第4章 液液傳質(zhì)分離過程.ppt

1、4.液-液傳質(zhì)分離過程，4.1液-液萃取，液-液傳質(zhì)分離是利用溶質(zhì)在兩個液相中不同的分布特性，通過相間的傳質(zhì)達到分離的目的。4.1.1萃取劑的選擇和萃取系統(tǒng)的分類一、萃取劑的選擇合適的萃取劑應(yīng)與原溶液形成兩個不混溶的液相。萃取劑還應(yīng)具有以下特性：兩個液相易于分離，不形成乳狀液；萃取劑和任何進料組分之間不形成共沸物；萃取劑對關(guān)鍵組分的選擇性盡可能高；萃取劑在萃余相中的溶解度應(yīng)盡可能低。萃取劑的搜索方法：(1)搜索數(shù)據(jù)庫。(2)主要篩選方法：a)選擇同系物作為萃取劑，b)羅賓斯表，c)氫鍵，d)極性作用，e)特定萃取劑的鑒定。4.1.1萃取劑的選擇和萃取系統(tǒng)的分類，案例，鏈烴與苯的分離。苯屬于羅賓

2、斯表中的第11組，而選擇的烷烴庚烷屬于第12組。從羅賓斯表中可以看出，第八族(伯胺、氨、無取代基的氨基化合物)和芳烴形成的體系與拉烏爾定律有負偏差，與鏈烴形成的體系有正偏差。盡管胺或氨基化合物可能對混合物的分離有效，但沒有跡象表明是否存在一定的分層。Robbins table還指出，第4族(具有活性氫原子的多環(huán)烴)、第7族(仲胺)和第9族(醚、氧化物、亞砜)都與鏈烴形成正偏差系統(tǒng)，與芳烴形成理想系統(tǒng)。這種溶劑也可以認為是一種可行的溶劑。但不表示形成的液相的數(shù)量。(1)簡單分子萃取體系(2)中性絡(luò)合體系(3)酸性絡(luò)合萃取體系(4)離子締合萃取體系(5)胺萃取體系(2)萃取體系的分類在某些情況下，

3、伯胺、仲胺和叔胺分子中的氮具有孤對，它們可以通過穩(wěn)定的配位鍵與無機酸的氫離子形成相應(yīng)的銨鹽。這些銨鹽和季銨鹽中的陰離子與水相中的金屬絡(luò)合陰離子交換，從而提取物進入有機相。因此，萃取機理主要是陰離子交換反應(yīng)。胺萃取劑通常適用于無機酸和金屬離子的萃取。另外，胺類萃取劑屬于路易斯堿，可以實現(xiàn)有機羧酸、酚類等的萃取和分離。4.1.2多級逆流萃取的計算，組方法：將U定義為進入萃余相逆流萃取塔的溶劑中組分一的分數(shù)，將E定義為從進料中提取的組分一的分數(shù)，以及各種可用的質(zhì)量單位或摩爾單位。由于絕熱萃取塔中的溫度變化一般較小，因此一般不需要焓平衡方程，只有當原料和溶劑之間的溫差較大或混合熱較大時才需要。4.1.

4、3分餾萃取，通常采用在塔中部進料的分餾萃取工藝。4.1.4微分逆流萃取模型，塞流模型塞流模型是一個完全理想化的微分逆流萃取模型。它假設(shè)在塔內(nèi)同一截面的任何一點上，每相的流速相等，兩相在塔內(nèi)以活塞的形式流動；兩相的傳質(zhì)只發(fā)生在水平方向，而在垂直方向，各相沒有傳質(zhì)。以苯為萃取劑，在噴霧塔中萃取水溶液中的乙酸。已知塔高H=1.4 m，塔橫截面積A=4.510-3(m2)，萃取相入口和出口處的乙酸濃度y1=0.00397，y0=0.0115，萃余相入口和出口處的乙酸濃度x0=0.688，x1=0.683(均為kmol/m3)。苯的流量為E=5.6710-6 m3/s，萃取平衡關(guān)系為y=0.0247x.

5、試著找出：(1)萃取階段的傳質(zhì)單元總數(shù)；(2)萃取相的體積傳質(zhì)系數(shù)Koa。假設(shè)萃取塔中的傳質(zhì)速率為n，那么n=e(y0y 1)=5.6710-6(0.01150.00397)=4.26910-8千摩爾/秒，萃取相在塔頂和塔底的平衡濃度為y0 *=0.024704.1.4微分逆流萃取模型和雙軸擴散模型軸向擴散模型作出如下假設(shè)：各相的返混可以用一個恒定的軸向擴散系數(shù)e來描述；每一相的表觀速度在橫截面上處處相同，在軸向上不變。兩相之間只有溶質(zhì)的傳質(zhì)，每相體積的總傳質(zhì)系數(shù)是一個常數(shù)；溶質(zhì)的分配系數(shù)是一個常數(shù)；在實驗室進行了稀溶液體系的萃取實驗，在活塞流工作條件下測得(htu) ox為0.9144m?，F(xiàn)

6、在，一座工業(yè)塔被放大設(shè)計。眾所周知， (NTU)ox=4，Pex=19，Pey=50，E=0.5。這座塔有多高？解決方法：對于塞流，塔高塞流=(HTU)ox(NTU)ox，將已知數(shù)據(jù)代入方程(4-39):該方程為非線性方程，用迭代法求解，H=5.26 m效率=(HTU)ox(NTU)ox/H=40.9144/5.26 100%=超臨界流體萃取(SFE)是一種用超臨界流體作為萃取劑從固體或液體中萃取高沸點或熱敏性物質(zhì)的新萃取技術(shù)。超臨界流體具有低粘度、高密度、大擴散系數(shù)和超溶解度的特點。4.2超臨界流體萃取(SFE)是一種利用超臨界流體作為萃取劑萃取高沸點或熱敏性物質(zhì)以將其從固體或液體中分離出來

7、的新型萃取技術(shù)。超臨界流體是一種狀態(tài)高于臨界溫度和壓力的流體。它具有低粘度、高密度、大擴散系數(shù)和超溶解度的特點。技術(shù)優(yōu)勢：超臨界流體溶解能力強，能從固體中提取有效成分。超臨界流體的溶解度可以通過調(diào)節(jié)溫度和壓力來改變，因此超臨界流體萃取具有更好的選擇性。超臨界流體具有較大的傳質(zhì)系數(shù)，可以大大縮短分離時間。萃取劑易于分離和回收。4.2超臨界流體萃取、4.2.1超臨界流體萃取的熱力學基礎(chǔ)、固體超臨界流體的相平衡、4.2.1超臨界流體萃取的熱力學基礎(chǔ)，因為固體的飽和蒸汽壓很低，用來校正純固體飽和蒸汽壓的逸度系數(shù)幾乎等于1；由于固體的摩爾體積通常很小，在幾十兆帕的壓力變化范圍內(nèi)，坡印亭因子的積分值通常不

8、超過2；因此，決定增強因子e的主要因素是高壓流體混合物中溶質(zhì)2的逸度系數(shù)。從熱力學可以得出結(jié)論：在低壓條件下(不超過輕組分臨界壓力的一半左右)，E可以用簡化的Veri方程計算：4.2.2在超臨界流體萃取過程中，超臨界流體作為萃取溶劑必須滿足以下條件：萃取劑應(yīng)化學穩(wěn)定，對設(shè)備無腐蝕性；臨界溫度不應(yīng)過高或過低，最好接近室溫；操作溫度應(yīng)低于提取的溶質(zhì)的變性溫度；為了降低能耗，臨界壓力不應(yīng)太高；選擇性好，易于獲得高純度產(chǎn)品；溶解度應(yīng)該高，這樣可以減少溶劑的循環(huán)；提取溶劑易得且便宜。4.2.3超臨界流體萃取的應(yīng)用超臨界流體萃取已深入應(yīng)用于醫(yī)療、食品和生化行業(yè)。案例：超臨界流體萃取在化學工業(yè)中的應(yīng)用，碳氫

9、化合物的分離，有機溶劑的脫水，水溶劑，有機合成原料的純化，共沸化合物的分離，稀釋溶劑，聚合，烷烴的異構(gòu)化，反應(yīng)原料的回收，低級脂肪酸鹽水溶液中脂肪酸的回收，4.3反膠束的萃取，4.3.1反膠束的特性反膠束是非水溶液中的表面活性劑，4.3.2反膠束萃取機理，在萃取過程中， 水相中的溶質(zhì)需要經(jīng)歷三個傳質(zhì)過程：通過表面液膜的擴散，從水相到相界面； 溶質(zhì)在相界面進入反膠束；含溶質(zhì)的反膠束擴散到有機相中。溶質(zhì)在剝離操作中也經(jīng)歷類似的過程，只是方向相反，而溶質(zhì)4.3.2反膠束萃取的機理、反萃取過程、反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要影響因素、4.3.3反膠束萃取的應(yīng)用，(1)蛋白質(zhì)混合物的分離；(2)濃縮-淀粉酶；(

10、3)從發(fā)酵液中提取胞外酶；(4)細胞內(nèi)酶的直接提??；(5)蛋白質(zhì)復性。在這種情況下，通過調(diào)節(jié)水相的酸堿度和KCl濃度來實現(xiàn)三種蛋白質(zhì)的分離。當酸堿度=9時，核糖核酸酶的溶解度很小，它保留在水相中，并與其他兩種蛋白質(zhì)分離。在相分離后獲得的反膠束相(含有細胞色素C和溶菌酶)與0.5摩爾/dm3的KCl水溶液接觸后，細胞色素C被萃取回水相，而溶菌酶保留在反膠束相中。在含有溶菌酶的反膠束與2.0摩爾/立方厘米、酸堿度為11.5的水相接觸后，溶菌酶被反萃取到水相中。雙水相萃取是一種新的分離技術(shù)，它利用兩種不互溶的水相之間分配系數(shù)的差異來實現(xiàn)分離。由于其高產(chǎn)率、低成本、連續(xù)操作等技術(shù)優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于生物

11、化學、細胞生物學、生化工程等領(lǐng)域，用于蛋白質(zhì)、核酸等產(chǎn)品的生物轉(zhuǎn)化、分離和純化。用這種方法純化了幾十種酶，它們的分離已達到相當大的規(guī)模。近年來，對氨基酸和病毒小分子的兩相提取技術(shù)進行了研究，大大拓展了應(yīng)用范圍，提高了選擇性，使得兩相提取技術(shù)具有更大的潛力和廣闊的發(fā)展前景。4.4雙水相萃取，4.4雙水相萃取，4.4.1雙水相體系，4.4.1雙水相體系。圖中把均質(zhì)區(qū)和兩相區(qū)分開的曲線稱為雙節(jié)點曲線。如果系統(tǒng)的總組成位于雙節(jié)點曲線以下的區(qū)域，則兩種聚合物均勻地溶解在水中，沒有任何相分離。如果系統(tǒng)的總組成位于雙節(jié)點曲線上方的區(qū)域，系統(tǒng)將形成兩個階段。上相富含聚合物q，下相富含聚合物p。點A代表系統(tǒng)的總

12、組成，點B和C分別代表平衡的上相和下相，稱為節(jié)點。a、b和c在一條直線上，這條直線叫做聯(lián)絡(luò)線。4.4.2溶質(zhì)在雙水相體系中的分布理論，雙水相體系中溶質(zhì)的分布特性可用分布系數(shù)k表示，計算方法如下：雙水相體系中溶質(zhì)的分布受表面自由能、表面電荷、疏水作用和生物親和性的影響，其中表面自由能和表面電荷對分布行為的影響最大，因此對這兩方面的理論研究也比較深入。溶質(zhì)分布的理論研究對雙水相萃取具有指導作用，通過控制相關(guān)影響因素可以優(yōu)化萃取過程。4.4.2溶質(zhì)在兩個水相中的分配理論，(1)表面自由能的影響，由于大分子物質(zhì)的磁流變很大，這種微小的變化會導致分配系數(shù)K發(fā)生很大的變化，因此利用不同的表面性質(zhì)可以達到分離大分子的目的。4.4.2兩個水相中的溶質(zhì)分布理論，(2)表面電荷的影響，(3)疏水效應(yīng)。如果鹽存在于兩相體系中，大分子在兩相之間的分布系數(shù)會發(fā)生變化。在等電點為酸堿度的兩個水相中，蛋白質(zhì)主要根據(jù)表面疏水性的不同產(chǎn)生自己的分布平衡。4.4.3雙水相萃取的應(yīng)用，(1)產(chǎn)品濃縮，(2)蛋白質(zhì)的提取和純化，(3)生物小分子的分離和純化，(4)中草藥有效成分的提取，(5)生物活性物質(zhì)的分析和檢測。在某些情況下，當從細胞血清中提取蛋白質(zhì)時，蛋白質(zhì)分布在較高階段，而細胞或細胞片段分布在較低階段。在大多數(shù)情況下，分配系數(shù)大于3，許多外源蛋白與細胞同時被去除。在