连续环状萃取色谱床的性能研究-考虑轴向扩散的传质数学模型

1、)3连续环状萃取色谱床的性能研究(型张会0,秦,李阳,戴猷元清华大学 化学工程系, 北京 10008;0 厦门大学 化学工程系, 厦门 361005文 摘 采用柠檬酸水溶液为进料去离子水为冲洗液,在连续环状萃取色谱床内实验测定了不)3连续环状萃取色谱床的性能研究(型张会0,秦,李阳,戴猷元清华大学 化学工程系, 北京 10008;0 厦门大学 化学工程系, 厦门 361005文 摘 采用柠檬酸水溶液为进料去离子水为冲洗液,在连续环状萃取色谱床内实验测定了不同操作条件下的流 出曲。利用考虑轴向扩散影响的传质过程数学模, 通过直接拟合实验流出曲线的方法求解相间总传质系数等模型参数, 讨论了该模型的

2、可行。文中还将采用的模型方法与Carta 的模型方法进行了比拟。参。在同时忽略连续环状色谱床中的轴向扩散和圆周方向扩散影响的情况下, 经常用于描述连续环 状色谱床流出曲线的数学模型求算结果是 Sher2wood 等人5 的近似解和Carta6的精确。对于圆周方向上的脉冲进料 (F 0), Sher2wood 等人的近似解表示为关键词 连续环状萃取色谱;传质数学模; Carta 模型(KFB)2. 25C (Z, t) =Qr分类号 TQ 02813; TQ 0511861(u)3Z t (1 - )K 322112KFBZKFB t2-2ep -连续环状色谱别离技术是在固定床色谱别离技术的研究

3、开发根底上出现的一种连续制备色谱别离 技。它具有连稳操作方便及别离效率高等 优点, 在有机物稀溶液及生物制品别离等领域具有 广阔的应用前。随着连续环状色谱装置的改良及工艺性研究工 作的深入, 对于此类别离过程的传质特性研究和数学模型描述及求解也取得了较大的进。Sankat1研究了固定床色谱别离过程与连续环状色谱别离过 程之间的关, 并在理论上证明了当忽略圆周方向扩散的影响, 二维稳态的连续环状色谱别离过程 的描述可以转化为通常的一维间歇非稳态的固定床 色谱过。连续环状色谱床层进口端连续进料和冲 洗可以看做依圆周方向的周期性矩形波进料, 进料角度为 F (= 2Q FQF+ Q E); 出口端溶

4、质浓度那么 形成依圆周方向分布与时间无关的色谱峰许多研究者2 4 在忽略连续环状色谱床内圆周方向扩 散影响的前提, 通过固定床色谱别离过程与连续 环状色谱别离过程的比照, 分析实验结果, 求取模型uK (1 - )式中所有符号的说明见文。-C0uQF r2Z , Q =t =uQF + QE对于圆周方向上的矩形波进料,Carta 的精确解简化后可表示为C (Z, )F26=F + E +C0j= 1jF1 eprsn-F + Ej jF + 2j -ros-F + EF + E2jZ -u(F + E)KFB (F+ E)r 表示:r=2(1- )K 连续环状色谱床内的轴向扩散及传质特性的研究

5、是这种色谱别离技术的研究及实现工程放大的关 键7, 8 在研究了连续环状萃取色谱床内轴向扩散行为的根底上, 利用单组分模拟体系对连续环状萃取 色谱床的传质特性开展实验研, 建立考虑轴向扩散影响的传质过程数学模型, 并通过直接拟合实验 流出曲线的方法求解相间总传质系数等模型参,探究其可行, 为深入研究连续环状萃取色谱别离收稿日: 19960520第一作: 男, 1964 年生, 副教授3 国家自然科学基金资助工程, 29276252jrK FBZ(j2 + r2)uj2K FBZ(j2 + r2)u秦 炜, :连续环状萃取色谱床的性能研究39过程, 进行设备的优化设计提供依据和方。2法连续环状萃

6、取色谱床的主体装置由有机玻璃加1型在等温操作条件下, 描述连续环状萃取色谱分离过程的根本关系式应该包: 1) 物料衡算方程(或称连续性方程); 2) 传质速率方; 3) 溶质在 流动相和固定相间的平衡关系秦 炜, :连续环状萃取色谱床的性能研究39过程, 进行设备的优化设计提供依据和方。2法连续环状萃取色谱床的主体装置由有机玻璃加1型在等温操作条件下, 描述连续环状萃取色谱分离过程的根本关系式应该包: 1) 物料衡算方程(或称连续性方程); 2) 传质速率方; 3) 溶质在 流动相和固定相间的平衡关系。在研究的操作条 件范围内假: 床层中浸渍树脂填充均; 流动相 与固定相相互紧密接触并在流动方

7、向上连; 流动相在床层内占有固定的体积分; 流体流速在床层 任一截面上均为恒; 忽略圆周方向和径向的扩散 效应, 只考虑轴向扩散的影。对于恒单波带的 单痕量体系, 前述根本关系式可表示如:1) 物料衡算方程工制。环状床层的外径为 215mm, 内径为 190mm, 高度为600mm床层采用中国核工业总公司五 所的LTBP 浸渍树脂装, 树脂中溶剂的质量分 数w 为50%, 树脂平均粒径约为03mm, 床层空隙 率为048, 装填有效高度为580mm连续环状萃取色谱装置顶端设有进料分布, 它有两个进料四个冲洗管和一个空气加压。当环状床层连续低速 旋转, 进料分布器保持静止不动的状装置的底 端在环

8、状间隙的圆周方向均匀分布着 90 个直径为2mm 的小孔并接有出口, 以便收集不同圆周方向 的流出样。别离体系为柠檬酸水溶液, 冲洗液为去离子。采用一个进料管进, 由LDBHJ 电子蠕动泵连续 送柠檬酸水溶冲洗液那么由LDBAB 组合电子蠕动泵经四个冲洗管连续注入床层。整个过程保持在常压条件下进行操。样品收集槽在装置底部 收集不同圆周位置的流出。流出液的柠檬酸浓度标定的NOH 溶液滴定测实验测定了不同进 料浓不同床层流速及不同床层旋转速率条件下的流出液浓, 以便探讨柠檬酸溶液在连续环状萃 取色谱装置内的传质特性及影响因。不同操作条件下的实验流出曲线, 采用本文提出的模型及解法进行直接拟合, 求

9、取模型参数K2u C + C + 1 - 9q = D Z 9 C(1)9Z边界条件:999Z2C (Z, 0) =0,C00q(Z, 0) =00 FC (0, ) =F 2F其中,F=r360。如果轴向扩散的影响也忽+ FE略, 那么式(1)的等号右侧为 。2) 传质速率方程表示为一阶线性推动力形,(1 - ) 9q =KFB C - C3 )(2)93) 溶质在流动相与固定相间的平衡关系式假定为线,q = KC3和KFD Z 利用文9的关系式获。(3)在数据处理, 用数值法拟合实验曲线, 求取模型参整理式(1 (3), 做出差分格式, 最终获:3论uC (i + 1, j) - C (i

10、, j) + C (i, j + 1) - C (i, j) +连续环状萃取色谱床流出 线的出峰位. 1ZKFB表1 列出了各操作条件下在连续环状萃取q(i, j)C (i, j) -色谱别离中, 层流速的增大使值减, 旋转速度=K增大那么会使出现明显的增大趋。 这与文3 、10的报道是一致。这反映出床层流速和旋转速 率是连续环状色谱床操作的重要影响因。. 2相间总传质系数及相平衡常数图 1 绘出了连续环状萃取色谱床流出曲线的典 型拟合结果, 图中的实线是模型计算。十清楚显, 采用考虑轴向扩散影响的传质数学模型对实验流出 曲线的拟合结果是令人满意, 其拟合精度优于文3 10中的结。 (i +

11、1, j) - C (i, j) + C (i - 1, j)D Z C(4)Z2) q(i, j + 1) -q(i, j) =(1 -q(i, j)C (i, j) -(5)KFBK连续环状萃取色谱床的结构参操作条件及流出曲, 根据式(4)(5)和相应的边界条件,通过拟合实验曲, 对描述别离过程的参数寻优, 求 出K FB 和K。清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)1997, 37(6)40表 1不同操作条件下的 77410 3QF10 QE10 U 1清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)1997, 37(6)40表 1不同操作条件下的 77410 3QF10 QE10

12、 U 10 C0 序号()mr- 1)mr- 1)mr- 1)(km- 3)(rs- 1123456. 167. 500. 639. 389. 306. 750. 388. 667. 361. 667. 667. 833. 98. 14. 34. 11. 08. 9710010010050801006. 76. 76. 76. 76. 73. 3292266245271278164 7 . 417 . 806 . 15 100 10. 0 396 (a)QF= . 1610- 7 m3sQE= . 3810- 7 m3s(b)QF= . 3010- 7 m3sQE= . 6610- 7 m3s

13、C0= 100kgm3C0= 80kgm3= . 0667()s= . 0667()s(c)QF= . 6310- 7 m3sQE= . 3610- 7 m3s= . 0667()s C0= 100kgm3(d)QF= . 4110- 7 m3sQE= . 8010- 7 m3s= . 1000()s C0= 100kgm3图 1 连续环状色谱床流出曲线的拟合结果表 2 列出了不同操作条件下由实验流出曲线求的模型参数K 和KF。可以看出, 不同操作条件 下拟合求取的相平衡常数K 值是根本相同。L2TBP 树脂与柠檬酸水溶液的相平衡实验结果说明,平衡水相浓度在 100kgm3 范围, 相平衡关系

14、数字模型拟合求算方法是可靠。比拟表2 中不同操作条件下的连续环状萃取色 谱床内的K FB 值可以看。它受流体流速的影响较大, 而吸附平衡常数与流体流速无, 这一结果是与文11报道的结果一, 分析有关数值还可以看 出, 旋转速率的变化亦会影响床内的总传质系, 这方面的结论还有待于进一步研。根本上呈线性, K值为042这与表2 中的拟合求算 K值十分接。拟合结果说, 本文提出使用的秦 炜, :连续环状萃取色谱床的性能研究41表 2不同操作条件下求解出的模型参数3 - 1 KFB10 s K D Z106U 104103mr- 1)(秦 炜, :连续环状萃取色谱床的性能研究41表 2不同操作条件下求

15、解出的模型参数3 - 1 KFB10 s K D Z106U 104103mr- 1)(rs- 1mr- 1)本文Carta本文Carta. 98. 14. 34. 11. 08. 976. 76. 76. 76. 76. 73. 3. 374. 524. 706. 496. 468. 364. 247. 913. 949. 103. 219. 288. 827. 506. 565. 543. 691. 245427427427427427427427476476473446450 . 15 10. 0 . 534 1. 635 . 937 427 427 线出峰位置的重要参。床层流速是由进料

16、流量和冲洗流量决定。进料流量和冲洗流量都会对出峰 位置造成影一般而, 在连续环状色谱床的操作 过程, 进料量与冲洗量相比相对较, 在床层流速中所占比例亦较因, 进料流量的变化对出峰位 置的影响也较。. 3与ara 解法的比拟图 2 为Carta 方法拟合结果与本文所提出方法相应结果的典型比拟表2 中也列出了采用Carta解法拟合不同操作条件下的实验流出曲线所求出的 模型参数K 和KF。可以看出, 利用Carta 方法拟合获得的不同操作条件下的相平衡常数 K 值并非与操作条件无, K 值与相平衡实验中所获得的K值也有一定的正偏差(约 8%)。同时,Carta 解法求 取的 K FB 值较本文提出

17、方法获得的相应值要。另外, 采用本文提出使用的数学模型拟合流出曲线与采用Carta 解法拟合流出曲线相比拟,Carta 法的 合精度亦较这些结果说, 由于Carta 解法假设流体流动处于理想状态, 会对拟合结果带来偏。Carta 解法未考虑轴向扩散的影响, 其设定的传质 推动力大于真实的传质推动力, 所, 求得的 K FB值比本文提出的结果要。相平衡常数 K是热力学参数, 对于给定的体系, K 只与温度和压力有关, 与其它的操作条件, 如床层的转进料浓进料与冲洗流量无因,连续环状萃取色谱床操作过程中的 K 应与平衡实 验的结果相一。当操作条件及KFB 值固定, 不同的K 值同样会对流出曲线产生

18、较大的影随K值的增, 出峰位置会后移, 且峰高会降。K FB 是动力学参, 对于给定的体, K FB 与 操作条件密切相当操作条件及相平衡参数K 固定, 不同的 KFB 值对流出曲线会产生较大的影。随K FB 值的增, 出峰位置后移, 且峰高增。 轴向扩散系数是描述环状色谱床内流动非理想性的参。轴向扩散对传质过程的直接影响是减小. 4几点讨论根据本文的实验结, 床层流速是影响流出曲(a)QF= . 1610- 7 m3sQE= . 3810- 7 m3s= . 0667()s C0= 100kgm3(b)QF= . 3010- 7 m3sQE= . 6610- 7 m3s= . 0667()s

19、 C0= 80kgm3本文提出的方法 Carta 解法图 2 流出曲线的拟合结果的比拟清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)1997, 37(6)42符号说明过程的传质推动。图 3 绘出了在假设体系的 K、K FB清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)1997, 37(6)42符号说明过程的传质推动。图 3 绘出了在假设体系的 K、K FB 值和操作条件固定的条件, 流出曲线与D Z值的关十清楚显, 存在轴向扩散的影响将使流出 曲线的出峰位置前, 峰高那么会降。23单位床层体积传质外表积,m m流动相溶质质量浓度, kgm3BCC3D ZKK FBqQE QF tuZ与固定相平

20、衡的流动相溶质质量浓度, kgm3轴向扩散系数,m2s相平衡常数 相间总传质系数, - 1 固定相溶质质量浓度, kgm3 冲洗流量,进料流量,m3s 时间, s 床层空隙内流动相流速,ms 床层轴向位置,m希腊字母床层空隙率圆周方向位置, ()出峰位置, ()冲洗角度, ()进料角度, ()旋转速率, ()sQF= . 3810- 7 m3s, QE= . 3310- 7 m3s,= . 0667()s, C0= 100kgm3, KFB= . 001s, K= . 45EF图 3流出曲线与D Z 值的关系对于Carta 的解, 一般是将 KFB 和 K两个参考文献reatonhpbewee

21、n参数作为模型参数进行求解。由于未考虑轴向扩散的影响, 为了保证较好的拟合结果, 必然在 KFB和 K 两个参数中寻优, 结果使求解出的 K 值与平 衡实验有差异, 也势必会影响KFB 的结。这类情 况说, 存在轴向扩散影响时, 使用Carta 方法的可 靠性将受到限。从根本原理出发进行连续环状萃取色谱床的设备设, 首先需要以根本理论为依据, 利用小型装置 中不同操作条件下的传质数据和相应的操作条件及体系的物性数, 选择适宜的传质过程数学模型估 算其总传质系, 建立相应的关联式, 然后, 通过设 备尺寸放大对流体流动非理想性的影响的研, 实现设备的放大设因, 本文提出并确认的考虑轴向扩散影响的

22、传质模型对实现设备的放大设计具有 重要的意。1W ankatP.Theonedmensonal and wodmensonal paraton pocese. A ChE J, 1977, 2: 85 867Beovch J M , Sson W . A otatng annuar chmaogrphy or ontnous paraton. A ChEJ, 1984, 3: 70 710Hward A J, Carta . Sparaton of ugars by ontnous annuar chmaogrph. nd Eng Chm Res, 1988, 2: 187 1882De Ca

23、rli J P , Carta G, Byers C . Dpacment paratons by ontnous annuar chmaogrph.A ChE J, 1990, 3: 122 1228Shewood R K, Pgord R L, W ke C . M assTranfe. Nw ork: M GrwHl, 1975, 54 591Carta . Exact anaytc outon of a mathmatcal model or chmaogrphc operaton. Chm Eng Sc, 1988, 4: 287 2883234567Byers C H,aebySs

24、on W . Sugar paraton on a potontnousannuarchmaogrph.4结论1) 床层流速和旋转速率对出峰位置有明显影响, 是连续环状萃取色谱床操作中的重要影响因。2) 采用本文提出的方法对流出曲线进行拟合Botechol Pog, 1990, (6): 13 20会平1 连续环状色谱别离技术的研: 博士学位论 文. 广: 华南理工大学化学工程系, 19918其相平衡常数K与平衡实验的结果一。9秦炜, 李阳兴, 张会平, 等1 连续环状萃取色谱床的性能研究 I1 清华大学学报(自然科学版), 1997,37(5): 10 105张会平, 黄培泉, 叶振华1 连

25、续环状离子交换色谱分 离技术 1 高校化学工程学报, 1994, 8(4): 38 388 陈繁忠, 叶振华1 连续环状色谱床中的传质研究 1 华 南理工大学学报(自然科学版), 1994, 22(2): 5 653) 本文采用的模型及求算方法可靠, 拟合精度令人满。Carta 解法的拟合结果因未考虑轴向扩 散作, 使其拟合精度受到明显影。同时, 由于相10平衡常数 K的求算结果与平衡实验的结果有明显11的差, 在存在轴向扩散影响时, 使用Carta 方法的可靠性将受到限。(下转第 45 页)亓平言, :维生素B1 中间产物乙酰嘧啶的合成工艺45water and oub亓平言, :维生素B1

26、 中间产物乙酰嘧啶的合成工艺45water and oublity of aetyl pyrm dne n water werestude.The effect of pocess onditons on reacton characteristcs of poduct of acetyl pyrm dne was aloSdy of nhetc process ofaceyl pyrm dne for prodcngreearche.The eperment data were treated w thstatstcal metho. The reults w that the optmmq

27、uantty of odm methonate and acetm dne hydochorde orrepondng o 1 mol dmethoxy methy1methoxyacryontre s . 76mol and . 1mol repectve. And the rae tme of tmperature n 5 65 nter regon has o beontoled n optmm. The reovery rato can be ncreaed5% 10% or .of vm nB1Q i Pngyan, Gao ue, Feng W enzhengDparment of Chm cal Engneerng, Tsnghua U nversty, Beijng 100084Keyordsvtm nB;aetylpyrm dn;2methy4m o5