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(gè)液相中不同的分布特性，通過相間的傳質(zhì)達(dá)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(gè)不混溶的液相。萃取劑還應(yīng)具有以下特性：兩個(gè)液相易于分離，不形成乳狀液；萃取劑和任何進(jìn)料組分之間不形成共沸物；萃取劑對(duì)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(fù)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(duì)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(rèn)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(duì)，它們可以通過穩(wěn)定的配位鍵與無機(jī)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(jìn)入有機(jī)相。因此，萃取機(jī)理主要是陰離子交換反應(yīng)。胺萃取劑通常適用于無機(jī)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(shí)現(xiàn)有機(jī)羧酸、酚類等的萃取和分離。4.1.2多級(jí)逆流萃取的計(jì)算，組方法：將U定義為進(jìn)入萃余相逆流萃取塔的溶劑中組分一的分?jǐn)?shù)，將E定義為從進(jìn)料中提取的組分一的分?jǐn)?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(dāng)原料和溶劑之間的溫差較大或混合熱較大時(shí)才需要。4.1.

4、3分餾萃取，通常采用在塔中部進(jìn)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(gè)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(diǎn)上，每相的流速相等，兩相在塔內(nèi)以活塞的形式流動(dòng)；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(kuò)散模型軸向擴(kuò)散模型作出如下假設(shè)：各相的返混可以用一個(gè)恒定的軸向擴(kuò)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(gè)常數(shù)；溶質(zhì)的分配系數(shù)是一個(gè)常數(shù)；在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了稀溶液體系的萃取實(shí)驗(yàn)，在活塞流工作條件下測(cè)得(htu) ox為0.9144m。現(xiàn)

6、在，一座工業(yè)塔被放大設(shè)計(jì)。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(duì)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(diǎn)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(kuò)散系數(shù)和超溶解度的特點(diǎn)。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(diǎn)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(kuò)散系數(shù)和超溶解度的特點(diǎn)。技術(shù)優(yōu)勢(shì)：超臨界流體溶解能力強(qiáng)，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(shí)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(xué)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(xué)基礎(chǔ)，因?yàn)楣腆w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(qiáng)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(xué)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(jì)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(xué)穩(wěn)定，對(duì)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(xué)工業(yè)中的應(yīng)用，碳?xì)?/p>

9、化合物的分離，有機(jī)溶劑的脫水，水溶劑，有機(jī)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(jí)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(jī)理，在萃取過程中， 水相中的溶質(zhì)需要經(jīng)歷三個(gè)傳質(zhì)過程：通過表面液膜的擴(kuò)散，從水相到相界面； 溶質(zhì)在相界面進(jìn)入反膠束；含溶質(zhì)的反膠束擴(kuò)散到有機(jī)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(jī)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(xì)胞內(nèi)酶的直接提?。?5)蛋白質(zhì)復(fù)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(shí)現(xiàn)三種蛋白質(zhì)的分離。當(dāng)酸堿度=9時(shí)，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(xì)胞色素C和溶菌酶)與0.5摩爾/dm3的KCl水溶液接觸后，細(xì)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(shí)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(shì)，已廣泛應(yīng)用于生物

11、化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、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(dá)到相當(dāng)大的規(guī)模。近年來，對(duì)氨基酸和病毒小分子的兩相提取技術(shù)進(jìn)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(diǎn)曲線。如果系統(tǒng)的總組成位于雙節(jié)點(diǎn)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(diǎn)曲線上方的區(qū)域，系統(tǒng)將形成兩個(gè)階段。上相富含聚合物q，下相富含聚合物p。點(diǎn)A代表系統(tǒng)的總

12、組成，點(diǎn)B和C分別代表平衡的上相和下相，稱為節(jié)點(diǎn)。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(jì)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(duì)分布行為的影響最大，因此對(duì)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(duì)雙水相萃取具有指導(dǎo)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(gè)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(huì)導(dǎo)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(dá)到分離大分子的目的。4.4.2兩個(gè)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(huì)發(fā)生變化。在等電點(diǎn)為酸堿度的兩個(gè)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(cè)。在某些情況下，當(dāng)從細(xì)胞血清中提取蛋白質(zhì)時(shí)，蛋白質(zhì)分布在較高階段，而細(xì)胞或細(xì)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(xì)胞同時(shí)被去除。在