專利名稱：三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于溶劑萃取領域，特別涉及一種三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取設備。
背景技術：
液液萃取技術是以比較傳統(tǒng)的分離技術，廣泛地應用在石油化工、冶金環(huán)保、制藥及生化工程領域。然而，隨著工業(yè)技術的進步，分離技術要求越來越高，具體表現(xiàn)為分離物系越來越復雜，分離目標組分性質越來越相近，待分離組分含量越來越少。分離技術高標準的要求促進了萃取分離技術進步。近年來，一些新的萃取技術不斷涌現(xiàn)如膠團和反膠團萃取、雙水相萃取、膜萃取、濁點萃取及液-液-液三相萃取技術等。在這些萃取技術中，包含一個有機相和一個雙水相的液-液-液三相萃取技術是近年來提出和發(fā)展起來的，該技術應用到了青霉素發(fā)酵液、多組分模擬廢水、天然有效成分的提取等領域，取得了較好的分離效果。然而，現(xiàn)有的三相萃取設備如液-液-液三相臥式提升攪拌萃取裝置(CN02121210. 4) 和液-液-液三相萃取振動篩板塔(CN02106742. 2)都涉及到有機相和鹽水相及聚合物相的混合問題，有機溶劑在富集溶質的同時部分溶解在聚合物相和鹽水相中，造成有機萃取劑溶解損失和鹽水相二次污染。氣助溶劑萃取技術是利用氣泡表面吸附、氣泡液膜夾帶和氣相溶解等作用，把水相中的疏水有機物或者離子型物質傳遞到上層補集劑中；氣助溶劑萃取技術是從傳質模式上改變了萃取過程的操作方式，最大限度地減少了有機溶劑在水相中的溶解；為了充分利用氣助溶劑萃取的優(yōu)點，把液-液-液三相萃取技術和氣助溶劑萃取技術結合起來，近期提出了氣助三相萃取的概念，并將之應用到多組分廢水體系中，取得了較好的分離效果。一方面，傳統(tǒng)的氣助溶劑萃取操作中，往往只具有一個氣體分布器，且位于整個氣浮柱的底部，當開始進行氣浮時，首先要克服氣浮柱內液體的靜壓，如IOm高的水柱其底部表壓約為一個大氣壓，進氣系統(tǒng)壓力必須高于此壓力才能使氣體分布器正常布氣；根據氣體狀態(tài)方程PV = nRT，當環(huán)境溫度一定時，一定量氣體其壓力和體積成反比，如IOm高的水柱，在氣浮柱底部通入Im3氣體，這些氣體運動到氣浮柱頂部體積就會膨脹為2m3，且氣泡在運動過程中氣泡的體積是邊上升邊膨脹；另一方面，在氣助三相萃取過程中，中間相因為是聚合物相，粘度大，分散性不好，而且有機溶劑和聚合物相之間密度差較大；因此，有機溶劑相和聚合物相之間的傳質速率往往成為整個氣助三相萃取過程中的控制因素。如何強化有機相和聚合物相之間的傳質速率已經成為氣助三相萃取技術推向工業(yè)應用的瓶頸問題?；谝陨蟽蓚€方面的考慮，同時又保留氣助三相萃取的優(yōu)勢，需要開發(fā)一種新型的液-液-液氣助三相萃取設備。本發(fā)明開發(fā)的三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)設備是針對上述問題而開發(fā)出的新型的三相傳質設備，不僅能夠實現(xiàn)連續(xù)化生產，保證在高氣速下三相體系的穩(wěn)定性，而且在分段鼓氣的情況下節(jié)省氣體用量，同時完全混合型的上中相氣助傳質模式的設計巧妙地解決了聚合物相與有機溶劑相之間傳質慢的問題。因此，可以考慮采用多段鼓氣的方法，一方面在氣浮柱底部鼓氣，一方面在氣浮柱中間的相界面處鼓氣，這樣通過調節(jié)氣體流量可以在達到同樣傳質效果的情況下節(jié)省氣體用量。為此， 開發(fā)出一種多段鼓氣氣助三相萃取設備從經濟上考慮是合理的。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于提供一種三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取設備，其涉及三種不同密度的液相及一種氣體的傳質過程，集成了液-液-液三相萃取和氣助溶劑萃取的優(yōu)點，同時克服了在高氣速下操作三相不穩(wěn)定及上中相傳質慢的問題，可實現(xiàn)高氣速下連續(xù)萃取過程。特別適用于多組分復雜體系中多目標組分的富集與分離，如生物發(fā)酵體系、多金屬體系、多組分廢水體系及天然產物萃取體系等。為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術方案如下本發(fā)明提供的三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取裝置，其特征在于， 其由下相氣助傳質組件、上中相完全混合組件和上中相澄清組件組成；所述下相氣助傳質組件包括一管狀氣浮柱11 ；所述管狀氣浮柱11底部裝有第一氣體分布器12，所述第一氣體分布器12底端與第一氣體進口管13相連通；位于所述第一氣體分布器12上方的管狀氣浮柱11上部管壁上和下部管壁上分別設有鹽水相進口管15和鹽水相出口管14 ；所述管狀氣浮柱11的另一側管壁上自上而下分別開有第一取樣孔3、第二取樣孔4和第三取樣孔5 ；所述上中相完全混合組件包括一與所述管狀氣浮柱11上端相連通的管狀上中相完全混合室23 ；所述管狀上中相完全混合室23底部裝有水平放置的分布板10，該分布板10上置有填料層9 ；在上中相完全混合室23內所述填料層9的上方設有第二氣體分布器19，所述第二氣體分布器19底端與第二氣體進口管8相連通；所述管狀上中相完全混合室23的上部室壁和下部室壁上分別設有與外界相通的聚合物相進口管6和有機溶劑進口管7 ；在所述管狀上中相完全混合室 23的聚合物相進口管6和有機溶劑進口管對應的另一側室壁的上部和下部分別開有上相回流孔18和中相回流孔16 ；在所述上相回流孔18和中相回流孔16內側分別設有彎曲型上擋板17和彎曲型下?lián)醢?17 ；所述上中相澄清組件包括將所述管狀上中相完全混合室23包圍其中的環(huán)狀杯形上中相分相室22，所述環(huán)狀杯形上中相分相室22的上部室壁和下部室壁上分別設有有機溶劑出口管21和聚合物相出口管20，同時在所述環(huán)狀杯形上中相分相室22的另一側室壁的上部和下部分別設有第四取樣口 1和第五取樣口 2。所述管狀上中相完全混合室23底部的填料層9為玻璃球狀或者彈簧狀填料層，其
厚度可調。所述第一氣體分布器12的規(guī)格為Gl G4。所述第二氣體分布器19的規(guī)格為 Gl G4。本發(fā)明的三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取裝置具有以下特點1、設備運行時，可以實現(xiàn)連續(xù)操作，有機溶劑相、聚合物相及鹽水相相比可以通過調節(jié)進料和出料速率加以控制，并可以調節(jié)各相在氣浮柱內的停留時間；2、可以分段鼓氣，分段控制各進氣口的氣體流量，更重要的是能節(jié)省總的用氣
4量；3、可以在高氣速下連續(xù)運行，并能保持液-液-液三相體系的穩(wěn)定性，有效地減少了有機溶劑在鹽水相中的溶解損失和因此對水相的二次污染。4、上相和中相在管狀上中相完全混合室23內在第二次鼓氣的氣泡作用下為全混流操作，溢流到上中相環(huán)狀分相區(qū)時重新分相，大大加快了有機溶劑和聚合物相之間的傳質速率；5、在管狀上中相完全混合室23和環(huán)狀杯形上中相分相室22之間的器壁上下兩側分別開有上相回流管和中相回流管，可以使有機溶劑和聚合物相回流重新進入管狀上中相完全混合室23，進行環(huán)流循環(huán)傳質；6、在上相回流管和中相回流管靠近管狀上中相完全混合室23的一側分別設有彎曲型上擋板17和彎曲型下?lián)醢?17，可防止上升氣泡進入上中相環(huán)狀分相室干擾分相；7、帶孔分布板10上的填料層9的填料規(guī)格與尺寸均可調節(jié)，且填料具有阻止中相向下相返混的作用；8、環(huán)狀杯形上中相完全分相室22上緣設有擴大段，對液流具有一定的緩沖作用；


圖1為本發(fā)明的三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取裝置的結構示意圖。
具體實施例方式圖1為本發(fā)明的三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取裝置的結構示意圖，由圖可知，本發(fā)明提供的三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取裝置，其特征在于，其由下相氣助傳質組件、上中相完全混合組件和上中相澄清組件組成；所述下相氣助傳質組件包括一管狀氣浮柱11 ；所述管狀氣浮柱11底部裝有第一氣體分布器12，所述第一氣體分布器12底端與第一氣體進口管13相連通；位于所述第一氣體分布器12上方的管狀氣浮柱11上部管壁上和下部管壁上分別設有鹽水相進口管15和鹽水相出口管14 ；所述管狀氣浮柱11的另一側管壁上自上而下分別開有第一取樣孔3、第二取樣孔4和第三取樣孔5 ；所述上中相完全混合組件包括一與所述管狀氣浮柱11上端相連通的管狀上中相完全混合室23 ；所述管狀上中相完全混合室23底部裝有水平放置的分布板10，該分布板10上置有填料層9 ；在上中相完全混合室23內所述填料層9的上方設有第二氣體分布器19，所述第二氣體分布器19底端與第二氣體進口管8相連通；所述管狀上中相完全混合室23的上部室壁和下部室壁上分別設有與外界相通的聚合物相進口管6和有機溶劑進口管7 ；在所述管狀上中相完全混合室 23的聚合物相進口管6和有機溶劑進口管對應的另一側室壁的上部和下部分別開有上相回流孔18和中相回流孔16 ；在所述上相回流孔18和中相回流孔16內側分別設有彎曲型上擋板17和彎曲型下?lián)醢?17 ；所述上中相澄清組件包括將所述管狀上中相完全混合室23包圍其中的環(huán)狀杯形上中相分相室22，所述環(huán)狀杯形上中相分相室22的上部室壁和下部室壁上分別設有有機溶劑出口管21和聚合物相出口管20，同時在所述環(huán)狀杯形上中相分相室22的另一側室壁的上部和下部分別設有第四取樣口 1和第五取樣口 2。所述管狀上中相完全混合室23底部的填料層9為玻璃球狀或者彈簧狀填料層，其
厚度可調。所述第一氣體分布器12的規(guī)格為Gl G4。所述第二氣體分布器19的規(guī)格為 Gl G4?，F(xiàn)以氣助三相萃取鄰硝基酚和對硝基酚模擬廢水為例，各相的流動情況分別是 重相為含硫酸銨、鄰硝基酚和對硝基酚的水溶液，中相為50wt%的聚乙二醇水溶液，上相為正己烷，氣體為氮氣；在氣助三相溶劑萃取鄰硝基酚和對硝基酚的過程中，各相的流動情況為含溶質的鹽水相從鹽水相進口進入氣浮柱，與自第一氣體分布器12來的氣體逆流接觸，溶質被氣泡所攜帶進入管狀上中相完全混合室23，而被萃取后的的鹽水相從管狀氣浮柱11自上而下流動最后經鹽水相出口管14流出氣浮柱；同時氣泡攜帶溶質進入管狀上中相完全混合室23，在下部穿過帶孔玻璃板(分布板10)經填料層9時部分氣泡聚并為大氣泡，同時把溶質傳遞給己烷和聚乙二醇的混合液， 經第二氣體分布器19出來的氣體與自第一氣體分布器12出來的氣體共同作用驅動己烷相和聚乙二醇相的混合傳質，最后釋放了大部分溶質的氣泡在管狀上中相完全混合室23的頂部破裂進入大氣，同時把小部分溶質帶入空氣中；己烷相的流動情況己烷經有機溶劑進口管7進入管狀上中相完全混合室23，在第二次分段鼓氣的作用下，與來自聚合物相進口管6的聚乙二醇水溶液完全混合，造成較理想的混合并能加快傳質；而后兩相經管狀上中相完全混合室23的上沿溢流進入環(huán)狀杯形上中相分相室22，此時，己烷和聚乙二醇水溶液在此環(huán)狀分相室中開始分相，分相后部分己烷經上相回流孔流回管狀上中相完全混合室23，部分己烷相經有機溶劑出口管21流出設備；聚乙二醇水溶液的流動狀況聚乙二醇水溶液經聚合物相進口管6注入管狀上中相完全混合室23，在第二段鼓氣作用下，自上而下與逆流而來的己烷相形成了較為理想的混合，加強了傳質，而后混合相經管狀上中相完全混合室23的上沿溢流進入環(huán)狀杯形上中相分相室22，此時，己烷和聚乙二醇水溶液在此環(huán)狀杯形上中相分相室22中開始分相，分相后部分聚乙二醇水溶液經中相回流孔流回管狀上中相完全混合室23，部分聚乙二醇水溶液經聚合物相出口管20流出設備； 在上述過程中，第一氣體分布器12和第二氣體分布器19分別進行通氣，通氣速率二者均可以調節(jié)；第二氣體分布器19鼓氣時，造成了上中相較為理想的混合，提高了傳質效果?，F(xiàn)以氣助三相萃取鄰硝基酚和對硝基酚模擬廢水為例，各相的流動情況分別是 重相為含硫酸銨、鄰硝基酚和對硝基酚的水溶液，中相為50wt%的聚乙二醇水溶液，上相為正己烷，氣體為氮氣；在氣助三相溶劑萃取鄰硝基酚和對硝基酚的過程中，各相的流動情況為含溶質的鹽水相從鹽水相進口進入氣浮柱，與自第一氣體分布器12來的氣體逆流接觸，溶質被氣泡所攜帶進入管狀上中相完全混合室23，而被萃取后的的鹽水相從管狀氣浮柱11自上而下流動最后經鹽水相出口管14流出氣浮柱；同時氣泡攜帶溶質進入管狀上中相完全混合室23，在下部穿過帶孔玻璃板(分布板10)經填料層9時部分氣泡聚并為大氣泡，同時把溶質傳遞給己烷和聚乙二醇的混合液， 經第二氣體分布器19出來的氣體與自第一氣體分布器12出來的氣體共同作用驅動己烷相和聚乙二醇相的混合傳質，最后釋放了大部分溶質的氣泡在管狀上中相完全混合室23的頂部破裂進入大氣，同時把小部分溶質帶入空氣中；己烷相的流動情況己烷經有機溶劑進口管7進入管狀上中相完全混合室23，在第二次分段鼓氣的作用下，與來自聚合物相進口管6的聚乙二醇水溶液完全混合，造成較理想的混合并能加快傳質；而后兩相經管狀上中相完全混合室23的上沿溢流進入環(huán)狀杯形上中相分相室22，此時，己烷和聚乙二醇水溶液在此環(huán)狀分相室中開始分相，分相后部分己烷經上相回流孔流回管狀上中相完全混合室23，部分己烷相經有機溶劑出口管21流出設備；聚乙二醇水溶液的流動狀況聚乙二醇水溶液經聚合物相進口管6注入管狀上中相完全混合室23，在第二段鼓氣作用下，自上而下與逆流而來的己烷相形成了較為理想的混合，加強了傳質，而后混合相經管狀上中相完全混合室23的上沿溢流進入環(huán)狀杯形上中相分相室22，此時，己烷和聚乙二醇水溶液在此環(huán)狀杯形上中相分相室22中開始分相，分相后部分聚乙二醇水溶液經中相回流孔流回管狀上中相完全混合室23，部分聚乙二醇水溶液經聚合物相出口管20流出設備；在上述過程中，第一氣體分布器12和第二氣體分布器19分別進行通氣，通氣速率二者均可以調節(jié)；第二氣體分布器19鼓氣時，造成了上中相較為理想的混合，提高了傳質效果。使用本發(fā)明的三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取裝置，對包含鄰硝基酚和對硝基酚同分異構體的多組分模擬廢水體系進行了氣浮三相萃取時，上下氣體分布器均采用G4規(guī)格的，氣浮柱內徑為38mm，管狀上中相環(huán)狀分相室23內徑55mm管狀氣浮柱11 總長45cm，其中從下部第一氣體分布器12至帶孔分布板10之間長度為25cm ；在鹽水相料液中，成相鹽為硫酸銨，質量濃度為300g/L (質量分數為25. ，聚合物相采用50wt. % 聚乙二醇的水溶液，有機相為正己烷；鄰硝基酚和對硝基酚在鹽水溶液中的濃度為IOOmg/ L左右；根據現(xiàn)有的工藝條件調節(jié)pH為4，有機溶劑、聚合物水溶液和鹽水溶液的比例優(yōu)選為1 1 10，上下氣體的流量分別為30ml/min和40ml/min。帶孔分布板10上的填料層可選用玻璃珠，規(guī)格為直徑3_4mm。首先通過鹽水相進口管向管狀氣浮柱11注入鹽水相至帶孔分布板10附近形成鹽水相沈，暫停進料；然后通過聚合物相進口管6向管狀氣浮柱11注入聚乙二醇水溶液至指定液面形成聚合物相25，暫停進料；再通過有機相進口管7向管狀氣浮柱11注入己烷至指定液面形成有機溶劑相對，暫停進料；此時打開氣瓶，調節(jié)上部轉子流量計至30ml/min，下部轉子流量計至40ml/min ；打開鹽水相進口管15以20ml/min的速率注入富含溶質的鹽水相，聚合物相和有機溶劑相以anl/min的流量進行三相連續(xù)逆流萃取，穩(wěn)定60分鐘后，取樣分析，發(fā)現(xiàn)鹽水相、聚乙二醇相和正己烷相的溶質濃度保持不變，三相溶劑多段鼓氣可控返混氣助連續(xù)萃取達到穩(wěn)定操作狀態(tài)；通氣前取水相分析其中兩種酚的濃度，在通氣10min、30min、60min、90min、120min
后分別取三個液相做成分分析，計算出傳質分配情況結果表明在氣浮60分鐘后鹽水相溶質濃度已經基本保持不變，鄰硝基酚和對硝基酚的去除率均達到了 80%以上，且中相對硝基酚的富集率達到了 81%，上相鄰硝基酚的富集率達到了 70%，120min后，鄰硝基酚在上相富集率達到了 80%，兩種酚取得了比較好的分離效果。
權利要求
1.一種三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取裝置，其特征在于，其由下相氣助傳質組件、上中相完全混合組件和上中相澄清組件組成；所述下相氣助傳質組件包括一管狀氣浮柱(11)；所述管狀氣浮柱(11)底部裝有第一氣體分布器(12)，所述第一氣體分布器(1 底端與第一氣體進口管(1 相連通；位于所述第一氣體分布器(1 上方的管狀氣浮柱(11)上部管壁上和下部管壁上分別設有鹽水相進口管(1 和鹽水相出口管 (14)；所述管狀氣浮柱(11)的另一側管壁上自上而下分別開有第一取樣孔(3)、第二取樣孔⑷和第三取樣孔(5)；所述上中相完全混合組件包括一與所述管狀氣浮柱(11)上端相連通的管狀上中相完全混合室；所述管狀上中相完全混合室底部裝有水平放置的分布板(10)，該分布板(10)上置有填料層(9)；在上中相完全混合室內所述填料層(9)的上方設有第二氣體分布器(19)，所述第二氣體分布器(19)底端與第二氣體進口管(8)相連通；所述管狀上中相完全混合室的上部室壁和下部室壁上分別設有與外界相通的聚合物相進口管(6)和有機溶劑進口管(7)；在所述管狀上中相完全混合室的聚合物相進口管(6)和有機溶劑進口管(7)對應的另一側室壁的上部和下部分別開有上相回流孔(18)和中相回流孔(16)；在所述上相回流孔 (18)和中相回流孔(16)內側分別設有彎曲型上擋板(17)和彎曲型下?lián)醢?117)；所述上中相澄清組件包括將所述管狀上中相完全混合室包圍其中的環(huán)狀杯形上中相分相室(22)，所述環(huán)狀杯形上中相分相室0 的上部室壁和下部室壁上分別設有有機溶劑出口管和聚合物相出口管(20)，同時在所述環(huán)狀杯形上中相分相室0 的另一側室壁的上部和下部分別設有第四取樣口 1和第五取樣口 O)。
2.按權利要求1所述的三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取裝置，其特征在于，所述的管狀上中相完全混合室底部的填料層(9)為玻璃球狀或者彈簧狀填料層。
3.按權利要求1所述的三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取裝置，其特征在于，所述第一氣體分布器(1 的規(guī)格為Gl G4。
4.按權利要求1所述的三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取裝置，其特征在于，所述第二氣體分布器(19)的規(guī)格為Gl G4。
全文摘要
一種三相溶劑氣助萃取分段進氣可控返混連續(xù)萃取裝置，其由下相氣助傳質組件、上中相完全混合組件和上中相澄清組件組成；采用分段鼓氣和上中相完全混合，下相氣助傳質室底部和上中相完全混合室底部分別設氣體分布器分段進氣，進氣流量分段控制；下相氣助傳質室分別設鹽水相進口和出口；在上中相完全混合室設有機溶劑入口和聚合物相入口，上中相完全混合室底部設其上置填料層的分布板，上中相完全混合室一側的上下各開一回流孔，回流孔內側分別設彎曲型擋板；上中相環(huán)狀分相室設有機溶劑出口和聚合物相出口；該裝置結合三相萃取和氣助溶劑萃取優(yōu)勢，防止鹽水相與有機溶劑完全混合，節(jié)省用氣量，促進上相和中間相傳質速率，特別適于多組分分級提純。
文檔編號B01D11/04GK102233199SQ201010164868
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權日2010年4月30日
發(fā)明者于品華, 劉會洲, 趙君梅, 黃昆 申請人:中國科學院過程工程研究所