許保云填料萃取塔的研究進(jìn)展及應(yīng)用

1、填料萃取塔的研究進(jìn)展及應(yīng)用,,,,,國(guó)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(bào)內(nèi)容,3. 填料萃取塔的研究進(jìn)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(jiǎn)介,2024/2/27,,,,,,3,1 萃取技術(shù)簡(jiǎn)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(shí)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(jiǎn)介,具有選擇性高、分離效果好，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，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(jiǎn)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?jǐn)?shù)；xA、xB 分別為萃取余相(R相)中組分 A、B 的質(zhì)量分?jǐn)?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(gè)平衡液相中的分配關(guān)系；kA 值越大，說(shuō)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(jiǎn)介,精餾萃?。和ㄟ^(guò)向接近精餾塔的頂部連續(xù)加入比需分離組分相對(duì)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(lái)實(shí)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(jìn)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(lái)破壞目標(biāo)萃取物與基體物之間的作用力從而達(dá)到萃取的目的；固相萃取:使用一種吸附

5、性強(qiáng)的物質(zhì)從溶劑試樣中萃取出所含的微量被測(cè)有機(jī)組分；超聲-微波協(xié)同萃?。簩⒊暡ㄅc微波用于同一個(gè)提取工藝過(guò)程中來(lái)進(jìn)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(jiǎn)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(duì)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(qiáng)分離組分之間的相對(duì)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(diǎn)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(guò)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(jì)非常重要；而間歇萃取精餾整個(gè)過(guò)程完全在單塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)原料進(jìn)料、萃取劑的加入及回收。,2024/2/27,,,,,,8,1 萃取技術(shù)簡(jiǎn)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(lái)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(yuǎn)低于所需要分離的物系中最高沸點(diǎn)組分的揮發(fā) 度,從而使萃取劑的回收易于實(shí)現(xiàn)；3)價(jià)廉易得；4)毒性小, 腐蝕性要小, 對(duì)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(jiǎn)介,萃取精餾過(guò)程中萃取劑的篩選方法：定性判斷定量估算實(shí)驗(yàn)測(cè)定,其中實(shí)驗(yàn)測(cè)定

8、的方法主要包括：平衡釜方法測(cè)定溶劑存在下組分的相對(duì)揮發(fā)度、沸點(diǎn)計(jì)法、氣相色譜保留時(shí)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(wèn)題上，可利用計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)（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(jìn)展。CAMD方法的建立包括問(wèn)題的定義、分子合成和分子評(píng)價(jià)三部分組成，其中分子合成是整個(gè)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(jìn)入，從塔頂排出；重液相由塔頂進(jìn)入，由塔底排出。萃取操作時(shí)連續(xù)相充滿整個(gè)塔中，分散相由分布器分散成液滴進(jìn)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(diǎn),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(dòng)篩板柱(柱內(nèi)徑38 mm，篩板高度2.3 m)在1：10的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖逻M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)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(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其中氯仿作為連續(xù)相，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在流比為0.933時(shí)，可以達(dá)到較好的萃取效果。4臺(tái)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(duì)咖啡因生產(chǎn)中的母液氯提環(huán)節(jié)進(jìn)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(duì)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(guò)程中不僅可以增大處理能力，而且可以顯著降低能耗，達(dá)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(jì)應(yīng)注意的問(wèn)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(jìn)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(diǎn)，對(duì)于過(guò)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(hù)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(jìn)展。,填料萃取塔使用的填料內(nèi)件與氣液傳質(zhì)過(guò)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(rùn)，如果液滴群與填料表面浸潤(rùn)，就會(huì)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(jìn)展,國(guó)內(nèi)

15、外針對(duì)填料萃取塔的特點(diǎn)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(jìn)展,萃取體系對(duì)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(shí)性能優(yōu)異，但用于液液萃取時(shí)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(dú)特性，對(duì)填料在萃取過(guò)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(xì)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(jìn)展,填料萃取塔內(nèi)件研究參數(shù)：,圖像法、毛細(xì)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(jìn)展,新型填料萃取塔內(nèi)件填料的研發(fā)過(guò)程與氣液傳質(zhì)塔內(nèi)件的研發(fā)過(guò)程類似，在填料萃取塔內(nèi)件研發(fā)過(guò)程中，主要關(guān)注：1、分散相流速改變對(duì)填料表觀傳質(zhì)單元高度的影響；2、連續(xù)相流速改變對(duì)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(duì)比和同種類型填料不同型號(hào)之間填

18、 料的萃取效果對(duì)比；,在質(zhì)量分?jǐn)?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(cè)物系條件下，小網(wǎng)孔具有高的傳質(zhì)效率。,2024/2/27,,,,,24,動(dòng)態(tài)模擬,計(jì)算機(jī)流程模擬計(jì)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(jìn)展,2024/2/27,,,,,25,T=0s,T=0.65s,T=5s,計(jì)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(jìn)展,2024/2/27,,,,,26,3 填料萃取塔的研究進(jìn)展,實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合為主,計(jì)算機(jī)模擬為輔,Aspen Plus 、自主開發(fā)的軟件（CUP-tower）、CFD軟件 (fluent) 等,,上海化工研究院國(guó)家高效塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心,28,2024/2/27,上?；ぱ?/p>

20、究院國(guó)家高效塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心,1997年經(jīng)國(guó)家科技部批準(zhǔn)成立國(guó)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(chǎng)為依托，發(fā)揮強(qiáng)有力的技術(shù)擴(kuò)散能力，服務(wù)于企業(yè)，推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步。 中心成立至今，多次獲國(guó)家、省部級(jí)科技成果獎(jiǎng)。經(jīng)過(guò)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(duì)優(yōu)勢(shì)，在高效規(guī)整填料塔設(shè)計(jì)、塔內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)、產(chǎn)業(yè)化等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。,2024/2/27,,,,,29,實(shí) 驗(yàn) 平 臺(tái),常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室小試研究技術(shù)平臺(tái)，除了可進(jìn)行常規(guī)的精餾分離實(shí)驗(yàn)外，還具備萃取精餾、反應(yīng)精餾等功能，可進(jìn)行常規(guī)分離項(xiàng)目的研發(fā)工作。,建立國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的高真空精密精餾中試裝置,最低操作壓力可以達(dá)到13.3Pa；重點(diǎn)解決分離系數(shù)很小、熱敏性強(qiáng)等特殊物系的分離難題。,天然產(chǎn)物分離技術(shù)平臺(tái)，

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(yàn)設(shè)備。,分析測(cè)試平臺(tái)，中心主要配備氣相色譜儀、水分析儀等常規(guī)分析檢測(cè)設(shè)備，另依托院大型共享儀器進(jìn)行一些復(fù)雜的分析檢測(cè)工作，為分離項(xiàng)目的開發(fā)提供技術(shù)支撐。,,,,,上海化工研究院國(guó)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(shí) 驗(yàn) 平 臺(tái),上海化工研究院國(guó)家高效塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心,2024/2/27,,,,,31,耦合分離技術(shù)研究,對(duì)高新技術(shù)領(lǐng)域所需原料的高純度分離問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，主要特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)分離過(guò)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(xì)

24、化學(xué)品領(lǐng)域,萃取技術(shù) 等,上?；ぱ芯吭簢?guó)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(zhǎng)期從事高效規(guī)整塔填料及裝置研究的技術(shù)隊(duì)伍，為精細(xì)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(jìn)、實(shí)用、節(jié)能的分離工程技術(shù)及所要求的工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)，并向社會(huì)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(xiàng)目的可行性研究； 分離工程項(xiàng)目