中药减压提取下溶液沸点与真空度的对应关系_陈晓东

Gongyitantao yu Xitongs heji◆工艺探讨与系统设计
中药减压提取下溶液沸点与真空度的对应关系
陈晓东
（南京至成制药设备有限公司，江苏 南京 210008）
摘 要：运用工程基础理论，从应用于生产实践的角度出发，阐明并计算了专利技术“用于中药提取的减压提取装 置”所操作控制的温度与装置的真空度所对应的关系及数据，为中药企业运用该专利提供了可靠的技术支持。
分溶液对应的气相分压之和时，即使溶液内部可能产 生微小汽泡，但由于外部压力较汽泡内气相压力大，这 些小汽泡不可能增大反而可能会萎缩掉。只有当温度 不上升或是外界压力减小到这两种压力平衡也即相等 时，溶液内部的汽化即沸腾便会产生了。
0
50 ℃时100%的乙醇蒸汽压为30 kPa，即PA=30 kPa； 由饱和水的物性表查得同温度的水饱和水蒸汽的压力
利用此表可在做醇提试验或生产时参照使用。至 对应系统真空度总体约在0.82～0 （真空度1为绝对真
于水提，可直接使用有关手册上的饱和水蒸汽蒸汽压 空，0即无真空，也即常压）的区域之间，所以常压下水
表对照将其折换成对应的真空度。例如：从《化工容器 提约为100 ℃而醇提约在80 ℃左右。真空度达到0.82
18 中国制药装备·2010 年 2 月·第 2 辑
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的过程中，其泡壁周围液体继续不断汽化使得汽泡不 断增大，而随着汽泡在溶液中上升，其受到的因为液体 高度产生的静压力越来越小，故而汽泡会迅速膨胀，呈 加速上升，直至撑出液面破裂使汽化的分子扩散到液 面之上。这种沸腾过程，是一个外界压力与温度相对 应的平衡过程。也就是说当一定的外界压力与溶液本 身的汽相蒸汽压力相等时，沸腾便会产生。即使不对 溶液加热，当外部压力减小到一定程度 （如抽真空）， 等于溶液上方的溶液所组成的各成分汽相分压之和时 （指多组分溶液），溶液也会沸腾。此时溶液内分子的 汽化热是从周围（如器壁）吸收热量。如不加热，汽化 的速度会较慢，只要外界压力（真空度）不变则溶液本
及设备简明设计手册》[9]上的“化工物性数据 ”附 表 8 对醇提来说温度可低达42 ℃，而水提可低到55 ℃。具
对欲采用该专利技术的药材品种做实验，来优选最合 适的操作条件从而指导生产。实际上，近来有的院校 已经按照笔者的实验设计做出了卓有成效的结果。如 成都中医药大学的韩丽副教授在栀子的实验提取中比 常规的常压提取高出十多个百分点。对生产企业而 言，先通过试验得到的数据放大后应用到大生产上就 能“一炮打响”，收到立竿见影的效果。为了更进一步 指导实验和生产实践，笔者应一些用户的要求将常用 于提取的溶媒水和乙醇在不同的沸点、浓度（指乙醇） 所对应的需要的真空度条件，根据有关技术资料和参 考书籍计算出来并总结以表格列出。
2 关于溶媒乙醇的浓度
含水乙醇浓度有体积百分浓度、质量百分浓度及 摩尔百分浓度等。在具体采用时，这3种浓度之间根据 工艺计算的需要常常要相互换算，其换算方法用计算 实例演示其后。而一般厂家所指的浓度通常为体积百 分浓度。 2.1 体积百分浓度
体积百分浓度= 溶液中纯乙醇所占体积 溶液的总体积
式中 溶液的总体积=溶液中纯乙醇所占体积+溶液 中水的体积。 2.2 质量百分浓度
离 时 间 长 、能 耗 高 、溶 媒 损 耗 大 ，因 而 成 本 高 ；而 浸 渍
由于是低温，所以热敏性成分（组分）不致破坏，而
和渗漉，虽然温度低但生产周期长因而效率很低。）以 且避免许多大分子的无效物质（杂质）被带入提取液；
上提到的新工艺和方法还大多存在局限性，无法克服 由于是沸腾状态，保持了溶媒蒸汽的冷凝和回流，所以
作为“新药”审批手续来办。这种“紧箍咒”犹如悬在头 效快的独特优势受到了许多中药生产企业的欢迎和好
上的“尚方宝剑”，使得企业不敢“轻举妄动”，否则投 评。都认为是一项值得推广的技术。特别是对中药注射
入的巨资、时间，烦琐的论证、验证和多期的“临床试 剂[3]的生产厂家更有意义，原因在于注射剂产品中对
验”有可能“拖垮”实力不太强的企业，或使其“陷进去 杂质的要求是相当苛刻的，但去除杂质即分离纯化所
不对《药典》所规定的“制备方法”做原则上的改变。所
然而，中药材千万种，针对目前提取或浸渍、渗漉 采用的装置仍然是提取罐原来的一套系统，所以企业
前处理工艺的通病，（如常压状态下由于提取温度高， 设备无需做大手术的改动，因而费用也极低。该技术
热敏性有效成（组）分破坏大、杂质多、收率低、纯化分 的使用，可以使提取在减压下低温沸腾操作。
表1 乙醇的3种浓度表示方法互相对应数值表（%）
体积浓度
质量浓度
摩尔浓度
72
67
44.3
80
76
55.3
92
88
74.2
由于在下面对真空度计算时必须要用摩尔浓度， 所以在此先介绍换算的方法。
3 计算不同浓度乙醇相对应沸点的真空度
3.1 原理 溶液的沸点是溶液沸腾时的温度，它是溶液内部
分子汽化的结果。溶液沸腾的条件是：由于溶液外部 加热使得分子动能升高，液体内局部分子吸收了较多 的热能由液态变成了汽态形成微小的汽泡。而在加热 条件下，根据气体状态方程式定律，温度的升高使得汽 泡内压力升高，同时由于小汽泡周围液体分子不断汽 化也使得汽泡体积不断增大。汽泡体积的增大，在液 体中受到的浮力也增大，而使汽泡上升。在汽泡上升
P— ——溶液上方总的蒸汽压。 3.3 计算实例
身温度不变。加热的程度只是影响溶液汽化的速度， 而不会使溶液的温度升高。这是因为一定的温度必然 唯一对应某种物质的蒸汽分压。例如，水在常压（1个 标 准 大 气 压 下）无 论 用 何 种 方 式 加 热 ：柴 烧 、煤 气 烧 、
以乙醇（水）溶液为例，为双组分溶液，且近似视为 理想溶液（即两者混合不会产生体积变化，也不吸收或 放出热量，也即性质相似、分子大小接近的组分）。当 然，由于两种物质分子的区别，且提取液中还有药物等
［解］由表1知，72%体积浓度的乙醇换算为摩尔分
低一样。
数为44.3%，
而当外界压力大于溶液气相组分压力之和时，汽 化虽会在溶液液面进行，即所谓蒸发，但不会在溶液内
即XA=44.3%，而水的组分XB=1－XA=1－44.3%=55.7%。 由溶剂或化工工艺设计手册“汽液平衡蒸汽压图”[8]
部产生汽化即沸腾。这是因为当外部的压力大于各组 查得：
溶液单位体积纯乙醇的质量 质量百分浓度=
溶液的比重 式中 溶液单位体积乙醇的质量=体积百分浓度×纯 乙醇的比重；
溶液的比重=溶液单位体积中纯乙醇的质量+溶 液单位体积中水的质量。 2.3 摩尔百分浓度
单位质量溶液中乙醇的摩尔数 摩尔百分浓度=
单位质量溶液中
乙醇摩尔数与水的摩尔数之和
式中 单位质量溶液中 = 溶液乙醇的质量分数 ；
乙醇的摩尔数
乙醇的分子量
溶液水的质量分数
单位质量溶液中水的摩尔数=
；
水的分子量
溶液中水的质量分数=100%－溶液乙醇的质量分
数。
2.4 用实例来说明换算的具体方法
［例］将72%体积浓度的乙醇（水溶液）换算成质量
百分浓度和摩尔百分浓度。
［解］由《溶剂手册》[5]查得100%乙醇比重为0.79，
乙醇分子式为C2H5OH，分子量为46， 水的分子式为H2O，分子量为18，
换算如下：
质量百分浓度= 72%×0.79 =67%； 72%×0.79+28%×1
摩尔百分浓度= 67%／46 =44.3%。 67%／46+33%／18
用 上 面 的 方 法 同 样 可 以 计 算 出 80% 、92% 体 积 百
分浓度乙醇所对应的重量百分浓度和摩尔百分浓度，
将计算结果列表如表1所示：
0
为12.58 kPa，即PB=12.58 kPa，
0
乙醇的气相分压PA=PA·XA=30 kPa×44.3%=13.29 kPa，
3.2 计算的理论依据
3.2.1 理想溶液的拉乌尔定律[6]
拉乌尔定律表述：在一定温度下，理想溶液上方蒸
汽中任意组分的分压等于此纯组分在该温度下的蒸汽
压乘以它在溶液中的摩尔分率。
公式表示：
0
PA=PA·XA
0
0
PB=PB·XB=PB·（1－XA）
0
水的气相分压PB=PB·XB=12.58 kPa×55.7%=7.01 kPa， 72%体积浓度的乙醇在50 ℃时溶液上方汽相总压 为： P=PA+PB=13.29+7.01=20.3 kPa 折合真空度为1－0.203=0.797≈0.8， 即72%体积浓度的乙醇水溶液在50 ℃沸腾时对应 的真空度。 同理，可计算出其它浓度乙醇在沸腾温度时所对
机电信息 2010 年第 5 期总第 251 期 19
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应的真空度，将计算结果列表如表2所示： 表2 几种沸点温度下不同浓度乙醇（体积浓度） 所需对应的真空度
温度／℃
50
60
65
70
乙醇浓度／%
真空度
72
0.8
0.67
0.59
电加热等，沸腾时的温度恒定为100 ℃。供热的多少只 其他成分，计算结果只作参考，主要还由实验决定。
会使汽化的程度即蒸发量发生变化，而不会改变沸腾
［例］计算72%（体积浓度）乙醇在50 ℃沸腾时其对
的温度。除非在外界压力变化，如在高原上烧水，由于 应的外界压力（或需要的真空度）为多少？
Hale Waihona Puke 大气压的降低，地势越高则气压越低，沸点也会随之降
式中 PA，PB— ——溶液上方组分A及B的平衡分压；
00
PA，PB— ——纯组分A及B的饱和蒸汽压； XA，XB—— —溶液中组分A及B的摩尔分率。 3.2.2 道尔顿定律[7] 道尔顿定律表述：溶液上方总的蒸汽压等于各组 分溶液蒸汽分压力之和。 公式表示：