许保云填料萃取塔的研究进展及应用

填料萃取塔的研究进展及应用,国家高效分离塔填料及装置技术研究推广中心许保云 博士Email：Tel2017/11/6,2,汇报内容,3. 填料萃取塔的研究进展,2. 规整填料在萃取技术中的应用,1. 萃取技术简介,2017/11/6,3,1 萃取技术简介,相平衡关系,萃 取,吸 收,蒸 馏,萃取，又称溶剂萃取或液液萃取，抽提，是利用系统中组分在溶剂中有不同的溶解度实现液体混合物的分离或提纯的单元操作，即利用物质在两种互不相溶（或微溶）的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使溶质从一种溶剂内转移至另一种溶剂中的方法。,1 萃取技术简介,具有选择性高、分离效果好，易于实现连续化大规模生产等优点，广泛应用于化学、冶金、食品等工业。,杂质,溶质,原溶剂,萃取剂,Light phase,Heavy phase,1 萃取技术简介,在一定温度下，某组分在相互平衡的 E 相与 R 相中的组成比，称为该组分的分配系数。即：,溶质A kA = yA/xA,溶质B kB = yB/xB,式中：yA、yB 分别为萃取相(E 相)中组分 A、B 的质量分数；xA、xB 分别为萃取余相(R相)中组分 A、B 的质量分数。,若用萃取剂萃取溶液中的溶质 A，则分配系数 kA 表示溶质 A 在两个平衡液相中的分配关系；kA 值越大，说明溶质 A 在萃取剂中的分配越高，萃取效果越好。,分配系数(partition coefficient),2017/11/6,6,1 萃取技术简介,精馏萃取：通过向接近精馏塔的顶部连续加入比需分离组分相对挥发度低的物质；液液萃取：利用溶质在两种互不相溶（或部分互溶）的液相之间分配不同的性质来实现液体混合物的分离或提纯；超临界萃取：利用超临界流体的特殊性能进行萃取的一种新型品效分离技术；超声波萃取：利用超声波频率来破坏目标萃取物与基体物之间的作用力从而达到萃取的目的；固相萃取:使用一种吸附性强的物质从溶剂试样中萃取出所含的微量被测有机组分；超声-微波协同萃取：将超声波与微波用于同一个提取工艺过程中来进行天然产物有效成分的提取；,萃取工艺,2017/11/6,7,1 萃取技术简介,萃取精馏是在普通精馏的基础上,加入适宜的第三组分-萃取剂（也称溶剂），以改变精馏塔内被分离关键组分（溶质）之间的相对挥发度，从而使难分离物系转化为易分离的物系。选择合适的溶剂可以增强分离组分之间的相对挥发度, 从而可以使难分离物系转化为容易分离的物系, 使分离成本降低。萃取精馏是一种特殊精馏方法, 适用于近沸点物系和共沸物的分离。,萃取精馏,连续萃取精馏,间歇萃取精馏,连续萃取精馏过程一般采用双塔流程, 由萃取精馏塔和溶剂回收塔组成，连续萃取精馏的流程设计非常重要；而间歇萃取精馏整个过程完全在单塔内实现原料进料、萃取剂的加入及回收。,2017/11/6,8,1 萃取技术简介,萃取精馏的关键是溶剂的选择, 以往萃取精馏采用的溶剂是单一溶剂, 近年来人们开始研究使用混合溶剂, 取得了良好效果。,萃取精馏的溶剂选择需要满足如下条件：1)高选择性；2)溶剂的挥发度要远低于所需要分离的物系中最高沸点组分的挥发 度,从而使萃取剂的回收易于实现；3)价廉易得；4)毒性小, 腐蚀性要小, 对环境的污染少；5)良好的热稳定性和化学稳定性；6)相容性好；,2017/11/6,9,1 萃取技术简介,萃取精馏过程中萃取剂的筛选方法：定性判断定量估算实验测定,其中实验测定的方法主要包括：平衡釜方法测定溶剂存在下组分的相对挥发度、沸点计法、气相色谱保留时间法、汽提法、液上空间气相色谱法。 此外，在萃取精馏溶剂的选择问题上，可利用计算机辅助分子设计（CAMD），自二十世纪 80 年代 Gani 和Brignole提出此课题后到目前为止已经取得了很大程度的进展。CAMD方法的建立包括问题的定义、分子合成和分子评价三部分组成，其中分子合成是整个方法的核心。,2017/11/6,10,常用萃取塔设备,2. 规整填料在萃取技术中的应用,2017/11/6,11,填料萃取塔,2. 规整填料在萃取技术中的应用,填料萃取塔的构造与精馏或吸收使用的填料塔基本相同，塔内装填适宜的填料，轻液相由塔底进入，从塔顶排出；重液相由塔顶进入，由塔底排出。萃取操作时连续相充满整个塔中，分散相由分布器分散成液滴进入填料层，并于连续液相接触传质。,2017/11/6,12,规整填料萃取塔的技术难点,2. 规整填料在萃取技术中的应用,核心部件：液体分布器,再分布器,填料,2017/11/6,13,填料萃取塔,2. 规整填料在萃取技术中的应用,板波纹填料,金属丝网波纹填料,金属网孔波纹填料,多孔管式分布器,莲蓬头分布器,槽式分布器,2017/11/6,14,规整填料塔萃取回收母液中咖啡因的应用研究,2. 规整填料在萃取技术中的应用,振动筛板柱(柱内径38 mm，筛板高度2.3 m)在1：10的实验模型下进行了实验，其实验结果表明，RPC在流比(SF)为0.331，适当的操作频率下，可使咖啡因的萃取收率在9799。拉西环作为散装填料，在填料塔(塔径58.6 mm，塔高1.32 In)中对其进行了实验，其中氯仿作为连续相，实验结果表明，在流比为0.933时，可以达到较好的萃取效果。4台30的离心萃取器取代静态混合器组成串联的逆流萃取流程，对咖啡因生产中的母液氯提环节进行改造，结果表明，萃取收率提高到99，氯仿用量降低了25。,常洪委，高灿，陆莹莹等，规整填料塔萃取回收母液中咖啡因的应用研究，现代化工，2014,34（8）：127-131,2017/11/6,15,规整填料塔萃取回收母液中咖啡因的应用研究,2. 规整填料在萃取技术中的应用,规整填料塔萃取咖啡因的工艺流程图,塔径：600mm；填料类型：250Y；填料高度：7m；萃取剂：氯仿。,对比往复筛板萃取塔，相同工况条件下，规整填料塔在咖啡因萃取过程中不仅可以增大处理能力，而且可以显著降低能耗，达到降低生产成本的作用。,2017/11/6,16,以高效规整填料为塔内件的环己烯-环己烷萃取精馏：,其中萃取剂为DMAC（二甲基乙酰胺）。,2. 规整填料在萃取技术中的应用,2017/11/6,17,2. 规整填料在萃取技术中的应用,2017/11/6,18,填料萃取塔设计应注意的问题,2. 规整填料在萃取技术中的应用,2017/11/6,19,3 填料萃取塔的研究进展,填料萃取塔是填料塔的一种重要表现形式。相比于其他传质分离设备，填料萃取塔具有在常温或较低温下操作的优点，对于过程工业的节能降耗具有重要的意义。 填料萃取塔在石油化工、环境保护等领域有着广泛的应用。随着新型填料的开发,填料萃取塔的研究和应用有了很大的进展。,填料萃取塔使用的填料内件与气液传质过程相似，但是填料萃取塔内分散相不应与填料表面浸润，如果液滴群与填料表面浸润，就会引起液滴群的聚结和形成沿填料表面的液流。,2017/11/6,20,3 填料萃取塔的研究进展,国内外针对填料萃取塔的特点研发的新填料： 散堆填料：内弯弧形筋片扁环填料（）挠性梅花扁环填料（）Intalox 填料共轭环填料圆柱体状波纹板网散堆填料 规整填料：蜂窝（）型规整填料网架规整填料、SMV、SMVP、Montz、Optiflow,2017/11/6,21,3 填料萃取塔的研究进展,萃取体系对填料萃取塔性能有重大影响，表现在：萃取体系中物质的表面张力萃取两相的密度萃取两相的粘度 此外，一些比表面积很大而且表面带毛刺的规整填料用于减压精馏时性能优异，但用于液液萃取时性能并不理想，这主要是因分散相液滴容易附着在填料表面上，形成较厚的液膜，使有效的传质比表面积大大下降。 萃取塔中填料的选择有其独特性，对填料在萃取过程中的作用、萃取塔专用填料的开发等内容开展深入细致的研究工作显得尤为必要。,2017/11/6,22,3 填料萃取塔的研究进展,填料萃取塔内件研究参数：,图像法、毛细管法、光导纤维法,体积置换法、压差法、混合密度法,2017/11/6,23,3 填料萃取塔的研究进展,新型填料萃取塔内件填料的研发过程与气液传质塔内件的研发过程类似，在填料萃取塔内件研发过程中，主要关注：1、分散相流速改变对填料表观传质单元高度的影响；2、连续相流速改变对填料表观传质单元高度的影响；3、不同类型填料之间的萃取效果对比和同种类型填料不同型号之间填 料的萃取效果对比；,在质量分数为 30% 磷酸三丁酯( TBP) -煤油-醋酸-水中等界面张力的物系中，新型网孔规整填料与鲍尔环相比，固定连续相流速，随着分散相流速的增大，表观传质单元高度变小，传质效率高。固定分散相流速，随着连续相流速的增大，表观传质单元高度变大，传质效率变低。在所测物系条件下，小网孔具有高的传质效率。,2017/11/6,24,动态模拟,计算机流程模拟计算研究,稳态模拟,研究技术手段,3 填料萃取塔的研究进展,2017/11/6,25,T=0s,T=0.65s,T=5s,计算流体力学（CFD）研究,研究技术手段,3 填料萃取塔的研究进展,2017/11/6,26,3 填料萃取塔的研究进展,实验及经验公式相结合为主,计算机模拟为辅,Aspen Plus 、自主开发的软件（CUP-tower）、CFD软件 (fluent) 等,上海化工研究院国家高效塔填料及装置技术研究推广中心,28,2017/11/6,上海化工研究院国家高效塔填料及装置技术研究推广中心,1997年经国家科技部批准成立国家高效分离塔填料及装置技术研究推广中心。该中心是专门从事蒸馏、吸收、解吸、萃取和塔用新型气液传质设备的集科、工、贸于一体的技术和工程开拓型部门。中心的宗旨是：以技术为先导、以市场为依托，发挥强有力的技术扩散能力，服务于企业，推动行业进步。 中心成立至今，多次获国家、省部级科技成果奖。经过近几十年的发展，我院在稳定同位素、同分异构体、香精香料等精密精馏技术研发方面具有绝对优势，在高效规整填料塔设计、塔内构件设计、产业化等方面积累了丰富的经验。,2017/11/6,29,实 验 平 台,常规的实验室小试研究技术平台，除了可进行常规的精馏分离实验外，还具备萃取精馏、反应精馏等功能，可进行常规分离项目的研发工作。,建立国内最先进的高真空精密精馏中试装置,最低操作压力可以达到13.3Pa；重点解决分离系数很小、热敏性强等特殊物系的分离难题。,天然产物分离技术平台，可开发新型天然产物蒸馏技术、超临界萃取分离、生物活性吸附分离技术等示范性研究，配备了分子蒸馏、超临界萃取、熔融结晶等试验设备。,分析测试平台，中心主要配备气相色谱仪、水分析仪等常规分析检测设备，另依托院大型共享仪器进行一些复杂的分析检测工作，为分离项目的开发提供技术支撑。,上海化工研究院国家高效塔填料及装置技术研究推广中心,30,7890A-5975C 气质联用仪,TSQ Quantum三重四极杆液质联用仪,Waters 1525 高效液相色谱仪,岛津 2020 液质联用仪,实 验 平 台,上海化工研究院国家高效塔填料及装置技术研究推广中心,2017/11/6,31,耦合分离技术研究,对高新技术领域所需原料的高纯度分离问题进行技术研发，主要特点在于精密精馏、结晶、萃取、蒸发、蒸馏及其组合技术开发，实现分离过程的成本最低化。,精馏技术（萃取精馏、共沸精馏等）,膜分离技术,结晶技术,生物医药领域,香精香料领域,电子材料领域,精细化学品领域,萃取技术 等,上海化工研究院国家高效塔填料及装置技术研究推广中心,32,2017/11/6,中心有一支高素质、长期从事高