許保云填料萃取塔的研究進展及應(yīng)用

1、填料萃取塔的研究進展及應(yīng)用,,,,,國家高效分離塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心許保云 博士Email：zhang-xby@163.comTel：13681760977,2024/2/27,,,,,,2,匯報內(nèi)容,3. 填料萃取塔的研究進展,2. 規(guī)整填料在萃取技術(shù)中的應(yīng)用,1. 萃取技術(shù)簡介,2024/2/27,,,,,,3,1 萃取技術(shù)簡介,相平衡關(guān)系,萃 取,吸 收,蒸 餾,,,,萃取，又稱溶劑萃取或液液萃取，抽提，是利用系統(tǒng)

2、中組分在溶劑中有不同的溶解度實現(xiàn)液體混合物的分離或提純的單元操作，即利用物質(zhì)在兩種互不相溶（或微溶）的溶劑中溶解度或分配系數(shù)的不同，使溶質(zhì)從一種溶劑內(nèi)轉(zhuǎn)移至另一種溶劑中的方法。,1 萃取技術(shù)簡介,具有選擇性高、分離效果好，易于實現(xiàn)連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、冶金、食品等工業(yè)。,,雜質(zhì),,溶質(zhì),,原溶劑,,萃取劑,,Light phase,,Heavy phase,1 萃取技術(shù)簡介,在一定溫度下，某組分在相互平衡的 E 相與

3、R 相中的組成比，稱為該組分的分配系數(shù)。即：,溶質(zhì)A kA = yA/xA,溶質(zhì)B kB = yB/xB,,式中：yA、yB 分別為萃取相(E 相)中組分 A、B 的質(zhì)量分數(shù)；xA、xB 分別為萃取余相(R相)中組分 A、B 的質(zhì)量分數(shù)。,若用萃取劑萃取溶液中的溶質(zhì) A，則分配系數(shù) kA 表示溶質(zhì) A 在兩個平衡液相中的分配關(guān)系；kA 值越大，說明溶質(zhì) A 在萃取劑中的分配越高，萃取效果越好。,分配系數(shù)(partition

4、coefficient),2024/2/27,,,,,,6,1 萃取技術(shù)簡介,精餾萃?。和ㄟ^向接近精餾塔的頂部連續(xù)加入比需分離組分相對揮發(fā)度低的物質(zhì)；液液萃?。豪萌苜|(zhì)在兩種互不相溶（或部分互溶）的液相之間分配不同的性質(zhì)來實現(xiàn)液體混合物的分離或提純；超臨界萃?。豪贸R界流體的特殊性能進行萃取的一種新型品效分離技術(shù)；超聲波萃?。豪贸暡l率來破壞目標(biāo)萃取物與基體物之間的作用力從而達到萃取的目的；固相萃取:使用一種吸附

5、性強的物質(zhì)從溶劑試樣中萃取出所含的微量被測有機組分；超聲-微波協(xié)同萃?。簩⒊暡ㄅc微波用于同一個提取工藝過程中來進行天然產(chǎn)物有效成分的提取；,萃取工藝,2024/2/27,,,,,,7,1 萃取技術(shù)簡介,萃取精餾是在普通精餾的基礎(chǔ)上,加入適宜的第三組分---萃取劑（也稱溶劑），以改變精餾塔內(nèi)被分離關(guān)鍵組分（溶質(zhì)）之間的相對揮發(fā)度，從而使難分離物系轉(zhuǎn)化為易分離的物系。選擇合適的溶劑可以增強分離組分之間的相對揮發(fā)度, 從而可以使難分離物

6、系轉(zhuǎn)化為容易分離的物系, 使分離成本降低。萃取精餾是一種特殊精餾方法, 適用于近沸點物系和共沸物的分離。,,萃取精餾,連續(xù)萃取精餾,間歇萃取精餾,連續(xù)萃取精餾過程一般采用雙塔流程, 由萃取精餾塔和溶劑回收塔組成，連續(xù)萃取精餾的流程設(shè)計非常重要；而間歇萃取精餾整個過程完全在單塔內(nèi)實現(xiàn)原料進料、萃取劑的加入及回收。,2024/2/27,,,,,,8,1 萃取技術(shù)簡介,萃取精餾的關(guān)鍵是溶劑的選擇, 以往萃取精餾采用的溶劑是單一溶劑, 近年來人

7、們開始研究使用混合溶劑, 取得了良好效果。,萃取精餾的溶劑選擇需要滿足如下條件：1)高選擇性；2)溶劑的揮發(fā)度要遠低于所需要分離的物系中最高沸點組分的揮發(fā) 度,從而使萃取劑的回收易于實現(xiàn)；3)價廉易得；4)毒性小, 腐蝕性要小, 對環(huán)境的污染少；5)良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；6)相容性好；,2024/2/27,,,,,,9,1 萃取技術(shù)簡介,萃取精餾過程中萃取劑的篩選方法：定性判斷定量估算實驗測定,其中實驗測定

8、的方法主要包括：平衡釜方法測定溶劑存在下組分的相對揮發(fā)度、沸點計法、氣相色譜保留時間法、汽提法、液上空間氣相色譜法。 此外，在萃取精餾溶劑的選擇問題上，可利用計算機輔助分子設(shè)計（CAMD），自二十世紀(jì) 80 年代 Gani 和Brignole提出此課題后到目前為止已經(jīng)取得了很大程度的進展。CAMD方法的建立包括問題的定義、分子合成和分子評價三部分組成，其中分子合成是整個方法的核心。,2024/2/27,,,,,,10,常用萃

9、取塔設(shè)備,2. 規(guī)整填料在萃取技術(shù)中的應(yīng)用,2024/2/27,,,,,,11,填料萃取塔,2. 規(guī)整填料在萃取技術(shù)中的應(yīng)用,填料萃取塔的構(gòu)造與精餾或吸收使用的填料塔基本相同，塔內(nèi)裝填適宜的填料，輕液相由塔底進入，從塔頂排出；重液相由塔頂進入，由塔底排出。萃取操作時連續(xù)相充滿整個塔中，分散相由分布器分散成液滴進入填料層，并于連續(xù)液相接觸傳質(zhì)。,2024/2/27,,,,,,12,規(guī)整填料萃取塔的技術(shù)難點,2. 規(guī)整填料在萃取技術(shù)中的應(yīng)用

10、,核心部件：液體分布器,再分布器,填料,,2024/2/27,,,,,,13,填料萃取塔,2. 規(guī)整填料在萃取技術(shù)中的應(yīng)用,板波紋填料,金屬絲網(wǎng)波紋填料,金屬網(wǎng)孔波紋填料,多孔管式分布器,蓮蓬頭分布器,槽式分布器,2024/2/27,,,,,,14,規(guī)整填料塔萃取回收母液中咖啡因的應(yīng)用研究,2. 規(guī)整填料在萃取技術(shù)中的應(yīng)用,振動篩板柱(柱內(nèi)徑38 mm，篩板高度2.3 m)在1：10的實驗?zāi)Ｐ拖逻M行了實驗，其實驗結(jié)果表明，RPC在流比(

11、S／F)為0.33～1，適當(dāng)?shù)牟僮黝l率下，可使咖啡因的萃取收率在97％~99％。拉西環(huán)作為散裝填料，在填料塔(塔徑58.6 mm，塔高1.32 In)中對其進行了實驗，其中氯仿作為連續(xù)相，實驗結(jié)果表明，在流比為0.933時，可以達到較好的萃取效果。4臺φ30的離心萃取器取代靜態(tài)混合器組成串聯(lián)的逆流萃取流程，對咖啡因生產(chǎn)中的母液氯提環(huán)節(jié)進行改造，結(jié)果表明，萃取收率提高到99％，氯仿用量降低了25％。,常洪委，高燦，陸瑩瑩等，規(guī)整填料塔

12、萃取回收母液中咖啡因的應(yīng)用研究，現(xiàn)代化工，2014,34（8）：127-131,2024/2/27,,,,,,15,規(guī)整填料塔萃取回收母液中咖啡因的應(yīng)用研究,2. 規(guī)整填料在萃取技術(shù)中的應(yīng)用,規(guī)整填料塔萃取咖啡因的工藝流程圖,塔徑：600mm；填料類型：250Y；填料高度：7m；萃取劑：氯仿。,對比往復(fù)篩板萃取塔，相同工況條件下，規(guī)整填料塔在咖啡因萃取過程中不僅可以增大處理能力，而且可以顯著降低能耗，達到降低生產(chǎn)成本的作用。,2

13、024/2/27,,,,,,16,以高效規(guī)整填料為塔內(nèi)件的環(huán)己烯-環(huán)己烷萃取精餾：,其中萃取劑為DMAC（二甲基乙酰胺）。,2. 規(guī)整填料在萃取技術(shù)中的應(yīng)用,2024/2/27,,,,,,17,2. 規(guī)整填料在萃取技術(shù)中的應(yīng)用,2024/2/27,,,,,,18,填料萃取塔設(shè)計應(yīng)注意的問題,2. 規(guī)整填料在萃取技術(shù)中的應(yīng)用,2024/2/27,,,,,,19,3 填料萃取塔的研究進展,填料萃取塔是填料塔的一種重要表現(xiàn)形式。相比于其他傳質(zhì)

14、分離設(shè)備，填料萃取塔具有在常溫或較低溫下操作的優(yōu)點，對于過程工業(yè)的節(jié)能降耗具有重要的意義。 填料萃取塔在石油化工、環(huán)境保護等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著新型填料的開發(fā),填料萃取塔的研究和應(yīng)用有了很大的進展。,填料萃取塔使用的填料內(nèi)件與氣液傳質(zhì)過程相似，但是填料萃取塔內(nèi)分散相不應(yīng)與填料表面浸潤，如果液滴群與填料表面浸潤，就會引起液滴群的聚結(jié)和形成沿填料表面的液流。,2024/2/27,,,,,,20,3 填料萃取塔的研究進展,國內(nèi)

15、外針對填料萃取塔的特點研發(fā)的新填料： 散堆填料：內(nèi)彎弧形筋片扁環(huán)填料（ＳＭＲ）撓性梅花扁環(huán)填料（ＰＦＭＲ）Intalox 填料共軛環(huán)填料圓柱體狀波紋板網(wǎng)散堆填料 規(guī)整填料：蜂窩（ＦＧ）型規(guī)整填料網(wǎng)架規(guī)整填料、SMV、SMVP、Montz、Optiflow,2024/2/27,,,,,,21,3 填料萃取塔的研究進展,萃取體系對填料萃取塔性能有重大影響，表現(xiàn)在：萃取體

16、系中物質(zhì)的表面張力萃取兩相的密度萃取兩相的粘度 此外，一些比表面積很大而且表面帶毛刺的規(guī)整填料用于減壓精餾時性能優(yōu)異，但用于液液萃取時性能并不理想，這主要是因分散相液滴容易附著在填料表面上，形成較厚的液膜，使有效的傳質(zhì)比表面積大大下降。 萃取塔中填料的選擇有其獨特性，對填料在萃取過程中的作用、萃取塔專用填料的開發(fā)等內(nèi)容開展深入細致的研究工作顯得尤為必要。,2024/2/27,,,,,,22,3 填料萃

17、取塔的研究進展,填料萃取塔內(nèi)件研究參數(shù)：,圖像法、毛細管法、光導(dǎo)纖維法,體積置換法、壓差法、混合密度法,2024/2/27,,,,,,23,3 填料萃取塔的研究進展,新型填料萃取塔內(nèi)件填料的研發(fā)過程與氣液傳質(zhì)塔內(nèi)件的研發(fā)過程類似，在填料萃取塔內(nèi)件研發(fā)過程中，主要關(guān)注：1、分散相流速改變對填料表觀傳質(zhì)單元高度的影響；2、連續(xù)相流速改變對填料表觀傳質(zhì)單元高度的影響；3、不同類型填料之間的萃取效果對比和同種類型填料不同型號之間填

18、 料的萃取效果對比；,在質(zhì)量分數(shù)為 30% 磷酸三丁酯( TBP) -煤油-醋酸-水中等界面張力的物系中，新型網(wǎng)孔規(guī)整填料與鮑爾環(huán)相比，固定連續(xù)相流速，隨著分散相流速的增大，表觀傳質(zhì)單元高度變小，傳質(zhì)效率高。固定分散相流速，隨著連續(xù)相流速的增大，表觀傳質(zhì)單元高度變大，傳質(zhì)效率變低。在所測物系條件下，小網(wǎng)孔具有高的傳質(zhì)效率。,2024/2/27,,,,,24,動態(tài)模擬,計算機流程模擬計算研究,穩(wěn)態(tài)模擬,研究技術(shù)手段,3 填料萃取

19、塔的研究進展,2024/2/27,,,,,25,T=0s,T=0.65s,T=5s,計算流體力學(xué)（CFD）研究,研究技術(shù)手段,3 填料萃取塔的研究進展,2024/2/27,,,,,26,3 填料萃取塔的研究進展,實驗及經(jīng)驗公式相結(jié)合為主,計算機模擬為輔,Aspen Plus 、自主開發(fā)的軟件（CUP-tower）、CFD軟件 (fluent) 等,,上?；ぱ芯吭簢腋咝盍霞把b置技術(shù)研究推廣中心,28,2024/2/27,上海化工研

20、究院國家高效塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心,1997年經(jīng)國家科技部批準(zhǔn)成立國家高效分離塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心。該中心是專門從事蒸餾、吸收、解吸、萃取和塔用新型氣液傳質(zhì)設(shè)備的集科、工、貿(mào)于一體的技術(shù)和工程開拓型部門。中心的宗旨是：以技術(shù)為先導(dǎo)、以市場為依托，發(fā)揮強有力的技術(shù)擴散能力，服務(wù)于企業(yè)，推動行業(yè)進步。 中心成立至今，多次獲國家、省部級科技成果獎。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，我院在穩(wěn)定同位素、同分異構(gòu)體

21、、香精香料等精密精餾技術(shù)研發(fā)方面具有絕對優(yōu)勢，在高效規(guī)整填料塔設(shè)計、塔內(nèi)構(gòu)件設(shè)計、產(chǎn)業(yè)化等方面積累了豐富的經(jīng)驗。,2024/2/27,,,,,29,實 驗 平 臺,常規(guī)的實驗室小試研究技術(shù)平臺，除了可進行常規(guī)的精餾分離實驗外，還具備萃取精餾、反應(yīng)精餾等功能，可進行常規(guī)分離項目的研發(fā)工作。,建立國內(nèi)最先進的高真空精密精餾中試裝置,最低操作壓力可以達到13.3Pa；重點解決分離系數(shù)很小、熱敏性強等特殊物系的分離難題。,天然產(chǎn)物分離技術(shù)平臺，

22、可開發(fā)新型天然產(chǎn)物蒸餾技術(shù)、超臨界萃取分離、生物活性吸附分離技術(shù)等示范性研究，配備了分子蒸餾、超臨界萃取、熔融結(jié)晶等試驗設(shè)備。,分析測試平臺，中心主要配備氣相色譜儀、水分析儀等常規(guī)分析檢測設(shè)備，另依托院大型共享儀器進行一些復(fù)雜的分析檢測工作，為分離項目的開發(fā)提供技術(shù)支撐。,,,,,上海化工研究院國家高效塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心,,,,,30,,,,,,,7890A-5975C 氣質(zhì)聯(lián)用儀,TSQ Quantum三重四極桿液質(zhì)聯(lián)用儀

23、,Waters 1525 高效液相色譜儀,島津 2020 液質(zhì)聯(lián)用儀,實 驗 平 臺,上?；ぱ芯吭簢腋咝盍霞把b置技術(shù)研究推廣中心,2024/2/27,,,,,31,耦合分離技術(shù)研究,對高新技術(shù)領(lǐng)域所需原料的高純度分離問題進行技術(shù)研發(fā)，主要特點在于精密精餾、結(jié)晶、萃取、蒸發(fā)、蒸餾及其組合技術(shù)開發(fā)，實現(xiàn)分離過程的成本最低化。,精餾技術(shù)（萃取精餾、共沸精餾等）,膜分離技術(shù),結(jié)晶技術(shù),,,生物醫(yī)藥領(lǐng)域,香精香料領(lǐng)域,電子材料領(lǐng)域,,精細

24、化學(xué)品領(lǐng)域,萃取技術(shù) 等,上海化工研究院國家高效塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心,32,2024/2/27,中心有一支高素質(zhì)、長期從事高效規(guī)整塔填料及裝置研究的技術(shù)隊伍，為精細化工、化工環(huán)保、制藥、石油化工、化肥、農(nóng)藥等行業(yè)的用戶提供先進、實用、節(jié)能的分離工程技術(shù)及所要求的工程設(shè)計、設(shè)備制造和現(xiàn)場服務(wù)，并向社會專業(yè)提供各種規(guī)格的填料、塔內(nèi)件及精餾塔設(shè)備。 提供的技術(shù)服務(wù)有： 分離工程項目的可行性研究； 分離工程項目