（化学工程专业论文）从植物精油中分离提纯榄香烯的实验研究.pdf

中文摘要 榄香烯是具有抗癌活性的倍半萜烯类化合物，其抗肿瘤作用和药理已经得到 广泛研究。在这种情况下，将榄香烯和o 一榄香烯的生产实现工业化，不论经济 角度还是从战胜癌症，为人类的健康作出贡献的角度，都具有重要的意义。 榄香烯主要成分是d 一榄香烯，还有a 、弘6 一榄香烯几种同分异构体。本 文以莪术精油和香茅草精油( 香茅草精油提取香精后的副产品) 为原料，分别进 行对榄香烯和b 一榄香烯的提纯研究，得到了符合标准质量及收率要求的榄香烯 和满足基本纯度要求的b 一榄香烯，为榄香烯工业化生产提供了理论依据，同时， 为b 一榄香烯的进一步研究莫定基础。 以莪术精油为原料，采用减压间歇精馏的方法，通过两个精馏阶段分离提纯 榄香烯，实现了榄香烯和杂质的分离，确定了适宜的变回流比操作条件，获得了 含量8 8 以上的榄香烯产品，收率为6 6 8 。 以香茅草精油为原料，采用减压间歇精馏的方法，对其中的d 一榄香烯进行 精制提纯研究，通过两次精馏，实现了b 一榄香烯的提纯确定了适宜的操作压 力，获得了含量在9 5 以上的b 一榄香烯产品，收率为1 7 7 。提出了进一步提 高产品纯度的改进方法。 关键词：减压间歇精馏榄香烯p 一榄香烯莪术精油香茅草精油 a b s t r a c t t h ee l e m 朗ei sac o m p o l m dw h i c hb e l o n g st os e s q u i t e r p e n o i d a n di th a st h e a n t i - c a n c e ra c t i v i t y t h ea n t i c a n c e rf u n c t i o na n dt h ep h a r m a c o l o g yo fe l e m e n eh a v e b e e nr e s e a r c h e dw i d e s p r e a d l y i th a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c et om a k et h ep r o d u c t i o no f e l e m e n ei n d u s t r i a l i z a t i o n ，n o to n l yi ne c o n o m yb u ti nh e a l t hf o rh u m a nb e i n g t h ep r i n c i p a lc o n s t i t u e n to fe l h n e n ei s 3 - - e l e m e n e ，t h e r ea l s oa r e 瑾、t 、 8 - - e l e m e n e i nt h i sa r t i c l e ，c r e a t i v ea n da d v a n c e dm e t h o d sw e r ed e v e l o p e dt o s e p a r a t ee l e m e n ef r o mt h ee s s e n t i a lo i lo fc u r c o m aa n d1 5 - - e l e m e n ef r o mt h e e s s e n t i a lo i lo fc y b o p o g o n a tl a s t , t h ee l e m e n ew a so b t a i n e dt h a tc o n f o r m e dt h e s t a n d a r dq u a l i f i c a t i o na n dt h ep - - e l e m e n ew a so b t a i n e dt h a tc o n f o r m e dt h eb a s i c r e q u e s t t h er e s e a r c hl a i dt h es o l i df o u n d a t i o nf o ri n d u s t r i a l i z a t i o np r o d u c t i o no f e l e m e n ea n d1 3 - - e l e m e n e i ta l s ol a i dt h e f o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c hn e x tt op u f f yb - - e l e m e n e t h ee s s e n t i a lo i lo fc u r c o m aw a sp u r i f i e db yv u u mb a t c hd i s t i l l a t i o n t o p r o d u c ee l e m e n e t h ep r o c e s si sd i v i d e di n t ot w os t a g e st or e a l i z et h es e p a r a t i o na n d t h ei m p u r i t yo f e l e m e n e f i n a l l y , t h es u i t a b l eo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n dt h er e f l u xr a t i o w e r cd i s c u s s e da n dd e t e r m i n e d t h ep r o d u c tw a sg a i n e dw i t hp u r i t ya b o v e8 8 a n d y i e l d6 6 8 t h ee s s e n t i a lo i lo fc y b o p o g o nw a sp u r i f i e db yv a c u u mb a t c hd i s t i l l a t i o nt o p r o d u c e1 3 - - e l e m e n e t h e ，- - e l e m e n ep r o d u c tw a sg a i n e db yt w os t a g e s s u i t a b l e p r e s s u r ew a sd i s c u s s e da n dd e t e r m i n e d t h ep r o d u c tw a so b t a i n e dw i t hp u r i t ya b o v e 9 5 a n dy i e l d1 7 7 s o m em e t h o d sw e l es u g g e s t e df a t h e rt o 饥h 锄t h ep u r i t y k e yw o r d s ：v a c u u mb a t c hd i s t i l l a t i o n ，e l e m e n e ， ) - - e l e m e n e ，t h ee s s e n t i a lo i l o f c u r c u r r m ，t h ee s s e n t i a lo i lo f c y b o p o g o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：氡岔7 i ! ，论字日期：沙。辟月，珀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一躲风穗挑 签字日期：矽一辟月期 导师签名：冰品以 签字日期：训年j月i i 日 第一章文献综述 第一章文献综述 中国是中药的发源地，中药是中华民族的瑰宝。近些年来，随着人们对西药 的局限性和毒副作用的认识和了解，倾向于。回归自然”，采用天然药物，为中 医药发挥其特长优势提供了前所未有的机遇。随着我国加入w t o ，中药必将走 向世界，再次焕发出强大的生命力，展示出广阔的发展前景。但目前我国中药还 难于推向国际市场。长期以来，由于中药的特殊性，如原料的地域性、组成的复 杂性、复方配伍的多样性等，加之生产工艺落后，生产效率低下，缺乏科学的、 严格的工艺操作参数及系统的量化指标，致使产品质量不稳定，市场竞争能力差， 难以满足国际市场的要求。因此，在继承发扬中医药的优势上，如何利用现代科 学技术手段，借鉴国际通用的医药标准和规范，研究开发能够合法进入国际医药 市场的中药产品，使我国传统中药向产业化、现代化、国际化方向发展，使我们 面临的重要课题。 1 1 课题研究背景 当前，癌症的致死率仅次子心脑血管疾病，尽管并非所有的癌症都是不治之 症，但癌症仍具有较高的致死率。为了治疗癌症，国内外医药公司和研究所都在 研究开发有效的抗肿瘤药物，以求为人类除去这一顽疾。榄香烯和b 一揽香烯作 为有效的抗癌药物，其抗肿瘤作用和药理已经得到广泛研究。在这种情况下，将 榄香烯和b 一揽香烯的生产实现工业化，不论经济角度还是从战胜癌症，为人类 的健康作出贡献的角度，都具有重要的意义。 1 1 1 莪术与榄香烯简介 莪术为姜科姜黄属植物蓬莪术( c u r c u m ap h a e o c a u l i sv a l ) ，广西莪术 ( c u r c u m ak w a n g s i n e n s i ss g l e edc f l i a a g ) 或温郁金( c u r c u m aw e n y u j i ny h c h e ne tc l i n g ) 的干燥根茎，后者习称温莪术。莪术为多年生草本植物，主产 于广西、云南、四川等地；温莪术主产于浙江，栽培或野生。其味辛、苦、温， 归肝、脾经，具有行气破血、消积止痛的功效。莪术中富含挥发油，且成分复杂， 主要为萜烯类及倍半萜烯类衍生物。有莪术酮、莪术醇、a 一蒎烯、b 一蒎烯、樟 第一章文献综述 脑等 榄香烯是由碳、氢两种元素组成的倍半萜烯类化合物，主要成分为p 一榄香 烯( 9 - - e l e m e n e ) ，分子式为c l m 2 4 ，相对分子量为2 0 4 ，另外还含有少量的t 一榄 香烯及8 - - 榄香烯。b 、t 和8 - - 榄香烯为双键位置异构体，理化性质极为相近， 并表现出相似的抗癌活性。t 一榄香烯不是十分稳定的化合物，它在常温下比较 容易转变为p 一榄香烯和其它化合物嘲药理学及临床研究证明，榄香烯是一种 疗效确切的非细胞毒性抗肿瘤药物。具有良好的抗癌活性。目前，榄香烯乳剂作 为国家二类新药在临床上应用。 中医药理论认为，莪术具有行气破血、消积止痛的功效“1 。现代药理学研究 表明，莪术挥发油具有直接抑制、破坏癌细胞，增强免疫激活，调节免疫反应， 升白等作用 ”。研究表明，榄香烯抗肿瘤机理主要包括： ( 1 ) 直接杀伤瘤细胞 实验证实”，榄香烯可使小鼠皮下种植的胶质瘤细胞坏死碎裂，肿瘤组织出 现比较明显的液化、坏死。 ( 2 ) 诱导癌细胞凋亡 杨骅等“1 在研究榄香烯杀伤白血病细胞的机理中发现，榄香烯可阻滞肿瘤细 胞从s 期进入g 2 m 期，抑制其增殖并迅速导致其凋亡，d n a 凝胶电泳及透射 电镜观察证实了诱导凋亡作用的存在。 ( 3 ) 免疫增强作用 榄香烯可以通过多种途径改善和提高机体的免疫功能，对免疫系统具有保护 和促进的作用，具体表现为： 改变或增强肿瘤细胞的免疫原性，诱发或促进机体对肿瘤细胞的免疫反应。 提高荷瘤机体细胞免疫功能。 红细胞免疫在肿瘤发生，侵袭和转移过程中起着重要的阻遏作用。 ( 4 ) 榄香烯具有提高s o d 的作用嘲 1 1 2 香茅草精油与b 榄香烯简介 香茅草是重要的香料，又叫爪哇香茅( c c y m b o p o g o nw i n t e r i a n u sj o w t ) ，2 0 世纪3 0 年代由爪畦引入我国，现在长江以南大部分地区：福建、台湾、广东、 广西、海南、云南、四川、贵州等均有种植。香茅草年生长期l o 个月，期间可 收割叶片3 4 次。叶片用于提取精油，是我国大宗出口的香精油之一。世界上 年产量为5 0 0 0 吨，我国占5 0 ，位居第一位。 b 一榄香烯( 9 - - e l e m e n e ) 是从植物中提取的单体，具有明显抗癌活性，其化学 第一章文献综述 名为 l 一甲基一l 一乙烯基q ， 仁二异丙基环己烷 ( ( 1 0 , 2 p , 4 1 3 ) - 1 - e t h e n y l l - m e t h y l - 2 , 4 - b i s ( i - m e t h y l e t h e n y l ) - e y c l o h e x a n e ) 中国科学院 大连化学物理研究所在b 一榄香烯的分子结构基础上，通过1 3 c - n m r 法，计算 模拟了b 一榄香烯的分子优化结构 9 1 ，如图1 1 、图1 2 。p 一榄香烯的研究是在 国家二类抗癌新药榄香烯的研究基础上继续的 。一类抗癌新药b 一榄香烯及 b 一榄香烯乳注射液的研制和开发”已经作为国家“十五”重大科技专项“创新 药物和中药现代化”第一批课题立项。 一 辨 表1 - 1 不同产她的香茅草油中p 一榄香烯含量 t a b l el - l9 - - e l e m e n er a t eo f e s s e n t i a lo i lo f c y b o i ：x g o ni nd i f f e r e mh a b i t a t 产地含量( ) 福建漳州 雷州半岛 云南德宏 越南 5 1 2 1 6 3 2 1 5 3 9 8 香茅属( c y b o p o g o n ) 中植物有9 种，因品种不同，其挥发油中含香精的成 第一章文献综述 分也不同，只有香茅草中含有d 一榄香烯不同地区的香茅草提取的挥发油中， 成分基本相同，但b 一榄香烯的含量差别较大 1 2 分离方法概述 化工生产中常见的传质过程有蒸馏、吸收、萃取及干燥等单元操作；蒸馏在 化学工业中的应用最广泛，历史也最悠久。蒸馏是分离液体混合物的典型单元操 作。它是将液体混合物部分气化，利用各组分的挥发度不同，即在同一温度下各 组分的蒸汽压不同的性质进行分离的。这种分离操作通过液相和气相问的质量传 递实现。 蒸馏过程可以按照不同的方法分类。按操作流程可分为间歇蒸馏和连续蒸 馏。生产中多以连续蒸馏为主，间歇蒸馏主要应用于小规模生产或某些有特殊要 求的场合。按蒸馏方式可分为简单蒸馏、平衡蒸馏( 闪蒸) 、精馏和特殊精馏等 一般较易分离的物系或者对分离要求不高的时候，可以采用简单蒸馏或闪蒸，较， 难分离的可采用精馏，很难分离的或者采用普通方法不能分离的可采用特殊精 馏，工业中应用最广泛的是精馏。按操作压强可分为常压、减压或加压精馏。一 般情况下采用常压蒸馏，常压下不能进行分离或达不到分离要求的，如常压下为 气态化合物，可采用加压蒸馏，对于高沸点或热敏性物料，则需要采用减压蒸馏 按待分离的混合物组分数目，可分为两组分和多组分蒸馏，工业生产中以多组分 蒸馏最为常见。 1 2 1 间歇精馏 1 2 1 1 间歇精馏简介 在许多化工过程中，所处理的液体混合物可能是要分批进行的，或者是产量 小，或者是浓度经常改变，或者是要求用同一个塔分离多组分混合物成为几个不 同馏分等。在这种情况下，需要采用间歇精馏，即分批精馏( b a t c hd i s t i l l a t i o n ) 间歇精馏操作开始时，全部物料加入精馏釜中，逐渐加热气化，从塔顶引出 的蒸汽经冷凝后，一部分作为馏出液产品，另外一部分作为回流液返回塔内，待 釜液组成降到规定值后，将其一次性排出，进行下一批精馏操作。 与连续精馏相比较，间歇精馏具有以下特点： 作为非稳态过程，塔釜液相组成随精馏的进行不断变化，因此，塔内操作参数 不仅随位置变化，也随时间变化； 第一章文献综述 间歇精馏塔只有精馏段； 允许较宽的进料组成，适合小批量产品的生产，分离难度可变范围大； 设备投资小，同一塔可以分离多种不同产品且可以使用单个塔对多元物系的 各组分进行分离。 在制药和精细化工方面一般要求的分离难度较高、生产规模不是很大、要求 灵活性强以根据市场或季节的变化经常改变产品品种等。间歇精馏往往可以很好 地满足这些要求。此外，间歇精馏在分离热敏性物料、高凝固点和高沸点物料等 方面进展也很迅速由于间歇精馏具有这些特点，使其在现代化工、制药、食品 等行业占有越来越重要的地位同时由于间歇精馏、动态精馏技术研究的深入， 使得间歇精馏在工业上的应用更加成熟 表1 2 间歇精馏模式帕 t a b l e1 - 2t h em o d e lo f b a t c hd i s t i l l a t i o n r 简单蒸馏( 无回流蒸馏) ，间歇精馏基本模式 全回流间歇精馏 间il 部分回流间歇精馏 歇l r 变压强恒釜温操作间歇精馏 精jr 操作方法的扩展_ 馏li l 多变参数控制持液量操作问歇精馏 模ll 式ijl 提馏式间歇精馏塔 、间歇精馏扩展模式、塔结构的扩展1 带有中间储罐的间歇精馏塔 i l 其它间歇精馏塔 ir 共沸物系间歇精馏 应用范围的扩展l l 萃取间歇精馏 1 2 1 2 主要影响因素 影响间歇精馏分离结果的主要因素有物性参数( 相对挥发度) ，设备参数( 理 论塔板数，持液量) 和操作参数( 回流比，塔压，蒸发速率) 等n 1 1 。 相对挥发度 对于多组分混合物，组分i 对组分，的相对挥发度 嘞。鬻专 o - 1 ) 式中弗，一组分印e 平衡的汽液两相中的摩尔分数； 第一章文献综述 蜀，r j - m 分i 和组分- ，的相平衡常数 当；1 时，组分f 和组分_ ，不能用精馏分离。相对挥发度叼与1 的差距越 大，组分i 和组分的分离越容易实现；反之越难。 在工程实际应用中，对于操作压力不高的理想溶液，两组分间的相对挥发度 可按下式计算： n o q2=告(1-2) n 式中a 一组分1 对组分2 的相对挥发度； p 口厂纯组分l 的饱和蒸汽压； 以一纯组分2 的饱和蒸汽压。 理论塔板数 具有足够多的理论塔板数，是精馏塔能够实现分离的基本条件。精馏塔当操 作压力和上升蒸汽流率达到稳定时，其理论塔板数相应固定。若操作压力和上升 蒸汽流率改变，则理论塔板数也随之改变。理论板数是精馏塔的主要设备参数。 足够的理论板数可以提高间歇精馏的操作弹性，增强其生产能力“”；理论板数不 足，会导致分离效果下降，严重影响各组分回收率。理论板数增加到一定程度的 时候，产品组成基本保持恒定，继续增加理论板数只能带来设备投资的增加。 测定精馏塔理论塔板数的规范方法：采用国内外惯例的二元物系正庚烷一甲 基环己烷或苯一四氯化碳，使精馏塔在规定的压力和上升蒸汽流率下全回流操 作，稳定运行足够长时间，当塔顶浓度稳定不变，即全塔达到平衡状态时，同时 测定塔顶和塔底浓度，然后带入芬斯克公式，计算所得塔扳数即为测定条件( 压 力和上升蒸汽流率) 下的理论塔板数。 芬斯克公式： ：l l l f l 巍l l n 口 ( 1 3 ) l l 一而妇j 式中一塔的总理论板数5 妇一达到平衡时的塔釜含量，摩尔分数； 靶一达到平衡时的塔顶含量，摩尔分数； 口一相对挥发度。 持液赣 间歇精馏塔工作时，除了塔釜内存有被分离物料外，塔板上( 或填料层内) ， 塔顶冷凝器内以及回流系统均存在一定量的持液。由于间歇精馏时动态过程，塔 内各点的组成均随时间持续改变。各部分持液对组成变化具有阻滞和延缓作用。 塔顶和塔身少量的持液( 如达到塔釜存液量的5 ) 都对过程有显著影响。通常 第一章文献综述 情况下间歇精馏塔内持液量高于此值，因此对产品收率和操作时间具有显著影 响。 塔内持液有三点作用。首先，使得沿塔身建立浓度梯度的过程需要一定时 间，持液量越大，时间越长。其次，由于开始馏出产品时，塔顶塔身持液占有浓 缩的易挥发组分，使釜液浓度比无持液情况降低，因此获得同样纯度产品所需浓 缩倍数增加，加大分离难度另外，由于塔内持液具有一定质量，具有组分的“吞 吐”作用，宛如回转运动的飞轮，起着延缓塔内浓度变化的作用也就是所谓的 “飞轮效应” “飞轮效应”的主要影响是使过渡馏分段操作时间加长，增加过渡馏分量。 操作压力 选择操作压力需要根据装置供热条件，待分离物料的沸点范围以及热敏温度 限制三个方面综合考虑b 一榄香烯是从天然植物精油中提取的药物，具有热敏 性，高温下易于变质。因此，精馏需要在较高真空度下进行。 回流比 回流比是间歇精馏塔最重要的操作控制参数，直接决定着产品纯度、收率、 操作时间以及过渡馏分量。回流比越大，塔顶易挥发组分浓度越高，同时产品馏 出速率越小，操作时间越长。 ， 间歇精馏有两种操作方式：一种是馏出液组成恒定的间歇精馏操作，即保持 馏出液组成恒定，相应的回流比不断增大；另一种是回流比恒定的间歇精馏操作， 即保持回流比恒定，馏出液组成逐渐降低实际生产过程中，一般采用联合操作 方式，即某一操作阶段采用恒馏出液组成的操作，另一阶段采用恒回流比的操作 具体操作方式视实际情况而定 上升蒸汽流率 上升蒸汽流率稳定，精馏塔填料层才有稳定的理论塔板数。在保证精馏塔具 有足够理论塔板数的前提下，上升蒸汽流率越大，则相同回流比下产品馏出速率 越大，过程操作时间越短。 1 2 2 真空精馏 减压精馏成为最常用的热敏性物料蒸馏技术，真空度较高时也称为真空精 馏。在真空条件下，热敏物系的沸点降低根据物系的特点，应用真空精馏方法， 并且确定装置材质、压力、温度、回流比等工艺参数以获得较好的分离效果。 杨兆娟【1 4 l 采用真空精馏方法研究了由山苍子油提纯柠檬醛的工艺过程。原料 主要成分是柠檬醛，含量为5 5 * , 8 5 ，属高沸点热敏物质，易受热氧化、聚 第一章文献综述 合变质。该研究采用了塔釜直接进料，釜温1 2 0 1 5 0 ，保持6 6 7 p a 2 6 6 6 p a 的真空度不变，通过改变回流比控制操作，最终得到含量为9 7 的柠檬醛，收 率约8 0 在此间歇过程中，操作压力越小，越利于提高柠檬醛的收率：回流 比越大可得到浓度越高的柠檬醛 陈春林“”报道了工业化连续减压精馏分离脂肪酸装置和油皂酸化油水解及 甘油回收工艺由于常压下脂肪酸沸点很高，c 1 6 酸和c 1 8 酸分别为3 6 5 和 3 7 6 ，常压操作导致分解，当压力1 0 0 0 p a 时，两种酸沸点分别为2 1 7 和2 3 4 ， 因此必须在高真空系统中分离。同时，选材及蒸发方式也起着至关重要的作用， 必须采用强制循环降膜蒸发器，形成热力循环装置。应用压延孔板波纹填料，不 仅具有高通量，还有较低的等板高度和压降，可以获得很好的分离效果。据统计， 该装置用于分离脂肪酸具有独特效果，就酸化油而言，c 1 6 酸和c 1 8 酸的含量分 别大于9 6 1 和9 8 2 。 许多天然药物、香料等都具有热敏性，具体表现为料液变色、变味等，如香 兰素、芳樟醇等精馏技术是进行天然药物深度分离纯化的重要手段真空精馏 在热敏性物质的分离过程中具有重要地位。 1 2 3 分子蒸馏 分子蒸馏( m o l e c u l a rd i s t i l l a t i o n ) 又叫短程蒸馏( s h o r tp a t hd i s t i l l a t i o n ) ，它是 依据不同物质分子运动平均自由程的差别在高真空度下实现物质的分离，是一种 非平衡蒸馏。分子蒸馏装置加热液面与冷凝面间的距离很小，小于轻分子运动的 平均自由程。分子蒸馏具有真空度高、蒸馏温度低、受热时间短，分离程度高等 特点，因此能大大降低高沸点物料的分离成本，很好的保护了热敏物料的品质， 适用于高沸点、热敏性及易氧化物质的分离纯化，尤其是那些其香味、有效成分 的活性等对温度极为敏感的天然产物的分离。目前，国外已将该技术应用于食品、 香料、石油、化工和医药工业等领域，而我国主要集中在食品添加剂和香料工业 上，如处理天然精油，脱臭、脱色、提高纯度，提高香料的品味【旧。杨宏杰等旧 利用分子蒸馏技术提取得到了9 0 以上的单月桂酸甘油脂。胡海燕掣1 8 l 乖j 用分 子蒸馏技术提纯了广藿香油。而闰广等f 19 】利用分子蒸馏技术提纯了维生素k l 。 分子蒸馏操作必须满足三个必要条件：一是轻、重组分分子运动平均自由程 必须要有差别；二是蒸发面与冷凝面的距离要小于轻组分的分子运动平均自由 程：三是必须有极高真空度。 分子蒸馏的特点包括： 操作压强低。这大大降低了组分的沸点。同时大大减少了组分与氧接触的机会， 第一章文献综述 有利于易氧化热敏性天然药物和生物的分离 操作温度低。分子蒸馏操作过程中混合物的分离是依据不同组分的分子逸出液 面后的平均自由程不同的性质来实现的，所以分子蒸馏的分离并不需要沸腾状 态分子蒸馏可以在远低于物料沸点的温度下进行 物料受熟时间短。分子蒸馏器中的加热液面与冷凝面间的距离距离很小，从蒸 发液面逸出的轻组分分子几乎未经碰撞就到达冷凝面而冷凝，所以物料受热时间 短，一般在几秒至几十秒之间。由于分子蒸馏温度低，受热时间短，因此，它适 合高沸点、热敏性天然药物的分离精制 分离效率高。由于在分子蒸馏器中的加热液面与冷凝面间的距离很小，在蒸馏 过程中轻组份分子连续不断从蒸发液面逸出，几乎未经碰撞就直接到达冷凝面 而冷凝，中间不与其他分子发生碰撞，理论上没有返回蒸发面的可能性，所以 分子蒸馏过程是不可逆过程。另外，若用相对挥发度表示其分离能力，分子蒸馏 的分离能力( = 景j 等是常规蒸馏的分离能力a d = 费的j 瓮倍， 而且两组份的相对分子质量相差越大，分子蒸馏的分离能力就越高。 产品耗能小。由于分子蒸馏器独特的结构形式，其内部压强极低，内部阻力远 比常规蒸馏小。分子蒸馏整个分离过程热损失少，因而可以大大节省能耗。 1 2 4 萃取精馏 萃取精馏技术出现至今已有近六十年的历史网，它是向原料液中加入第三部 分( 称为萃取剂或溶剂) ，以改变原有组分间的相对挥发度而达到分离要求的特 殊精馏方法。目前萃取精馏基本以连续精馏的形式应用于化学工业生产【2 l 例。 萃取精馏要求萃取剂具有较高沸点，具有一定热稳定性，在分离过程中不发生聚 合或分解，且不与组分形成恒沸液，容易回收。间歇萃取精馏、混合溶剂的使用 是近年来在该领域内的新发展。萃取剂的选择和应用是该技术的关键。 b r o w n 和k 口5 l 开发应用了混合溶剂的萃取精馏法，研究了用液态天然气回 收和提纯环己烷的工艺，并采用混合溶剂进行了中试白鹏等 2 6 】提出了带塔底贮 罐的分批萃取精馏和伴有简单蒸馏回收的分批萃取精馏两种新的操作方法在带 塔底贮罐的分批萃取精馏操作过程中，加入的萃取剂和塔内回流液直接流入塔底 贮罐，不再返回塔釜；伴有简单蒸馏回收的分批萃取精馏操作过程除兼具了前者 的特点外，又增加了精馏过程中同时进行溶剂简单回收的操作手段 第一章文献综述 1 2 5 加盐精馏 精馏中的盐效应是指在呈平衡的两相体系中，加入非挥发性的盐，使平衡点 发生移动。对于二元体系，当盐溶解在两挥发性组分的溶液中时，盐和两组分发 生作用，形成络合物或缔合物，从而影响各挥发组分的活度因此改变两组分的 汽液平衡关系 j o h n s o n 和f u r t e r 【2 n 提出第一个定量关联汽液平衡盐效应的数学计算式，如 式( 1 - 4 ) ，称为f u r t e r 方程。 i n ( a , a ) = 如 ( 1 4 ) 式中妇一盐的摩尔分数； 髟一称为盐效应参数，为常数； ，a 一被分离溶液含盐、无盐情况下二组分的相对挥发度。 该式最初是从理论推导而来的阐，在推导过程中采用了许多假设，最终建立 在恒温、恒压、恒定液相组成基础上，即对同一物系的不同液相组成有不同的足 值。 o h e 提出溶剂化理论口9 1 ，并在1 9 8 8 年发展了这个理论 3 0 l 。c h e n 等人提出了 电介质n r t l 方程【3 1 1 。之后出现了一系列基于局部组成模型的盐效应汽液平衡 模型，如h a l a 方程p 2 l 、w i l s o n 方程矧、n r t l 方程卅、u n i q u a c 3 5 】和u n i f a c 3 6 1 等。 李伯耿3 7 l 利用“盐在二虚拟溶液中的化学势相等”的假设计算盐分配，并与 w i l s o n 方程相结合，计算三元含盐溶液的汽液平衡，实现了用无盐汽液平衡模型 计算含盐体系的汽液平衡。 1 2 6 其它特殊精馏方法 除了上述几种精馏方法之外，还有水蒸气蒸馏，恒沸精馏和用磁场处理精馏 过程等方法。 水蒸气蒸馏是有蒸馏和水蒸气存在条件下的精馏，在塔釜将水和待分离物系 同时加热或者直接通入饱和水蒸气，降低了为使物料沸腾的混合物分压，使蒸馏 在较低温度下进行。 恒沸精馏是在两组分恒沸液中加入第三组分( 称为夹带剂) ，该组分能与原 料液中的一个或两个组分形成新的恒沸液，从而使原料液能用普通精馏方法予以 分离。 吴松海【勰1 等人研究了磁化处理对脂肪酸精馏过程的影响。研究表明，磁场对 第一章文献综述 脂肪酸的精馏过程有一定的影响，有利于脂肪酸精馏过程的进行 上述针对热敏性物料的分离方法都是基于温度和受热时间两个最重要的因 素展开的。综合而言，对于中药产品的分离纯化步骤，应以过程、设备简单，投 资少，耗能小并获得高品质产品为哥标选择合适的生产设备和生产工艺条件。 1 3 热敏物料分离主要设备 1 3 1 填料塔 7 0 年代以来，填料塔作为重要的传质分离设备，在石油炼制、天然气加工、 石油化工、精细化工、化肥、医药及环境保护等部门得到越来越广泛的应用。精 细化工和材料工业的发展，需要对化工产品进行深度加工，往往涉及难分离或热 敏性物质，这要求塔设备具有高效率和低压降；日益严格的环境保护问题对处理 排放物料的塔设备也提出了苛刻的要求，从而推动了塔壤料工业的应用和理论研 究的发展，而塔填料技术不断进步，又产生了更高的社会及经济效益。 填料塔由填料、塔内件及筒体构成 3 9 1 。由于近年来新型填料的研究和开发， 大大降低了流体阻力，使得填料塔在热敏物料的蒸馏中优势越来越明显。降低填 料层的压降和减小料液在塔釜的停留时间是填料塔的关键所在。 填料的选择对于填料塔的操作情况和效率有密切的关系，选用填料要考虑以 下条件： 具有大的比表面积( 单位体积填料具有的表面积称比表面积，m 2 m 3 ) ，并要求 填料表面易被吸附荆润湿，以便在吸附时能形成充分的有效接触面。 有较大的空隙率( 单位体积填料所具有的空隙体积，也称自由空间) 以便气体 流动时有较小的阻力，即塔中压降较小。 重量轻同时具有较大的机械强度，很多场合下要求耐腐蚀。 价廉易得。 1 3 2 短程蒸馏器 分子蒸馏器是一种在高真空下进行分离操作的蒸馏过程【瓤k 榭。分子蒸馏装 置主要包括：分子蒸馏器、进料系统、脱气系统、加热系统、冷却系统和控制系 统。分子蒸馏装置的核心部分是分子蒸馏器，目前应用的主要有2 种： 刮膜式分子蒸馏器。薛世芬h 3 1 认为，刮膜式分子蒸馏器是目前适用范围最广、 第一章文献综述 性能较完整的一种分子蒸馏设备。混合液从进料口进入后，经液体分布器使液体 均匀地分布在塔壁上。由于在蒸馏器内设置了刮膜装置，所以液体沿着塔壁下降 并形成薄且均匀的液膜，而且液膜不断更新，这样大大减少了液膜的传热传质阻 力，提高了蒸发速率，所以有较高的分离效率，但结构相对复杂。 离心式分子蒸馏器。它具有旋转的蒸发面，物料进入蒸发面后，在离心力作用 下，形成薄而均匀的液膜( 液膜厚度一般为0 0 1 o 0 6 m m ) ，减少了雾沫飞溅现 象，蒸发速率高，物料停留时间短( 一般为0 1 l s ) ，分离效率高，生产能力大， 但结构复杂，真空密封较难，设备的制造成本较高。图1 - 3 为实验型旋转刮膜式 分子蒸馏装置流程示意图。图1 - 4 为离心式分子蒸馏装置流程示意图。 图1 - 3 刮膜式分子蒸馏装置 f i g 1 - 3r o t t i n gm o l e c u l a rd i s t i l l a t i o ni m m l l m e n t 图1 _ 4 离心式分子蒸馏装置 f i g 1 - 4c e n u - t f u g a lm o l e c u l a rd i s t i l l a t i o ni n s t a l l m e n t 第二章热敏组分间歇精馏的理论研究 第二章热敏组分间歇精馏的理论研究 榄香烯是热敏物料，在一定温度下会发生热敏反应，影响产品收率和纯度 莪术精油和香茅草精油中都含有多种组分，其中具有热敏性的不只榄香烯一种。 因此从理论上研究热敏组分的间歇精馏行为是有必要的。热敏反应生成的新物质 主要是( 1 ) 气体；( 2 ) 轻杂质；( 3 ) 重杂质。其中气体和重杂质对主要馏分影 响不大，不予探讨，主要研究轻杂质的影响 2 1 数学模型的建立 2 1 1 模型建立的基本假设 模型建立的基本假设： 塔顶冷凝器及每一块塔板均为恒摩尔持液。 塔内恒摩尔流动 塔身绝热操作。 待分离物系为理想物系，各组分清晰分割，即蒸馏某一种组分i 时，只有组分 i - i 、i 、i + 1 出现在馏分中。 热敏反应只在液相中发生 忽略流体力学滞后。 假设精馏物系中共c 个组分，假设足，s 组分为热敏组分心组分的沸点高于 置组分) ，h ，1 为k 热敏反应产生的轻重杂质，p ，q 为s 热敏反应产生的轻重 杂质浓度项的第一个下标，为塔板序数( 包括塔顶冷凝器和塔釜再沸器) ，浓 度项的第二个下标i 为组分序数。 假设热敏组分的反应如下式： 置一a h + b s 哼c p + 坦 式中a ，6 ，c ，d - - 分子系数，无因次 对于第，块板( 包括塔身各理论板和塔釜等) 上的熟敏反应，引入热敏组分 的热损失系数h 小，i 拼以摩尔浓度形式表示反应速率】： r i = r i k mj x i k r i s = r l s m x j s 第二章热敏组分间歇精馏的理论研究 式中职、j 啦一第f 块板上的熟敏组分恩s 的总反应速率，k m o l h l 岣一射块板的摩尔持液量，k m o l ； 吩西w 一射块板上热敏组分足，s 的热损失系数，l o n o l ( h n o l 。砂； 黾置、毛岱一热敏组分瓜s 的摩尔分率，无因次 2 1 2 数学模型 如图2 1 所示，假定在塔顶冷凝器不发生热敏反应对于组分f ： 物料衡算方程： 塔顶冷凝器u = 口) 冷凝嚣 塔釜 图2 - 1 间歇精馏示意图 f i g 2 - 1b a t c hd i s t i l l a t i o ns k e t c h 鲁；呖，一厶以 ，f - 锄) ( 2 - 1 ) 第，块板( j 对科) f k 鼠厶 鸠誓= 嘞+ ，+ q 枷一厂， 泓。m j 警= r y j + l ；地娜一v y 旷k 涟_ ； i h ， m i ! 警= w j 叱h + h h h y y f t h k h + 。m 一? 。 i = i ， m i = 砂i 。j + h j 邮一黟i ，一k j ，+ 毗? k m ? x 由于恒摩尔持液的假设，岣= c o n s t 。 塔釜再沸器u 爿件j ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 第二章热敏组分间歇精馏的理论研究 f 戳冠 坐弩世；厶d - - w ( 2 - 6 ) f ，d ( m 丁m g x s + l z ) = l x ，点一+ i 工一五工 ( 2 - 7 ) l - h ，塾坠坐圣等立= b c n ? - - 玲w 岫+ 甜n 雌m n n x n 舢。( 2 - g ) i 1 1 坠墅气；进| h 。一砖n 哪醅n 雌m n n 雌( 2 - 9 ) 在恒摩尔流假设下，可认为由熟反应引起的总摩尔量的变化都集中在塔釜 中，塔釜持液量为： 螈。- m ，o 。一螈一鸠一i d d t + i & ，d t n + i ( 2 - 1 0 ) j。 式中船f 一匆块板上气相中棚分摩尔分率； 黾广鳓快板上液相中龃分摩尔分率； y 一塔内上升蒸汽流量，k m o l h , 工一塔内下降液体流量，l a n o l h ： 螈+ 广- 塔釜持液量，l o n o h 蟛一塔板持液量，l o n o l ； 耐i + 广- 塔釜总投料量，b n o h d 一塔顶产品馏出率，b n o l h ； 甄厂塔板上由热反应引起的摩尔增率，& ，j = 0 + 6 1 ) r j x 呜k m o l h ； 仡置一热敏组分k 的热损失系数，k m o l ( k m o l 矽； 蝴一热敏组分k 的热反应速率，k m o h ； 口、b - - 热反应产生的轻、重产物的分子系数。 相平衡方程 儿焉以， ( 2 。1 1 ) 摩尔分率加和方程 勃= l f f - - - o ，j ，2 j 弘+ j )( 2 1 2 ) 乃，= 。，_ j = l ( - - - o , 1 ，2 ，3 十，) ( 2 - 1 3 ) 热量衡算方程 l l - p l + y | + 曩i h l h j y i h i = 0 i 备1 4 ) 式中厶一第，块塔板下降液体流量，l m o h ； 巧一第，块塔板上升气体流量，b n o h , 第二章热敏组分间歇精馏的理论研究 玛一身块塔板液相摩尔焓，k j i m o l ； _ j ! ! ，一第f 块塔板气相摩尔焓，k j k m o l ； 见t 一射块板上气相中壤【分摩尔分率； 黾，一第，块板上液相中瑚【分摩尔分率； 缸广篾块板上组分的相平衡常数。 2 2 热敏物料间歇精馏过程分析 只考虑热敏组分置。假定原物系中没有轻杂质日且热敏物料置受热反应产 生的轻杂质日为物系中最轻的组分，其相平衡方程为： y i h ：k i ? h 1 5 式中颤- 一莉块塔板上轻杂质脯相平衡常数； 耽i ! 广一射块塔板上气相中轻杂质栅q 摩尔分率； 黾矿一第f 块塔板上液相中轻杂质脯摩尔分率。 因为热敏反应量很小，产生的轻杂质胃又为最轻组分，挥发性最强，所以 各塔板上轻杂质日的液相浓度远小于气相浓度，即 y j 丑 x i h且x 1 h 0 所以k ，h l 竺竽0 代入f = 日的物料衡算方程( 2 - 4 ) ，得 0 y b i “h y j h ) + a r j k m j xj x 千是y y i 日= i 蛐+ a r i x m i l i x 瞄1 6 ) 取j = 1 2 3 n ，鼬 巧j = 巧名一+ 五m l 而j 巧k j j r = 巧月+ a t 2 z 鸩屯石 v y n 嚣= v y ”“h + g r i n 置mn x h x 由于恒摩尔流假设，膨，= m = c o n s t ，于是 v y l 。h = 砂m + 洲饥 m 对于塔釜，i = 日时，有 r y n + i 口= a r , v h 舅mn h x , v + i x = 甜b x b x a 墨 ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 第二章热敏组分间歇耩馏的理论研究 于是巧h ；n f o j 乃j - l - a t b 善b x 最 又y 哺= x d e 于是2 参似丢，：，善一工+ ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) 同理，对于热敏组分s 的热敏反应生成的轻杂质，有 上 勃，p = 詈似o j + c j 显b j ) ( 2 - 2 1 ) 7 一 由此可见，可将热敏组分热敏反应产生的轻杂质作为塔顶馏出液的一部分单 独计算。另一部分馏出液按照一般的间歇精馏来对待这两部分的综合即为热敏 物料精馏时的塔顶馏出液 热敏组分的热反应产生的重杂质为最重的组分，最终积聚在塔釜中，可以认 为是不挥发组分，不影响产品采出过程。 热敏物料间歇精馏可以根据所需要的蒸出组分与热敏组分的关系及蒸出顺 序分五个阶段： 第一阶段：蒸出热敏组分x 之前的产品时，因热敏组分置，s 受热反应产生 的轻杂质与产品一起馏出，影响产品纯度，但热敏组分在塔内的总量变化不大。 第二阶段：蒸出热敏组分足时，一方面由于热敏组分置受热反应生成轻杂 质影响热敏组分k 纯度，另一方面由于热敏组分k 作为产品不断被蒸出，而使 塔内热敏组分x 的总量减少。由于热敏组分量的受热反应消耗其总量，故影响 收率同时，由于热敏组分s 受热反应生成轻杂质。故影响热敏组分置的纯度。 第三阶段：蒸热敏组分足和s 之间的产品时，由于热敏组分k 已经被蒸出， 产品纯度不受其影响。但热敏组分s 受热反应产生的轻杂质与产品一起馏出，影 响产品纯度 第四阶段；蒸出热敏组分s 时，一方面由于热敏组分s 受热反应生成轻杂质 影响产品纯度，另一方面由于熟敏组分s 作为产品不断被蒸出，而使塔内热敏组 分s 的总量减少由于热敏组分s 的受热反应消耗其总量，故影响收率。 第五阶段：蒸热敏组分s 之后的产品时，由于热敏组分已经被蒸出，热敏组 分受热反应不再发生，产品纯度不受影响可以按常规精馏处理。 2 3 热敏物料间歇精馏过程计算 设轻组分z 在