)晶不能自動(dòng)進(jìn)行，但加入晶種后，晶種會(huì)生長。

第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備介穩(wěn)區(qū)寬度的表達(dá)方法c－濃度T－溫度?cmax－介穩(wěn)區(qū)寬度?Tmax－介穩(wěn)區(qū)寬度對(duì)于一定的系統(tǒng)，溶解度曲線的位置是固定的，而超溶解度曲線的位置是不固定的。冷卻或蒸發(fā)的速度越慢、晶種越小、機(jī)械攪拌越激烈，超溶解度曲線越向溶解度曲線靠近。介穩(wěn)區(qū)寬度是選擇合適結(jié)晶過飽和度的依據(jù)。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備冷卻速率及加晶種對(duì)結(jié)晶操作的影響

結(jié)晶控制圖A表示不加晶種而迅速冷卻，初級(jí)成核，形成大量細(xì)小晶核，屬無控制結(jié)晶圖B表示不加晶種而緩慢冷卻，初級(jí)成核，過飽和度因成核二有所消耗，溶液狀態(tài)即離開超溶解度曲線，不再有晶核形成。屬有限控制結(jié)晶。圖C表示加有晶種而迅速冷卻。溶液的狀態(tài)一旦越過溶解度曲線，晶種開始長大，介穩(wěn)區(qū)中溶液濃度降低，但冷卻太快，溶液仍快速到達(dá)不穩(wěn)區(qū)，細(xì)小晶體產(chǎn)生。圖D表示加有晶種而緩慢冷卻。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備結(jié)晶分離方法冷卻劑直接接觸冷卻結(jié)晶法反應(yīng)結(jié)晶法——借助于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生難溶或不溶固相物質(zhì)蒸餾-結(jié)晶耦合法——蒸餾和熔融結(jié)晶這兩種分離方法有機(jī)地結(jié)合在一起氧化還原-結(jié)晶液膜法——利用模擬生物膜的選擇透過性特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)分離作用萃取結(jié)晶法第二節(jié)結(jié)晶分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備超臨界流體結(jié)晶法:在高度湍流的超臨界流體中，溶劑和超臨界流體(一般為CO2)快速混合，CO2的溶解使有機(jī)溶劑發(fā)生膨脹，內(nèi)聚能降低，溶解能力下降，從而使藥物的過飽和度增加，促進(jìn)藥物晶體的形成。磁處理結(jié)晶法:利用元素或組分磁敏感性的差異，借助外磁場將物質(zhì)進(jìn)行磁場處理，從而達(dá)到強(qiáng)化分離。第二節(jié)結(jié)晶分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第二節(jié)結(jié)晶分離二、結(jié)晶分離設(shè)備：結(jié)晶器是結(jié)晶分離的關(guān)鍵設(shè)備，結(jié)晶分離技術(shù)的研究重點(diǎn)集中在結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)晶工藝流程的設(shè)計(jì)。溶液結(jié)晶裝置：MSMPR型結(jié)晶器DTB型結(jié)晶器StandardMesso湍動(dòng)結(jié)晶器帶有機(jī)械攪拌的蒸發(fā)結(jié)晶器第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備工業(yè)熔融結(jié)晶裝置：Brodie提純器KCP結(jié)晶裝置Phillips結(jié)晶裝置MWB結(jié)晶裝置CCCC結(jié)晶系統(tǒng)第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離一、膜分離基本原理（一）膜技術(shù)的發(fā)展簡介《淮南子》有制豆腐的記敘。200多年前，Nollet注意到水能夠自發(fā)地?cái)U(kuò)散穿過豬膀胱而進(jìn)入酒精中的滲透現(xiàn)象。1864年Traube成功制成人類歷史上第一片人造膜－亞鐵氰化銅膜。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離（二）膜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域分離：微濾、超濾、反滲透、電滲析控制釋放：藥物、農(nóng)藥膜反應(yīng)器：酶催化反應(yīng)器、生物反應(yīng)傳感器等能量轉(zhuǎn)換：電池隔膜、固體聚電解質(zhì)、電解器隔膜等第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離（三）膜分離的定義

膜分離是采用具有選擇透過性的半透膜為分離介質(zhì)，在某種推動(dòng)力作用下，選擇性地透過一種或多種物質(zhì)，以達(dá)到分離、提純、分級(jí)以及富集目的物理篩分過程。不發(fā)生相分離，屬于速率分離過程。分為：微濾、超濾、納濾和反滲透等。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離（四）膜分離的特點(diǎn)：①工作溫度在室溫附近，適于熱敏性物質(zhì)的處理；②沒有相變化，能耗極低；③選擇性好，可達(dá)分子級(jí)分離④濃縮和純化可以同時(shí)完成；⑤高效；⑥規(guī)模和處理能力彈性較大；⑦結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，易于自動(dòng)化，且生產(chǎn)效率高。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離

微濾膜＞0.1

m

孔徑大小超濾膜0.1-0.01

m或2000－300,000MW

納濾膜150-1000MW

反滲透膜1－10埃水透過膜分類對(duì)稱膜各向同性結(jié)構(gòu)非對(duì)稱膜復(fù)合膜各向異性無機(jī)膜陶瓷膜和金屬膜納濾材質(zhì)有機(jī)膜（高分子材料）：聚酰胺、聚醚砜平板膜形狀管式膜中空纖維膜第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離二、膜的性能與應(yīng)用（一）膜的種類與結(jié)構(gòu)

對(duì)稱膜是指各向均質(zhì)的致密或多孔膜。

不對(duì)稱膜是由活性層和支持層組成的一種非均質(zhì)的致密膜，早期膜材料為同一物質(zhì)組成。a非對(duì)稱膜b對(duì)稱膜第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離

復(fù)合膜是在多孔性支撐結(jié)構(gòu)上復(fù)合一層很薄的、致密的、有特殊功能的另一種材料的膜層而形成的一種不對(duì)稱膜。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離（二）膜材料材料類別主要聚合物適用場合纖維素類二醋酸纖維素、三醋酸纖維素、硝酸纖維素、醋酸丙酸纖維素微濾、超濾、納濾、反滲透聚酰胺類PA、NY-66反滲透芳香雜環(huán)類聚苯并咪唑、聚苯并咪唑酮、聚哌嗪酰胺、聚酰亞胺反滲透聚砜類聚砜、聚醚砜、磺化聚砜、聚砜酰胺超濾、微濾以及復(fù)合膜支撐。聚烯烴類聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚四甲基戊烯含氟高分子聚全氟磺酸、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離（三）膜性能的表示法1、分離效率截留率分離因子分離系數(shù)XA和yA分別為被分離物質(zhì)A在原液和透過液中的摩爾分?jǐn)?shù)第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離2、滲透通量單位時(shí)間內(nèi)通過單位膜面積的透過物量表示。3、通量衰減系數(shù)第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離（四）影響膜分離的因素1、濃差極化：膜表面溶質(zhì)濃度升高，使溶液滲透壓升高，有效推動(dòng)力西江，溶劑滲透通量下降；膜表面溶質(zhì)濃度升高，使溶質(zhì)通過膜孔的傳質(zhì)推動(dòng)力增大，溶質(zhì)滲透通量提高，截留率降低；膜表面溶質(zhì)濃度升高，膜表面形成沉淀，阻塞膜孔，減少溶劑的滲透通量；膜分離性能改變出現(xiàn)膜污染，膜透過性能大幅下降，甚至完全消失。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離2、膜污染及處理膜污染即是指膜在使用過程中，盡管操作條件保持不變，但其通量仍逐漸降低。膜的污染（fouling）被認(rèn)為是超濾過程中的主要障礙。膜污染的主要原因是顆粒堵塞和膜表面物理吸附。膜清洗可分為物理法（等壓清洗、增加流速、改變流動(dòng)方向）化學(xué)法（酸、堿、酶（蛋白酶）、贅合劑、表面活性劑、過氧化氫、次氯酸鹽、磷酸鹽、聚磷酸鹽等），或兩者結(jié)合起來第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離（五）操作條件的選擇膜孔的選擇：孔徑適宜，過大會(huì)阻塞，清洗困難pH的控制：應(yīng)遠(yuǎn)離蛋白質(zhì)、氨基酸、多肽物質(zhì)的等電點(diǎn)，減少膜的吸附量。其他條件的選擇：提高膜表面切線速度，但不宜過大；錯(cuò)流操作；增大料液流速減少濃差極化層厚度，以提高通量；脈沖操作，可減緩污垢形成，使高滲透率恒定；盡量提高操作溫度。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離三、膜組件(一)板框式膜組件平板式膜組件的基本構(gòu)造是膜、原液通道和透過液通道相互交替重疊壓緊。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備進(jìn)水透過水濃縮水耐壓容器透水板半透膜板框式膜組件工作過程示意圖特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，保留體積小，能耗低。缺點(diǎn)：裝卸復(fù)雜，單位體積膜表面積小。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離

粗管按照管斷面直徑毛細(xì)管內(nèi)壓式（二）管式組件膜位置外壓式單管式管數(shù)串聯(lián)式列管式并聯(lián)式第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離（二）管式組件外壓式：膜在多孔支撐管外側(cè)涂敷，原液在管外流動(dòng)內(nèi)壓式：膜在多孔支撐管內(nèi)側(cè)涂敷，原液在管內(nèi)流動(dòng)第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備內(nèi)壓式管式膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖特點(diǎn):

水力條件好，安裝、清洗、維修比較方便。能耐高壓，可以處理高粘度的原水。缺點(diǎn)是膜的有效面積小，裝置體積大，壓降大。淡水淡水膜表皮層玻璃纖維管進(jìn)水第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離（三）中空纖維管第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備中空纖維超濾組件簡圖

進(jìn)水濃水透過水多孔進(jìn)水管濃水出口透過水出口密封中空纖維膜外徑50－200μ內(nèi)徑25－42μ密封耐壓容器第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離（三）中空纖維管優(yōu)點(diǎn)：保留體積小，單位體積中所含膜面積大，可以逆洗，操作壓力低，動(dòng)力消耗較低。缺點(diǎn)：料液需要預(yù)處理，單根纖維損壞時(shí)，需要調(diào)換整個(gè)膜件。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

(四)卷式膜組件

進(jìn)水沿膜袋外側(cè)的進(jìn)水網(wǎng)格從膜元件的一端進(jìn)入膜元件，部分作為產(chǎn)水透過膜，其余部分作為濃水從膜元件的另外一側(cè)排出。透過膜的產(chǎn)水進(jìn)入膜袋，沿產(chǎn)水網(wǎng)格呈螺旋狀向內(nèi)流動(dòng)，經(jīng)過中心管上的孔進(jìn)入中心集水管，通過產(chǎn)水排出口流出。第三節(jié)膜分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備卷式膜組件的組裝示意圖進(jìn)水口耐壓容器連接器膜組件密封圈端蓋產(chǎn)品水濃水第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第三節(jié)膜分離（四）卷式組件優(yōu)點(diǎn)：單位體積中所含膜面積大，更換新膜容易，結(jié)構(gòu)緊湊缺點(diǎn)：料液需要預(yù)處理，壓降大，易污染，清洗困難。適合低粘度、滲透量大、濃縮倍數(shù)較低的料液處理和水處理。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備卷式/管式膜分離設(shè)備第三節(jié)膜分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備四、膜過濾技術(shù)：微濾：又稱微孔過濾，基于篩分過程，在靜壓差作用下濾除0.1-75μm的微粒的膜分離過程。微濾膜的特征：孔徑均一，孔隙率高；濾材??；驅(qū)動(dòng)壓力低，流動(dòng)阻力小第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備超濾（簡稱UF）是以壓力為推動(dòng)力，根據(jù)相對(duì)分子量不同來進(jìn)行分離的膜技術(shù)。居于納濾（NF）與微濾（MF）之間，截留分子量范圍為1000-300000道爾頓，相應(yīng)膜孔徑大小的近似值為50—1000A。超濾的特點(diǎn)：分離過程無相變，節(jié)能顯著；常溫分離，適宜熱敏性物質(zhì)的分離與濃縮；推動(dòng)力為壓力，奮力裝置簡單，操作方便易控；適應(yīng)范圍廣第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備納濾：以壓力為推動(dòng)力，根據(jù)相對(duì)分子量不同來進(jìn)行分離的膜技術(shù)。居于納濾（NF）與反滲透之間，截留分子量范圍為100-1000道爾頓。主要用于膜法軟化水，抗生素、多肽的純化和濃縮，氨基酸的分離與純化以及乳清脫鹽等。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備反滲透：加在溶液側(cè)所加壓力超過了滲透壓，使溶液中的溶劑向純?nèi)軇┮粋?cè)流動(dòng)的過程就叫做反滲透。利用反滲透原理分離溶質(zhì)和溶劑的方法，稱之為反滲透分離。反滲透膜分離技術(shù)具有以下特點(diǎn)：在常溫不發(fā)生相變化的條件下，可以對(duì)溶質(zhì)和水進(jìn)行分離，適用于對(duì)熱敏感物質(zhì)的分離、濃縮，且能耗較低；雜質(zhì)去除范圍廣，包括無機(jī)鹽類和各類有機(jī)物雜質(zhì)；脫鹽率高；分離裝置簡單，易操作、控制和維護(hù)；反滲透膜對(duì)進(jìn)水水質(zhì)有一定的要求。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第四節(jié)過濾與離心分離一、過濾過濾是將料液通過固體支持或者過濾介質(zhì)時(shí)，使得固體物質(zhì)從溶液中分離，對(duì)于好的定形的晶體，這是一種最直接的步驟。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

濾餅傳統(tǒng)的過濾cakeConventionalfiltration第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備最普遍的是板框式過濾機(jī)，有可填充的、金屬隔片的和凹顯空間濾餅的。其它類型還有平的金屬板，可用濾紙或?yàn)V布過濾介質(zhì)在開放式框架上分離形成濾餅。這種過濾機(jī)適合于相對(duì)的干性濾餅，能被清除，不適合有毒氣和生物危害物的濾餅。其它三種過濾機(jī)是封閉型的，可過濾揮發(fā)性和有生物危害物質(zhì)，一般用于小規(guī)模生產(chǎn)。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備帶式過濾機(jī)PBF系列連續(xù)水平真空帶式過濾機(jī)是一種自動(dòng)化程度高的新型過濾設(shè)備，該機(jī)以過濾布或?yàn)V網(wǎng)為介質(zhì)，使料漿水平布置于過濾介質(zhì)之上，充分利用料漿重力和真空吸力實(shí)現(xiàn)固液分離。連續(xù)水平真空帶式過濾機(jī)可適用于多種濃度條件下的物料，過濾效率高，因而被諸多工業(yè)部門優(yōu)先采用。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備特點(diǎn)：喂料、過濾、洗滌、脫渣、濾布再生可連續(xù)自動(dòng)完成，自動(dòng)化程度高?？蓪?duì)物料進(jìn)行多級(jí)平流或逆流洗滌，過濾液（母液）和洗滌液可分開集液。對(duì)過濾性差，粘度高的物料，可實(shí)現(xiàn)薄層快速過濾。模塊式設(shè)計(jì)，可靈活組合，適應(yīng)性強(qiáng)。采用PLC控制，便于遠(yuǎn)程及集中控制。采用蛇形糾偏，解決了濾布的跑偏及打折。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備不銹鋼板框過濾機(jī)(紙板過濾機(jī))用于各種懸浮液的固液分離，適用范圍廣。應(yīng)用于食品、環(huán)保、輕工、醫(yī)藥、化工、冶金、石油等工業(yè)。特別適用于大批量啤酒、白酒、葡萄酒、食用油等液體飲料的精濾或除菌過濾。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)預(yù)涂層真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)一般用于含粘性雜質(zhì)物料的連續(xù)過濾，其優(yōu)點(diǎn)是雜質(zhì)分離徹底、過濾速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低和工作區(qū)環(huán)境好，其缺點(diǎn)是需消耗硅藻土助濾劑。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備（二）過濾的基本理論

1、過濾速率方程式單位時(shí)間內(nèi)濾過的濾液體積，稱為過濾速率，單位為m3/s。如過濾時(shí)間為dτ，濾液體積為dV，過濾面積為A，則過濾速率為dV/dτμ－液體的粘度；ω為單位體積濾液可得干濾餅質(zhì)量；V－濾液體積，單位面積上干濾餅質(zhì)量為ωV/A時(shí)的濾餅阻力；γ’—比例系數(shù)，表示單位過濾面積的干濾餅質(zhì)量為1kg/m2時(shí)的阻力，稱為濾餅的比阻，m/kg；把過濾介質(zhì)也看做濾液量，稱為當(dāng)量濾液量Ve

；A－過濾面積第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備（二）過濾的基本理論2、恒壓過濾①過濾體積與過濾時(shí)間的關(guān)系對(duì)上式進(jìn)行積分得令則令則

從上式可知恒壓過濾時(shí)濾液體積與過濾時(shí)間的關(guān)系為一拋物線關(guān)系。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

例題1

轉(zhuǎn)筒式真空過濾機(jī)過濾某懸浮液，在真空度為30kPa時(shí)，過濾常數(shù)K＝1.8×10-5m2/s，濾布的qe＝0.01m3/m2，轉(zhuǎn)筒直徑2.6m，轉(zhuǎn)筒寬度2.6m，轉(zhuǎn)速0.13r.p.m，轉(zhuǎn)筒浸入濾液的角度為130度，求每小時(shí)處理濾液的體積？轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間全部轉(zhuǎn)筒面積進(jìn)行過濾操作的旋轉(zhuǎn)周期在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，全部轉(zhuǎn)筒面積用于過濾操作的時(shí)間是代入式得第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備則每小時(shí)處理濾液體積

第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備例2、用DMS20/635-25（26個(gè)框）板框式壓濾機(jī)過濾某種懸浮物，△P＝1.95×105Pa，過濾常數(shù)K＝1.13×10-4m2/s，qe＝0.023m3/m2，1m3濾液可以得到0.018m3濾餅，求濾餅充滿濾框所需時(shí)間？過濾后用清水洗滌濾餅，洗水體積為過濾體積的10％，求洗滌時(shí)間？每批操作的輔助時(shí)間為15min，求過濾機(jī)的生產(chǎn)能力？（1）濾框體積V＝0.6352×0.025×26＝0.2621m3

濾液體積V＝0.2621/0.018＝14.56m3

過濾面積A＝0.6352×2×26＝21m2第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備所以單位過濾面積通過濾液體積q＝14.56/21＝0.6934m3/m2將qe＝0.023m3/m2，K＝1.13×10-4m2/s以及q代入得濾餅充滿濾框所需時(shí)間τ＝4537s（2）洗液體積為VW＝0.1V＝1.456m3洗滌速率（過濾終了時(shí)過濾速率）洗滌時(shí)間第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備（3）操作周期生產(chǎn)能力第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備二、離心分離通過離心機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，使離心加速度超過重力加速度的成百上千倍，而使沉降速度增加，以加速藥液中雜質(zhì)沉淀并除去的一種方法。其原理是利用混合液密度差來分離料液，比較適合于分離含難于沉降過濾的細(xì)微?；蛐鯛钗锏膽腋∫?。過濾式離心機(jī):懸浮固體顆粒較大、固體含量較高沉降式離心機(jī):懸浮固體濃度較低分離機(jī):兩種互不相溶的、密度有微小差異的乳濁液第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備離心分離基本原理重力沉降速度:離心力場中沉降速度:二、離心分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備離心分離因數(shù)懸浮粒子在離心力場中受到的離心慣性力與其受重力之比

普通離心機(jī)，f＜3000，一般為600～1200，轉(zhuǎn)鼓直徑大，轉(zhuǎn)速低，可用于分離0.01～1.0mm固體顆粒。高速離心機(jī)，f=3000～50000。轉(zhuǎn)鼓直徑小，可用于乳濁液的分離。超速離心機(jī)，f＞50000，轉(zhuǎn)速高（可達(dá)50000r／min），適用于分散度較高的乳濁液的分離。二、離心分離第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備二、離心分離對(duì)離心場中速率方程積分得：第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

采用離心機(jī)分離發(fā)酵液中的酵母細(xì)胞，酵母細(xì)胞直徑8μm，密度1.05g/cm3，發(fā)酵液粘度1.005×10－3N.s/m2，密度為1.0g/cm3，離心機(jī)轉(zhuǎn)筒直徑20cm，形成液膜的厚度為3cm，轉(zhuǎn)速2000r.p.m，求分離酵母所用的時(shí)間？第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

連續(xù)加料條件下，如果加料速度與出料速度相同時(shí)，物料在離心場中停留時(shí)間等于轉(zhuǎn)筒內(nèi)物料體積與加料速度之比，即

t＝V/VS其中當(dāng)物料流出轉(zhuǎn)筒時(shí)，其中的顆粒正好沉降下來，則此時(shí)物料在轉(zhuǎn)筒內(nèi)停留時(shí)間等于顆粒沉降時(shí)間，故有第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

例題2見上題（未知酵母細(xì)胞的直徑），且離心機(jī)轉(zhuǎn)筒高度1m，加料速度為0.2L/s，求可分離的酵母細(xì)胞的直徑？據(jù)公式可知酵母的直徑為第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備二、離心分離管狀轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)簡單具有很高的離心分離因數(shù)轉(zhuǎn)鼓易冷卻適用于固體顆粒直徑0.01~100μm，固相濃度＜1%，兩相密度差＞10g/m3的難分離的懸浮液或乳濁液的分離

（二）離心分離設(shè)備管式離心機(jī)

第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備泵送流量生產(chǎn)能力取決于：待分離固體粒子及溶液的性質(zhì)(由ug反映)；C所代表的特定離心機(jī)的分離特性(幾何特性參數(shù))第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備管式離心機(jī)能澄清及分離流體物質(zhì)，被應(yīng)用于化學(xué)、生物化學(xué)、制藥、血漿等研究領(lǐng)域。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備碟片離心機(jī)碟式離心機(jī)是沉降式離心機(jī)中的一種，用于分離難分離的物料（例如粘性液體與細(xì)小固體顆粒組成的懸浮液或密度相近的液體組成的乳濁液等）。分離機(jī)中的碟式分離機(jī)是應(yīng)用最廣的沉降離心機(jī)。碟式離心機(jī)可以完成兩種操作：液-固分離（即低濃度懸浮液的分離），稱澄清操作；液-液（或液-液-固）分離（即乳濁液的分離），稱分離操作。以其結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，生產(chǎn)能力大等特點(diǎn)，因而在化工、醫(yī)藥、輕工、食品、生物工程以及交通運(yùn)輸部門都獲得廣泛應(yīng)用。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備泵送流量簡單的碟式離心機(jī)：間歇操作，停機(jī)打開轉(zhuǎn)鼓清除沉渣，懸浮液中固體含量不超過l％。自動(dòng)除渣碟式離心機(jī)：在有特殊形狀內(nèi)壁的轉(zhuǎn)鼓壁上開設(shè)若干噴嘴（或活門），適合處理較高固體含量的料液，其分離因數(shù)一般為6000～1000。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備（三）離心分離過程的放大第一種方法是應(yīng)用等效時(shí)間te的近似方法；Re-特征半徑，通常用轉(zhuǎn)鼓半徑表示，m；t-分離時(shí)間，s。第二種方法是利用離心機(jī)的幾何特性參數(shù)C，進(jìn)行定量分析。

te=

第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備第5節(jié)

色譜法分離技術(shù)

第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備5.1色譜法基本原理

色譜法的分離原理是利用物質(zhì)在流動(dòng)相與固定相中分配系數(shù)的差異實(shí)現(xiàn)分離的。在待分離的各組分隨著流動(dòng)相流過填充著固定相的色譜柱的過程中，分配系數(shù)大的組分遷移速度慢，而分配系數(shù)小的組分則遷移速度快被分離。色譜分離的關(guān)鍵是被分離混合物中各組分在柱上能夠形成差速遷移。這種差速遷移是分離的基礎(chǔ)。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備5.2色譜法基本理論5.2.1色譜參數(shù)一、色譜流出曲線和色譜峰第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備5.2.1色譜參數(shù)1、色譜流出曲線樣品被流動(dòng)相沖洗，通過色譜柱，流經(jīng)檢測器，所形成的濃度信號(hào)隨洗脫時(shí)間而繪制的曲線2、基線檢測器中只有流動(dòng)相通過或雖有樣品的濃度變化而不能為檢測器所檢出時(shí)，所給出的流出曲線。3、色譜峰色譜流出曲線上的突起部分第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備5.2.1色譜參數(shù)色譜峰分為正常峰、拖尾峰和前延峰三種，分別對(duì)應(yīng)不同的吸附或分配等溫線A、B、C第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備5.2.1色譜參數(shù)正常峰、拖尾峰可以用對(duì)稱因子來衡量

0.95～1.05之間為正常峰；小于0.95為前延峰；大于1.05為拖尾峰第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備5.2.1色譜參數(shù)二、定性參數(shù)1、保留時(shí)間1）保留時(shí)間從進(jìn)樣開始到某組分的色譜峰頂?shù)臅r(shí)間間隔tR

2）死時(shí)間不被固定相吸附或溶解的組分的保留時(shí)間tM

3）調(diào)整保留時(shí)間某組分由于被固定相吸附或溶解，而比不溶解或吸附的組分在柱中多停留的時(shí)間tR?＝tR－tM2、保留體積1）保留體積流動(dòng)相攜帶樣品進(jìn)入色譜柱，由進(jìn)樣開始，到某組分在拄后出現(xiàn)濃度極大值時(shí)，所需流動(dòng)相通過色譜柱的體積。2）死體積進(jìn)樣口至檢測器出口，未被固定相占有的空間。3）調(diào)整保留體積扣除死體積后的保留體積。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備5.2.1色譜參數(shù)3、比移值1）定時(shí)展開組分遷移距離與溶劑遷移距離之比

Rf＝L/L02）定距展開流動(dòng)相與組分通過色譜柱的保留時(shí)間之比。

Rf＝tM/tR第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備5.2.1色譜參數(shù)三、柱效參數(shù)1、區(qū)域?qū)挾?）標(biāo)準(zhǔn)偏差σ

峰高0.607倍處峰寬的一半。其值越小，分散程度小，極點(diǎn)濃度大，峰形窄，柱效高。2）半峰寬W1/2

色譜峰峰高一半處的峰寬

W1/2

＝2.355σ3）峰寬

W＝4σ＝1.699W1/2第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備5.2.1色譜參數(shù)2、理論塔板數(shù)和理論塔板高度1）理論塔板數(shù)2）理論塔板高度第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備5.2.1色譜參數(shù)四、分離參數(shù)1、分離度R

相對(duì)保留值α為分配系數(shù)比（K2/K1）或容量因子之比（k2/k1

）k2為相鄰兩組分中保留時(shí)間較長的組分的容量因子，k1為保留時(shí)間較短的組分的容量因子。

第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

例1X、Y、Z三組分混合物,經(jīng)色譜柱分離后，其保留時(shí)間分別為：5min、7min、12min，不滯留組分的洗脫時(shí)間為1.5min，試求：(1)Y對(duì)X的相對(duì)保留值是多少？(2)Z對(duì)y的相對(duì)保留值是多少?(3)Y組分在色譜柱中的容量因子是多少?(4)X對(duì)Y的容量因子之比是多少?第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

例2采用3m色譜柱對(duì)A、B二組分進(jìn)行分離，此時(shí)測得非滯留組分的tM值為0.9min，A組分的保留時(shí)間為15.1min，B組分的保留時(shí)間為18.0min，要使二組分達(dá)到基線分離(R＝1.5)，問最短柱長應(yīng)選擇多少米(設(shè)B組分的峰寬為1.1min)?第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

例3A,B二組分的分配系數(shù)之比為0.912，要保證二者的分離度達(dá)到1.20，柱長應(yīng)選擇多少米?設(shè)有效塔板高度為0.95mm。解因?yàn)镵A/KB＝0.912說明B組分后出峰故α＝1/0.912＝1.096又

Heff

＝0.95mm所以L＝neff×Heff＝3002×0.95＝2851.9mm＝2.85m第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備

在3m長的PEG—400柱上測得甲烷的保留時(shí)間為1.83min，戊酮-2的保留時(shí)間為6.83min，半高峰寬為3.5mm，記錄紙速度為10mm／min，求該柱理論塔板數(shù)和有效塔板高度。

[答：n=2112，Heff＝2.65mm]A、B二組分在某柱上的保留時(shí)間分別為13.5min和13.8min，理論塔板數(shù)對(duì)二組分均為4100，試問：A、B二組分能分離到何種程度？假設(shè)A、B二組分保留時(shí)間不變，分離度要達(dá)到1.0時(shí)，(按峰寬度計(jì)算)，理論塔板數(shù)為多少?[答(1)A、B二組分能分離度只有0.35，基本分不開；(2)n=33469]第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備5.2.2塔板理論塔板理論的幾個(gè)假定：在柱內(nèi)一小段長度H內(nèi)，組分可以在兩相間迅速達(dá)到平衡。這一小段柱長稱為“理論塔板高度”2.流動(dòng)相以脈動(dòng)形式進(jìn)入色譜柱，每次進(jìn)氣為一個(gè)塔板體積（△Vm)。3.所有組分開始時(shí)存在于第0號(hào)塔板上，而且試樣沿軸（縱）向擴(kuò)散可忽略。4.分配系數(shù)在所有塔板上是常數(shù)，與組分在某一塔板上的量無關(guān)。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備載氣體積數(shù)1234567891011121301234柱出口組分在n=5,k=1,m=1時(shí)，柱內(nèi)任一板上分配圖塔板號(hào)010000000000000000.50.50.50.250.250.250.250.1250.1250.3750.3750.3750.0630.0630.0320.1570.1570.0320.3130.3130.3130.0160.0950.2350.2350.0790.0080.0560.1650.2740.2740.1180.0040.0320.1110.2200.2740.1380.0020.0180.0720.1660.2470.1380.0010.0100.0450.0940.2070.12400.0050.0280.0700.1510.104000.0020.0160.0490.1100.0760.0010.0100.0330.0800.056△

△△△△△△△△△△△△第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備流出曲線數(shù)學(xué)模型經(jīng)N次轉(zhuǎn)移后，在各塔板上組分含量的分布符合Nm

s4+4msssmmmmmmmmmm+6+4+33224（）

的二項(xiàng)式展開式。如N=4，k=1時(shí)，展開式為:msm+m02431第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備組分在N=4時(shí)，柱中的質(zhì)量分布曲線024n310.375m第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備塔板理論流出曲線方程導(dǎo)出的理論塔板數(shù)與色譜峰底寬的關(guān)系n=5.54(trtrWW1/22)=16()H=LnH=Lneffeff理論塔板數(shù)有效理論塔板數(shù)理論塔板高度有效理論塔板高度2Wn

=

5.54(trtrW1/22)=16()eff’’2第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備塔板理論的意義1.用熱力學(xué)觀點(diǎn)描述了溶質(zhì)在色譜中的分配平衡和分離過程

2.導(dǎo)出流出曲線的數(shù)學(xué)模型，并成功解釋了流出曲線的形狀及濃度極大值的位置

3.提出了計(jì)算和評(píng)價(jià)柱效的參數(shù)第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備小結(jié)及習(xí)題基本原理色譜參數(shù)計(jì)算塔板理論第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備5.3色譜法的分類

填充柱色譜法氣相色譜法毛細(xì)管柱色譜法經(jīng)典液相色譜法柱色譜法高效液相色譜法色譜法液相色譜法薄膜色譜法平面色譜法紙色譜法薄層色譜法逆流分配色譜法超臨界流體色譜法填充毛細(xì)管電色譜法毛細(xì)管電色譜法開管毛細(xì)管電色譜法毛細(xì)管電泳色譜法第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備5.4氣相色譜氣相色譜（Gaschromatography,GC）包括氣液色譜和氣固色譜，使用氣體為流動(dòng)相，并把它叫做載氣。在氣液色譜(中，固定相是附著在呈惰性的固體支撐的表面和孔隙中的液體。目前，最常用的支撐是含硅藻土的硅石在氣固色譜中，固定相是一種固體吸附劑，如：硅石、礬土。另外還有多一孔高聚物，如：聚乙烯（苯乙烯，聯(lián)乙烯，苯）等也同樣可以使用。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備氣相色譜（三）第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備氣相色譜結(jié)構(gòu)簡圖(一)第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備氣相色譜儀組成1.載氣系統(tǒng)：包括氣源、凈化干燥管和載氣流速控制;常用載氣N2、H2、He、Ar，輔助氣O2、H2；2.進(jìn)樣系統(tǒng)：進(jìn)樣器（六通閥、微量注射器）及氣化室；3.色譜柱：填充柱（填充固定相）或毛細(xì)管柱（內(nèi)壁涂有固定液）；4.檢測器：可連接各種檢測器，以熱導(dǎo)檢測器或氫火焰檢測器最為常見；5.記錄系統(tǒng)：放大器、記錄儀或數(shù)據(jù)處理儀；6.溫度控制系統(tǒng)：柱室、氣化室的溫度控制。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備氣相色譜結(jié)構(gòu)簡圖(二)1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干燥管；4-針形閥；5-流量計(jì)；6-壓力表；7-進(jìn)樣器；8-色譜柱；9-檢測器；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀；第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備氣相色譜進(jìn)樣第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備氣相色譜填充柱R第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備氣相色譜毛細(xì)管柱R第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備常見檢測器一、熱導(dǎo)檢測器（TCD)池體：一般用不銹鋼制成，熱敏元件：電阻率高、電阻溫度系數(shù)大、且價(jià)廉易加工的鎢絲制成。參考臂：僅允許純載氣通過，通常連接在進(jìn)樣裝置之前。測量臂：需要攜帶被分離組分的載氣流過，則連接在緊靠近分離柱出口處。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備熱導(dǎo)池結(jié)構(gòu)雙臂熱導(dǎo)池四臂熱導(dǎo)池第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備熱導(dǎo)檢測器的特點(diǎn)：通用型濃度敏感型非破壞型第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備二.火焰離子化檢測器(FID)氫焰檢測器的結(jié)構(gòu)：(1)在發(fā)射極和收集極之間加有一定的直流電壓（100—300V）構(gòu)成一個(gè)外加電場。

(2)氫焰檢測器需要用到三種氣體：

N2：載氣攜帶試樣組分；

H2

：為燃?xì)?；空氣：助燃?xì)?。使用時(shí)需要調(diào)整三者的比例關(guān)系，檢測器靈敏度達(dá)到最佳。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備氫焰檢測器的特點(diǎn):

典型的質(zhì)量型檢測器，對(duì)有機(jī)化合物具有很高的靈敏度，破壞型檢測器無機(jī)氣體、水、四氯化碳等含氫少或不含氫的物質(zhì)靈敏度低或不響應(yīng)。結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)。比熱導(dǎo)檢測器的靈敏度高出近3個(gè)數(shù)量級(jí)，檢測下限達(dá)10-12g·s-1。

第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備三.電子俘獲檢測器(ECD)第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備濃度敏感型檢測器。高選擇性檢測器，僅對(duì)含有鹵素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的靈敏度，檢測下限10-14g/mL，是目前分析痕量電負(fù)性有機(jī)物最有效的檢測器對(duì)大多數(shù)烴類沒有響應(yīng)。較多應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)品、食品及環(huán)境中農(nóng)藥殘留量的測定。電子俘獲檢測器的特點(diǎn)：第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備四.火焰光度檢測器(FPD)第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備高選擇性檢測器，只對(duì)硫、磷化合物有信號(hào)。高靈敏度檢測器第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備4.4氣相色譜試驗(yàn)條件的選擇1、色譜柱的選擇1）固定液的選擇低沸點(diǎn)組分高配比高沸點(diǎn)組分低配比2）柱長的的選擇0.5-6米

第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備4.4氣相色譜2、柱溫的選擇在保證待分離物質(zhì)達(dá)到要求的分離度條件下，盡量使用低柱溫：寬沸程樣品，程序升溫進(jìn)行分離。3、載氣的選擇

1）低流速氮?dú)?；高流速氫氣或氦氣?）在最佳流速以上。3）較長色譜柱，會(huì)產(chǎn)生較大壓降，宜采用氫氣或氦氣。4）熱導(dǎo)檢測器氫氣或氦氣：氫焰離子化檢測器氮?dú)?、進(jìn)樣量進(jìn)樣量盡可能小5、氣化溫度以不超過樣品沸點(diǎn)五十度為宜。氣化溫度高于柱溫10-50度。第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備氣相色譜分離結(jié)果圖第3章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備小結(jié)及習(xí)題色譜分類氣相色譜（定