制药设备第三部分_气固分离及膜分离

第五章制药工程气固分离设备需要气固分离的场合：（一）、发尘量大的设备：如粉碎、过筛、混合、制粒、干燥、压片、包衣等设备。（二）、需要将固体粉末收集后再排空的气体排放过程。（三）、气体的净化处理和过滤除菌。本章内容：（一）旋风分离器（二）袋滤器结构及原理：适用场合：以切向导入式旋风分离器为例（一）捕集直径5~10μm以上粉尘，粉尘颗粒较粗，含尘浓度较大。（二）作为硫化床反应器的内分离装置，或作为预分离器使用。特点：（一）结构简单、操作弹性大、效率较高、管理维护方便，价格低廉。（二）实际操作中应注意控制风速，风速大易产生涡流及返混现象，风速小分离效率低。其它形式：螺旋型、涡旋型、旁路型、扩散型、旋流型、多管式等。第六章制药工程膜分离设备膜分离技术发展简史⊙高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年，耐克特（A.Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。⊙1861年，施密特（A.Schmidt）首先提出了超过滤的概念。他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。⊙然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。1961年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水—丙酮—溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。⊙50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。⊙1967年，DuPont公司研制成功了以尼龙为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜（简称UF膜）、微孔过滤膜（简称MF膜）和反渗透膜（简称RO膜）。以后又开发了许多其它类型的分离膜。在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大的发展。80年代气体分离膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了进—步提高。⊙具有分离选择性的人造液膜是马丁（Martin）在60年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。⊙60年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。⊙70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流动载体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性膜形态推动力膜过程应用实例对称非对称复合压力差反渗透超滤微滤纳滤气体分离海水淡化超纯水/白蛋白浓缩前处理/终端过滤医药/啤酒气体/蒸汽分离***********电位差电渗析海水淡化/废水*浓度差浓度差浓度差（分压差）浓度差＋化学反应渗析控制释放渗透蒸发液膜人工肾医用/农药无水乙醇金属分离/废水*******一、膜及其分理机理：1、定义：膜是分离两相和作为选择性传递物质的屏障。膜是分离两相的中间相。有分离作用的膜称之为分离膜，通常亦简称为膜。2、型态：可以是固态的，也可以是液态的。本章主要内容为固体膜。3、结构：可能是均质的，也可能是非均质的；可以是中性的，也可以是带电的。4、传递过程：可以是主动传递过程，也可以是被动传递过程。5、推动力：压力差、浓度差、电位差等膜中间相相Ⅰ相Ⅱ原料透过物传质推动力膜的分类根据膜的材质液体膜根据材料来源天然膜合成膜无机材料膜有机高分子膜根据膜的结构多孔膜无孔膜离子交换膜渗析膜微孔过滤膜超过滤膜反渗透膜渗透汽化膜气体渗透膜根据膜的功能固体膜固体膜根据膜断面的物理形态对称膜不对称膜复合膜根据固体膜的形态平板膜管式膜中空纤维膜膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。膜分离与尺寸的关系用作分离膜的材料包括广泛的天然材料和人工合成的有机高分子材料和无机材料。原则上讲，凡能成膜的高分子有机材料和无机材料均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜的制备技术。膜材料膜材料种类高分子有机膜纤维素衍生物类聚砜类聚酰胺类聚酰亚胺类聚酯类聚烯烃类乙烯类聚合物含硅聚合物含氟聚合物甲壳素类无机膜致密膜多孔膜致密的金属膜致密的固体电解质膜致密的”液体充实固体化“动态原位形成的致密膜Pd膜及Pd合金膜Ag膜及Ag合金膜氧化锆膜复合固体氧化膜多孔负载膜多孔金属膜，多孔不锈钢膜多孔Ni膜，多孔Ag膜，多孔Pd膜，多孔Ti膜多孔陶瓷膜，包括Al2O3膜，SiO2膜，ZrO2膜，TiO2膜（多孔玻璃膜，分子筛膜，包括碳分子筛）具体分类种类具体分类纤维素衍生物类再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维素，三醋酸纤维素，乙基纤维素，其他纤维素衍生物聚砜类双酚A型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮聚酰胺类脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交联芳香聚酰胺聚酰亚胺类脂肪族二酸聚酰亚胺，全芳香聚酰亚胺，含氟聚酰亚胺聚酯类涤纶，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯聚烯烃类聚乙烯，聚丙烯，聚4-甲基-1-戊烯乙烯类聚合物聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯含硅聚合物聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷含氟聚合物聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯甲壳素类无高分子有机膜材料的具体分类目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。醋酸纤维素类材料易受微生物侵蚀，pH值适应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。显微镜下膜的照片醋酸纤维素膜的结构示意图99％表皮层，孔径（8－10）×10－10m过渡层，孔径200×10－10m多孔层，孔径（1000－4000）×10－10m1%非纤维素酯类膜材料常见的有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。基本特性：①分子链中含有亲水性的极性基团；②主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗压密性和耐热性；③化学稳定性好；④具有可溶性；早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙—4、尼龙—66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在80％～90％之间，但透水率很低，仅0.076ml/cm2·h。以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围为3～11，分离率可达99.5％（对盐水），透水速率为0.6ml/cm2·h。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强酸型阳离子交换膜。磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离子聚合物膜。§典型的膜分离技术及应用领域典型的膜分离技术主要有微孔过滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、纳滤(NF)、渗析(D)、电渗析(ED)、液膜(LM)及渗透蒸发(PV)等，下面分别介绍之。化工纺织海水淡化制药和生物工程环境保护电子工业纯水生产应用膜形态推动力膜过程应用实例对称非对称复合压力差反渗透超滤微滤纳滤气体分离海水淡化超纯水/白蛋白浓缩前处理/终端过滤医药/啤酒气体/蒸汽分离***********电位差电渗析海水淡化/废水*浓度差浓度差浓度差（分压差）浓度差＋化学反应渗析控制释放渗透蒸发液膜人工肾医用/农药无水乙醇金属分离/废水*******微孔过滤技术微孔过滤技术始于十九世纪中叶，二战时被用于检测城市给水系统的微生物污染。我国20世纪70年代开始研究。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有13类，总计400多种。1）推动力：压力差（静压差），为0.01～0.2MPa2）膜类型特点：均匀的多孔薄膜，厚度在90～150μm左右，过滤粒径在0.025～10μm之间（也有称10nm～10μm）,孔隙率70%～80%，107～108个小孔/cm2滤膜。微滤膜本身性脆、易碎，机械强度差，实际使用时必须衬贴在多孔支撑体上，如烧结的不锈钢、烧结镍等；尼龙布、丝绸（需以密孔筛板支撑）。1.微孔过滤和微孔膜的特点微孔膜的主要优点为：①孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留；②孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为107孔/cm2，微孔体积占膜总体积的70％～80％。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；③无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90～150μm之间，因而吸附量很少，可忽略不计。④无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。微孔膜的缺点：①颗粒容量较小，易被堵塞；②使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。2.1微孔过滤技术3）透过组分：小于膜孔的物质，如水、溶剂、溶解物截留组分：大于膜孔的物质，如悬浮物、细菌等1.微孔过滤和微孔膜的特点4）分离机理——根据颗粒大小、形状进行分离溶解物：＜1nm胶体物质：1nm～200nm悬浮物：＞200nm①机械截留（筛分作用）——主要机理②物理作用：包括吸附作用、电性能影响③架桥作用④网络内部截流2.微孔过滤技术应用领域微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：（1）微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等，溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。（2）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。（3）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。（4）药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。超滤技术超滤技术始于1861年，最早使用的超滤膜是动物脏器膜。1864年Traube合成了第一张人工膜。我国于20世纪70年代末开始研究，80年代发展迅速。1）推动力：压力差，为0.1～0.5MPa2）透过组分：溶剂、离子、小分子（分子量＜1000）截留组分：生物制品、胶体、大分子（分子量1000～300000）如酶、蛋白质等3）分离机理：——根据分子特性、大小、形状进行分离与微滤相似，主要也是为筛分作用。1.超滤和超滤膜的特点4）膜类型特点：超滤膜均为不对称膜，其过滤粒径介于微滤和反渗透之间，约5～10nm。超滤膜的结构一般由三层结构组成：即最上层的表面活性层，致密而光滑，厚度为0.1～1.5μm，其中细孔孔径一般小于10nm；中间的过渡层，具有大于10nm的细孔，厚度一般为1～10μm；最下面的支撑层，厚度为50～250μm，具有50nm以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表面活性层和过度层。1.超滤和超滤膜的特点超滤是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主要可归纳为以下方面：2.超滤技术应用领域（1）纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电子工业超净水和医用无