Рекуперация и ректификация

Рекуперация (от лат. recuperatio - возвращение, получение вновь) - технологический прием, осуществляемый с целью возвращения в производство части ценных растворителей из отработанного сырья, конденсатов и т. д.

При получении экстракционных препаратов из растительного или животного сырья в качестве экстрагента широко используется этанол, большое количест во которого остается в материале после извлечения Во избежание потерь этанола, для снижения себестоимости готовой продукции и обеспечения рентабельности производства проводят частичную или полную его рекуперацию.

Частичная рекуперация этанола. Она сводится к отгонке этанола с водяным паром или вытеснению его водой, объем которой должен быть 3-5-кратным по отношению к массе сырья. Рекуперация проводится в экстракторах, перколяторах или других емкостях, где материал настаивается в течение 2-3ч, после чего промывные воды медленно сливают Рекуперат содержит 6- 10% этанола и различные красящие вещества, придающие ему темный цвет.

Отгонка с водяным паром проводится в экстракторах с паровой рубашкой или в специальных установках, работающих при атмосферном давлении. Установка состоит из перегонного куба с ложным дном и паровой рубашкой. Через «хобот» куб соединен с холодильником (конденсатором). Загрузка и выгрузка шрота осуществляется через люки, расположенные в крышке и нижней части аппарата. Шрот поступает на ложное дно перегонного куба, под которым проложен барботер для подачи острого пара. Обогрев куба начинается с поступления пара в паровую рубашку и длится до 6 ч, пока материал полностью не прогреется. Затем через барботер подается острый пар, который равномерно проходит через всю толщу сырья и увлекает этанол. Дистиллят собирают в приемник. Рекуператы бесцветны, содержат от 20 до 25% этанола, имеют определенный запах за счет летучих компонентов, увлекаемых из сырья водяным паром, в результате чего применение их ограничено. После укрепления рекуператы могут быть использованы для экстрагирования сырья того же вида.

Для очистки и укрепления этанольных рекуператов в производстве широко используют ректификацию (полную рекуперацию).

Ректификация (от лат. rectificatio - исправление, очистка) заключается в разделении смеси взаимо-смешивающихся жидкостей с разной температурой кипения на индивидуальные компоненты, в системах, содержащих азеатропы - на азеатропную смесь и один из компонентов.

В широком смысле перегонка представляет собой процесс, осуществляемый однократно или многократно, включающий частичные испарения разделяемой смеси с последующей конденсацией образующихся паров. Разделение смеси летучих жидкостей, имеющих разную температуру кипения, на фракции путем однократной простой перегонки неполное. Так как температура кипения отдельных компонентов смеси разная, состав пара над кипящей жидкостью отличается от ее состава. Пар содержит больше легколетучего (низкокипящего) компонента, чем жидкость, из которой он образуется.

При кипячении рекуперата (этанольно-водной смеси) пар обогащается этанолом как низкокипяшим компонентом. Сконденсированный пар - дистиллят представляет собой более концентрированный этанол по сравнению с исходной этанольно-водкой смесью.

 

Рис. 14.12. Диаграмма состав - свойства.

 Объяснение тексте

 

В процессе перегонки состав рекуперата и паровой фазы постепенно меняется. По мере испарения низко-кипящего компонента (этанола) из рекуперата, температура его непрерывно растет, пар все больше обогащается высококипящим компонентом (парами воды), а содержание низкокипящего компонента - уменьшается. Дальнейшая перегонка теряет смысл, так как концентрация этанола в получаемом дистилляте начинает уменьшаться. Для более полного разделения смеси летучих жидкостей применяют многократную перегонку - ректификацию, осуществляемую путем противоточного взаимодействия паров, образующихся при перегонке жидкости, и флегмы, получающейся при конденсации паров. Процессы испарения и конденсации повторяются многократно и сопровождаются массо- и теплообменом,

Процесс ректификации можно проследить на диаграмме «Состав - свойства», представляющей зависимость температур кипения и конденсации от состава жидкости и пара (t -X-Y) (рис. 14.12).

Диаграмма выражена двумя кривыми, соединенными между собой в двух точках. Точка А - температура кипения воды (100°С при 101324,72 Н/м²)

Точка D - температура кипения азеотроплой смеси (жидкая фаза находится в равновесном состоянии с паровой фазой того же состава). Нижняя кривая - линия кипения, верхняя - линия конденсации. Пространство под нижней кривой представляет область жидкости, выше верхней - пара. Между линиями кипения и конденсации существует двухфазная область жидкости и пара. По диаграмме можно определить температуру кипения этамольно-водной смеси любого состава. Для этого необходимо провес г и вертикаль до пересечения с линией кипения и затем спроектировать точку на ось ординат Можно также найти состав пара какой-либо смеси, для чего на оси абсцисс откладывают ее состав и из данной точки проводят вертикаль до пересечения с линией кипения и далее из точки пересечения - горизонталь до линии конденсации. Абсцисса найденной точки пересечения выражает искомый состав пара.

На диаграмме видно, что температура кипения смеси ниже температуры кипения чистого высоко-кипящего компонента и выше - чистого низкокипящего. По мере увеличения в смеси низкокипящего компонента температура ее кипения понижается. Абсциссы линий конденсации больше абсцисс линии кипения при тех же ординатах, т. е. жидкая и паровая фазы, находящиеся в равновесном состоянии, имеют различный состав. При частичной конденсации паровой фазы образующийся дистиллят имеет температуру кипения выше температуры конденсации пара.

Линия С-C₁, на которой расположены точки, показывает различную степень конденсации паров от 0 в точке С до полной - 100% в точке С₁,

Нагревая исходную смесь состава Х₁ до температуры кипения t₁, получим находящийся в равновесии с жидкостью пар состава Х₃, обогащенный низкокипящим компонентом (этанолом). При частичной конденсации этого пара В- B₁ в дистиллят переходит больше высококипящего компонента, а в паровой фазе остается больше низкокипящего, но температура кипения полученного дистиллята будет ниже температуры кипения исходной смеси. При дальнейшей частичной конденсации пара, обогащенного низкокипящим компонентом, образующийся дистиллят будет иметь еще более низкую температуру кипения (t₃), чем предыдущий, а образующийся пар обогатится низкокипящим компонентом и т.д. до образования нераздельно кипящей смеси (азеотропа).

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, разрежении для разделения высо-кокипящих смесей и под давлением выше атмосферного дня смесей, которые при более низких величинах давления находятся в газообразном состоянии.

 

 

Рис. 14.13. Устройство посадочной ректификационной колонны.

1 - дефлегчатор. 2 - иагальи. 3 - концевой холодильник

 

Ректификационные установки. Процесс ректификации проводят в установках, которые состоят из ректификационной колонны, перегонного куба, дефлегматора, конденсатора-холодильника и сборника дистиллята. Ректификационная колонна представляет собой цилиндрический аппарат высотой от 15 до 30 м и диаметром от 1 до 6 м. В зависимости от внутреннего устройства ректификационные колонны делят на насадочные (рис. 14.13) и барботажные, имеющие ситчатые (рис. 14.14) или колпачковые (рис. 14.15) тарелки. Назначение внутреннего устройства - обеспечить наиболее тесный контакт паров, поднимающихся снизу, с жидкой фазой, стекающей по колонне сверху вниз.

Дефлегматор (кожухо-трубный теплообменник) предназначен для полной или частичной конденсации паров (при охлаждении водой, имеющей температуру 60-80°С). Холодильник представляет собой концевой конденсатор, в котором происходит охлаждение дистиллята и конденсация паров, прошедших через дефлегматор и оставшихся в парообразном состоянии. Рекуперат поступает в перегонный куб, обогреваемый глухим паром, и доводится до кипения. Образующиеся пары поднимаются вверх-, попадают в ректификационную колонну и далее в дефлегматор, откуда в виде конденсата, так называемой флегмы, возвращаются в верхнюю часть колонны.

Насадочные колонны представляют собой цилиндрические аппараты. Для создания большей поверхности фазового контакта и интенсивности перемешивания жидкой и паровой фаз в них загружают насадку - твердые тела различной формы: шары, кольца, тонкостенные цилиндры, изготовленные из керамики, фарфора, стали. Насадки засыпают беспорядочно или правильными рядами в виде отдельных слоев, высотой от 1,5 до 3,0 м, между которыми устанавливают направляющие конусы. В зависимости от режима движения жидкости и пара насадочные колонны могут работать с различной эффективностью. В первом случае, когда поток пара является сплошным, а жидкость стекает по насадке тонкой пленкой, соприкосновение фаз определяется величиной поверхности насадки. Если движение пара ускоряется за счет барбо-тирования через жидкость, контакт между фазами возрастает, что приводит к интенсификации процесса массообмена. При эмульгировании жидкость заполняет весь объем насадки, не занятый паром, и становится дисперсионной средой, а пар - дисперсной фазой, распределенной в жидкости, что еще больше увеличивает степень разделения смеси.

Рис. 14.14. Устройство бзрботажкой, тарельчатой колонны (ситчатой) 1 - ситчатая тарелка; 2 - переливная трубка	Рис. 14.15. Устройство барботажной, тарельчатой колонны (колпачковой) 1 - дефлегматор; 2 - колпачковая тарелка; 3 - концевой холодильник.

 

Барботажные колонны имеют ряд горизонтальных перегородок - тарелок. Режим их работы несколько отличается от насадочных колонн Пар распределяется в жидкости в виде пузырьков и струй, образуя большую поверхность контакта.

Ситчатые тарелки имеют отверстия диаметром 2-5 мм, через которые проходит пар. Он барботирует через слой жидкости на тарелке высотой 25-30 мм, который поддерживается положением верхних концов переливных трубок, а снизу - давлением пара. Жидкость перетекает на следующую тарелку только по переливным трубкам. Взаимодействие между паром и жидкостью происходит на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Для нормальной работы колонны необходимо, чтобы пар имел давление, необходимое для преодоления гидростатического сопротивления жидкости на тарелке. Если давление пара недостаточно, то жидкость будет стекать через отверстия и затапливать колонну.

Колпачковые тарелки снабжены патрубками, накрытыми сверху колпачками. Пар проходит через слой жидкости, уровень которой на тарелке поддерживается переливными трубками. Нижние концы трубок опущены под уровень жидкости следующей тарелки, благодаря чему создается гидрозатвор, предотвращающий прохождение через них пара. Колонны различаются числом колпачков на тарелке. Барботажные колонны обеспечивают довольно хорошее разделение смеси.

Ресгификационные установки независимо от конструкции колонн могут быть как периодического, так и непрерывного действия

В ректификационных колоннах периодического действия вся смесь загружается в куб, где поддерживается ее постоянное кипение. Пар поступает в колонну, орошаемую флегмой, происходит его укрепле ние Другая часть дистиллята из дефлегматора и кон цсвого конденсатора, охлажденная до определенной температуры, попадает в сборник готового продукта. Ректификацию продолжают до тех пор, пока жидкость в кубе не достигнет заданного состава. После этого обогрев куба прекращают, остаток удаляют, а куб загружают новой смесью. В начале процесса в колонну поступают пары, богатые низкокипящим компонентом В этот период в колонну необходимо подавать большое количество флегмы, чтобы выделить из паров содер жащнйся в них высококипящий компонент. В ходе процесса кубовая жидкость обедняется низкокипящим компонентом, а пары все более обогащаются высоко-кипящим. В связи с этим для получения дистиллята постоянного состава необходимо увеличивать количество флегмы. Если же его оставлять постоянным, то в дистилляте будет снижаться концентрация низко-кипящего компонента (этанола)

Недостатками колонн периодического действия являются: ухудшение качества готового продукта и потери тепла при загрузке и выгрузке куба Они устраняются в ректификационных колоннах непрерыв ного действия, состоящих из двух частей нижней, в которой происходит отделение низкокипнщего ком понента из стекающей вниз флегмы, и верхней укрепляющей, назначение которой обогащать поднимающиеся вверх колонны пара низкокипящего компонента

Исходная смесь нагревается до кипения и непре рыв но с определенной скоростью поступает в исчерпывающую часть колонны, затем в дефлегматор, из которого на верхнюю часть колонны подается одинаковое количество флегмы постоянного состава.

Взаимодействие пара и жидкости на тарелках ректификационной колонны можно проследить на диа грамме «Состав-свойства» (рис 14.16) Пар А из куба, имеющий температуру t_A, попадая на нижнюю тарелку, смешивается с жидкостью-флегмой В. При контакте с флегмой, имеющей более низкую температуру – 1_В, пар частично конденсируется. За счет выделяющейся теплоты конденсации жидкость на тарелке кипит. Образовавшийся пар содержит низкокипящего компонента больше, чем пар, поднимающийся из куба. Его состав соответствует положению точки D, а температура - t_В. Флегма, обогатившаяся высококипящим компонентом в момент равновесия системы А, имеет температуру, равную температуре пара, ее состав соответствует точке Е, состав пара при этом будет Y_D, а флегмы Х_Е. На следующей тарелке процесс повторяется. С последней тарелки вверху колонны выходит пар, максимально содержащий низкокипящий компонент (этанол), а с нижней тарелки стекает флегма, состоящая почти целиком из высококипящего компонента.

Рис. 14.16. Диаграмма состав – свойства

Объяснение в тексте.

 

Кроме колонной аппаратуры, для ректификации могут быть использованы роторные аппараты с различной конструкцией контактных устройств: пленочные, капельно-струйные, комбинированные и др. Они работают в режиме турбулентных потоков паровой и жидкой фаз, при атмосферном давлении и под вакуумом. В пленочных роторных ректификационных аппаратах массообмен протекает между вращающимися и невращающимися цилиндрами, стенкой аппарата и ротором, на поверхности пленки и капель. В капельно-струйных аппаратах пар взаимодействует с жидкостью, находящейся в мелкодисперсном состоянии. Максимальная поверхность контакта фаз, в таких аппаратах осуществляется путем многократной деформации капель жидкости. Контактное устройство этих аппаратов может представлять собой гладкие конусные диски, с которых жидкость стекает в центр вращающихся корзин с перфорированной поверхностью. Под действием центробежной силы жидкость поднимается по поверхности корзины и разбрызгивается через отверстия в виде капель и струй. Ударяясь о корпус аппарата, стекает в центр нижерасположенной корзины. Пар поднимается вверх через завесу капель жидкости. Предложены аппараты, в которых конусы устанавливают на внутренней стороне неподвижных и на внешней стороне вращающихся цилиндров, что обеспечивает многократную деформацию капель жидкости и улучшает турбулентное движение пара, проходящего через жидкость в различных направлениях.

Роторные ректификационные аппараты отличаются компактностью, высокой производительностью, небольшим гидравлическим сопротивлением и возможностью использования в нестационарных условиях.

Характеристика укрепленного и абсолютного этанола. При ректификации рекуператов получают очищенный и укрепленный этанол любой крепости - до 97,18% (95,57% по массе), плотность которого составляет 0,8025, температура кипения 78,12°С. Иногда этанол содержит летучие примеси, для удаления которых его обрабатывают углем активированным. При разбавлении водой до концентрации 96,2-96,4% получают этанол-рекуперат, который неограниченно используется в фармацевтическом производстве.

Для проведения аналитических работ, химического синтеза лекарственных веществ на стадии очистки находит применение абсолютный этанол, его температура кипения 78,5°С (78,37°С), плотность 0,78927 Этанол абсолютный получают перегонкой водно-этанольиого раствора при пониженном давлении или в присутствии третьего компонента (бензола) Смесь бензола с водой кипит при температуре более низкой, чем этанольно-водная, что дает возможность выделить отдельно компоненты. Крепкие ректификаты подвергают обезвоживанию с помощью вод оотни мающих средств, перегонкой над натрием или калием металлическим, кипячением в течение нескольких часов с меди сульфатом безводным.

 

Контрольные вопросы

1. В чем заключается физическая сущность процесса экстра i ированин?

2. Каковы особенности экстрагирования высушенного и свежего лекарственного растительного сырья?

3. Чго такое потери на диффузии и каковы возможности н*с уменьшения?

4. Какие факторы влияют на процесс экстрагирования?

5. На чем основан выбор технологии экстракционных препаратов?

6. В чем заключается метод противоточного экстрагирования?

7. Каковы возможности использования метода циркуляционного экстрагирования в аппарате «Соксдета»?

8. Какая аппаратура применяется в производстве настоек и экстрактов?

9. Какие стадии процесса лерколяции существуют в производстве настоек и жидких экстрактов?

10.Какими способами проводится очистка вытяжек при получении настоек и экстрактов? Перечислите используемую аппаратуру

11.Каковы способы стандартизации настоек и жидких экстрактов?

12.Каковы особенности технологии стандартизованных жидких и сухих экстрактов?

13.Каковы способы очистки жидких и густых экстрактов?

14.Из каких стадий состоит процесс получения масляных экстрактов?

15.Каковы перспективы интенсификации технологии экстракционных препаратов?

16.Как осуществляется частичная и полная рекуперация этанола?

17.По какой диаграмме можно проследить процесс ректификации этанола?

18.Каков принцип работы ректификационных установок?

Глава 15
ПРЕПАРАТЫ ИЗ СВЕЖИХ РАСТЕНИЙ. ПРЕПАРАТЫ БИОГЕННЫХ СТИМУЛЯТОРОВ