Synteza

i

technologia

środków

leczniczych

Synteza i technologia środków leczniczych

1. Operacje fizyczne oraz aparaty i urządzenia stosowane do ich przeprowadzania

a) rozdrabnianie
b) mieszanie
c) zatężanie roztworu
d) suszenie

środków leczniczych

e) destylacja
f) filtracja
g) ekstrakcja
h) krystalizacja

2. Jednostkowe procesy chemiczne

a) chlorowcowanie

b) diazowanie
c) aminowanie
d) redukcja
e) utlenianie
f) estryfikacja
g) hydroliza

3. Sposoby produkcji w przemyśle wybranych przedstawicieli środków leczniczych.

„Aparaty i maszyny przemysłu farmaceutycznego”
„Maszyny i aparaty przemysłu chemicznego” Niewiadomski

ROZDRABNIANIE

Czynność często stosowana w toku produkcji środków leczniczych, zwłaszcza wtedy gdy mamy

prowadzić reakcje w układach niejednorodnych. Wtedy przebieg procesu zależy od wielkości powierzchni
zetknięcia się substratów. Polega na zmniejszaniu wymiarów brył, a zwiększaniu ich ilości i zwiększaniu
całkowitej powierzchni ciała rozdrabnianego.

Przy rozdrabnianiu stosujemy różne maszyny rozdrabniające i osiągamy różny stopień rozdrobnienia.

Stopień rozdrobnienia jest to stosunek średnicy lub długości krawędzi brył ciała przed rozdrobnieniem do
średnicy lub długości krawędzi najmniejszych brył po rozdrobnieniu.

d

D

n

=

Rozdrobnienie wymaga dużej ilości energii Istnieją dwie teorie określające zależność między ilością
zużywanej energii a stopniem rozdrobnienia.

1. Teoria Kicka – dotyczy wstępnego rozdrobnienia

Mówi, że ilość zużytej energii w przypadku wstępnego rozdrobnienia zależy wprost proporcjonalnie od

granicy wytrzymałości materiału ulegającemu rozdrobnieniu, odwrotnie proporcjonalnie od modułu jądra i
wprost proporcjonalny do różnicy między objętością początkową i końcową ciała rozdrabnianego.

)

(

2

max

2

v

V

E

−

=

δ

α

2. Teoria Rittengera – dotyczy rozdrabniania drobnego

Ilość zużywanej energii jest wprost proporcjonalna do przyrostu powierzchni ciała.

Jest słuszna wtedy gdy rozdrabniamy ciało na dużą ilość drobnych cząstek. Proces ten oparty jest na

ścieraniu i zużycie energii jest większa (dochodzi zużycie energii na tarcie).

-

1

-

Obydwie teorie nie pozwalają nam dostosować się do rozwiązań praktycznych. Zawsze zużycie energii

przy rozdrabnianiu jest większe, gdy chcemy otrzymać produkt drobniejszy. Dlatego ważne jest określenie
koniecznej wielkości stopnia rozdrobnienia.

Rozdrobnienie uzyskuje się przez:

1) zgniatanie

2) uderzanie

3) rozrywanie

4) rozłupywanie
5)

łamanie

6)

ścieranie

Materiały miękkie i włókniste najlepiej przez ścieranie.

Przy wyborze sposobu rozdrabniania bierze się pod uwagę własności fizyczne i chemiczne

rozdrabnianego materiału.

Maszyny stosowane do rozdrabniania dzielimy na:

1) służące do rozdrabniania wstępnego
2) służące do rozdrabniania średniego
3) służące do rozdrabniania drobnego
4) służące do rozdrabniania koloidalnego
5)

o specjalnym typie rozdrabniania

Ad. 1)Rozdrabnianie wstępne – podział brył o średnicy od 6-100cm na bryły mniejsze. Dokonuje się przez

uderzanie i rozłupywanie. Przykład maszyny: łamacz szczękowy.
Zasada działania podobna do działania dziadka do orzechów. Składa się z 2 szczęk. Jedna jest
ruchoma, druga nieruchoma. Szczęka ruchoma otrzymuje napęd poprzez koło i w ten sposób następuje
rozdrabnianie. Łamacz szczękowy służy do rozdrabniania materiałów twardych.

Ad. 2)Rozdrabnianie średnie – w toku tego rozdrobnienia z brył o średnicy 3-6cm otrzymuje się bryły o

średnicy 0,5-10mm maszyna: gniotowniki obiegowe. Składa się z 2 ciężkich kół toczących się po misie
przy czym koła te wykonują ruchy dokoła własnej osi poziomej, a misa wykonuje ruchy obrotowe.

zgarniacze

walce

misa

-

2

-

Drugie urządzenie: młyn walcowy.

Młyn składa się z 2 walców obracających się w kierunkach przeciwnych z taką samą prędkością lub z
różną szybkością. W drugim przypadku oprócz rozgniatania dochodzi rozcieranie. Stopień rozdrobnienia
można regulować za pomocą różnego odstępu między walcami.

SPRĘŻYNA

WALCE

LEJ ZASILAJĄCY

Trzeci rodzaj: dezintegratory i dysmembratory.
Zasada działania dezintegratora polega na tym, że w jego obudowie zaopatrzonej w lej, którym
wprowadza się materiał są dwie tarcze szybkoobrotowe osadzone na dwóch osobnych wałach. Tarcze
te zaopatrzone są w kilka rzędów promienisto ułożonych prętów. Pręty te są ze stali, a ułożone w ten
sposób, że pręty jednej tarczy wchodzą miedzy pręty drugiej. Tarcze obracają się w przeciwnych
kierunkach wskutek czego szybkość ich względem siebie jest podwojona.

Dysmembratory różnią się tym, że mają jedną tarczę ruchomą, a drugą nieruchomą.

Ad. 3)Rozdrabnianie drobne (mielenie) – polega na uzyskiwaniu cząstek o średnicy poniżej 0.5mm.

Urządzenie: młyn tarczowy.
Posiadają one 2 tarcze, które w obudowie umieszczone są poziomo albo pionowo. Te młyny to inaczej
żarna. Najczęściej jedna tarcza ruchoma, druga nieruchoma.

Drugie urządzenie: młyn pierścieniowy

Rozdrabnianie zachodzi tu przez zgniatanie i rozcieranie. Składa się z pierścienia i umieszczonych w
nim 3 walców, z których górny posiada napęd, a dwa dolne obracają się swobodnie, bo mają łożyska
ruchome, a za pomocą sprężyn dociskane są do pierścienia. Wskutek tarcia walec górny porusza
pierścień, a ten wprowadza w ruch pozostałe dwa walce. Pierścień spełnia też rolę sita.

1

2

3

walce dolne

walec górny

1, 2, 3 - sprężyny dociskające

Trzecie urządzenie: Młyn pierścieniowo-kulowy
Zbudowany ze stalowego pierścienia, w którym wirują kule prowadzone prowadnicami. Dociskane są do
gładzi pierścienia dzięki sile odśrodkowej. Materiał rozdrabniany, zmielony jest przekazywany z
pierścienia górą do separatora i tutaj oddzielane są cząstki zbyt duże i zwracane z powrotem do
pierścienia.

-

3

-

kule wirujące

prowadnica

pierścień

Czwarte urządzenie: bębnowy młyn kulowy
Składa się z bębna obrotowego, wewnątrz którego są kule, które zajmują około 20-40% pojemności
bębna. One mogą ze stali, porcelany, kamienne lub odpowiednio twardego tworzywa.
Stopień rozdrobnienia materiału w tym młynie zależy od wielkości kul. Im mniejsze kule tym większe
rozdrobnienie materiału.

Działanie polega na rozbijaniu, zgniataniu i ścieraniu. Czynności te są wykonywane w wyniku

podnoszenia się i opadania kul wraz z materiałem. Podczas obrotu bębna materiał rozdrabniany i kule
są pod działaniem dwóch sił – ciężkości i odśrodkowej. Gdy siła ciężkości jest znacznie większa od siły
odśrodkowej to kule nie osiągają najwyższego położenia i rozdrobnienie jest niecałkowite.

kule rozdrabniające

materiał rozdrabniany

Tak należy dobrać wielkość sił aby kule po osiągnięciu najwyższego punktu spadały pod wpływem siły
ciężkości.

siła ciężkości :

mg

Q

=

siła odśrodkowa:

r

mv

F

r

2

=

Na wielkość siły odśrodkowej wpływamy przez regulowanie szybkości obrotu bębna.

D

n

23

=

do

D

n

28

=

D – średnica bębna; n – szybkość obrotu bębna

Zalety bębnów:

• szeroka skala przemiału

• możliwość zastosowania różnych tworzyw

• niewrażliwość urządzenia na ciała obce

Młyny kulowe wibracyjne – występują kule ale brak jest ruchu obrotowego, materiał rozdrabniany jest dzięki
ruchowi drgającemu. Występuje zgniatanie i ścieranie. Wypełnienie młyna kulami dochodzi do 80% objętości
bębna. Te młyny mają bardziej ograniczoną skalę stopnia rozdrobnienia. Za ich pomocą nie można
rozdrabniać zbyt grubego materiału. Młyny te pracują okresowo co powoduje straty czasowe –
nieopłacalność.
Stosuje się wtedy, gdy mamy rozdrobnić materiał cenny.

-

4

-

Ad. 4) Młyny koloidalne stosowane są do rozdrabniania substancji do maści, emulsji i leków w postaci
koloidalnej. Średnica cząstek uzyskiwanych w wyniku rozdrobnienia w tym młynie dochodzi poniżej
0,1mikrona. Są dwa rodzaje młynów koloidalnych.

• młyny koloidalne uderzeniowe

• młyny koloidalne trące

Zasada działania uderzeniowego opiera się na uderzaniu stalowych palców po cieczy nieściśliwej z

zawiesiną ciała stałego. Palce te są umieszczone na stalowych tarczach, a szybkość obwodowa teraz
dochodzi do 190 m/s

dopływ zawiesiny

odpływ

tarcza obrotowa

(v=190m/s)

palce stalowe

Rozdrabnianie w młynach trących zachodzi w misie w której jest wirnik obracający się z szybkością 10-

20tys. obrotów na minutę. Między misą a wirnikiem jest mała szczelina wielkości 0,025mm i wtedy ciecz z
zawiesiną wciągana jest przez wirnik do tej szczeliny, w niej rozcierania i po roztarciu wpływa z młyna
przewodem odprowadzającym.

Krajalnice w przemyśle zielarskim – rozdrabnianie polega na tym że surowiec roślinny rozciera się

nożycami na sieczkę. Noże porusza się za pomocą koła albo walca obrotowego.

Wilki – zasada działania analogiczna do działania maszynki do mielenia mięsa.

Mieszanie ma znaczenie w przypadku nadawania środkom leczniczym odpowiedniej postaci leku.

Stosuje się je przy ogrzewaniu, rozpuszczaniu ciał stałych, ekstrakcji. Może ono dotyczyć ciał stałych (wtedy
zależy od ciężaru właściwego cieczy, lepkości, temperatury ciecz, wzajemnej rozpuszczalności cieczy).
Mieszanie wymaga zużycia energii w związku z tym należy określić konieczny stopień wymieszania.
W zależności od stanu skupienia mieszanych ciał stosujemy różne urządzenia:
a. bębnowych
b. spiralnych
c. tarczowych

Mieszanie można przeprowadzić sposobem:

a. ciągłym
b. półciągłym
c. okresowym

Mieszarki bębnowe – w nich na równomierność mieszania oprócz właściwości ciał stałych jak:

• stopień rozdrobnienia,

• wilgotność,

• ciężar właściwy,

• higroskopijność,

mają również wpływ:

• stopień napełnienia bębna,

• liczba obrotów bębna na minutę,

• czas mieszania

Optymalne wypełnienie bębna 25-30%. Wtedy wydłużanie czasu mieszania ma korzystny wpływ na
równomierność mieszania.

-

5

-

Każda mieszanka ma swoją optymalną ilość obrotów na minutę, zależy ona od średnicy bębna. Zależność tę
przedstawia wzór

D

n

20

=

do

D

n

30

=

n – ilość obr/min ; D – średnica bębna

Mieszanie w mieszarkach bębnowych polega na podnoszeniu materiału na pewną wysokość
i zsypywaniu go. Często w tych mieszarkach są przegrody.

materiał

przegrody

-

6

-

Do mieszania ciał plastycznych powstałych przez zmieszanie ciał stałych z małą ilością cieczy stosuje się
zagniatarki. Urządzenia te muszą mieć bardzo mocną budowę.

koryto

wał obrotowy

poprzeczki wzmacniające

Na poziomym wale obrotowym są skrzydła wzmocnione poprzeczkami. Umieszczone to jest

w korycie. W czasie obrotu materiał przerzucany jest z jednej strony wału na drugą i jednocześnie rozrywany
przez skrzydła.

Do produkcji maści stosuje się zagniatarki walcowe. Posiadać one mogą 2 lub 3 walce umieszczone
piętrowo bądź na jednym poziomie. Masa jest zagniatana i mieszana między walcami.

MIESZANIE CIECZY

Do tego stosuje się mieszadła:

a. łopatkowe
b. śmigłowe
c. śrubowe
d. turbinowe

Ad a) Mają łopatki osadzone na wale poziomym lub pionowym. Cząstki cieczy mieszanej są odrzucane w

kierunku ścian naczynia wznosząc się do góry i opadając. Mieszadła te wprawiają ciecz w ruch wirowy,
który zmniejsza efektywność mieszania. Zapobiega się temu stosując nieruchome łopatki w mieszalniku
– łamacze(łamią wir cieczy).

Mieszalniki łopatkowe:

wał

łopatka

łamacze

najprostszy

łapa

Nie należy stosować zbyt długich łap. Długość zawarta powinna być między 0,2—0,35 średnicy

mieszalnika. Szerokość łapy ma niewielki wpływ na wielkość intensywności mieszania. Intensywność
mieszania wzrasta ze wzrostem szybkości obrotu.

Ilość łopatek ma mały wpływ na intensywność mieszania. Gdy zamiast 2 zastosujemy 4 to

intensywność mieszania wzrośnie o 2%.

Mogą mieć kształt:

• ram – ramowe,

• kotwicy – kotwiczne,

• tarczy – tarczowe.

-

7

-

wał

rama

łamacze

wał

rama

Tarczowe służą do mieszania cieczy nie rozpuszczających się w sobie. Mieszalniki tarczowe są
wolnoobrotowe i nadają się do mieszania cieczy o małym ciężarze właściwym.

Płaszcze

Tarcza

Kiedy musimy mieszać dużą ilość osadu z cieczą a nie wystarczają zwykłe mieszadła – stosuje się
mieszadła planetarne. Ruch jego zachodzi wokół osi poziomej i pionowej.

wał

mieszadła

Jest to mieszadło wolnoobrotowe.

-

8

-

Ad b) Śmigłowe (propelerowe) – zbudowane ze śmigieł (skręcone łopatki o różnym nachyleniu). Nadają

one cieczy ruch wokół osi obrotu i w zależności od skrętu wypychają one ciecz do góry (prawe śmigło)
lub spychają do dołu (lewe śmigło). Prawe śmigło umieszczamy blisko dna, a lewe bliżej powierzchni
cieczy. Mieszadła te są krótsze od łopatkowych, mogą mieć większą szybkość obrotową 200-1800
obr/min. Nie nadają się do mieszania cieczy lepkich i gęstych.

Ad c) Śrubowe do cieczy lepkich i gęstych.

Śrubowe – składają się z nieruchomej rury cyrkulacyjnej wewnątrz której obraca się śruba nadająca cieczy
ruch albo z dołu do góry albo odwrotnie w zależności od skrętu śruby.

śruba

rura cyrkulacyjna

Ad a) Turbinowe do otrzymywania emulsji cieczy zawierających dużą ilość zawiesiny; składają się

z wirnika poruszanego z dużą szybkością 400 – 200 obr/min.

Dopływ cieczy cięższej

Dopływ cieczy lżejszej

Mieszanie gazów:

1. gaz + gaz
2. gaz + ciecz
3. gaz + ciało stałe

Gaz + gaz - samorzutnie – dyfuzja; w celu przyspieszenia stosuje się wentylatory i dmuchawy.

Gaz + ciecz - bełkotki; najprostsza to rura, w której są małe otworki (muszą być równe). Od wielkości
otworków zależy wielkość powierzchni zetknięcia się fazy gazowej z ciekła – im mniejsze otworki tym
powierzchnia większa. Przy użyciu sprężonych gazów w bełkotkach można za ich pomocą mieszać 2 lub
więcej cieczy. Bełkotki stosuje się też do mieszania cieczy z osadami.

-

9

-

bełkotka

doprowadzenie gazu

wycięcia bełkotki

EKSTRAKCJA

Polega na tym, że mieszaninę ciał poddaje się działaniu odpowiedniego rozpuszczalnika. Celem jej jest
wydzielenie z tej mieszaniny w postaci roztworu składnika, który się w dobranym do ekstrakcji
rozpuszczalniku rozpuszcza łatwiej od innych składników. Ekstrakcji można poddawać ciecze i ciała stałe.
Jeśli ekstrakcję ciał stałych prowadzimy za pomocą wody to jest ługowanie.
Mieszanina ciał poddawanych ekstrakcji to surowiec, ciało ekstrahowane to ekstrakt. Substancja
ekstrahująca – rozpuszczalnik – ekstrahent. Pozostałość otrzymaną po ekstrakcji ciała lub cieczy
– rafinat.
Ekstrakcja następuje dzięki wymianie mas między surowcem, a rozpuszczalnikiem i następuje ona pod
wpływem różnicy stężeń i zachodzi w drodze dyfuzji.

G = k·F·t(C

1

– C

2

)

k – współczynnik ekstrakcji
F – wielkość powierzchni, na której zachodzi ekstrakcja
t – czas trwania ekstrakcji
C

1

– C

2

- różnica stężeń

k – zależy od rodzaju rozpuszczalnika i rodzaju substancji ekstrahowanej
F – ma duży wpływ na ilość substancji ekstrahowanej. Powierzchnię można zwiększyć przez

rozdrobnienie ciała stałego lub mieszanie cieczy.

Rozdrabnianie ciała stałego można prowadzić tylko do pewnego stopnia. Wraz ze wzrostem rozdrobnienia
ciała stałego wzrastają opory przepływu rozpuszczalnika.
Różnicę stężeń można zwiększyć przez:

• zwiększenie ilości rozpuszczalnika

• zasilanie surowca co pewien czas porcjami czystego rozpuszczalnika

• prowadzenie ekstrakcji w przeciwprądzie (procesem przeciwprądowym)

Na szybkość przebiegu ekstrakcji ma też wpływ temp. Wzrost temperatury zmniejsza lepkość
rozpuszczalnika i wzmaga ruch molekularno – kinetyczny. Wzrost temperatury nie zawsze można
wykorzystać, bo niektóre substancje są nietrwałe w podwyższonej temperaturze. Ponadto wzrost
temperatury zwiększa rozpuszczalność zanieczyszczeń, których chcemy się pozbyć.
Proces ekstrakcji opiera się na prawie podziału Nernsta:

1

2

c

c

k

=

k – współczynnik podziału
c

2

– stężenie substancji ekstrahowanej w rozpuszczalniku

c

1

– stężenie substancji ekstrahowanej w surowcu

Z tego prawa wynikają pewne wskazówki dla przeprowadzania ekstrakcji;

•

większą wydajność ekstrakcji osiągamy wówczas, gdy całą ilość rozpuszczalnika używanego do

ekstrakcji podzielimy na porcje, np. gdy mamy 10ml roztworu wodnego substancji x i chcemy
przeprowadzić jej ekstrakcję za pomocą 10ml eteru, to gdybyśmy przeprowadzili ekstrakcję
jednokrotną to:

- 10 -

- 11 -

dla k = 4 ,

k = c

1

/c

2

c

2

-x/10

c

1

= (1-x)/10

k = (x/10)/[(1-x)/10] = 4 => x = 0,8 czyli

ekstrakcja jednokrotna dostarcza 80% substancji.
Natomiast ekstrakcja dwukrotna:
I)
c

2

= x

1

/5 c

1

= (1-x

1

)/10 k=(x

1

/5)/[(1-x

1

)/10] = 4 => x = 0,67 => 67% wydajność I ekstrakcji

II)
c

2

= x

2

/5 c

1

= (0,32-x

2

)/10 k=(x

2

/5)/[(0,32-x

2

)/10] = 4 => x = 0,22 => 22% wydajność II

ekstrakcji => ekstrakcja I + ekstrakcja II = 89%, co daje 9% wzrost wydajności ekstrakcji.
Należy jednak pamiętać że opłacalnym jest prowadzenie 3 – 4 ekstrakcji (skrajnie 5) natomiast dalsze
zwiększanie ilości ekstrakcji jest nieopłacalne.
Ważną czynnikiem przy ekstrakcji jest dobór odpowiedniego rozpuszczalnika:

• selektywny – wykazywać dużą różnicę rozpuszczalności substancji ekstrahowanej i zanieczyszczeń

• obojętny chemicznie w stosunku do substancji ekstrahowanej i aparatury w której prowadzi się

ekstrakcję

• małe ciepło właściwe i małe ciepło parowania oraz niska temperatura wrzenia

• duża dyfuzyjność

• niepalny

• nietoksyczny

• niska cena

Do najczęściej stosowanych rozpuszczalników zalicza się: H

2

0, alkohol etylowy, benzen, trójchloroetylen,

chloroform, aceton, eter, octan etylu, benzynę.

Do ekstrakcji służą aparaty:
a. do ekstrakcji ciał stałych

• maceraty

• perkolaty

• aparat ekstrakcyjny wg schematu Soxhleta

b. do ekstrakcji cieczy

• ekstraktor kolumnowy

• ekstraktor z mieszadłem

• ekstraktor Podbielniaka

• wirówka ekstrakcyjna typu Luwesta

Aparatura ta składa się z kotła destylacyjna właściwego ekstraktora, chłodnicy i zbiornika. Ekstraktor

posiada podwójne dno. Jedno z nich jest dnem sitowym. Na dnie sitowym składa się materiał, który mamy
poddawać ekstrakcji. Pod dnem jest wężownica grzejna – ekstrakcja prowadzona jest na ciepło. Ekstrakcję
rozpoczyna się wprowadzając ze zbiornika położonego u góry, rozpuszczalnik do ekstraktora.
Rozpuszczalnik po przejściu przez surowiec wpływa do kotła destylacyjnego. Powstały wyciąg jest
zagęszczany, a pary przechodzą do chłodnicy, w której ulegają skropleniu i spływają poprzez flaszkę
florentyńską i zbiornik z powrotem do ekstraktora. Flaszka służy do rozdzielania warstw w przypadku, gdy do
ekstrakcji używa się rozpuszczalnika nie mieszającego się z wodą, a w materiale znajduje się wilgoć. Woda
wówczas odprowadzana jest na zewnątrz aparatu. Ponieważ najczęściej stosuje się rozpuszczalniki lżejsze
od wody, to znajdują się one w warstwie górnej we flaszce i spływają poprzez zbiornik do ekstraktora. Dzięki
temu w aparacie Soxhleta małą ilością rozpuszczalnika można prowadzić ekstrakcję na dużej ilości surowca,
jeżeli substancja ekstrahowana jest odporna na podwyższoną temperaturę.

5

6

2

3

1

1- flaszka florentyńska
2- kocioł destylacyjny
3- zbiornik rozpuszczalnika
4- chłodnica
5- ekstraktor
6- dno sitowe
7- wężownica

kran

Ekstraktor kolumnowy – ekstrakcja zachodzi w przeciwprądzie, ciecz cięższą wprowadzamy od góry, a

lżejszą od dołu, ciecze te wzajemnie się przenikają. W celu zwiększenia powierzchni kontaktu obydwu cieczy
stosuje się sita lub bełkotki.

Ekstraktor z mieszadłem

mieszadło ruchome

wał obrotowy

pręty (łamacze)

płaszcz ekstraktora

cieczowskaz

Ekstraktor kolumnowy

Ekstraktor Podbielniaka – wirówka Podbielniaka, w skład jego wchodzi wirnik zrobiony z płaskiej taśmy

zwiniętej w spiralę przy czym liczba zwojów jest bardzo duża (do 32). Długość taśmy do 80 m. To wszystko
jest zwinięte i spirala umieszczona jest w bębnie. Bęben osadzony jest na wale poruszanym ruchem
obrotowym z szybkością 2 – 4tys. obr/min.

- 12 -

Ciecz cięższą doprowadza się do środka bębna, a ciecz cięższa będzie płynęła ku dołowi, bo jest

dociskana do zwojów przez siłę odśrodkową. Ciecz cięższa przenika wtedy przez lżejszą, która płynie od
obwodu wirnika przez jego spiralę w kierunku osi i opuszcza aparat po stronie wlotu cieczy ciężkiej. Ciecz
cięższa opuszcza aparat po stronie wlotu cieczy lżejszej.
Ekstrakcja zachodzi tu szybko, bo jest duża powierzchnia zetknięcia się obu cieczy.

taśma

cięższa

ciecz cięższa

ściany bębna

ciecz cięższa

lżejsza

Ekstrakcja typu Luwesta – w obudowie osadzonej na pionowym wale znajduje się centralna rura, w

której są przewody cieczy cięższej i lżejszej. Wewnętrzna przestrzeń aparatu podzielona jest przegrodami na
trzy komory. Nad i pod przegrodami są przegrody tworzące kanały poniżej i powyżej przegród tworzących
komory. Ciecz cięższa wprowadzana jest na dno dolnej komory, a odbierana jest z górnej komory aparatu.
Ciecz lżejszą wprowadza się na dno górnej komory, a odbiera z komory dolnej. Wynika z tego, że proces
ekstrakcji zachodzi w przeciwprądzie.

Rura centralna zawiera przewody łączące trzy komory między sobą. W rurze tej są też rozpryskiwacze,

które wyrzucają ciecz z rury centralnej do komór. W komorach pod wpływem siły odśrodkowej następuje
rozdzielanie się cieczy. Cięższa jest odrzucana ku ściankom i wypływa kanałem położonym poniżej
przegrody dzielącej przestrzeń aparatu na komory, a lżejsza zbiera się bliżej rury centralnej i odpowiednimi
kanałami płynie do komory niższej mieszając się po drodze w rozpryskiwaczu i kanale leżącym powyżej
przegrody dzielącej przestrzeń aparatu na komory.
Do tego kanału spływa ciecz ciężka z niżej położonej komory. W ten sposób widzimy, w kanałach jednych
zachodzi mieszanie się cieczy, a więc właściwa ekstrakcja, inne natomiast służą tylko do transportu cieczy.

W komorach nie zachodzi ekstrakcja, a tylko następuje rozdział cieczy.

Bardzo krótki czas zetknięcia się cieczy ze sobą i szybki rozdział. Duża powierzchnia zetknięcia.

///////////////RYSUNEK//////////////////////

- 13 -

FILTRACJA

Jest to oddzielanie ciał stałych przy użyciu porowatych przegród przepuszczających tylko ciecz.

Przypływ cieczy przez przegrodę filtracyjną zachodzi dzięki różnicy ciśnień po obu stronach przegrody.

Szybkość filtracji zależy od:

1) właściwości przegrody
2) rodzaju osadu i grubości warstwy osadu
3) od rodzaju pomocy filtracyjnej
4) temperatury
5) ciśnienia

Ad. 1) Wyboru dokonuje się w zależności od właściwości filtrowanej cieczy. Jako materiał, z którego robi

się przegrody, stosuje się:

• tkaniny z włókien roślinnych (płótno lniane, bawełna),

• tkaniny pochodzenia zwierzęcego (jedwab, wełna),

• tkaniny syntetyczne (nylon),

• metale,

• przędziwa szklane.

Szybkość przepływu cieczy przez przegrodę zależy od wielkości jej otworów. Ma to wpływ na opór

hydrauliczny.

Ad. 2) Osady krystaliczne, nieściśliwe i twarde łatwiej jest odsączyć niż koloidalne i ściśliwe.

Koloidalne – może nastąpić zatrzymanie procesu sączenia; adsorpcja cząstek koloidalnych

w porach przegrody;

Zapobieganie to stosowanie różnej pomocy filtracyjnej (Ad. 3).

Zbyt gruba warstwa osadu może spowodować zmniejszanie się porów, przez które płynie ciecz.

Prowadzi to do zatrzymania procesu filtracji, a wynika z faktu, że opór hydrauliczny przewyższa różnicę
ciśnień po obu stronach przegrody.

Tak należy dobierać powierzchnię przegrody, aby warstwa była cienka. Warunkiem dokładnego

oddzielenia cieczy i osadu jest jednak wytworzenie dostatecznie grubej warstwy osadu.

Ma nastąpić zwężenie przewodów kapilarnych do takiej wielkości, aby faza stała nie przechodziła przez

nie. Ważne przy sączeniu osadów bardzo drobno krystalicznych.

Ad. 3) Stosowanie substancji mających duże właściwości adsorpcyjne – zapobiegają zalepianiu się porów,

tworzą z cząsteczkami koloidu osady nie zalepiające porów.

Ad. 4) Wzrost temperatury wpływa korzystnie na szybkość filtracji.

Podwyższona temperatura zmniejsza lepkość cieczy i koaguluje zawiesiny. Jednak wzrost temperatury

może spowodować spęcznienie przegrody lub osadu, lub też może ułatwić korozję.

Wzrost temperatury ma wpływ na lepkość cieczy tylko do pewnej granicy, później lepkość pozostaje

stała. Dlatego dla każdego procesu filtracji dobiera się optimum temperaturowe.

Ad. 5) W przypadku sączenia osadów nieściśliwych szybkość filtracji rośnie wprost proporcjonalnie do

wzrostu ciśnienia, natomiast w przypadku osadów ściśliwych rośnie o wiele wolniej niż wzrasta ciśnienie.
W tym przypadku wzrost ciśnienia powoduje zmniejszanie się przekrojów przewodów kapilarnych.

DARCY:

k

L

p

=

ϖ

p – ciśnienie [kg/m

2

];

k – stała przepuszczalności warstwy, równoznaczne z odwrotnością oporu

hydraulicznego wyrażonego w [kg·s/m

2

];

L – grubość warstwy [m]

Sprawdza się doświadczalnie tylko przy filtrach ziarnistych, małych ciśnieniach i małych szybkościach

przepływu cieczy. Dla innych warunków filtracji doświadczalnie ustalono:

- 14 -

k

L

p

m

=

ϖ

m – wyznaczone doświadczalnie, wynosi 1,5

Ważne jest, iż nie ma prawa, które określa wszystkie typy filtracji !

Szybkość filtracji zależy od oporu hydraulicznego i ciśnienia wywieranego na sączoną zawiesinę.

Sączenie ciał stałych można prowadzić:

• pod ciśnieniem hydrostatycznym (normalne warunki),

• zwiększonym wskutek zmniejszenia ciśnienia w odbieralniku (Büchner),

• pod znacznie zwiększonym ciśnieniem: 10 – 20atm (prasy filtracyjne).

W zależności od rodzaju sączenia stosuje się:
W przemyśle – nucze (cedzidła) stosuje się wtedy, gdy mamy do odsączenia dużą ilość osadu, na

której nam zależy:

• nucze otwarte

• nucze zamknięte

1

2

3

4

1 – ruszt , 2 – zbiornik, 3 – przewód odprowadzający, 4 – przewód łączący nucze z pompą próżniową

Ciecz przechodząca przez przegrodę odprowadzana jest przewodem na zewnątrz zbiornika, natomiast

pod przegrodą znajduje się przewód, który przyłączony jest do pompy próżniowej, która zwiększa różnicę
ciśnień. Nucze buduje się z metali, krzemionki itp., a jako filtry stosuje się - patrz FILTRACJA-Ad. 1) (str. 12)

Nucze zamknięte zaopatrzono w szczelną pokrywę. Ciecz wraz z osadem wprowadza się pod

zwiększonym ciśnieniem.

4

2

3

1 – pokrywa, 2 – obudowa, 3 – przegroda, 4 – dźwignia do zdejmowania pokrywy

Nucze zamknięte: odsącza się osady od lotnych, zwłaszcza palnych rozpuszczalników organicznych. Ciecz

wprowadza się pod zwiększonym ciśnieniem. Do podnoszenia pokrywy służy dźwignia.

Przy odfiltrowywaniu małej ilości osadu stosuje się filtry kulowe.
Nucze takie stosuje się głównie do odsączania osadów nieściśliwych. Ze względu na małą powierzchnię

filtracyjną nie nadają się do filtracji osadów koloidalnych.

- 15 -

Półkula

Przegroda

Kiedy chcemy sączyć ciecze lepkie to stosujemy filtry workowe.

Rama

materiał filtracyjny

stojak

Workowe próżniowe – przy większej ilości zawiesiny, worki płócienne założone są na ramy. Przestrzeń,

w której zawieszony jest worek połączona jest z pompą próżniową. Osad zbiera się na zewnętrznej stronie
worka.

Znane są też ciśnieniowe filtry workowe, ciecz z osadu jest do nich wprowadzana pod zwiększonym

ciśnieniem – osad zbieramy na wewnętrznej stronie worka.

Filtry obrotowe:

1. bębnowe
2. tarczowe

(ekonomiczniejsze)

Ad. 1) Praktycznie niestosowane

Ad. 2) Szereg tarcz na wydrążonym wale, tarcze pokryte są materiałem filtracyjnym, przy obrocie tarcze

zanurzają się w cieczy w korycie.

Pod wpływem spadku ciśnienia ciecz zasysana jest do wewnątrz. Po przejściu przez materiał filtracyjny

ciecz odprowadzana jest do zbiornika poprzez kanaliki wytwarzane w wale. Odkładająca się warstwa
usuwana jest bez przemywania z materiału filtracyjnego.

• stosuje się duże ilości cieczy do osadu, na którym nam nie zależy np. grzybnia oddzielana od reszty w

toku produkcyjnym penicyliny.

Do filtrowania cieczy z dużą zawartością ciał stałych, szczególnie koloidalnych, stosuje się filtry

ciśnieniowe – prasy filtracyjne.

a) prasy

komorowe

b) prasy

ramowe

Posiadają dwa rodzaje płyt pełne i ramowe (ramy) – są jednakowej wielkości. Płyty pełne mają

rurkowaną powierzchnię. Ustawia się je naprzemiennie, dociskane płytą czołową. Ciecz z osadem
wprowadza się do ram, na których znajduje się materiał filtracyjny. Przesącz po przejściu przez materiał
filtracyjny spływa do kanalików odpływowych i kanału centralnego, wytworzonego przez skręcanie płyt i ram.
Osad wyjmuje się z ram po rozkręceniu prasy.

Można go przemywać, doprowadzając rozpuszczalnik do płyt nieparzystych i odpływa parzystymi.
Stosowane do dużych ilości osadu – koloidalnego.
Sączenie odbywa się pod zwiększonym ciśnieniem od 4 – 20atm. W prasach tych można sączyć na

gorąco. Doprowadza się czynniki grzejne. Płyty wyrabia się z różnych tworzyw żeliwa, szkła itp.

WADA: ręczna obsługa – każda filtracja to skręcanie i rozkręcanie aparatury.

- 16 -

1

4

2

3

1- płyty pełne
2- ramy
3- materiał filtracyjny
4- kanaliki odpływowe

Oddzielanie ciał stałych od cieczy

Odwirowywanie – wykorzystuje się działanie siły odśrodkowej, dzięki której cząsteczki o większym

ciężarze odrzucane są ku obwodowi, a lżejsze układają się bliżej osi obrotu.

Fr = m·v

2

/r

V =

ω·r

ω = 2π/T

ω = 2π·n , n – ilość obrotów na jednostkę czasu
Fr = m·4p

2

·n

2

·r

Podział wirówek

1) wirówki

sedymentacyjne

2) wirówki

filtracyjne

Ad. 1) Posiada bęben osadzony na wale obrotowym, jego ściany są pełne, a osad w czasie wirowania

dzięki sile odśrodkowej osadza się na nich. Ciecz natomiast znajdująca się bliżej osi obrotu, przelewa
się do przestrzeni znajdującej się między bębnem a obudową wirówki. Z tej przestrzeni woda jest
odprowadzana przewodem na zewnątrz.

Odwirowany osad zawiera stosunkowo dużo wilgoci (do 70%)

3

4

Ad. 2) Ściany bębna tych wirówek są perforowane. Ściany pokrywa się materiałem filtracyjnym a ciecz

odpływa otworkami w ścianach bębna. Odpływa do przestrzeni jw. Osad zawiera znacznie mniej wilgoci.

W przypadku osadów koloidalnych i ściśliwych osad zawiera do 40% wilgoci

- 17 -

4

1

2

3

ULTRAWIRÓWKI (np. Sharptes’a)

Ma bardzo mocną budowę mechaniczną. Posiada małą średnicę 50 – 100mm wysokość rzędu 200 -

600mm. Bardzo duża szybkość odwirowania (do 4,5tys obr/min). Stosuje się je szczególnie do bardzo
szybkiego rozdzielenia emulsji (do tego celu stosuje się również separatory).

4

3

2

1

5

Ciepło

Ciepło rozchodzi się za pomocą:

1) promieniowania
2) przewodnictwo
3) konwekcja

Wymiana ciepła między środowiskiem – ciecz lub gaz – a powierzchnią ciała stałego (przejmowanie

przenikanie ciepła). Ta wymiana może następować w przypadku istnienia różnicy temperatur dwóch
środowisk, ogrzewanego i ogrzewającego.

Ilość ciepła pobranego lub oddanego Q;

Q = a·F·(t

1

+ t

2

)

F –

powierzchnia przez, którą następuje wymiana ciepła

a – współczynnik przejmowania ciepła (ilość ciepła przekazana przez powierzchnię 1m

2

w ciągu 1h przy

zmianie temperatury o 1°)

zależy od:

• stanu skupienia środowiska przewodzącego ciepło

• charakteru ruchu środowiska (naturalny czy wymuszony oraz jego prędkość)

• kształtu i temperatury ściany, przez którą następuje wymiana ciepła

• właściwości środowiska : temperatura, ciśnienie, gęstość, lepkość, przewodnictwo cieplne.

- 18 -

Wyznacza się go eksperymentalnie:
W przypadku gdy następuje wymiana ciepła między dwoma środowiskami, rozdzielonymi przegrodą
wzór przyjmuje postać:

Q = k·F·(t

1

+ t

2

)

- 19 -

k – ogólny współczynnik przenikania ciepła

Gdy w trakcie wymiany ciepła t

1

+ t

2

ulega zmianie w czasie, to wówczas przyjmujemy że ilość ciepła

Q:

Q = k·F·

Δt

śr

OGRZEWANIE

⎯

powietrzne (gorące powietrze stosowane w suszarnictwie)

⎯

elektryczne (umożliwia uzyskanie wysokich temperatur oraz ich regulację – urządzenia oporowe)

⎯

dielektryczne

⎯

ogniowe (stosowane w dużym przemyśle chemicznym)

⎯

wodne (gdy chcemy osiągnąć temperatury < 100°C)

⎯

wodne – przy pomocy wody przegrzanej (H

2

O doprowadza prawie do temperatury wrzenia pod

wysokim ciśnieniem) H2O przegrzana ma wysoki współczynnik a (korzystne), ale
ogrzewanie to ma swoje ograniczenie – 374°C przy 225atm.

⎯

olejowe (do 200°C – wada to tworzenie przez oleje osadów)

⎯

parą wodną

a) bezpośrednie, tzw. Bezprzeponowe np. destylacja z parą wodną
b) przeponowe, zastosowanie odpowiednich urządzeń, np. płaszcze parowe, wężownice i

ogrzewanie rurkowe. Para wchodzi do urządzenia, oddaje ciepło i skrapla się. W wymienniku
ciepła powstają skropliny, które się odprowadza za pomocą garnków kondensacyjnych
działających na zasadzie pływaka. Działanie garnka kondensacyjnego:

gdy skropliny wypełnią 2/3 jego objętości, to pływak podnosi się do góry i podnosi zawór na
przewodzie odprowadzającym skropliny. Pływak po spłynięciu skroplin opada i zamyka
zawór.

Do wymienników ciepła:

ogrzewacz płaszczowy – podwójna ściana kotła, reaktor, naczynie, w którym prowadzimy reakcję.

W przestrzeń między dwoma ścianami wprowadza się medium grzejne. Odległość wynosi 2 – 3 cm.
Wysokość drugiej ściany, tzn. płaszcza zależy od poziomu cieczy w reaktorze, którą chcemy ogrzewać.
Medium grzejne

→ H

2

O lub parą wodną. Zaleta wymiennika – szybki spływ skroplin. Wada wymiennika –

górna granica ciśnienia wprowadzanej w charakterze medium grzejnego pary wynosi 5atm.

Płaszcze zaopatrzone są w nanometry, termometry klapy bezpieczeństwa, które otwierają się po

przekroczeniu dopuszczalnego ciśnienia.

Wężownice

Rury o różnych kształtach, dostosowane do obudowy aparatu. Umieszcza się je na dole aparatu,

a w środku wężownicy następuje przepływ medium grzejnego

→ H

2

O lub pary. Gdy medium grzejnym jest

para wodna, to w wężownicy pojawiają się skropliny, jeśli są zbyt obfite, to obniżają współczynnik a (spada
ilość przekazywanego ciepła).

Czasem należy stosować długie wężownice, wtedy dzieli się je na trzy sekcje. Przy długich

wężownicach pojawia się trudność w odprowadzaniu skroplin.

Parę grzejną wprowadza się przez górny koniec wężownicy, natomiast skropliny spływają dołem do

garnka kondensacyjnego.

Na współczynnik a ma wpływ szybkość przepływu medium grzejnego, dlatego ważna jest średnica

wężownic. W stosunku do ogrzewania płaszczowego wężownice posiadają zaletę, że można nimi ogrzewać
większe aparaty i uzyskiwać wysokie temperatury.

Wadą wężownic jest tworzenie się osadów trudnych do usunięcia. Dlatego stosuje się wężownice

płaskie lub wężownice, które można wmontować i wymontować (czyszczenie z zewnątrz).

Wydajniejsze wymieniacze ciepła

→ wężownice typu rura w rurze → ciecz płynie z dołu do góry, a para

z góry do dołu.

System grzewczy Freder-Kinga

- wykorzystują wężownice

System grzewczy Samka

- wykorzystują wężownice

Posiadają one urządzenia umożliwiające ogrzewanie wodą przegrzaną (poniżej 374°, ciśn. 220atm) lub

umożliwiają ogrzewanie parą wysokoprężną. Urządzenia te posiadają stalowe wężownice o dużej
wytrzymałości. Wężownice są wtopione w żeliwną ścianę aparatu.

Medium grzejne wprowadzane jest do górnego końca wężownicy, a wypływa dolnym. Te systemy

pozwalają na uzyskanie wysokich temperatur. Aby to osiągnąć medium grzejne ogrzewane jest w osobnej
instalacji składającej się z pieca z odpowiednimi przewodami. Piec ten znajduje się zawsze poniżej
właściwego aparatu grzejnego. Ogrzane medium przechodzi przez wężownice aparatu grzejnego, gdzie
oddaje ciepło i jako cięższe spływa z powrotem do pieca. Zaletą systemu grzewczego Freder-Kinga jest
możliwość łatwego regulowania temperatury. Wada: duży ciężar całej aparatury, wysoki koszt i stosunkowo
mała powierzchnia ogrzewcza.

3

4

5

2

1

podkładki miedziane

wężownice na zewnątrz

ścian kotła

ściana kotła

1 – korpus aparatu; 2 – wężownica; 3 – kocioł Freder-Kinga; 4 – podgrzewacz, instalacja grzejna; 5 –
palenisko.

System grzewczy Samka stosowany jest częściej, a różni się tylko tym że wężownice, w których płynie

medium nie są wtopione, ale są przyspawane na zewnątrz aparatu (np. ścian). Sposób przyspawania zależy
od materiału z którego zbudowany jest korpus (miedź, stal, glin) – systemy te są tańsze.

Najprostszym typem ogrzewaczy są ogrzewacze rurkowe. Ten system charakteryzuje się dużą,

powierzchnią grzejną i jest stosowany do ogrzewania dużych ilości cieczy (w aparatach wyparnych). Medium
grzejnym jest najczęściej para wodna, z tym że para jest wprowadzana do przestrzeni międzyrurkowej.
Ciecz ogrzewana płynie wewnątrz rur. Wymiennik rurkowy składa się z płaszcza, dwóch dennic, dwóch
wewnętrznych den sitowych i pewnej ilości rurek do tych den przymocowanych.

8

1

6

3

2

4

1 - płaszcze
2- dennice
3-dna sitowe
4-rurki
5,6 - przepływ pary grzejnej
7,8 - przepływ cieczy ogrzewanej

7

5

Kaloryfery

Stosuje się je do ogrzewania powierza i gazów; w przemyśle do suszarni.

- 20 -

Gazy które mają ogrzewać powinny przepływać przez hydrofory z dołu do góry prostopadle do osi rur,

w których płynie medium grzejne (woda, para wodna, gazy spalinowe) – płynie od góry do dołu. Kaloryfery
mogą być zbudowane z rur gładkich lub żebrowych.

Chłodzenie

stosuje się w operacjach jak krystalizacja, destylacja w reakcjach egzotermicznych.
Przy chłodzeniu które można prowadzić powietrzem, wodą można też stosować mechanizmy oziębiające np.
Lód z wodą i solą (solanka) z CaCl

2

można też stosować suchy lód.

W przemyśle stosuje się powietrze, zimną wodę i solankę. Do oziębiania medium chłodzącego do
odpowiedniej temperatury stosuje się chłodziarki. Medium chłodzące do wymienników ciepła (płaszcze,
wężownice, wymienniki rurkowe) wprowadza się od dołu. Medium pobierając ciepło ogrzewa się, przesuwa
się ku górze.
2 rodzaje chłodziarek
a) absorpcyjne - z zewnątrz doprowadzana jest energia cieplna
b) kompresyjne - doprowadzana jest z zewnątrz energia mechaniczna.

W takich chłodziarkach w przekazywaniu energii uczestniczy medium chłodzące ( gazy, ciecze o dużym

cieple parowania i niskiej prężności pary). Prując pobierają ciepło z otoczenia a potem są skraplane i
ochładzane przy czym w czasie skraplania i ochładzania oddają ciepło ciałom o niższej temperaturze.

Absorpcyjne są o wiele mniej wydajne.

Kompresyjne:

woda

solanka

1- kompresor
2- parownik
3- chłodnica

2

1

Ma tu miejsce sprężanie i rozprężanie czynnika chłodzącego, którym jest amoniak, CO

2

, freony. Kompresor

zasysa pary amoniaku z parownika, w parowniku pary powstają szybko. Następnie sprężony amoniak jest
tłoczony do chłodnicy. Pary amoniaku są chłodzone wodą wówczas skrapla się i przez zawór dostaje się do
parownika. W parowniku rozpręża się pobierając ciepło od solanki.
W czasie przemian zachodzących w chłodziarce układ zyskuje ciepło pobrane od solanki i zyskuje ilość
pracy wykonanej przez kompresor. Traci zaś ciepło na rzecz wody przepływającej przez chłodnicę.
Bilans cieplny:

Q=

ΔαA + Q

0

Wydajność:

W = Q

0

/

ΔαA

Q

0

- ciepło solanki

ΔαA - praca wykonana przez sprężarkę

Stężanie roztworów

Proces stężania polega na odprowadzeniu rozpuszczalnika ze środowiska roztworu przez przeprowadzenie
go w stan pary bądź odprowadzenie go do atmosfery. Najczęściej w przemyśle ma miejsce stężania
roztworów wodnych i wodno - alkoholowych Zagęszczanie roztworów do stanu nasycenia prowadzimy
w wyparkach a zagęszczenie roztworu prowadzi do wydzielenia osadów substancji rozpuszczonych
w warnikach. Zagęszczanie prowadzi się w dowolnej temperaturze pod warunkiem, że:
prężność cząstkowa pary w roztworze jest większa niż prężność par rozpuszczalnika nad swobodną
powierzchnią parowania.
Normalnie ogrzewa się zagęszczone roztwory do temperatury wrzenia (wtedy łatwiejsze jest parowanie
cząstek cieczy, które muszą otrzymać większą ilość energii aby pokonać ciśnienie zewnętrzne i siły
oddziaływania między cząsteczkowego).
Temperatura wrzenia roztworu zależy od:

- 21 -

•

ciśnienia zewnętrznego

•

rodzaju rozpuszczalnika

•

substancji rozpuszczonej i jej stężenia

Prężność par czystego rozpuszczalnika jest większa niż prężność par tego rozpuszczalnika w

roztworze. Roztwór ma wyższą temperaturę wrzenia niż czysty rozpuszczalnik.

t - t

w

= t’ - t’

w

t - temperatura wrzenia roztworu pod dowolnym ciśnieniem
odczyt z tablic:
t

w

- temperatura wrzenia wody pod tym ciśnieniem

t’ - temperatura wrzenia roztworu pod ciśnieniem normalnym
t’

w

- temperatura wrzenia wody pod ciśnieniem normalnym

Zatężanie roztworu prowadzi się w wyparkach . Dzieli się ja na
1. o działaniu okresowym i ciągłym
2. działające pod normalnym, obniżonym i zwiększonym ciśnieniu
3. samodzielne i bateryjne
4. ze względu na sposób prowadzenia ogrzewania na:

a) przeponowe

∗ płaszczowe

∗ przy użyciu wężownic

∗ z ogrzewaniem rurkowym

b) bez przeponowe

ad. 2 )
jeśli sprężanie będzie zachodziło w temperaturze niższej to aparatura pracuje z większą wydajnością
(mniejsza strata ciepła)
wady:

koszt instalacji

pienienie

roztworów

Aparat wyparczy z płaszczem grzejnym.

4

8

1

7

6

5

2

3

1- wprowadzenie roztworu rozcieńczonego; 2 -odprowadzenie zagęszczonego roztworu;3-

doprowadzenie pary grzejnej; 4- odpowietrznik; 5- spływ skroplin; 6- wziernik;7- właz;8-
odprowadzenie oparów

Uwaga: przy stężaniu dużej ilości roztworu stosuje się wyparki z wężownicą grzejną.

WYPARKI Z OGRZEWANIEM RURKOWYM (np. aparat wyparki Roberta)

- 22 -

5

6

2

8

1

7

4

1-dopływ pary do komory grzejnej

2-dopływ pary i skroplin do garnka

kondensacyjnego

3-rura cyrkulacyjna

4-łapacz kropel cieczy

5-wziernik

6-odprowadzenie oparów

7-doprowadzenie roztworu rozcieńczonego

8-odprowadzenie roztworu stężonego

Wyparka ta jest przykładem aparatu z pionowym ułożeniem rurek. Aparaty z pionowym ułożeniem rurek

stosowane są aniżeli aparaty z poziomym ułożeniem rurek.

Rurki te są montowane w dwa sitowe, górne i dolne. Wewnątrz rurek płynie roztwór, który poddajemy

zagęszczaniu, przez ogrzewanie parą wodną, opływającą rurki z zewnątrz. Wewnątrz między rurkami, w
których krąży ciecz jest wytwarzana rura cyrkulacyjna, która ułatwia krążenie naturalne cieczy. Ciecz parując
miesza się z oparami i staje się lżejsza, zostaje porwana ku górze (powyżej komory grzejnej gdzie następuje
parowanie).

W drugiej części aparatu ciecz oddaje opary, z którymi była zmieszana, i staje się cięższa – spływ w dół

rurą cyrkulacyjną. Odprowadzana jest na zewnątrz aparatu (roztwór stężony).

Krążenie cieczy w wyparce jest bardzo intensywne, a dzięki temu współczynnik przenikania ciepła a jest

duży (wyparka jest wydajna).

Opary które wydobywają się z cieczy, która przedostała się do górnej części wyparki, opuszczają

wyparkę górą. Po drodze napotykają na łapacz kropel cieczy. Wychwytuje on porwane przez opary kropelki
cieczy i zawraca do aparatu wyparnego.

Na odparowanie 100kg H

2

O zużywa się 110kg świeżej pary.

Wyparka Kestnera

Również pionowe ułożenie rurek, ale znacznie większa powierzchnia grzejna. Znajdują się w niej rurki o

znacznie mniejszej średnicy, ale jest ich dużo. Są one bardzo długie. Dzięki dużej powierzchni grzejnej, w
aparacie Kestnera następuje zagęszczenie roztworu w czasie jednokrotnego przepływu przez komorę
grzejną.

1-rurki grzejne
2-doprowadzenie pary do komory grzejnej
3-odpływ skroplin
4-dopływ cieczy zagęszczanej
5-odpływ koncentratu
6-tarcza zwrotna
7-łopatki kierownicze
8-odpowietrznik
9-odpływ oparów

7

2

9

8

2

3

5

6

4

Roztwór zagęszczany wprowadzany jest od dołu. Ogrzewa się w komorze grzejnej. Na skutek

powstawania dużej ilości oparów ciecz płynie ku górze coraz cieńszą warstwą. Opary przyspieszają jej bieg,
a prędkość przepływu cieczy z oparami dochodzi do 2 m/s. W górnej części aparatu ciecz przechodzi z
części grzejnej do górnej części aparatu, którą można nazwać częścią parową. Przy przejściu z jednej

- 23 -

komory do drugiej ciecz uderza w łopatki. Tarcza wprowadzana jest w ruch wirowy i dzięki temu ciecz
uzyskuje ruch wirowy

→ cząsteczki odrzucane są na ścianki i spływają do zbiornika.

Opary natomiast wydobywające się z cieczy przechodzą przez szereg przegród i odprowadzane są do

skraplacza. Dzięki tak dużej powierzchni ogrzewanej aparaty te są bardzo wydajne (wydajniejsze niż wyparki
Robert).

Wyparki Kestnera stosowane są przy produkcji morfiny.

Wyparka mechaniczna

1- aparat wyparczy

2- przepływ oparów

3- sprężarka

4- wtłaczanie oparów do komory grzejnej

6- dopływ świeżej pary

7- wziernik

7

1

3

6

2

5

4

W wyparkach mechanicznych odparowywanie odbywa się kosztem energii mechanicznej dostarczonej

przez sprężarkę. W wyparce mechanicznej wydzielające się opary są zasysane przez sprężarkę, są przez
nią sprężone i zyskują na temperaturze i jako para ogrzewająca wtłaczane są do komory grzejnej tej samej
wyparki. Zużycie pary w tej wyparce wynosi 0,25 kg pary na 1 kg odparowanej wody.

Uruchomienie aparatury i pewne straty wynikające z jej nieszczelności wymagają doprowadzenia

świeżej pary z kotła parowego (0,25 kg / 1 kg). Duża oszczędność wody.

Oszczędność pary uzyskuje się również w wyparkach wielodziałowych.

///////////////////////////RYSUNEK//////////////////

W wyparce wielodziałowej opary wydzielające się w jednym aparacie wyparnym służą do ogrzewania

komory grzejnej następnego aparatu wyparnego, w którym to aparacie na skutek zmniejszonego ciśnienia
roztwór wrze w temperaturze niższej niż w aparacie poprzednim. Aparatem I działu nazywamy ten, w którym
ciecz wrze w najwyższej temperaturze i do którego doprowadzamy parę z kotła parowego dla zatężenia
roztworu płynącego w komorze grzejnej. Para ta po oddaniu ciepła częściowo skrapla się, a skropliny
spływają do garnka kondensacyjnego. Nie skroplona część pary przechodzi do podgrzewacza roztworu
rozcieńczonego.

Ogrzany do wrzenia roztwór w I dziale wydziela opary, które są wprowadzane do komory grzejnej II

działu. Opary wydzielone w III dziale przechodzą do kondensatora barometrycznego.

Opary z I działu mogą doprowadzić do wrzenia roztwór w II dziale tylko wtedy, gdy w tym dziale będzie

niższe ciśnienie.

Obniżenie ciśnienia uzyskuje się przez zastosowanie pompy próżniowej w II dziale lub podniesienie

ciśnienia w I dziale (zatężanie pod zwiększonym ciśnieniem).

Różnica temperatur wrzenia zagęszczonego roztworu pomiędzy działami powinna wynosić 10-30°C.

Różnica ta musi również istnieć między działem II i III. Obniżenie ciśnienia w dziale III w stosunku do II
uzyskuje się przez skroplenie oparów wychodzących z działu III oraz przez zastosowanie pompy próżniowej.

Przy zużyciu 1 kg pary doprowadzonej do I działu można odparować 3 kg wody.

SUSZENIE

Polega na usuwaniu wody lub innego rozpuszczalnika ciała stałego, cieczy lub gazów za pomocą

energii cieplnej. Najczęściej stosujemy w przemyśle suszenie ciał stałych. Operacja ta różni się od stężania
tylko ilością usuwanego rozpuszczalnika lub cieczy.

Najczęściej suszenie ciała stałego polega na usunięciu wody, która związana jest ciałem stałym siłami

powierzchniowymi, chemicznie, bądź pochłonięta jest przez ciało koloidalne. Warunkiem zachodzenia

- 24 -

procesu suszenia jest, aby prężność pary w ciele wilgotnym była większa niż wody lub innego
rozpuszczalnika w otaczającym powietrzu lub innym gazie.

W czasie suszenia:

- 25 -

)

1.

woda paruje z całej powierzchni ciała stałego, na której tworzy film cieczy

Ilość odparowanej z tej powierzchni cieczy zależy:

(

2

2

p

p

F

k

W

ρ

−

×

=

p

1

– prężność pary

p

2

– wilgotność powietrza

F – powierzchnia suszenia

k – współczynnik zależy od właściwości cieczy odparowanej i od ruchów powietrza
p

1

– prężność pary nasyconej w materiale, który poddajemy suszeniu w temperaturze, w której

zachodzi parowanie

p

2

– ciśnienie cząstkowe pary w otaczającym powietrzu w tej samej temperaturze

ρ − wilgotność względna powietrza
W tym okresie suszeniu szybkość suszenia U

FT

W

U

=

W – odparowana wilgoć
T – czas
F – powierzchnia

(

)

FT

p

p

k

U

)

2

1

ρ

−

=

2.

Okres suszenia – parowanie cieczy zachodzi tylko z części powierzchni ciała, a więc szybkość

suszenia będzie mniejsza i będzie się zmniejszał w miarę upływu czasu.

3.

Okres - na powierzchni ciała suszonego nie ma cieczy, odparowuje z wnętrza ciała suszonego

wydostaje się przewodami kapilarnymi szybkość suszenia jest jeszcze mniejsza

Najtrudniej usunąć resztki wilgoci z ciała;

III okres

II okres

I okres

U

U

% wilgoci

Surowce suszymy do pewnej określonej zawartości wilgoci określonej w % . Na szybkości suszenia ma
wpływ m.in. konstrukcja suszarek

- ciągły

−

okresowy

−

pod ciśnieniem normalnym

−

pod zmniejszonym ciśnieniem

Ogrzewanie w suszarni

- przeponowe

−

bezprzeponowe

Najprostszą suszarką jest suszarka komorowo-półkowa. Posiada komorę i półki. W takiej suszarce
prowadzimy bezprzeponowo (gorące powietrze) lub przeponowe (ogrzewamy suszarkę) Działa
okresowo

27465

2

7

4

6

5

1

8

Powietrze

1-komora suszarki

2-półki

3-kaloryfer

4-wentylator

5-przegroda regulująca

przepływ powietrza

6-odpływ powietrza na zewnątrz suszarki

7-kołowy przepływ powietrza wewnątrz suszarki

8-przegrody regulacyjne

Powietrze tłoczone wentylatorem. Kaloryfer ogrzewa to powietrze. Kaloryfery dodatkowo ogrzewają

powietrze z dolnych półek. W suszarniach należy pamiętać o naturalnym ruchu powietrza. Gdy bardzo
wilgotne – wprowadzane powietrze od dołu. Suszarnie komorowe mogą również pracować ciągle, ale wtedy
stosujemy suszenie przeponowe. Półki suszarki ogrzewane parą grzejną z przewodów. Materiał wówczas
może być mieszany dla zwiększania powierzchni suszenia. Półki posiadają odpowiednie wykrojenia, gdzie
materiał z górnych półek spada na dolne.

11

1

7

8

4

5

3

2

9

10

6

1- zasilanie materiałem wilgotnym
2- półki
3- mieszadło ze szczotkami
4- wał obrotowy
5,6- zsypywanie materiału z jednej półki na drugą
7,8- koryto i transporter ślimakowy,
wyprowadzający materiał po wysuszeniu na zewnątrz
9- płaszcz suszarki
10- przewody z parą grzejną
11- odprowadzenie skroplin

Inny typ – suszarnia próżniowa komorowa może mieć ogrzewanie tylko przeponowe. Zaopatrzone w

półki. W półkach powody z medium grzejnym (gorąca woda np.)

Suszarnia połączona jest z pompą próżniową – na drodze do tej pary znajduje się chłodnica

wykraplająca wilgoć. Suszarnia próżniowa ma kształt prostokątny lub cylindryczny. Musi mieć bardzo
szczelną obudowę. Zbudowana jest z żeliwa bądź ze stali. Tego rodzaju suszarnie są dość często
stosowane w przemyśle farmaceutycznym (bo dużo substancji termo labilnych i higroskopijnych) Następny
typ suszarni komorowych bez półek – suszarnia taśmowa. Suszarnia taśmowa – suszenie bezprzeponowe
gorącym powietrzem

1

7

4

2

6

5

3

1- komora
2- lej zasilający
3- odprowadzanie wysuszonego materiału
4- przenośniki taśmowe
5- zasysanie powietrza
6- kaloryfer
7- odprowadzanie powietrza

suszenie zachodzi w przeciwprądzie.

Suszenie przeciwprądowe – gorące powietrze wprowadzane jest nad taśmą w różny sposób:

współprądowe:

- 26 -

suszenie prądami krzyżującymi się :

Warunek I op. suszenie tylko wtedy, gdy suchy materiał odporny na wysoką temperaturę. Następny typ
suszarni komorowej – suszarnia bębnowa. Składa się z bębna ogrzewanego przeponowo lub
bezprzeponowo (albo we współ- albo przeciwprądzie). Bęben jest ruchomy, wewnątrz bębna są półki.
W czasie obrotów bębna materiał przesypywany jest z półki na półkę, co zwiększa powierzchnię surowca.

1- bęben ruchomy
2- rolki
3- lej zasilający
4- komora zbiorcza materaiłu suchego
5- transporter ślimakowy
6- palenisko
7- odprowadzenie wilgotnych
gazów spalinowych

7

2

2

1

6

5

4

Suszarnia walcowa
– suszenie krwi, mleka, żelatyny, skrobi ziemniaczanej.
Suszenie trwa krótko, jest przeponowe, podstawową częścią takiej suszarki są dwa walce. Walce te mogą
być ogrzewane od wewnątrz parą wodną lub wodą.

1

3

materiał wilgotny

materiał suchy

1- płaszcz suszarki
2- walce
3- noże

materiał suchy

powietrze

Kierunek przepływu – powietrze bardziej się nawilgaca niż ochładza.
(..) – zeskrobuje materiał z walców suszenie zachodzi w przeciwprądzie.

W tego typu suszarni można suszyć przeponowo – ogrzewamy od środka walce. Walce przekazują ciepło
materiałowi, należy obniżyć ciśnienie stosując pompę próżniową.

Suszarka Rozpryskowa.

Służy ona do suszenia substancji termo labilnych w wyższych temperaturach – suszenie trwa bardzo

krótko. W suszarniach rozpryskowych suszy się produkty spożywcze (mleko, jaja, drożdże) i krew. Suszenie
prowadzi się gorącym powietrzem (we współprądzie lub przeciwprądzie). Zasadniczą częścią suszarni jest
duża komora, w której suszony materiał jest rozpryskiwany za pomocą specjalnych rozpryskiwaczy (tarcze
rozpylające) i suszenie zachodzi w strumieniu przepływającego powietrza. Dzięki rozpryskiwaniu
powierzchnia parowania jest bardzo duża, np. 1 litr cieczy po rozpyleniu – 300m

2

. Wskutek tego w bardzo

krótkim czasie można usunąć bardzo duże ilości rozpuszczalnika.

- 27 -

materiał suszony

5

7

1

2

3

4

6

9

1- tarcza rozpylająca
2- osłona silnika poruszającego tarczę
3- zbiornik materiału
4- doprowadzający materiał suszony
5- dopływ powietrza
6- łopatki kierujące
7- lej zsypowy
8- przenośnik
9- dopływ powietrza

8

Od góry wprowadzamy materiał, od dołu gorące powietrze mieszane z suszonym materiałem.
Ostatnio w przemyśle stosuje się coraz częściej tzw. Suszarki fluidyzacyjne
W suszarkach tych cząstki suszonego materiału (osadu) są zawieszone w strumieniu przepływającego

z dużą prędkością gazu o dość wysokiej temperaturze. Układ zawieszonych cząstek w gazie – stan fluidalny.

4

5

2

3

10

7

6

9

8

1- wentylator; 2- podgrzewacz; 3- komora suszarni; 4- zasobnik materiału suszonego; 5- podajnik; 6-
przewód materiału suchego; 7- zbiornik materiału suchego; 8- cyklon; 9- filtr workowy; 10- dno sitowe
komory

Zasada działania:
Materiał wprowadzany jest na dno sitowe suszarni. Z drugiej strony wentylator tłoczy powietrze do

podgrzewacza, z podgrzewacza do komory. To powietrze przechodzi do dalszej części komory i tu miesza
się z materiałem suszonym. Materiał suszony odprowadzany jest przewodem do zbiornika. Powietrze
przechodzi górą do cyklonu – jest to urządzenie cylindryczne, na którego ścianki wpada gorące powietrze,
które z wnętrza komory porwało cząstki materiału suszonego. Padając stycznie na ścianki cyklonu powietrze
to podlega ruchowi wirowemu i dzięki temu drobne cząstki materiału odrzucane są na ścianki cyklonu (dzięki
sile odśrodkowej). Następnie materiał przechodzi z cyklonu do zbiornika materiału suchego. Z cyklonu
powietrze przechodzi do filtru workowego (9). Filtr ten na ściankach worka zatrzymuje jeszcze drobniejsze
cząstki materiału porwanego. Te cząstki za pomocą przewodu przechodzą do zbiornika materiału suchego.

Destylacja

Destylacja jest to operacja fizyczna polegająca na odparowaniu roztworu w temperaturze jego wrzenia,

a następnie skropleniu oparów w celu uzyskania nowego roztworu o wspólnej(?) zawartości jednego ze
składników lub (...?) jednoskładnikowego roztworu. (jednoskładnikowy – rektyfikacja)

W czasie destylacji odparowywanie prowadzi się w temperaturze wrzenia roztworu. Wrzenie cieczy

następuje wówczas gdy prężność par roztworu osiąga wartość co najmniej równą ciśnieniu zewnętrznemu.

Rozróżniamy ciecze:
1) rozpuszczające się wzajemnie – prężność par mieszaniny tych cieczy równa się sumie prężności

par poszczególnych czystych składników.

Prawo Daltona :

P= P

A

+ P

B

2) mieszaniny cieczy rozpuszczające się w sobie

- 28 -

a) w dowolnych stosunkach

b) częściowo (np. woda w benzenie)

W przypadku cieczy rozpuszczających się w sobie we wszystkich stosunkach możemy spotkać się z

roztworami podlegającymi prawu Raulta i z roztworami ulegającymi odchyleniu od tego prawa.
Prawo Raulta:

W określonej temperaturze prężność cząstkowa jakiegoś składnika wchodzącego w skład nasyconej

pary czystego składnika w tej samej temperaturze przez ułamek molowy tego składnika w mieszaninie.

P

A

= P

A

·x

A

b

a

a

x

A

+

=

stosunek ilości moli składnika A do sumy ilości moli składników mieszaniny

x

A

·100% - procent molowy

Z prawa Raulta wynika, że jeśli ciecze mieszają się wzajemnie w dowolnych stosunkach, to następuje
obniżenie prężności cząstkowej par składników

P

P

0%skł.A

100%skł B

100%skł.A (benzen)

0%skł B (toluen)

Dla tej samej mieszaniny: wykres t

wrzenia

od skł. procesu

t

w n

t

w n

110°C

80°C

0% benzen
100% toluen

100% benzen
0% toluen

Tak gdy ciecze podlegają ściśle prawu Raulta, można uzyskać zależność między składem % pary z t

wrzenia

roztworu

T

w r z

110°C

80°C

0%
100%

100% benzen
0% toluen

T

w r z

Skład pary

Skład
cieczy

25%
75%

70%
30%

Jeśli roztwór podlega prawu Raulta, to skład pary jest inny niż skład cieczy (podczas destylacji) uzyskuje się
roztwór o składzie wzbogaconym w składnik bardziej lotny. Zmieniać skład destylatu można tylko wtedy, gdy
ciecze spełniają to prawo.

Mało jest takich roztworów które całkowicie podlegają prawu Raulta. Są roztwory wykazujące (+) lub (–)
odchylenia od tego prawa.
(...)
Wobec tego nie jest możliwe wzbogacanie destylatu w składnik bardziej lotny
Są również odchylenia (–) od prawa Raulta i wówczas prężność pary nad roztworem ma wartość niższą
(aniżeli wynikałoby to z prawa Raulta), a w konsekwencji t

wrzenia

wyższą aniżeli t

wrzenia

wyżej wrzącego

składnika. Wówczas również nie będą możliwe wzbogacenia destylatu w jeden ze składników na drodze
zwykłej destylacji.

- 29 -

M. azeotropowa – gdy chcemy zmienić jej skład to wówczas musimy:

⎯

zmienić bądź ciśnienia, bądź jeden ze składników związać chemicznie

⎯

oddestylować jeden ze składników przez tworzenie trójskładnikowego azeotropu.

np. jeśli chcemy otrzymać bezwodny etanol dodajemy jako trzeci składnik benzen
Otrzymamy wtedy mieszaninę azeotropową 3- składnikową, która destyluje w temperaturze niższej i
w składzie 18,5% wag etanolu i 74,1% wag benzenu, 7,4% wody:
a) najpierw destyluje 3- składnikowy azeotrop
b) benzen i alkohol (32,4% alkohol, 67,6% benzen)
c) bezwodny

etanol

Wyróżniamy rodzaje destylacji:

⇒ destylacja prosta

⇒ destylacja z deflegmacją

⇒ destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem

⇒ destylacja molekularna

⇒ destylacja z parą wodną
W trakcie destylacji prostej uzyskujemy tylko częściowy rozdział cieczy, zbieramy różne frakcje wrzące

w różnych zakresach temperaturowych.

3

1

2

4

5

1- kocioł; 2- grzejnik; 3- hełm; 4- chłodnica; 5- odbiorniki

Żeby lepiej rozdzielić ciecz stosuje się destylację z deflegmacją. Przez deflegmację rozumiemy

częściowe zawracanie par do kotła destylacyjnego. W tym celu do aparatury do destylacji wprowadzamy
tzw. deflegmator, w którym następuje częściowe wykroplenie oparów (wykraplają się opary składnika mniej
lotnego). Część oparów, która ulega wykropleniu nazywa się flegmą. Stosunek ilości flegmy do ilości
destylatu nazywamy stopniem deflegmacji. W przemyśle występuje od 3 do 5 stopni, a w laboratorium do 30
stopni.

Innym rodzajem destylacji jest destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem. Stosuje się ją w przypadku

destylacji substancji termo labilnych. Tylko duże obniżenie ciśnienia powoduje znaczne obniżenie
temperatury wrzenia. Aparatura do takiej destylacji składa się z kotła destylacyjnego, deflegmatora,
chłodnicy, odbieralnika połączonego z pompą obniżającą ciśnienie. W aparaturze przed pompą często
umieszczamy różne pochłaniacze, które absorbują wydzielające się w toku destylacji gazy lub lotne
substancje kwaśne lub zasadowe, które mogłyby zanieczyszczać pompę.

W przypadku związków o dużym ciężarze cząsteczkowym (o wysokiej temperaturze wrzenia)

stosujemy tzw. destylację molekularną (w celu obniżenia temperatury wrzenia) lub destylację z parą
wodną. W destylacji molekularnej wykorzystuje się fakt, że przy bardzo niskim ciśnieniu zwiększa się droga
swobodna cząsteczek, które występują w stanie lotnym. Droga swobodna przyjmuje różne wartości, zależne
od różnej szybkości poruszania się cząstek. W trakcie destylacji molekularnej ciecz rozprowadzamy w jak
najwęższej warstwie. W ten sposób ułatwiamy wydobywanie się z tej warstwy cząstek cieczy, a z drugiej
strony unikamy przegrzewania cieczy. Ciecze wprowadzane do aparatury są uprzednio odgazowywane
i podgrzewane do temperatury 150-300 °C. W tych warunkach bardzo szybko ciecze przechodzą w stan
pary i po przebyciu części tylko drogi swobodnej, która średnio wynosi 5 cm są kondensowane na
powierzchni kondensującej urządzenia. Odległość między powierzchnią parującą, a kondensującą nie może
być większa niż 3-4 cm. Nowoczesne urządzenia do destylacji molekularnej składają się z właściwego
naczynia destylacyjnego oraz z walców ogrzewanych od wewnątrz elektrycznie. Ciecz poddawana destylacji
jest najpierw odgazowywana przez ogrzewanie pod zmniejszonym ciśnieniem, a następnie wprowadzana na
powierzchnię walca, z której szybko paruje i gromadzi się na powierzchni kondensacyjnej.

- 30 -

5

4

2

4

1

3

1

-

walec ogrzewany od wewnątrz;2- zbiornik na ciecz destylowaną;3- powierzchnia kondensacyjna;

4- zbiornik destylatu;5- zbiór niedogonu

Destylację z parą wodną stosujemy w przypadku cieczy lub ciał stałych takich, które są

nierozpuszczalne w wodzie i lotne z parą wodną, a jednocześnie nie mogą reagować z parą wodną.
Substancje lotne z parą wodną w temperaturze poniżej 100

o

C wykazują pewną prężność par nad roztworem.

Wtedy kiedy ciecze nie rozpuszczają się w sobie mamy doczynienia z prawem Daltona:

p

nad roztworem suma

= p

a

+ p

b

+ ...............p

n

Jeśli ciśnienie zewnętrzne wynosi 760 mmHg, a zmieszamy jakąś substancję b z parą wodną to

prężność par takiej mieszaniny przy ww. ciśnieniu zewnętrznym będzie osiągnięta w niższej temperaturze
(niższej niż 100

o

C), niż gdyby wykazywałaby tą samą prężność sama substancja b. Destylacja z parą

pozwala destylować substancje wysoko wrzące w temperaturze niższej niż 100

o

C. Temperatura wrzenia

będzie tym większa (ale nie wyższa niż 100

o

C), im większa będzie prężność par składnika poddanego

destylacji. Temperaturę wrzenia można wyznaczyć na podstawie krzywych prężności par wody i prężności
par danej substancji w różnych temperaturach np. gdy chcemy przedestylować benzen z parą wodną przy
ciśnieniu 760 mmHg to suma prężności par wody i benzenu będzie wynosić 760 mmHg w temperaturze
69,4

o

C. Przy substancjach trudno lotnych i o temperaturze wrzenia dużo wyższych od temperatury wrzenia

wody, stosuje się zamiast wody przegrzaną parę wodną. Posiada ona wyższą temperaturę od zwykłej pary
i wtedy substancja wysoko wrząca w wyższej temperaturze wykazuje jeszcze prężność par. Przegrzaną parę
wodną otrzymuje się najczęściej w następujący sposób: najpierw obniża się ciśnienie pary wodnej
otrzymanej z kotła destylacyjnego (ostra para) do 0,5 atmosfery i dopiero po podgrzaniu pary wprowadza się
ją do aparatu destylacyjnego - do kotła. Gdy zachodzi niebezpieczeństwo zbyt dużego wykraplania się pary
wodnej w kotle to staramy się temu zapobiec przez dodatkowe podgrzewanie kotła. Niekiedy stosuje się
destylację z parą wodną do usuwania substancji rozpuszczalnych w wodzie, np. usuwa się w ten sposób
alkohol etylowy z zacieru fermentacyjnego. Ważne jest prawidłowe obliczenie ilości pary wodnej potrzebnej
do przedestylowania określonej ilości substancji.

Z równania Clapeyron'a wynika dla wody : P

A

* V

o

= n

A

R T

P

A

- prężność pary

V

o

- objętość nor. 22,4 dm

3

n

A

- ilość moli

R - stała gazowa

T - temperatura w °K

P

B

* V

o

= n

B

R T

B

P

A =

n

A

G

A(B)

P

B

n

B

B

n

A(B)

= M

A(B)

P

A =

G

A

M

B

P

B

G

A

M

B

B

G

A =

P

A

M

A

G

B

P

B

B

M

B

Gdy ciało przechodzi ze stanu stałego w stan lotny to taki proces nazywamy sublimacją. Jest to sposób

oczyszczania substancji takich jak siarka, chlorek rtęci, kwas salicylowy.

Aparatura do sublimacji:

- 31 -

4

7

6

7

3

5

1

2

1- kocioł sublimacyjny; 2-ogrzewanie kotła; 3- odbieralniki; 4- dopływ CO

2

; 5- zamknięty obieg CO

2

;

6-przegrody; 7- płaszcze chłodzące

Pompy ruchome z zastosowaniem cieczy pomocniczych

Najstarszą pompą jest pompa próżniowa obrotowa z pierścieniem cieczowym.

przewód tłoczenia

stator

wirnik

łopatki

komory

pierścienie cieczy

przewód ssania

W statorze (obudowie nieruchomej) umieszczony jest ekscentrycznie wirnik zaopatrzony w łopatki.

W czasie obrotów wirnika ciecz wiruje tworząc pierścień cieczowy. Między pierścieniem cieczowym,
a łopatkami wirnika wytwarzają się komory, do których z przewodu ssania gazy (powietrze) są zasysane
z aparatury, w której zmniejszamy ciśnienie. W następnych komorach gazy te są tłoczone do przewodu
tłoczenia i usuwane na zewnątrz pompy. Cieczą mającą zastosowanie w pompie może być

1. woda (uzyskiwana próżnia 30 mmHg)
2. olej (uzyskiwana próżnia 0,01 mmHg)

Częściej niż pompy wodne stosowane są pompy olejowe. Przykładem pompy olejowej jest pompa

próżniowa mimośrodowa z obracającym się wirnikiem suwakowym.

przewód ssania

wirnik

wgłębienie w wirniku

stator (część nieruchoma)

suwak

przewód tłoczenia

- 32 -

przestrzeń ssania

sprężyna dociskająca
suwaki

suwak

stator

wirnik

przestrzeń tłoczenia

zawór

W statorze umieszczamy ekscentryczny wirnik zaopatrzony w ruchome suwaki, umieszczone we

wgłębieniu wirnika. W czasie obrotu wirnika dociskane są sprężyną do gładzi statora. Zawór służy do
przerwania działania pompy, aby wyrzucić powietrze (gaz).

Jeśli jako cieczy pomocniczej używamy oleju, to uzyskiwana próżnia wynosi 0,01 mmHg.
Do uzyskiwania większych próżni stosuje się pompy dwustopniowe. W obudowie występują dwa

wirniki. Za pomocą takich pomp uzyskuje się próżnie powyżej 0,00001 mmHg. Przykładem takiej pompy jest
obrotowa pompa rtęciowa, gdzie cieczą pomocniczą jest rtęć. W takiej pompie najpierw uzyskuje się próżnię
wstępną za pomocą pompy olejowej.

przestrzeń
tłoczenia

otwór przewodu
tłoczenia

stator

otwór przewodu ssania

przestrzeń ssania

wirnik

Stator ma kształt cylindryczny. W statorze umieszczony jest wirnik mający kształt spiralny. Jako ciecz

pomocnicza zastosowana jest rtęć, która wypełnia pewną część objętości statora. W czasie obrotu wirnika
gaz (powietrze) zostaje zassany przewodem poprzez otwór przewodu ssania oznaczony na rysunku cyfrą 4.
Następnie, gdy wirnik obraca się dalej dostęp gazu zostaje zamknięty przez zanurzenie otworu w cieczy
i wtedy przestrzeń tłoczenia maleje - gaz jest tłoczony na zewnątrz przez otwór tłoczenia oznaczony na
rysunku cyfrą 5. Otwór jest połączony z próżnią wstępną, czyli pompą olejową.

Jeszcze większą próżnię można uzyskać stosując pompy molekularne. Wymagają one również

zastosowania próżni wstępnej (pompy olejowej). Dzięki działaniu pompy olejowej wzrasta średnia droga
swobodna cząsteczek . Cząsteczki te są porywane przez ruchome powierzchnie pompy molekularnej.
Odległość między powierzchniami pompy molekularnej jest mniejsza od średniej drogi swobodnej cząstek.
Cząsteczki gazu uderzają więc w obracające się parenaty-? wirnika pompy molekularnej, nabierając od niej
dodatkowej szybkości. Wskutek tego następuje rozrzedzenie gazu w przestrzeni ssania , a następnie jego
zagęszczenie w przestrzeni tłoczenia. Końcowa próżnia uzyskiwana za pomocą pompy molekularnej wynosi
10

-7

mmHg.

- 33 -

nieruchoma
powierzchnia
pompy

przestrzeń rozrzedzenia
gazu

przestrzeń zagęszczenia
gazu

ruchoma powierzchnia pompy
(wirnik)

n

Pompa dyfuzyjna jest pompą nieobrotową. Jej działanie opiera się na zjawisku dyfuzji gazów

znajdujących się w przestrzeni zamkniętej do strumienia par rtęci lub par oleju i następnie na kondensacji
tych par oraz przenoszenia ich cząsteczek gazu poza pompę.

zbiornik z rtęcią

grzejnik

przewód do próżni wstępnej

szczeliny

przykrywa parasolowa

przestrzeń wysokiej próżni

chłodzenie wodą

Pompa posiada grzejnik, który ogrzewa zbiornik z rtęcią. Dzięki ogrzewaniu powstają pary rtęci, które

przesuwają się ku górze pompy i napierają na przegrodę, która kieruje je ku dołowi pompy. Pary rtęci
porywają cząsteczki gazu dyfundującego z przestrzeni oznaczonej na rysunku cyfrą 4. Pary rtęci są
ochładzane przez wodę. Pary rtęci ulegają skropleniu i w postaci skroplin rtęć wraca do zbiornika z rtęcią,
natomiast cząsteczki gazu są odprowadzane na zewnątrz pompy przewodem połączonym z pompą olejową
wytwarzającą próżnię rzędu 0,1 mmHg.

Krystalizacja

Krystalizacja jest to operacja fizyczna mająca na celu otrzymanie substancji czystej o odpowiedniej

wielkości cząstek (kryształów). Najczęściej prowadzi się krystalizację ciał stałych z roztworów w celu
rozdzielenia różnych związków (oddzielenie zanieczyszczeń od substancji, którą poddajemy rozdzieleniu).
Substancje krystaliczne posiadają różną rozpuszczalność w zależności od rodzaju rozpuszczalnika i
temperatury. Ważną rzeczą jest dobranie odpowiedniego rozpuszczalnika do krystalizacji. Rozpuszczalnik
wybieramy na tej zasadzie, że powinien on bardzo dobrze rozpuszczać substancję w temperaturze wrzenia
jej roztworu i bardzo źle rozpuszczać tę samą substancję w temperaturze obniżonej (temperatura pokojowa
lub niższa). Jednocześnie rozpuszczalnik powinien bardzo źle rozpuszczać zanieczyszczenia w
temperaturze wrzenia roztworu. Wówczas odsączamy na gorąco od zanieczyszczeń roztwór naszej
substancji. Przesącz oziębiamy tak, aby uzyskać roztwór przesycony. Z drugiej strony może zaistnieć taka
sytuacja, że rozpuszczalnik lepiej rozpuszcza zanieczyszczenia niż oczyszczaną substancję, ale wtedy musi
on znacznie lepiej rozpuszczać zanieczyszczenia niż substancję krystalizowaną w obniżonej temperaturze.
Wówczas z przesyconego roztworu będzie krystalizować właściwa substancja, a zanieczyszczenia zostaną
w roztworze.

- 34 -

W trakcie krystalizacji konieczne jest usunięcie barwnych zanieczyszczeń. Usuwa się je za pomocą

węgla aktywnego, który charakteryzuje się dużą powierzchnią absorpcyjną i absorbuje zanieczyszczenia.
Węgiel należy dodawać w odpowiednim momencie krystalizacji. Nie można go dodawać w wysokiej
temperaturze, bliskiej temperaturze wrzenia, ponieważ dodanie węgla może spowodować, że mieszanina
krystalizacyjna wydostanie się poza aparaturę. Z drugiej strony dodaje się go po sporządzeniu roztworu
nasyconego, na gorąco. Węgiel aktywny wprowadza się w niewielkiej ilości 1-4%. Ilość węgla jest

- 35 -

ograniczona, ponieważ posiada on dużą powierzchnię absorpcyjną i zbyt duża jego ilość mogłaby
zaabsorbować substancję krystalizowaną, co zmniejszyło by wydajność operacji.

Rozpuszczalność związków chemicznych zależy od ich

•budowy

•temperatury rozpuszczalnika

•właściwości rozpuszczalnika

Zależność temperaturową rozpuszczalnika możemy odczytać z wykresów pozwalających obliczyć jaką ilość
substancji w określonej temperaturze można rozpuścić w danej ilości rozpuszczalnika. Większość związków
chemicznych wykazuje wzrost rozpuszczalności w danym rozpuszczalniku wraz ze wzrostem temperatury.
Odstępstwa od tej reguły wykazuje związek dwuwodny siarczan wapnia CaSO

4

2H

2

O

Wydzielenie substancji krystalizowanej z roztworu następuje dopiero po uzyskaniu stanu przesycenia

roztworu. Przesycenie roztworu uzyskuje się przez

⇒ obniżenie temperatury

⇒ częściowe odparowanie rozpuszczalnika

W zależności od sposobu krystalizacji używamy różnej aparatury

1. krystalizatory
2. krystalizatory lub warunki próżniowe

Stan krystaliczny charakteryzuje jednorodność i symetryczne rozmieszczenie atomów, jonów,

cząsteczek w siatce krystalicznej. Wyróżniamy dwa etapy krystalizacji

I etap tworzenia się zarodków fazy stałej
II etap narastania kryształów

Istnieje szereg teorii wyjaśniających etap pierwszy. Z doświadczenia wiadomo, że szybkie schładzanie
roztworu i jego mieszanie powoduje najczęściej powstawanie dużej ilości zarodków krystalizacji - powstanie
wówczas duża ilość kryształów. W roztworach nasyconych niemieszanych i odstawionych w temperaturze
pokojowej powstaje mała ilość zarodków krystalizacji - duże kryształy. Przy zbyt opornym tworzeniu się
zarodków krystalizacji tzn. w roztworach nasyconych o dużej lepkości zaszczepia się kryształy przez dodanie
do roztworu przesyconego czystej substancji. Niekiedy stosujemy zamiast tego pocieranie bagietką o
szklane naczynie, co powoduje powstawanie rys na szkle, które ułatwiają powstawanie zarodków
krystalizacji. Możemy także powiesić sznurki w naczyniach w których prowadzimy krystalizację.

Powstawanie dużej ilości zarodków tłumaczy się zwiększeniem konwekcji w czasie mieszania i

chłodzenia roztworu, a tym samym wzrostem ilości przestrzennych zbliżeń do siebie jonów, atomów,
cząsteczek, które tworzą ze sobą kryształ. Przyrost wytworzonych już kryształów następuje w wyniku
dopływu wydzielonej substancji do powierzchni utworzonego zarodka krystalizacji. Dopływ substancji w
roztworze niemieszanym odbywa się tylko na zasadzie dyfuzji i dlatego proces takiej krystalizacji jest
powolny.

Drobne kryształy mogą zawierać zanieczyszczenia na skutek ich absorpcji na powierzchni kryształów.

Osad drobnokrystaliczny ma zwiększoną powierzchnię absorpcji w stosunku do osadu grubokrystalicznego.
Można by było przypuszczać, że osad grubokrystaliczny zawiera mniej zanieczyszczeń, ale z drugiej strony
wolno rosnące kryształy mogą zachowywać zanieczyszczenia w wewnątrz.

W krystalizacji stosuje się różne aparaty o działaniu okresowym lub ciągłym. Krystalizacja jest

prowadzona z odparowaniem rozpuszczalnika (chłodzenie) lub bez odparowywania rozpuszczalnika (pod
normalnym lub zmniejszonym ciśnieniem).

PANGWIE (PAROWNICE) odparowywanie bez mieszania i bez chłodzenia; mało wydajny proces
WARNIKI bez mieszania i bez chłodzenia odparowujemy rozpuszczalnik, uzyskując stałą pozostałość,

którą należy powtórnie krystalizować

KRYSTALIZATORY w nich przesycone roztwory uzyskuje się przez schładzanie wodą oraz prowadzi

się intensywne mieszanie

2

1

2

3

4

4

1 - mieszadło (łopatki)
2 - szczotki
3 - usuwanie kryształow
4 - płaszcz chłodzący

medium chłodzące: woda lub solanka

W krystalizatorach próżniowych prowadzone procesy dają dużą wydajność.

2

1

3

4

8

5

6

7

1- dopływ roztworu; 2- przewód do pompy próżniowej; 3- rura barometryczna; 4- zbiornik;5- pompa

cieczowa; 6- zbiornik; 7- wirówki; 8- odprowadzenie ługu polikrystalicznego

- 36 -