Overview
资料来源: 凯瑞先生和迈克尔 g. 本顿, 路易斯安那州立大学化学工程系, 巴吞鲁日, LA
液-液萃取 (LLE) 是一种分离技术, 用于代替蒸馏: (a) 所分离的化合物的相对挥发性非常相似;(b) 一个或多个混合组分的温度敏感度甚至接近环境条件;(c) 蒸馏需要非常低的压力或极高的馏分/饲料比。1传质的推动力是一种物质 (溶质) 在其他两种混溶或部分混溶流中溶解度的差异 (馈源和溶剂)。饲料和溶剂流混合, 然后分离, 使溶质从饲料转移到溶剂。通常情况下, 这一过程是重复使用逆流流的连续阶段。溶质丰富的溶剂被称为提取物, 当它离开时, 溶质耗尽的饲料是余。当饲料和溶剂流之间存在合理的密度差时, 可以使用垂直柱来完成萃取, 但在其他情况下可使用一系列混合和沉淀罐。
在这个实验中, 操作目标是提取异丙醇 (国际音标, 〜 10-15 重量%, 溶质) 从混合物的 c8到-c10碳氢化合物使用纯净水作为溶剂。约克-Scheibel 类型 (垂直混合器和 coalescers, 每个物理阶段的一个) 提取专栏是可利用的。和大多数提取物一样, 这一列的整体效率 (数理论阶段/物理阶段) 很低, 特别是与许多蒸馏塔相比。低效率从两个缓慢的质量调动升起 (二液体抵抗而不是一个作为在蒸馏) 和经常也从阶段的不。评价了搅拌速度对萃取液中溶质回收率和总柱效率的影响。
Principles
无论是 a) 麦凯布-蒂勒方法, 或 b) 过程模拟器 (例如, 阿斯彭加, HYSYS, ChemSep) 可用于估计平衡 (理论) 阶段的数量。麦凯布-蒂勒法是在无溶剂的基础上使用的, 这意味着溶剂在萃取物和稀释剂化合物中的溶解度都被忽略了余。反流液-液萃取的舞台表示, 如图1所示, 其中 F 是进料的摩尔流速 (近似常数), S 是萃取物的摩尔流速 (近似常数), XF是摩尔分数在饲料中的溶质, ys是溶剂中溶质的摩尔分数, ye是萃取液中溶剂中的摩尔分数, 而 Xr是余流稀释剂中溶质的摩尔分数。
图 1: 提取过程的舞台表示。
在稳定状态下, 在柱的进料端和任何阶段 (上面的虚线轮廓) 之间的溶质之间的物质平衡导致操作线:
(1)
特别地, 等式在专栏的两端是满意的, 因此点 (xf, ye) 和 (xr, ys) 位于线。附录中的平衡数据可以与这个等式 (图形或数字) 结合使用, 以逐句通过该列。
过程模拟器可以进行更严格的阶段到阶段计算, 但仍假设平衡阶段。无论是 NRTL 还是 UNIQUAC 方法 (在附录中的两组参数) 都可以用来对平衡关系进行建模。请注意, 模拟器的最大优点是, 它们确实告诉你在萃取液中有多少溶剂, 以及余中有多少稀释剂。它们也可以给出绝热柱的出口温度, 或保持柱子等温所需的热负荷。
一个约克-Scheibel设备如图2所示。饲料可以在底部 (11 个阶段) 或中间的列 (6 阶段) 引入。
图 2: 约克-Scheibel 液-液萃取装置。
提取单元由 2 "身份 Pyrex 柱, 11 萃取阶段组成, 每一个一英寸的混合部分和一个四英寸的丝网包装 (凝聚) 部分。该柱是机械搅拌蹼型 (拉什顿涡轮) 搅拌器。在控制面板上有一个控制旋钮和数字读数的变速马达控制搅拌器的速度。流量计在饲料和溶剂入口被使用测量那些流速。提取物和余的流速可以用刻度筒和秒表测量。
下面的方程式将流量计读数与容积流速 (流量也可以通过一个渐变的气缸检查):
(2)
(3)
其中 ff是进给流量 (~ 10 重量%) 在毫升/分钟, Rf是饲料流量计读数, Fs是溶剂流量在毫升/分钟, 牡丹s是溶剂流量计阅读。
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Procedure
在这个实验中, n-壬的性质是一个很好的近似的碳氢化合物混合物的平衡数据目的。三元体系水/异丙醇/n-壬展品类型 I 平衡行为 (有一定的成分范围, 相分裂将不会发生) 在室温。该系统的平衡数据可在附录中找到。
1. 操作约克-Scheibel 专栏
- 用碳氢化合物混合物/投资促进剂饲料 (如有必要) 填充萃取器, 并从饲料线排出空气。关闭进纸流。
- 启动搅拌机, 保持搅拌器转速恒定。
- 打开溶剂、饲料、萃取物和余球阀;并开始流动的溶剂 (水) 进入列。
- 如果溶剂入口和余出口之间没有接口, 则让分散相上升并形成上层界面。
- 当上层接口形成时, (重新) 启动进料流。
- 通过从塔底的提取线上调整倒 U 的高度来控制界面水平。上层接口电平调整 (倒 U) 是敏感的。一英寸的一小部分的运动往往是足够的。
- 用气相色谱法定期检查余流的稳态状态。气体 chromotagraph 将分离和量化样品中的组分。
- 使用比重来测量萃取液流的比重并确定其组成。(这也可以帮助确认已达到稳定状态。在佩里的手册中可以找到萃取液的组成与比重表。3此数据可用于对国际音标的权重进行插值。
- 使用比重来测量饲料和余的比重, 以便在随后的计算中使用。
2. 关机程序
- 一旦实验完成, 关闭搅拌器和主电源开关。
- 关闭饲料和溶剂球阀, 离开余和提取球阀打开。
液-液萃取, 或 LLE, 是一种技术, 用于分离的液体, 不能与蒸馏分离, 由于温度敏感的成分或类似的溶剂沸点。LLE 的传质是由溶质在不互溶或部分互溶的饲料和溶剂流中的溶解度差所驱动的。含有该溶质的进料流与溶剂流混合, 通常使用搅拌器, 使溶质从饲料转移到溶剂。被称为余的贫化饲料与萃取物分离, 即溶质富溶剂相。本视频将说明从 n-壬中提取异丙醇, 使用纯净水, 研究操作变量如何影响整体柱效率。
LLE 通常在连续的阶段使用共电流或逆流流来执行。逆电流系统通常是首选, 因为它们往往更有效率。通常, 这些阶段被安置在一个单一的单位内。可以通过两种方式设置计数器当前提取列。当溶剂比进料液或稀释剂重时, 在柱顶部引入溶剂, 然后溶质在底部出口。当溶剂比稀释剂轻时, 在柱底部引入溶剂, 溶质会在顶部的柱上退出。在稳态状态下, 过程的进给端和 N 所示的任何阶段之间的溶质的物质平衡是如图所显示的。其中 X 是稀释剂中溶质的摩尔分数, Y 是溶质对溶剂的摩尔分数。F 是饲料稀释剂的摩尔流率, S 是溶剂的摩尔流率。用理论板分析法对分离过程的效率进行了评价。这些板块是假设阶段, 两个阶段是相互平衡的。如果两种液体在一个阶段处于平衡状态, 这意味着在给定较长的混合时间内不会发生任何浓度的变化, 则该阶段被认为是一个理论板块。理论板数越高, 过程越有效。操作变量, 如温度, 压力, 流速和搅拌器速度影响效率, 因此理论板分析。下面的实验将研究一个 LLE 的过程, 以水为溶剂从 n-壬中提取异丙醇。该系统含有三液体, 称为三元体系。通常, 所有三液体组分在某种程度上混溶。这些和其他溶剂的平衡行为可以在文献中找到。现在, LLE 的基础知识和它的操作已经解释了, 让我们来看看一个分离过程。
这项实验将使用约克-Scheibel 柱。这是一个搅拌柱与内部桨轮叶轮, 连接到一个垂直驱动器。每个级别都包含金属丝网包装, 以实现相分离, 并由分区分隔以提供各个阶段。首先使用控制面板上的控制旋钮和数字读数来控制搅拌器的速度。使用流量计在饲料和溶剂入口测量饲料和溶剂的流速。使用分级气缸和手表来测量提取物和余的流速。现在启动搅拌机和保持搅拌器转速恒定在 300 rpm。打开球阀的溶剂, 饲料, 提取和余。开始水流到柱子上, 以每分钟200毫升的速度获得所需的溶剂-给料摩尔比。观察溶剂入口与余出口之间是否存在接口, 如果没有, 则让分散相上升形成上层界面。当上层接口形成时, 启动进料流。仔细调整从塔的底部的提取线上倒置 U 的高度, 以控制两个阶段之间的上层接口的水平。这就保证了余相不会流入提取槽, 如果调整太低, 或提取物没有流入余坦克, 如果接口设置得太高。
收集样品每10分钟在余样品点在四毫升瓶。使用气相色谱, 或 GC, 以量化的组成部分, 并确认已达到稳定状态。接下来, 使用一个干净的毕业气缸, 收集250毫升的提取物在取样点, 然后测量的比重或相对密度的样品, 以水, 使用比重。使用所提供的表在样品中插入异丙醇的重量, 显示萃取液的成分与比重。重复两次较低的饲料价格的过程。确保保持溶剂进给比和搅拌器转速恒定。完成后, 关闭搅拌器和主电源开关, 关闭进料和溶剂球阀, 使余和抽出球阀打开。现在让我们来评估一下结果。
首先, 让我们来看看在不同的饲料流量和不同的搅拌率的异丙醇的百分之回收。随着饲料流量的增加, 百分之回收率增加, 水平也有所提高。这是一个不接近水淹的系统的典型。增加的鼓动率也增加了百分之恢复。通过计算机模拟的理论板分析计算阶段效率, 也受这些参数的影响。正如预期的那样, 阶段效率和百分之回收率都随着流速和搅动率的提高而增加。这是由于改进的混合, 导致小滴和改善分散, 从而改善质量转移, 然而, 两个关系高原以更高的饲料率。效率和百分之恢复水平, 并最终减少, 由于乳化和水淹。乳液的形成会对恢复和效率产生负面影响, 因为这些阶段不能再干净地分开, 以便向上或向下移动到下一阶段。这可能是一个问题的系统, 如约克-Scheibel 单位, 使搅拌机和定居船舶系列的一个诱人的选择。
液-液萃取是一种分离技术, 适用于多种不同的分色, 可用于各种设置。在阶段乳化是一个挑战的情况下, 混合器的定居者坦克串联可以使用。这个简单的设置利用一个坦克的两个阶段是混合的搅拌器。两个阶段然后联合在移居者坦克, 重的阶段最后安定到底部并且通过出口在坦克的底部被去除。轻的阶段落户到顶部, 并通过另一个插座删除。另一种利用溶质溶解度特性的分离技术是固液萃取。在固液萃取中, 固体基质中的溶质通过剧烈的混合提取到液体中。这种技术被广泛用于许多应用, 如清除土壤中的除草剂阿特拉津等毒素。
你刚才看了朱庇特的液体萃取液的介绍。现在, 您应该了解使用约克-Scheibel 列的 LLE 提取的基本知识, 以及流程变量 (如搅拌器和流速) 如何影响柱的溶质回收和效率。谢谢收看
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Results
图3和4显示的结果时, 搅拌和饲料流动率在很大范围内变化。在渐近前, 整体效率和采收率均有所增加, 这是液体-液体萃取剂的典型特征。在近水淹条件下, 总的效率和回收率预计将急剧下降。请注意, 与蒸馏不同, 水驱可在高溶剂或高进料率 (或比) 的液-液萃取过程中进行。1在本实验中, 较轻的有机相也是分散的 (液滴) 相, 因此在高进料率下, 在水淹之前, 水滴会聚结, 从而降低传质率, 从而降低回收率,效率.在高溶剂率下, 液滴应该保持较小, 因此, 在接近水淹点之前, 它的回收率和效率仍然很高。
图 3: 从碳氢化合物混合物向水中回收的百分比, 为约克-Scheibel 柱, 11 阶段, 16-18 摩尔在 Isopar E (饲料), S/F (摩尔) = 1.5.
图 4:使用约克-Scheibel 柱、11阶段、16-18 摩尔的烃类混合物 (饲料)、S/F (摩尔) = 1.5 中的投资促进机构提取的总阶段效率百分比
从图3和4中可看出, 提高搅拌速度既提高了回收率, 也增加了整体效率。这是因为随着功率的增加, 分散相的液滴越小, 对搅拌器速度的依赖性就越大。4在质量转移相关和基本质量通量方程中出现的 "a" 参数 (界面面积/总体积) 可以写成如下所示的均匀尺寸球形水滴:
a = 6 ε/d (4)
其中ε是分散相的体积分数。虽然ε可以增加与一个阶段的表面速度的增加, 它的变化通常比直径的变动在速度方面不明显。所以 (通常) 速度越快, 界面面积越大, 导致传质更快。
上述讨论的例外是在非常高的速度, 没有到达在无花果. 3 和 4, 两个阶段是如此好-混合, 如果他们之间的界面张力低, 乳化将发生。乳液的形成对恢复和效率产生了消极的影响, 因为这些阶段不能再完全分离, 不能向上或向下移动到下一个物理阶段。乳化是许多液液萃取中的一个问题, 在这种情况下, 一系列的搅拌机和沉降器系列的容器往往更倾向于柱型设计, 如筛盘或约克-Scheibel 装置。
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Applications and Summary
液-液萃取 (LLE) 是一种替代蒸馏依赖于溶剂-饲料溶 (或轻微的相容性) 和有利的溶质分配系数, 以获得高溶质回收率在一个溶剂相低的溶剂/饲料比实用。虽然流动的范围 ("夜床") 在哪些 LLE 将是有效的通常是有限的, 并且, 当阶段效率是低的, 当阶段平衡没有达到时, 某些混合物不可能用其他方法分离在连续逆流过程。对这种萃取机平衡操作的数学分析遵循了熟悉的麦凯布蒂勒型程序 (尽管回流经常是缺乏的, 所以只有一个操作线)。非平衡 ("率") 分析的 LLEs 是复杂的, 很大程度上取决于相对速度两个阶段 ("滑动速度"), 气泡大小, 和分散的相分数, 所有这些都可以观察, 但很难预测。
为了完美地描述一个典型的 LLE 的水力学和传质, 目前已经超出了即使是最精密的过程模拟器的能力。因此, 工业单元的设计仍然依赖于试点工厂型机组的规模, 如本试验所测试的那样。通常情况下, 工程师试图复制关键描述符, 如 "a" 参数, 溶剂/饲料比, 总搅拌器功率输入/体积, 饲料的位置和物理阶段的数量, 以保持阶段的效率和恢复恒定在规模。即使如此, 规模扩大是一个不精确的科学, 和杂质, 改变了界面张力, 可以极大地影响实际系统的性能。持续的因素越多, 规模越大, 成功的可能性就越大。
有许多不同的 LLE 接触器: 一系列搅拌机-定居船只, 结构填料类似于那些用于吸收器和蒸馏柱, 筛子托盘柱, 旋转盘接触器 (类似于约克-Scheibel, 但与挡板, 而不是网格), Kuhni 接触器 (旋转盘和筛盘的组合), 和 Podbielniak 接触 ("荚"), 其中的流动是径向和离心力是用来加强液相分离。5
工业 LLE 的一个典型例子是用乙醚或乙酸乙酯从水中分离乙酸;6在乙酸浓度较低时优于蒸馏。可能最大的体积 LLE 过程是丙烷脱, 这是用于精炼润滑油在炼油厂在近超临界条件。1然而, 大多数应用在专业化学品和制药工业的生产中, 从发酵液中柠檬酸的提取到抗生素和蛋白质净化的纯化。1在这些情况下, 使用多种含氧有机溶剂或两相水体系 (一期主要是水和其他水溶性盐和聚合物)。对于后者, 一个典型的聚合物系统是聚 (乙二醇)/葡聚糖与氯化钠和 Na2, 所以4作为盐。应用包括红细胞分离和从酿酒酵母中提取 phophofructokinase 酶。7
附录–平衡数据8
在25° c 的摩尔百分比实验领带线
开尔文中的特定模型参数
| UNIQUAC | NRTL (a = 0.2) | ||||
| 我 | j | 活动 | aji | 活动 | aji |
| 1 | 2 | -186.05 | 104。6 | 814.26 | -468.11 |
| 1 | 3 | 361.91 | 621.82 | 3151 | 1367。4 |
| 2 | 3 | -126.43 | 311。7 | 581.79 | -25.91 |
R1 = 0.92 R2 = 2.7792 R3 = 6.523
Q1 = 1.4 Q2 = 2.508 Q3 = 5.476
| 摩尔% 计算与实验浓度的平均偏差 | |
| UNIQUAC (具体参数) | 1。4 |
| NRTL (具体参数) | 0.54 |
| UNIQUAC (默认参数) | 1.68 |
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References
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