专利名称：三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取装置的制作方法
技术领域：
本发明属于溶剂萃取领域，特别涉及一种三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取设备。
背景技术：
液液萃取技术是以比较传统的分离技术，广泛地应用在石油化工、冶金环保、制药及生化工程领域。然而，随着工业技术的进步，分离技术要求越来越高，具体表现为分离物系越来越复杂，分离目标组分性质越来越相近，待分离组分含量越来越少。分离技术高标准的要求促进了萃取分离技术进步。近年来，一些新的萃取技术不断涌现如胶团和反胶团萃取、双水相萃取、膜萃取、浊点萃取及液-液-液三相萃取技术等。在这些萃取技术中，包含一个有机相和一个双水相的液-液-液三相萃取技术是近年来提出和发展起来的，该技术应用到了青霉素发酵液、多组分模拟废水、天然有效成分的提取等领域，取得了较好的分离效果。然而，现有的三相萃取设备如液-液-液三相卧式提升搅拌萃取装置(CN02121210. 4) 和液-液-液三相萃取振动筛板塔(CN02106742. 2)都涉及到有机相和盐水相及聚合物相的混合问题，有机溶剂在富集溶质的同时部分溶解在聚合物相和盐水相中，造成有机萃取剂溶解损失和盐水相二次污染。气助溶剂萃取技术是利用气泡表面吸附、气泡液膜夹带和气相溶解等作用，把水相中的疏水有机物或者离子型物质传递到上层补集剂中；气助溶剂萃取技术是从传质模式上改变了萃取过程的操作方式，最大限度地减少了有机溶剂在水相中的溶解；为了充分利用气助溶剂萃取的优点，把液-液-液三相萃取技术和气助溶剂萃取技术结合起来，近期提出了气助三相萃取的概念，并将之应用到多组分废水体系中，取得了较好的分离效果。一方面，传统的气助溶剂萃取操作中，往往只具有一个气体分布器，且位于整个气浮柱的底部，当开始进行气浮时，首先要克服气浮柱内液体的静压，如IOm高的水柱其底部表压约为一个大气压，进气系统压力必须高于此压力才能使气体分布器正常布气；根据气体状态方程PV = nRT，当环境温度一定时，一定量气体其压力和体积成反比，如IOm高的水柱，在气浮柱底部通入Im3气体，这些气体运动到气浮柱顶部体积就会膨胀为2m3，且气泡在运动过程中气泡的体积是边上升边膨胀；另一方面，在气助三相萃取过程中，中间相因为是聚合物相，粘度大，分散性不好，而且有机溶剂和聚合物相之间密度差较大；因此，有机溶剂相和聚合物相之间的传质速率往往成为整个气助三相萃取过程中的控制因素。如何强化有机相和聚合物相之间的传质速率已经成为气助三相萃取技术推向工业应用的瓶颈问题。基于以上两个方面的考虑，同时又保留气助三相萃取的优势，需要开发一种新型的液-液-液气助三相萃取设备。本发明开发的三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续设备是针对上述问题而开发出的新型的三相传质设备，不仅能够实现连续化生产，保证在高气速下三相体系的稳定性，而且在分段鼓气的情况下节省气体用量，同时完全混合型的上中相气助传质模式的设计巧妙地解决了聚合物相与有机溶剂相之间传质慢的问题。因此，可以考虑采用多段鼓气的方法，一方面在气浮柱底部鼓气，一方面在气浮柱中间的相界面处鼓气，这样通过调节气体流量可以在达到同样传质效果的情况下节省气体用量。为此， 开发出一种多段鼓气气助三相萃取设备从经济上考虑是合理的。
发明内容
本发明目的在于提供一种三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取设备，其涉及三种不同密度的液相及一种气体的传质过程，集成了液-液-液三相萃取和气助溶剂萃取的优点，同时克服了在高气速下操作三相不稳定及上中相传质慢的问题，可实现高气速下连续萃取过程。特别适用于多组分复杂体系中多目标组分的富集与分离，如生物发酵体系、多金属体系、多组分废水体系及天然产物萃取体系等。为实现以上目的，本发明的技术方案如下本发明提供的三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取装置，其特征在于， 其由下相气助传质组件、上中相完全混合组件和上中相澄清组件组成；所述下相气助传质组件包括一管状气浮柱11 ；所述管状气浮柱11底部装有第一气体分布器12，所述第一气体分布器12底端与第一气体进口管13相连通；位于所述第一气体分布器12上方的管状气浮柱11上部管壁上和下部管壁上分别设有盐水相进口管15和盐水相出口管14 ；所述管状气浮柱11的另一侧管壁上自上而下分别开有第一取样孔3、第二取样孔4和第三取样孔5 ；所述上中相完全混合组件包括一与所述管状气浮柱11上端相连通的管状上中相完全混合室23 ；所述管状上中相完全混合室23底部装有水平放置的分布板10，该分布板10上置有填料层9 ；在上中相完全混合室23内所述填料层9的上方设有第二气体分布器19，所述第二气体分布器19底端与第二气体进口管8相连通；所述管状上中相完全混合室23的上部室壁和下部室壁上分别设有与外界相通的聚合物相进口管6和有机溶剂进口管7 ；在所述管状上中相完全混合室 23的聚合物相进口管6和有机溶剂进口管对应的另一侧室壁的上部和下部分别开有上相回流孔18和中相回流孔16 ；在所述上相回流孔18和中相回流孔16内侧分别设有弯曲型上挡板17和弯曲型下挡板117 ；所述上中相澄清组件包括将所述管状上中相完全混合室23包围其中的环状杯形上中相分相室22，所述环状杯形上中相分相室22的上部室壁和下部室壁上分别设有有机溶剂出口管21和聚合物相出口管20，同时在所述环状杯形上中相分相室22的另一侧室壁的上部和下部分别设有第四取样口 1和第五取样口 2。所述管状上中相完全混合室23底部的填料层9为玻璃球状或者弹簧状填料层，其
厚度可调。所述第一气体分布器12的规格为Gl G4。所述第二气体分布器19的规格为 Gl G4。本发明的三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取装置具有以下特点1、设备运行时，可以实现连续操作，有机溶剂相、聚合物相及盐水相相比可以通过调节进料和出料速率加以控制，并可以调节各相在气浮柱内的停留时间；2、可以分段鼓气，分段控制各进气口的气体流量，更重要的是能节省总的用气
4量；3、可以在高气速下连续运行，并能保持液-液-液三相体系的稳定性，有效地减少了有机溶剂在盐水相中的溶解损失和因此对水相的二次污染。4、上相和中相在管状上中相完全混合室23内在第二次鼓气的气泡作用下为全混流操作，溢流到上中相环状分相区时重新分相，大大加快了有机溶剂和聚合物相之间的传质速率；5、在管状上中相完全混合室23和环状杯形上中相分相室22之间的器壁上下两侧分别开有上相回流管和中相回流管，可以使有机溶剂和聚合物相回流重新进入管状上中相完全混合室23，进行环流循环传质；6、在上相回流管和中相回流管靠近管状上中相完全混合室23的一侧分别设有弯曲型上挡板17和弯曲型下挡板117，可防止上升气泡进入上中相环状分相室干扰分相；7、带孔分布板10上的填料层9的填料规格与尺寸均可调节，且填料具有阻止中相向下相返混的作用；8、环状杯形上中相完全分相室22上缘设有扩大段，对液流具有一定的缓冲作用；
图1为本发明的三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取装置的结构示意图。
具体实施例方式图1为本发明的三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取装置的结构示意图，由图可知，本发明提供的三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取装置，其特征在于，其由下相气助传质组件、上中相完全混合组件和上中相澄清组件组成；所述下相气助传质组件包括一管状气浮柱11 ；所述管状气浮柱11底部装有第一气体分布器12，所述第一气体分布器12底端与第一气体进口管13相连通；位于所述第一气体分布器12上方的管状气浮柱11上部管壁上和下部管壁上分别设有盐水相进口管15和盐水相出口管14 ；所述管状气浮柱11的另一侧管壁上自上而下分别开有第一取样孔3、第二取样孔4和第三取样孔5 ；所述上中相完全混合组件包括一与所述管状气浮柱11上端相连通的管状上中相完全混合室23 ；所述管状上中相完全混合室23底部装有水平放置的分布板10，该分布板10上置有填料层9 ；在上中相完全混合室23内所述填料层9的上方设有第二气体分布器19，所述第二气体分布器19底端与第二气体进口管8相连通；所述管状上中相完全混合室23的上部室壁和下部室壁上分别设有与外界相通的聚合物相进口管6和有机溶剂进口管7 ；在所述管状上中相完全混合室 23的聚合物相进口管6和有机溶剂进口管对应的另一侧室壁的上部和下部分别开有上相回流孔18和中相回流孔16 ；在所述上相回流孔18和中相回流孔16内侧分别设有弯曲型上挡板17和弯曲型下挡板117 ；所述上中相澄清组件包括将所述管状上中相完全混合室23包围其中的环状杯形上中相分相室22，所述环状杯形上中相分相室22的上部室壁和下部室壁上分别设有有机溶剂出口管21和聚合物相出口管20，同时在所述环状杯形上中相分相室22的另一侧室壁的上部和下部分别设有第四取样口 1和第五取样口 2。所述管状上中相完全混合室23底部的填料层9为玻璃球状或者弹簧状填料层，其
厚度可调。所述第一气体分布器12的规格为Gl G4。所述第二气体分布器19的规格为 Gl G4。现以气助三相萃取邻硝基酚和对硝基酚模拟废水为例，各相的流动情况分别是 重相为含硫酸铵、邻硝基酚和对硝基酚的水溶液，中相为50wt%的聚乙二醇水溶液，上相为正己烷，气体为氮气；在气助三相溶剂萃取邻硝基酚和对硝基酚的过程中，各相的流动情况为含溶质的盐水相从盐水相进口进入气浮柱，与自第一气体分布器12来的气体逆流接触，溶质被气泡所携带进入管状上中相完全混合室23，而被萃取后的的盐水相从管状气浮柱11自上而下流动最后经盐水相出口管14流出气浮柱；同时气泡携带溶质进入管状上中相完全混合室23，在下部穿过带孔玻璃板(分布板10)经填料层9时部分气泡聚并为大气泡，同时把溶质传递给己烷和聚乙二醇的混合液， 经第二气体分布器19出来的气体与自第一气体分布器12出来的气体共同作用驱动己烷相和聚乙二醇相的混合传质，最后释放了大部分溶质的气泡在管状上中相完全混合室23的顶部破裂进入大气，同时把小部分溶质带入空气中；己烷相的流动情况己烷经有机溶剂进口管7进入管状上中相完全混合室23，在第二次分段鼓气的作用下，与来自聚合物相进口管6的聚乙二醇水溶液完全混合，造成较理想的混合并能加快传质；而后两相经管状上中相完全混合室23的上沿溢流进入环状杯形上中相分相室22，此时，己烷和聚乙二醇水溶液在此环状分相室中开始分相，分相后部分己烷经上相回流孔流回管状上中相完全混合室23，部分己烷相经有机溶剂出口管21流出设备；聚乙二醇水溶液的流动状况聚乙二醇水溶液经聚合物相进口管6注入管状上中相完全混合室23，在第二段鼓气作用下，自上而下与逆流而来的己烷相形成了较为理想的混合，加强了传质，而后混合相经管状上中相完全混合室23的上沿溢流进入环状杯形上中相分相室22，此时，己烷和聚乙二醇水溶液在此环状杯形上中相分相室22中开始分相，分相后部分聚乙二醇水溶液经中相回流孔流回管状上中相完全混合室23，部分聚乙二醇水溶液经聚合物相出口管20流出设备； 在上述过程中，第一气体分布器12和第二气体分布器19分别进行通气，通气速率二者均可以调节；第二气体分布器19鼓气时，造成了上中相较为理想的混合，提高了传质效果。现以气助三相萃取邻硝基酚和对硝基酚模拟废水为例，各相的流动情况分别是 重相为含硫酸铵、邻硝基酚和对硝基酚的水溶液，中相为50wt%的聚乙二醇水溶液，上相为正己烷，气体为氮气；在气助三相溶剂萃取邻硝基酚和对硝基酚的过程中，各相的流动情况为含溶质的盐水相从盐水相进口进入气浮柱，与自第一气体分布器12来的气体逆流接触，溶质被气泡所携带进入管状上中相完全混合室23，而被萃取后的的盐水相从管状气浮柱11自上而下流动最后经盐水相出口管14流出气浮柱；同时气泡携带溶质进入管状上中相完全混合室23，在下部穿过带孔玻璃板(分布板10)经填料层9时部分气泡聚并为大气泡，同时把溶质传递给己烷和聚乙二醇的混合液， 经第二气体分布器19出来的气体与自第一气体分布器12出来的气体共同作用驱动己烷相和聚乙二醇相的混合传质，最后释放了大部分溶质的气泡在管状上中相完全混合室23的顶部破裂进入大气，同时把小部分溶质带入空气中；己烷相的流动情况己烷经有机溶剂进口管7进入管状上中相完全混合室23，在第二次分段鼓气的作用下，与来自聚合物相进口管6的聚乙二醇水溶液完全混合，造成较理想的混合并能加快传质；而后两相经管状上中相完全混合室23的上沿溢流进入环状杯形上中相分相室22，此时，己烷和聚乙二醇水溶液在此环状分相室中开始分相，分相后部分己烷经上相回流孔流回管状上中相完全混合室23，部分己烷相经有机溶剂出口管21流出设备；聚乙二醇水溶液的流动状况聚乙二醇水溶液经聚合物相进口管6注入管状上中相完全混合室23，在第二段鼓气作用下，自上而下与逆流而来的己烷相形成了较为理想的混合，加强了传质，而后混合相经管状上中相完全混合室23的上沿溢流进入环状杯形上中相分相室22，此时，己烷和聚乙二醇水溶液在此环状杯形上中相分相室22中开始分相，分相后部分聚乙二醇水溶液经中相回流孔流回管状上中相完全混合室23，部分聚乙二醇水溶液经聚合物相出口管20流出设备；在上述过程中，第一气体分布器12和第二气体分布器19分别进行通气，通气速率二者均可以调节；第二气体分布器19鼓气时，造成了上中相较为理想的混合，提高了传质效果。使用本发明的三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取装置，对包含邻硝基酚和对硝基酚同分异构体的多组分模拟废水体系进行了气浮三相萃取时，上下气体分布器均采用G4规格的，气浮柱内径为38mm，管状上中相环状分相室23内径55mm管状气浮柱11 总长45cm，其中从下部第一气体分布器12至带孔分布板10之间长度为25cm ；在盐水相料液中，成相盐为硫酸铵，质量浓度为300g/L (质量分数为25. ，聚合物相采用50wt. % 聚乙二醇的水溶液，有机相为正己烷；邻硝基酚和对硝基酚在盐水溶液中的浓度为IOOmg/ L左右；根据现有的工艺条件调节pH为4，有机溶剂、聚合物水溶液和盐水溶液的比例优选为1 1 10，上下气体的流量分别为30ml/min和40ml/min。带孔分布板10上的填料层可选用玻璃珠，规格为直径3_4mm。首先通过盐水相进口管向管状气浮柱11注入盐水相至带孔分布板10附近形成盐水相沈，暂停进料；然后通过聚合物相进口管6向管状气浮柱11注入聚乙二醇水溶液至指定液面形成聚合物相25，暂停进料；再通过有机相进口管7向管状气浮柱11注入己烷至指定液面形成有机溶剂相对，暂停进料；此时打开气瓶，调节上部转子流量计至30ml/min，下部转子流量计至40ml/min ；打开盐水相进口管15以20ml/min的速率注入富含溶质的盐水相，聚合物相和有机溶剂相以anl/min的流量进行三相连续逆流萃取，稳定60分钟后，取样分析，发现盐水相、聚乙二醇相和正己烷相的溶质浓度保持不变，三相溶剂多段鼓气可控返混气助连续萃取达到稳定操作状态；通气前取水相分析其中两种酚的浓度，在通气10min、30min、60min、90min、120min
后分别取三个液相做成分分析，计算出传质分配情况结果表明在气浮60分钟后盐水相溶质浓度已经基本保持不变，邻硝基酚和对硝基酚的去除率均达到了 80%以上，且中相对硝基酚的富集率达到了 81%，上相邻硝基酚的富集率达到了 70%，120min后，邻硝基酚在上相富集率达到了 80%，两种酚取得了比较好的分离效果。
权利要求
1.一种三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取装置，其特征在于，其由下相气助传质组件、上中相完全混合组件和上中相澄清组件组成；所述下相气助传质组件包括一管状气浮柱(11)；所述管状气浮柱(11)底部装有第一气体分布器(12)，所述第一气体分布器(1 底端与第一气体进口管(1 相连通；位于所述第一气体分布器(1 上方的管状气浮柱(11)上部管壁上和下部管壁上分别设有盐水相进口管(1 和盐水相出口管 (14)；所述管状气浮柱(11)的另一侧管壁上自上而下分别开有第一取样孔(3)、第二取样孔⑷和第三取样孔(5)；所述上中相完全混合组件包括一与所述管状气浮柱(11)上端相连通的管状上中相完全混合室；所述管状上中相完全混合室底部装有水平放置的分布板(10)，该分布板(10)上置有填料层(9)；在上中相完全混合室内所述填料层(9)的上方设有第二气体分布器(19)，所述第二气体分布器(19)底端与第二气体进口管(8)相连通；所述管状上中相完全混合室的上部室壁和下部室壁上分别设有与外界相通的聚合物相进口管(6)和有机溶剂进口管(7)；在所述管状上中相完全混合室的聚合物相进口管(6)和有机溶剂进口管(7)对应的另一侧室壁的上部和下部分别开有上相回流孔(18)和中相回流孔(16)；在所述上相回流孔 (18)和中相回流孔(16)内侧分别设有弯曲型上挡板(17)和弯曲型下挡板(117)；所述上中相澄清组件包括将所述管状上中相完全混合室包围其中的环状杯形上中相分相室(22)，所述环状杯形上中相分相室0 的上部室壁和下部室壁上分别设有有机溶剂出口管和聚合物相出口管(20)，同时在所述环状杯形上中相分相室0 的另一侧室壁的上部和下部分别设有第四取样口 1和第五取样口 O)。
2.按权利要求1所述的三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取装置，其特征在于，所述的管状上中相完全混合室底部的填料层(9)为玻璃球状或者弹簧状填料层。
3.按权利要求1所述的三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取装置，其特征在于，所述第一气体分布器(1 的规格为Gl G4。
4.按权利要求1所述的三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取装置，其特征在于，所述第二气体分布器(19)的规格为Gl G4。
全文摘要
一种三相溶剂气助萃取分段进气可控返混连续萃取装置，其由下相气助传质组件、上中相完全混合组件和上中相澄清组件组成；采用分段鼓气和上中相完全混合，下相气助传质室底部和上中相完全混合室底部分别设气体分布器分段进气，进气流量分段控制；下相气助传质室分别设盐水相进口和出口；在上中相完全混合室设有机溶剂入口和聚合物相入口，上中相完全混合室底部设其上置填料层的分布板，上中相完全混合室一侧的上下各开一回流孔，回流孔内侧分别设弯曲型挡板；上中相环状分相室设有机溶剂出口和聚合物相出口；该装置结合三相萃取和气助溶剂萃取优势，防止盐水相与有机溶剂完全混合，节省用气量，促进上相和中间相传质速率，特别适于多组分分级提纯。
文档编号B01D11/04GK102233199SQ201010164868
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者于品华, 刘会洲, 赵君梅, 黄昆 申请人:中国科学院过程工程研究所