萃取设备的发展概述及展望

萃取设备的发展概述及展望xxx(xxx)摘要：萃取分离具有处理能力大、选择性好、常温操作、节约能源、易于实现连续操作和自动控制等一系列优点，自20世纪30年代以来，迅速在化工、石油、生物、医药、食品、原子能、湿法冶金等工业部门得到广泛应用。本文分析了超临界流体的萃取原理，描述了萃取设备的分类，简单总结了典型萃取设备的优缺点及适用领域，介绍了一些工业萃取设备及新型萃取设备，并提出了萃取分离的研究重点。关键词：超临界流体萃取；典型萃取设备；新型萃取设备DevelopmentOverviewandProspectsExtraction

Equipmentxxx(xxx)Abstract：Extractionseparationhasaseriesofadvantages,largeprocessingcapacity,goodselectivity,roomtemperatureoperation,energysaving,easytoimplementcontinuousoperationandautomaticcontrol.Sincethe1930s,extractionseparationrapidwidelyusedinchemical,petroleum,biology,medicine,food,atomicenergy,hydrometallurgyandotherindusrialsectors.Thispaperanalyzestheprincipleofsupercriticalfluidextraction,describlestheclassificationofextractionequipment,andsummarizestheadvantages,disadvantagesandapplicationfiledoftypicalextractionequipment.Besides,thispaperintroducesanumberofindustrialextractionequiomentandnewextractionequioment,andproposesextractionseparationofresearchfocus.Keywords:supercriticalfluidextraction；typicalextractionequipment；newextractionequipment萃取是利用溶质在互不相溶两相之间分配系数的不同而使其得到纯化或浓缩的一种单元操作。由于可以根据分离对象的要求选择适当的萃取剂和流程，因而具有选择性高，分离效果好和适应性强等特点。溶剂萃取通常在常温或较低温度下进行，能耗低，特别适用于热敏性物质的分离，而且易于实现大规模连续化的生产。近年来，萃取在原子能、湿法冶金、石油、化工、医药和环保等工业过程以及生物工程和新材料等高科技领域得到越来越广泛的应用，萃取设备也随着萃取在工业中的广泛应用而不断的发展更新。溶剂萃取最早用在实验室中进行化学元素的分离和分析。首次大型工业应用是20世纪初的芳烃抽提。随后的重要应用是青霉素的提纯和抗菌素的大规模生产。第二次世界大战期间在原子能工业中成功地应用萃取法分离铀、钚和放射性同位素，大大促进了溶剂萃取技术的研究和应用。20世纪60年代以来，溶剂萃取又成功地用于石油化工中的润滑油静止、丙烷脱沥青、芳烃抽提和湿法冶金工业中的铜萃取、镍钻分离和稀土元素分离等大规模的工业生产。[1-4]按照萃取过程中是否发生化学反应来分类，液液萃取法可分为物理萃取法和化学萃取法两大类。其中物理萃取有超临界萃取，化学萃取法有络合萃取、阳离子交换萃取和离子缔合萃取。在液液萃取领域里，萃取设备的选择是一个综合考虑和比较的结果。除了体系的特性外，分离的目标要求、成本控制以及设备维修的难易程度等都是影响萃取设备选择的因素5-6］。1萃取方法1.1物理萃取法物理萃取是利用溶质在两种互不相溶的液相中不同的分配关系从而达到分离目的的。物理萃取法是根据“相似相溶”的原理选择萃取剂。超临界流体萃取，又称超临界萃取、压力流体萃取、超临界气体萃取等。20世纪60年代开始工业应用研究。现在，超临界流体萃取已成为新型萃取分离技术，应用于食品、制药、化工、能源、香精香料等工业部门。超临界流体萃取以高压、高密度的超临界流体为萃取剂，从液体或固体中提取高沸点或热敏性的有用成份，以达到分离或纯化的目的。与一般的萃取及浸取操作相比较，它们同是加入溶剂，在不同的相之间完成传质分离。不同之处在于，超临界流体萃取中，萃取剂是超临界状态下的流体，具有气体和液体之间的一些特征，且对许多物质有很强的溶解能力，分离速率比液一液萃取快，可以实现高效的分离过程。表1-1超临界流体与气体、液体传递性能的比较物性气体（常温、常压）超临界流体液体（常温、常压）Tc，PcTc，4Pc密度/kg/m32〜6200〜500400〜900600〜1600粘度*105/(Pa*s)1〜31〜33〜920〜300自扩散系数*104/（m2/s）0.1〜0.40.7*10-30.2*10-32〜6从表中数据看出，超临界流体的密度与液体比较接近，粘度接近于普通气体，自扩散系数为液体的100倍左右。这意味着超临界流体具有与液体萃取剂相近的溶解能力，同时，超临界萃取时的传质速率将远大于溶剂萃取速率且能很快达到萃取平衡。超临界流体中应用较多的包括：二氧化碳、水、甲醇、乙醇、氙、氨、乙烯、丙烯、丙烷、戊烷等。其中二氧化碳的临界温度（Tcr=31.3）接近室温，临界压力（Pcr=7.37MPa）较易达到，化学性质稳定，无毒、无臭、无色、无腐蚀性，因此是最常用的超临界流体。超临界CO2流体萃取一般有三种基本操作方法，即等温法、等压法和吸附法，如图1-3所示表1-2常用超临界流体的临界特性流体名称分子式临界压力(MPa)临界温＜度()临界密度(gem3)二氧化碳CO]7.2931.20.433水H归21.765/4.20.332氨NH-11251324().935乙烷54.8132.20.203乙烯54.979.20.218氧化一箧NQ7.1700,450丙烷51.1996.60.217戊烷3.75196.60.232丁烷c4h103.75135.00.228图1-1二氧化碳密度与压力的关系图图1-1二氧化碳密度与压力的关系图1-2二氧化碳气体扩散系数的温度指数Cm)法J,=/,卜萃毗釜：2-减压阀：3-分离釜;「压编机等压法T、5月=心I-萃取•卷：2-加热器：3-分喜釜*4高压泵：5-冷却器5)吸咐法7[=r,m1-萃取釜;A腋附剂;3-分高釜：4-高压基1.2化学萃取法若在萃取过程中，伴有溶质与萃取剂之间的化学反应，则称此类过程为伴有化学反应的萃取，简称化学萃取，又称反应萃取。化学萃取主要应用于金属的提取与分离。络合反应，同时以中性分子存在的溶质和萃取剂，通过络合结合成中性溶剂络合物，并进入有机相。典型的络合萃取是在湿法核燃料处理工艺中用磷酸三丁酯（TBP）萃取硝酸铀酰。络合萃取法在分离极性有机稀溶液（如废水脱酚及醋酸稀水溶液分离）中有以高效性和高选择性而显示突出的优点。2萃取设备的分类在液液萃取过程中，要求在萃取设备内能使两相密切接触并伴有较高程度的湍动，以实现两相之间的质量传递；而后，又能较快地分离。但是，由于液液萃取中两相间的密度差较小，实现两相的密切接触和快速分离要比气液系统困难的多。为了适应这种特点，出现了多种结构型式的萃取设备。工业上常用萃取设备的分类情况，如图2-1所示［7。实际上，很多萃取设备是根据特定的工艺要求而发展的，然后推广应用于其他领域。从技术和经济上来看，不能说哪一种设备对所有的溶剂萃取过程都是最好的。应该根据体系的物理化学性质、处理量和萃取要求来评价和选择萃取设备。表2-1[8介绍了几类萃取设备的主要优缺点和应用领域。表2-1几种萃取设备的优缺点及应用领域设备分类优点披点应用颌域相接触好*级效率高，处理泥介澄浩懵能力人，操作弹性好，在很宽的流比苑由内均可稽定操作.扩大设计方法比较叫节滞留WK，需必的血积火，投蔬较大，甄间M能希女用茉箍诸流体棱化工，湿法冶金，化肥匚业无伐能搅拌的结构破行+・设备册亢低，传质效率低，需要商的厂房，对密度差小的体系处理能石油化丁，举取.住操作和蟆峰费用低,容易A低，不能L理流比很高的化学E业机Wil:械处理腐蚀性物料HETS（珂论缴当宿高度」低，姓理能方大,柱内无运动部件.工作E福情M对密度潍小的体系处理能核化工，湿注治金，石油化「搅姓理成较大,般第校高.力较低，不能处理流比很n转藏柱皓构较简单'操柞和维峡高的情况,处理其乳化的[[油化」罹法希携体.抵有困艰.扩大谊计金.制药「.业取方法比较复杂制药「业，石袖化杜振劫Jr^r-H11.11li板朴HETi低，处理能力大，结构简爪，操作弹性好能处理斯相密度差小的体系，设备体积小，接袖设备费用大,撮作费用佰，T，湿法冶金，化学工业制豹11k.核化离心萃取器时间短,传质效率高，维修费用人匚,石油化工滞留•屋小，溶剂枳压量小3典型萃取设备的介绍3.1混合澄清器混合清澄器是一种常见组合式萃取设备，每一级均由一混合器与一澄清器组成，如图3-1所示。原料液与萃取剂进入混合室在搅拌作用下使一相液体分散在另一相中，充分接触后进入澄清器。在澄清器内由于两液体的密度差使两液相得以分层。

图11—16混合澄清器1—混合器；2一搅拌器；3一澄清器1图11—16混合澄清器1—混合器；2一搅拌器；3一澄清器1混合轻相溢出口；5一重相液出口1—混合器；2一搅拌器；3—澄清器；4一轻相溢出口；5一重相液出口用于萃取的填料塔与用于气液传质过程的填料塔结构上基本相同，即在塔内支撑板上填充一定高度的填料层。相对于有外加能量和搅拌的设备，无机械搅拌的重力萃取设备主要有三类：喷淋塔、填料塔和筛板塔。其中填料萃取塔是石油炼制、化学工业和环境保护等工业部门广泛应用的一种萃取设备，具有结构简单，无需外加能量，适用物系广，易于操作，便于制造和安装等优点。作为最重要的塔构件，塔填料对于塔传质效率具有决定性影响。合适的塔填料能够有效增加两相接触面积、减小轴向混合从而提高传质效率。此外，合适的塔填料对增大孔隙率、减小压降、提高塔的处理能力以及促进流体均匀分布等都具有明显作用［91塔填料分为散装填料和规整填料两种。散装填料又可分为环形填料、鞍形填料等形式。最初的填料是瓦砾、卵石等不定形物。1914年拉西环(RaschigRing)的出现，使填料的研究进入了科学的阶段。1948年德国出现了被称为第二代产品的鲍尔环(PallRing)填料，它是对拉西环的一次重大改进，使得处理能力较拉西环增加50%以上，压降仅为拉西环的一半。两种填料的如图3-2和图3-3所示。图3-2拉西环填料图3-3图3-2拉西环填料图3-3鲍尔环填料阶梯短环［10］是由美国Glistch公司发明的一种散装填料，它的最大特点就是将高径比从原来阶梯环的0.5降低到阶梯短环的0.3,如图3-4所示。实验表明：高径比越小，传质效率越高。所以高径比的降低对于阶梯环性能的提升是相当明显的，阶梯环在塔内的排列比较规整，所以塔内流动阻力小，且大多数填料的内外表面都易被液体润湿，从而阶梯短环的阻力降较低，处理能力大，传质效率高［11］。此外，由于阶梯短环可由多种材料制造，所以其种类和规格很多，可用于多种体系，在工业上的应用相当广泛，比如地下水的净化等［12］。CMR填料传质效率比鲍尔环高，而阻力降低，已在蒸馏、吸收、汽提和液液萃取等几百个装置中应用。缺点是：填料翻边儿有助于提高强度，但用于某些物质的精馏，易引起物料的结焦或聚合，用于萃取，易引起液滴聚积图3-4图3-4阶梯短环填料（CMR）由清华大学研制的内弯弧形筋片扁环填料［13］和挠性梅花扁环填料［14］，如图3-5和图3-6所示，结构新颖，创新性地采用独特的内弯弧形结构和极低的高径比（0.2-0.3），促进了塔内液滴的分散一聚合一再分散的循环，同时使填料内部的流道更合理，并且使填料在堆乱时依然表现出一定的序列行从而降低阻力降，最终大大提高塔的处理能力和传质效率。图3-5内弯弧形筋片扁环填料（QH-1图3-5内弯弧形筋片扁环填料（QH-1）图3-6挠性梅花扁环填料（QH-2）QH-1型扁环填料的性能明显优于鲍尔环、Mellapak、Intalox等国外引进的新型填料，轴向混合小，处理能力大，传质效率提高20%以上，而QH-2型扁环填料的性能在此基础上又有所提高。

3.2.2脉冲筛板萃取塔脉冲筛板萃取塔是指由于外力作用使液体在塔内产生脉冲运动的筛板萃取塔。它的传质效率高，处理能力大，而且结构简单，塔内无运动部件，工作可靠。何潮洪等[15]发明了一种新型的脉冲筛板塔，不同于以往筛板孔径全板均匀一致分布以及板间距相同的设计，此专利选择在不同塔段板间距可不一样；此外，对于某一筛板而言，选择在靠边筛板边缘区域的孔径比中心区域的孔径大，如图3-8所示，通过以上改进设计，一方面能够有效减小塔下部发生液泛的可能性，同时还降低全塔阻力，减少能耗，而塔上部板段则由于孔径娇小从而传质效率较高；另一方面由于塔壁附近的孔径较大，虽然流速降低但是固体悬浮物更易通过而不会造成积累从而保证了塔的正常操作。图3-8新型筛板图3-7筛板萃取塔1一筛板；2一混合液；图3-8新型筛板3一轻重液分界面；4一溢流管3.2.3转盘萃取塔转盘萃取塔是在塔体壁面上按一定问距设置若干个环形挡板(称为固定环)，在中心轴上按同样间距安装若干个转盘，转盘随中心轴作高速旋转对两相起到搅拌作用的萃取设备。转盘塔具有结构简单、通量大、造价低、操作维修方便等优点，但由于转速的影响易导致轴向混合严重和液泛，为此开发出许多改进型萃取塔，如闭式涡轮转盘塔(CTRDC)[16]、MRDC[17]在一定程度上提高了效率。

轻液出5/7轻液入■••••...8重液出..■■■■■34重液入图11—19转盘萃取塔1,2一液体的图龄转盘萃取塔栅板；4一转轴;1,2—液体转盘入口—定新—栅板；底澄转区由；5—转盘；6一定环；8—塔底澄清区3.2.4振动筛板萃取塔轻液出5/7轻液入■••••...8重液出..■■■■■34重液入振动筛板萃取塔作为一种依靠机械传动进行搅拌达到高效萃取的塔式设备（结构见图3-10）所示，其特性研究由Karr发表以来，以其设备结构简单、维修方便、操作容易、运行稳定、液泛负荷大、动力消耗小、节约能源、低噪音以及具有很好的自清洁能力已在石油化工、医药化工、湿法冶金、废水处理等领域得到了广泛应用。传幼装置有机相尸i轻根L出岂上扩大瀚'布板申一一有机相〔粒相人进匚相相口'Mslll;传幼装置有机相尸i轻根L出岂上扩大瀚'布板申一一有机相〔粒相人进匚相相口'Mslll;下扩大端--相相口水真出(/当两液体的密度差很小(可至10kg/m3)或界面张力甚小而易乳化或黏度很大时，仅依靠中立的作用难以使两相见很好地混合或澄清。这是可以利用离心力地作用强化萃取过程，常用地离心萃取机之一为波特别尼亚克(Podbielniak)萃取相，与1934年发明，如图3-11所示。高速旋转地转子系由开有很多孔地长带卷成，转速约2000〜5000r/min。操作时，重液导入转子内层，轻液导入转子外层，在离心力长地作用下，重液与轻液逆向流动，并通过带上地小孔倍分散，最后重液和轻液分别从不同地通道引出。卢威(Luwesta)式离心萃取器是一种立式逐级接触式离心萃取设备。如图3-12所示，Luwesta式离心萃取器的主体是固定在机壳体上，并随之作高速旋转的环形盘，壳体中央有固定的垂直空心轴，轴上也装有圆形盘，盘上开有若干个喷出孔。Luwesta式离心萃取器级效率高，主要用于制药工业。帔':--「'土图3-12芦威式离心萃取器图3-11POD离心萃取器4新型萃取设备的介绍一些新的萃取技术开始出现并受到人们的关注。微波辅助萃取(MicrowaveAssistedExtraction,MAE)、加速溶剂萃取(AcceleratedSolventExtraction,ASE)>浊点萃取(CloudPointExtraction,CPE)和固相微萃取(SolidPhaseMicroExtraction,SPME)等。微波辅助萃取(MAE)是一种利用微波能强化溶剂萃取效率的新技术即通过微波加热来加速溶剂对固体样品中目标物的萃取过程。加速溶剂萃取(ASE)是RICHTER等在1995年提出的，其基本原理是通过升温和加压，增加溶质的溶解度和扩散速率，提高萃取效率。浊点萃取(CPE)是近年来出现的一种新兴的液-液萃取技术，它是以表面活性剂胶束水溶液的溶解性和浊点现象为基础，通过改变试验参数(温度、压力、电解质笥而引起相分离，将疏水性物质与亲水性物质分离。固相微萃取(SPME)根据有机物与溶剂之间相似相溶的原理利用萃取头内石英纤维表面色谱固定相的吸附作用，将组分从样品基质中萃取富集起来完成样品的前处理过程。在进样过程中，利用气相色谱进样器的高温及液相色谱、毛细管电泳的流动相将吸附的组分从固定相中解吸下来进行分析。5结论与展望萃取分离具有处理能力大、选择性好、常温操作、节约能源、易于实现连续操作和自动控制等一系列优点，自20世纪30年代以来，迅速在化工、石油、生物、医药、食品、原子能、湿法冶金等工业部门得到广泛应用。随着社会的发展，萃取研究的重点将集中在以下五个方面：新型绿色萃取剂的研发；新型萃取工艺及萃取方法的研发；新型高效萃取设备的开发；与萃取工程关系密切的其他工艺问题的研究；萃取热力学、萃取工程传质与传热机理的研究。参考文献HansonC.RecentAdvancesinLiquid—LiquidExtraction[M].NewYork：PergamonPress,1971.ThorntonJD.ScienceandPracticeofLiquid一liquidExtraction[M].Vol.2.Oxford：ClarendonPress,1993.WangJiading,FeiWe