天津大学化工分离工程教案第四章液液传质分离过程.ppt

4. 液液传质分离过程,4.1液液萃取,液液传质分离是利用溶质在两液相中不同的分配特性，通过相间传质达到分离的目的。,4.1.1 萃取剂的选择和萃取体系的分类,一、萃取剂的选择 一个合用的萃取剂应与原溶液形成不互溶的两液相，萃取剂还应具备以下性质： 两液相容易分开，不形成乳化液； 萃取剂与任何进料组分之间不形成共沸物； 萃取剂对关键组分的选择性尽可能地高； 萃取剂在萃余相中的溶解度应尽可能地低。,萃取剂的搜寻方法： (1) 搜寻数据库。 (2) 主要筛选方法： a) 选择同系物为萃取剂，b）罗宾斯表，c）氢键， d）极性作用， e) 特定萃取剂的认定。,4.1.1 萃取剂的选择和萃取体系的分类,案例,苯中分离链烃。苯在罗宾斯表中属于第11组，而所选的链烃庚烷属于第12组。由罗宾斯表可见，第8组（伯胺、氨、无取代基的氨基化合物）与芳烃形成的物系对拉乌尔定律产生负偏差，与链烃形成的物系产生正偏差。 尽管胺或氨基化合物在分离该混合物上很可能是有效的，没有迹象表明是否一定分层。罗宾斯表也指出，第4组（具有活性氢原子的多环链烃）、第7组（仲胺）和第9组（醚、氧化物、亚砜）均与链烃形成正偏差物系，与芳烃形成理想物系。这类溶剂同样可认为是可行的溶剂。但没有表明形成的液相数目。,(1) 简单分子萃取体系 (2) 中性络合体系 (3) 酸性络合萃取体系 (4) 离子缔合萃取体系 (5) 胺类萃取体系,二、萃取体系的分类,案例,伯、仲、叔胺分子中的氮原于具有孤对电子，能和无机酸的H+离子以稳定的配位键形成相应的铵盐。这些铵盐和季铵盐中的阴离子与水相中的金属络合阴离子发生交换，使被萃取物进入有机相。因此，这种萃取机理主要是阴离子交换反应。 胺类萃取剂一般适用于无机酸、金属离子的萃取。另外，胺类萃取剂属于Lewis碱，利用它的弱碱特性，可实现对有机羧酸、酚类等的萃取分离。,4.1.2 多级逆流萃取的计算,集团法:,逆流萃取塔,定义 E为进料中组分i被萃取的分数,各式可用质量单位或摩尔单位。由于在绝热萃取塔中温度变化一般都不大，因此一般不需要焓平衡方程，只有当原料与溶剂有较大温差或混和热很大时才需考虑。,4.1.3 分馏萃取,通常采用塔中部进料的分馏萃取流程。,4.1.4 微分逆流萃取模型,一活塞流模型 活塞流模型是一个完全理想化的微分逆流萃取模型。它假定塔内同一截面上任一点每一相的流速相等，两相在塔内作活塞流动；两相的传质只发生在水平方向上，在垂直方向上，每一相内没有物质传递。,用苯作萃取剂在喷淋塔内萃取水溶液中的醋酸。已知塔高H=1.4 m ，塔截面积A=4.510-3(m2)，萃取相进出口的醋酸浓度分别为y1=0.00397，y0=0.0115，萃余相进出口醋酸浓度分别为x0=0.688，x1=0.683 (均为kmol/m3)。苯的流率E=5.6710-6 m3/s，萃取平衡关系为 ：y=0.0247x。 试求：(1)萃取相总传质单元数； (2) 萃取相体积传质系数Koa。,例题：,解: 设萃取塔中传质速率为N。 则 N = E (y0y1) = 5.6710-6 (0.01150.00397)=4.26910-8 kmol/s 塔顶和塔底的萃取相平衡浓度为： y0*=0.02470.688=0.01699 kmol/m3 y1*=0.02470.683=0.01687 kmol/m3 塔顶、塔底的传质推动力为： y0*y0 = 0.01699 0.0115= 0.00549 kmol/m3 y1*y1 = .01687 0.00397= 0.01290 kmol/m3,对数平均浓度差为： 因此得： 则 此塔萃取相的总传质单元数为0.869，其萃取相的体积传质系数Koa等于7.81610-4 1/s。,4.1.4 微分逆流萃取模型,二轴向扩散模型 轴向扩散模型做了如下假设： 每相的返混可用一恒定的轴向扩散系数E来描述； 各相的表观速度在横截面上处处相同，在轴向上是恒定的； 仅仅是溶质在两相间传质，各相体积总传质系数为一常数； 溶质的分配系数为一常数；,在实验室对某稀溶液物系进行萃取实验，活塞流工况下测得（HTU）ox= 0.9144 m。现放大设计一个工业塔，已知 : （NTU）ox= 4 、 Pex=19、 Pey=50 、 E=0.5 。求塔高是多少 ？ 解：对于活塞流,塔高H 活塞流=（HTU）ox（NTU）ox ，将已知数据代入式（4-39）： 该方程为非线形方程，用迭代方法求解H = 5.26 m 效率 =（HTU）ox（NTU）ox / H = 40.9144 / 5.26 100 % = 69.5 %,例题：,4.2 超临界流体萃取,超临界流体萃取是一种以超临界流体作为萃取剂，从固体或液体中提取出待分离的高沸点或热敏性物质的新型萃取技术。 超临界流体具有低粘度、高密度、扩散系数大、超强的溶解能力等特性。,4.2 超临界流体萃取,超临界流体萃取是一种以超临界流体作为萃取剂，从固体或液体中提取出待分离的高沸点或热敏性物质的新型萃取技术。 超临界流体（SCF）是状态处在高于临界温度、压力条件下的流体，它具有低粘度、高密度、扩散系数大、超强的溶解能力等特性。,技术优势： 超临界流体具有极强的溶解能力，能实现从固体中提取有效成分。 可通过温度、压力的调节改变超临界流体的溶解能力的大小，因而超临界流体萃取具有较好的选择性。 超临界流体传质系数大，可大大缩短分离时间。 萃取剂的分离回收容易。,4.2 超临界流体萃取,4.2.1 超临界流体萃取的热力学基础,固体超临界流体的相平衡,4.2.1 超临界流体萃取的热力学基础,由于固体的饱和蒸气压非常低，所以用来校正纯固体的饱和蒸气压的逸度系数值近乎等于1；因固体的摩尔体积通常很小，在压力变化为几十兆帕范围内，Poynting因子积分值通常不超过2；因此，决定增强因子E的大小的主要因素是高压流体混合物中溶质2的逸度系数。经热力学推导可得：,在压力不高的情况下（大约不超过轻组分临界压力的一半），E可由简化的维里方程计算：,4.2.2 超临界流体萃取过程,作为萃取溶剂的超临界流体必须具备以下条件： 萃取剂应具有化学稳定性，对设备无腐蚀性； 临界温度不能太高或太低，最好在室温附近； 操作温度应低于被萃取溶质的变性温度； 为减小能耗，临界压力不能太高； 选择性好，容易得到高纯产品； 溶解度要高，可减少溶剂的循环量； 萃取溶剂易得，价格便宜。,典型的萃取流程,4.2.3 超临界流体萃取的应用,超临界流体萃取已深入应用到医药食品 生物化学工业等领域。,案例：超临界流体萃取的在化学工业应用实例,烃的分离 有机溶剂水溶剂的脱水（醇甲乙醇等） 有机合成原料的精制（己二酸己内酰胺等） 共沸化合物的分离 反应的稀释溶剂（聚合反应烷烃异构化反应） 反应原料回收（从低级脂肪酸盐的水溶液中回收脂肪酸）,4.3 反胶团萃取,4.3.1 反胶团的特性 反胶团是表面活性剂在非极性有机相中的浓度超过临界胶团浓度时，它会形成一种纳米尺度的聚集体。,4.3.2 反胶团萃取机理,萃取过程中，水相中的溶质进入反胶团相需经历三步传质过程： 通过表面液膜扩散，从水相到达相界面； 在相界面处溶质进入反胶团； 含溶质的反胶团扩散进入有机相。 反萃操作中溶质亦经历相似的过程，只是方向相反，在界面处溶质从反胶团释放出来。,4.3.2 反胶团萃取机理,萃取过程 反萃过程,反胶团萃取蛋白质的主要影响因素,4.3.3 反胶团萃取的应用,（1） 分离蛋白质混合物； （2） 浓缩-淀粉酶； （3）从发酵液中提取胞外酶 ； （4） 直接提取胞内酶； （5） 用于蛋白质复性。,案例,通过调节水相pH值和KCl浓度来实现三种蛋白质的分离。在pH=9时，核糖核酸酶的溶解度很小，保留在水相而与其他两种蛋白质分离；相分离后得到的反胶团相（含细胞色素C和溶菌酶）与0.5 mol/dm3的KCl水溶液接触后，细胞色素C被反萃取到水相，而溶菌酶留在反胶团相；含溶菌酶的反胶团与2.0 mol/dm3KCl，pH值为11.5的水相接触后，将溶菌酶反萃至水相中。,双水相萃取（aqueous two-phase extraction）是利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异来实现分离的一新型分离技术。由于它具有收率高、成本低、可连续化操作等技术优势，因而已被广泛应用于生物化学、细胞生物学和生物化工等领域，进行生物转化，蛋白质、核酸等产品的分离纯化。用此方法提纯的酶已达数十种，其分离也达到了相当规模。近年来又进行了双水相萃取氨基酸类和病毒小分子物质的研究，大大扩展了应用范畴并提高了选择性，使双水相萃取技术具有更大的潜力和美好的发展前景。,4.4 双水相萃取,4.4 双水相萃取,4.4.1 双水相体系,4.4.1 双水相体系,图中把均相区与两相区分开的曲线，称为双节点曲线。如果体系总组成位于双节点曲线下方的区域，两高聚物均匀溶于水中而不分相。如果体系总组成位于双节点曲线上方的区域，体系就会形成两相。上相富集了高聚物Q，下相富集了高聚物P。用A点代表体系总组成，B点和C点分别代表互相平衡的上相和下相组成，称为节点。A、B、C三点在一条直线上，称为系线。,4.4.2 双水相中溶质分配理论,溶质在双水相中的分配性质可用分配系数K表示，计算方法如下：,溶质在双水相中的分配受表面自由能、表面电荷、疏水作用及生物亲和作用等因素的影响，其中表面自由能、表面电荷对分配行为的影响最为重要，因而对这两方面的理论研究也比较深入。溶质分配的理论研究对双水相萃取起到指导作用，使萃取过程可通过控制相关的影响因素而得到优化。,4.4.2 双水相中溶质分配理论,(1) 表面自由能的影响,因为大分子物质的Mr很大，的微小改变会引起分配系数K发生很大的改变，因此利用不同的表面性质，可以达到分离大分子的目的。,4.4.2 双水相中溶质分配理论,（2）表面电荷的影响,（3）疏水作用,两相系统中如有盐存在，会对大分子在两相间的分配系数发生改变,在pH值为等电点的双水相中，蛋白质主要根据表面疏水性的差异产生各自的分配平衡。,4.4.3 双水相萃取的应用,(1) 产品的浓缩 （2）蛋白质的提取和纯化 （3）生物小分子的分离和纯化 （4） 中草药有效成分的提取 （5）生物活性物质的分析检测,案例,从细胞浆液中提取蛋白质时，蛋白质均分配于上相，而细胞或细胞碎片分配于下相。在大多数情况下分配系数大于3，很多杂蛋白也和细胞同时除去。实际操作中多数采用PEG盐体系，主要是因为这种体系物理特性较好易于相分离，而且价格也低。 细胞浆液的加入量是一个重要参数。大量细胞或细胞碎片的存在使体系两相的粘度，特别是下相的粘度大大增高，上、下相体积比降低从