从气溶剂中提取溶质的方法和设备的制作方法

专利名称：从气溶剂中提取溶质的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及分离溶解于气溶济中的溶质的方法和设备。进而言之，本发明涉及对溶解于高压气体中的一种或一种以上的溶质的分离和回收，以及对经过纯化的高压气体的回收。在本发明中，气溶液是指含溶质的具有明显可压缩性的溶液，或是本身就具有明显的可压缩性的溶液。
在低压条件下，气体是一种性质较差的溶剂，潜在溶质的潜在溶解性受其挥发性的限制。例如空气中的湿度含量是受限于水在露点的蒸气压，即水的蒸气压等于在气体中的水的分压时的温度。在高压条件下，气体具有显著的溶剂作用，甚至对非挥发性物质亦是如此，例如，高压蒸气可以将二氧化硅溶解，而在此温度下，二氧化硅的蒸气压可以忽略不计(见附图4)。
一种气体的溶剂作用在很大程度上依赖于其气体密度，并受压力和温度的影响，气体在高密度的条件下，可以溶解比在低密度条件下更多的溶质。这种密度和压力对溶质溶解性的强大效果是众所公知的，并已被广泛地用于超临界流体提取的领域中。这一技术可见Krukonis and McHugh所著《超临界流体分离》(ButterworthPublishers 1986)，以及Zosel的美国专利第3,969,196号。
在典型的超临界流体方法中，溶质是被用高密度的高压气溶剂从基底中提取出来，然后对溶剂减压(因此而降低密度)至溶质的浓度超过其新的溶解度并沉淀出来，进而可用机械方法将溶质从气溶剂中回收出来，而气溶剂现在就可被压缩和再次使用。这种典型的方法详述可见前述的Krukonis and McHugh所述及Zosel的专利。
这种通过减压来降低密度的方法有很多缺陷，相应的通过升高温度来降低密度的方法也是如此，即1、除非把压力降低到很低的水平，否则会有显著数量的溶质仍处于溶解状态，而过低的压力又使对重复使用溶剂进行压缩时的花费过高；2、在减压或调温装置中形成两种状态会造成对设备的腐蚀，或降低热传效率。
另外，在有些情况对高压气体进行减压是无法实现的。例如，在生产高压蒸气时就是如此。二氧化硅在地下水和地表水中是普遍存在的。在锅炉中，高压蒸汽溶解了部分的二氧化硅并将其通过管道系统带入到汽轮机中。高压蒸汽在汽轮机中膨胀并减压。此时，二氧化硅在低压蒸气中的溶解性降低并沉淀为固体造成汽轮机的功效下降。因此，二氧化硅及其它矿物质的溶解于蒸汽的性质就要求对锅炉的供水必须纯度很高，从而也排除了使用Modell美国专利第4,338,199号及Dickinson美国专利第4,292,953号中所述的使用地热蒸汽的开式循环方法和超临界水氧化的方法。只有当蒸汽膨胀为低压后，才能完成功的提取，而此时则不可避免地会发生二氧化硅沉淀。
用高压二氧化碳作为溶剂，可将石油从地下结构中回收出来。气体的膨胀，分相和再压缩都很昂贵，同时也无法回收到众多的低级烷烃。除非使用膨胀至很低压力的方法，这种方法又会增大压缩时的花费。
超临界流体的处理方法用在很多的分离方法中、特别是用于那些价值高的物质，如食品中的去了咖啡因的咖啡的分离中。此时，溶质咖啡因一般不被回收，而是被不可逆地吸附到活性碳上。
在超临界流体处理方法的主要花费是使流体在经膨胀及除去溶质后，重新恢复其溶解特性时进行的压缩时所需的能量。吸咐剂，例如活性碳可用来除去溶质，同时避免减压。而当所需产品是溶质时，例如，在油料及调味品的提取过程中，压力变化及随之而来的能量消耗就是无法避免的。
功是力乘以距离。对流体进行压缩时所耗的功在很大程度上依赖于该流体的可压缩性及在压缩时所发生的体积变化。液体的可压缩性很小，只需少量的功就可提高其压力。相对而言，由于气体的可压缩性高，则需要很多的功来完成对它的压缩。对较密的气体进行密度变化不大的压缩所做的功较少，而对低压气体进行压缩并使其发生较大体积变化的压缩所需的功就较大，虽然后者的压力变化以及压力的最终值比前者为低亦是如此。
在有些方法中，高压气体可溶解溶质这一效应并不是所期望的。例如，在对气体进行压缩时，从压缩机中漏出的润滑剂可能会污染气体。当用二氧化碳清洗半导体时，对润滑剂及其它的低挥发性污染物的分离就要求进行蒸馏。对二氧化碳的蒸馏必须在亚临界的两相区内进行。为了获得超临界二氧化碳，该流体必须被压缩和加热。而当溶质为固体时，蒸馏就会在蒸馏塔中形成固体，从而造成堵塞并使工作效率降低。相似地，低温冰箱循环系统中所用的流体必须在其发生膨胀前清除溶质，从而避免形成固体，避免在蒸发器中发生油的浓缩，以及对压缩机的不当的润滑。
超临界流体色谱在配合有调压程序时，可以用在分析级的水平上分离很多化合物，特别是烃类。此时，需要极纯的流体，并且压缩机的润滑剂是难以去除的。
本发明的目的在于1、提供一种从气溶剂中分离和回收溶质的方法。
2、提供一种能使气溶剂被纯化至指定高纯水平的方法。
3、提供一种能按指定高水平将溶质从气溶剂中分离出来的方法。
4、提供一种能将溶解于气溶剂中的具有不同溶解特性的溶质彼此分离开的方法。
5、提供一种能将二氧化硅及其它矿物质从不纯蒸汽中去除的方法，从而使该蒸汽可被用于哪些需要纯蒸汽的方法，例如，用于汽输机中。
6、对超临界流体溶剂进行纯化使其可被重复使用。
7、提供一种可以避免将两相混合物通过压力变化装置或温度变化装置的分离方法。
迄今以前的从气溶剂中去除溶质的方法，必须涉及通过改变压力或温度形成一个两相混合物，或使用吸咐剂来不可逆地分出溶质。
在气体相互分离方面，对类似的问题已存在有众多的已知方法。例如当对环境空气进行压缩时，则其所含的湿度对压缩后的空气造成污染，在很多用法中，这种湿度就必须被去除。成滴的水可以用机械过滤去除。但水蒸气就造成了不同的问题。冷气干燥机能降低空气的温度，从而使该干燥空气的露点亦被降低。吸咐床或干燥床均可使用，并可通过加热使其再生。
另一种已知的方法是变压吸咐(Pressure Swing Absorption)或是在进行空气干燥时，从空气中回收氧气，并在分离烃类时，进行“无热干燥”，或称“无热分馏”(Skarstorm and S.et al.美国专利3,069,830,3,237,377,2,944,627,和Kant et al.3,237,379)。在干燥过程中，在高压空气(150磅/平方英寸)中的水蒸气被吸咐床中的吸咐剂吸收，然后对吸咐床减压，再将一定体积的低压干燥空气从相反的方向通过该吸咐床来将被干燥剂吸咐的湿度去除掉。这一方法之所以可行，是因为吸咐在干燥剂上的水的蒸气压与同时接触吸咐剂的空气的压力(几乎)完全相独立。10体积的压力为150磅/平方英寸的空气所含的水蒸气与10体积的压力为15磅/平方英寸空气所含的水蒸气一样多。在实际运行中，10体积的压力为150磅/平方英寸的空气可在干燥床中达到很高的干燥水平，然后减压，用20体积压力为15磅/平方英寸空气反吹过该干燥床使其再生。这样，仍有8体积的压力为150磅/平方英寸的被干燥的空气可被使用。
无热干燥及其它形式的变压吸咐均有关于将一种气体与另一种气体相分开，此时，这些气体以理想的混合物来表现，并且，存在或不存在气体不会对吸咐另一种气体产生较大的影响。从空气中分离水份时，空气对水的分压不产生较大的影响，并且，减压后的空气是用于再生过程的。当前的这类技术可详见R.V.Jasra等人的“变压吸咐分离气体”一文(Separation Science andTechnology，26(7)，pp.885-930，1991)。在所有这些方法中，吸咐剂均在高压时进行吸咐，在低压时解吸咐。
在本文中，气溶剂指的是具有显著可压缩性的溶剂；溶质或非气性溶质指那些热动力化学势随气溶剂或溶液的密度的增高而降低的溶质或非气性溶质。
在本发明的方法中，气溶剂是要被纯化的。在气溶剂中，溶质的溶解度随溶剂密度的升高而升高。纯的固体或液体的热动力化学势对压力的函数关系很弱，因而，在饱和溶液中，气溶液与纯溶质相平衡，在溶液中的溶质的化学势也是与压力无关的，只要溶液保持饱和状态就是如此。在非饱和溶液中，某一物质的化学势接近于与饱和度分数值相成比例的第一近似值。当某一物质在两种不同状态下的化学势不同时，则物质就从高化学势区向低化学势区移动，直至化学势均匀为止。因此，在一种与纯溶质相接触的非饱和溶液中，溶质就会不断溶解直至溶液达到饱和为止。相似地，在过饱和溶液中，溶质会沉淀下来。
当混合气被等温压缩时，则每种气体的化学势升高。当空气中含有水蒸气时，则水蒸气的化学势不断升高，直至其超过水液的化学势，使水液沉降下来。当总的压力升高时，水的蒸气压(以及其化学势)将保持一常数，并且有更多的水沉降下来。
当气溶液被等温压缩时，溶剂气体的化学势升高，但非气性溶质的化学势则降低。非气性溶质的溶解性随着压力的升高而升高，因此，就要有更多的溶质被溶解以保持溶液的化学势。全世界都在靠近超临界区观察到这一现象，并且已被广泛地用于超临界流体方法中。在图4中可以看出处于水中的二氧化硅的溶解性的改变在不同的等压线上随着压力而升高。这一现象在亚临界气体区也已被观察到，只是很少被提及。
如果空气和水蒸气的混和物与干燥剂一起保持平衡，则在干燥剂上的水的化学势与在气体中的水的化学势相等。如果气体被等温压缩，水就移动到干燥剂上。如果气体发生等温膨胀，则水就离开干燥剂。
如果气溶剂与溶质组成的溶液与吸咐剂一起保持平衡，则在吸咐剂上的溶质的化学势与在溶液中的溶质的化学势相等。后果气溶液被等温压缩，则溶液中的溶质的化学势下降，溶质从吸咐剂移向溶液中。如果溶液发生膨胀，则溶质从溶液中移向吸咐剂上。这一表现与所观察到的有关混合气体的情况正相反，同时，也与在变压吸咐或无热干燥中所观察及使用的情况相反。正如变压吸咐是一种参量泵送(Parametric Pumping)一样，本发明的方法也是其中的一种。溶质在低压时被吸咐，在高压时解吸。


图1、是本发明的装置的第一实施例的示意图，该装置用于从气溶剂中分离和回收一种或一种以上的溶质，以及回收被纯化的气体。
图2、是实现本发明之方法的装置的第二实施例的示意图。
图3、是可用于实施本发明之方法的第三实施装置的示意图。
图4、是二氧化硅在水中的溶解度的标绘图。
图5、是实施本发明方法的第四实施例的示意图。
本发明提供了一种对变压吸咐为补足性的方法，其中气溶液经过吸咐床吸咐被纯化，然后提高压力并密度增大，再使用反方向的流动使吸咐床被再生。
参照图1所示的装置，原料中以二氧化碳为溶剂，萘为溶质，温度为35℃。在1100磅/平方英寸压力下、溶解度为0.2％，在1300磅/平方英寸下，溶解度为2.0％，均以重量计。
如果原料含0.1％萘，压力为1100磅/平方英寸(50％饱和度)由底部(81)进入吸咐柱(11)，柱内装有适宜的吸咐剂，如活性碳，则萘将被吸咐剂吸咐，而纯的二氧化碳将从顶部(71)放出。如果通过1000公斤混合物，则会有999公斤二氧化碳被回收，1公斤萘将会留在吸咐床内。在吸咐床的底部81处，原料首次与吸咐剂接触，吸咐剂开始吸咐直至萘的化学势为50％饱和。
然后关闭阀门51，开启阀门52将原料导向吸咐柱12，开动泵21，经过阀门55对吸咐柱11和13加压至压力为1300磅/平方英寸。此时萘的溶解度增大为2.0％，但是，吸咐柱11底部81处的吸咐剂上的萘的化学势并不随压力发生变化，所以，仍是50％饱和度。此时的饱和值为2.0％，因此，萘从吸咐剂上解吸，直至在81处的流体浓度达到饱和值的一半，即1.0％。泵21继续工作，含萘1.0％的流体继续转移到柱13中，直至1公斤萘被转移完为止。最理想的情况下，需用100公斤二氧化碳。再将该流体流经吸咐柱13及节流阀61，并使压力减低为1100磅/平方英寸，此时的溶解度为0.2％，因此，多余的萘沉淀下来。含在二氧化碳中的萘进入到柱14中，并在罐31处收集到余下的萘0.8公斤。柱14内装填有吸咐剂用以吸咐萘，并在低部84处吸咐萘直至其化学势达到与饱和态的化学势相等值为止。已被部分消耗了的二氧化碳由下至上通过柱14，并与新的原料汇合后进入到柱12中，并如同在柱11中那样，在柱12中将萘完全去除掉。
当柱12和14均被泵21加压至1300磅/平方英寸后，在柱14的底部84处的吸咐剂开始吸咐直至其化学势达到饱和溶液的化学势，因此，由柱14的底部84排出的流体的含萘量为2.0％。在柱12的底部的含萘量为1.0％。从柱12中应该去除1.1公斤的萘，一般要用110公斤的二氧化碳。在柱11和13中，分别会有0.11公斤萘残留其中。其余部分的萘则以固体形式收集于罐31中。
这一系列的操作可以经过正确地操纵阀50至59来重复很多次，或用自动控制系统来实现之。如果流体的体积与压力相配合，并且有充足的高压二氧化碳用于再生的话，就可以回收到所期望数量的不含萘的二氧化碳。由于当压力自1100磅/平方英寸变为1300磅/平方英寸时，溶解度和化学势均增高10倍，所以用高压流体对吸咐柱进行再生时，一般需要使用总流体体积十分之一的二氧化碳，此时溶质可以按纯物质回收。在实际运行中，更为方便的是使用过量的流体去完成再生，以保证产物的纯度更可靠，这是因为要考虑在生产过程中的意外情况及其不可逆性。在本例中所用的流程只是说明性的，仅代表理想状态下的情况。
在很多情况是混合的溶质溶解于溶剂中，此时需要的是同时将所有的溶质回收出来，例如从洗井后的二氧化碳中回收石油。二氧化碳作为流体用的价格不昂贵，而且在高压下对大多数烃来讲是很好的溶剂，并且降低油的粘度。通常是将二氧化碳加压注入石油构造内，将残留在内的烃溶解出来并使之膨胀，将所获得混合物从油构造内取出。二氧化碳的粘度比其与油所形成的混合物的粘度低很多，因此，当粘性物被冲开后，二氧化碳就流过油构造并稀释这些粘性的油物质。很多有价值的石油成份均可与高压二氧化碳相混溶，因此，从注入二氧化碳所产生的物质中回收石油成份和二氧化碳本身则是件有着难度的工作。参见图2，图中所示，在膨胀罐22中注入一种流体作为回收的原料来回收功，例如注入从二氧化碳协助的石油收取方法中所产出的产物，或一种富含液体天然气的天然气等。膨胀后流体被送入吸咐柱中，正如图1中所示，在吸咐柱中，溶质被吸咐剂吸咐，并与溶剂气体相分离。经过膨胀及分离的流体再被送到21处进行压缩，使的是前述膨胀步骤中所回收到的功。被压缩后的流体中的一部分用于吸咐床的再生。原则上来讲，膨胀罐可以在单一反应条件下运行，使设备更为有效及可靠，并且又可以使溶质被完全回收。对用于再生用的流体进行再次压缩时，需要额外的功。这一实例可以用于采油及炼油，提高其效率，例如，可用于丙烷脱沥青，残油超临界萃取(ROSE方法)，天然气的加工以及需将溶质与气溶剂相分离的各领域中。在Krukonis及McHugh书中所描述的很多气溶剂方法中，均可使用发明的方法。
本发明的方法可用于从不同的基质中分离和回收出毒性污染物。例如，用超临界流体二氧化碳，可以从土壤中提取出废油，多氯联苯(PCB)，芳香烃，以及其它可溶性化合物。根据本发明的方法，使用如图1所示的设备，可将污染物浓缩至相当的浓度，从而可以将其焚化或再循环，又能使溶剂以很纯的水平被回收，因而再次使用该溶剂进行连续的萃取，就可以将污染物几乎完全地从土壤中被去除。溶质与溶剂的分离发生在吸咐柱内，因此原则上讲，就不需要像普通的超临界流体方法及Eppig等人(美国专利4,434,028号)所述的方法中那样形成两相混合物来进行分离。
用超临界流体再生吸咐剂的方法被Modell所揭示(美国专利4,061,566号,4,124,528号，4,147,624号)，并被Krukonis和McHugh在其书中仔细研究和描述了。他们均探讨了从吸咐剂上去除被吸咐物的问题，首先是用吸咐剂从液体中吸咐溶质，然后用气溶剂将溶质解吸，然后再改变条件使气体不再成为该溶质的气溶剂。虽然用超临界流体可以再生活性碳，但仍有相当量的溶质被吸咐在其上，尽管使用稀释的超临界溶液也是如此。Krukonis提出了一组数据，即，使用0.2克的(合成农药)alachlor/每克活性碳，浓度为比其饱和值低二个数量级。他的数据表明，使用Modell的再生方法，还将受到平衡效应的限制。
本发明的方法在从气溶剂中分离溶质整个过程中，均是在流体对溶质为溶剂的条件进行的。在Modell方法中限制其效率的平衡效应被用在本方法中产生所需的分离。
本发明的方法还可以用于分离溶质混合物。在图1中，探测器42监测由11到12的流体，当检测到有溶质时，就产生纯净的气溶剂对吸咐柱进行再生。如果需要将吸咐力较强与吸咐力较弱的物质相分离，那么，只在探测器42检测到有较强吸咐力的物质时再进行再生处理(较理强吸咐力的物质只在较弱吸咐力物质基本出来后才开始出来)，因而，可以从该设备的顶部所收集的流体中回收到基本不含较强吸咐力物质的较弱吸咐力物质。相似地，底部的探测器41可在再生过程中检测较弱吸咐力物质，并使流动方向由收集罐31改向吸咐柱13和14去进行再次分离。
在很多含两种或更多种溶质的系统中，其中一种溶质的溶解度及浓度会影响其它溶质的溶解度和化学势。使用被称作夹带剂(Entrainer)的物质可以在超临界流体过程中增大溶解度和提取率。当含有混合溶质的溶液经过吸咐柱时，吸咐剂很可能对每一种溶质有着不同的亲和力。具有最大亲和力的溶质先行吸咐，具有最小亲和力的则最后吸咐。在长的吸咐柱上，这种行为就使溶质按亲和力的大小顺序被依次分开。在色谱中使用的是同一原理，即从一端注入混合物，而在另一端依次洗脱出被分离的化合物。在生产和选择对不同化合物具有不同亲和吸咐力从而用色谱分离化合物方面，已经有了很多的技术。在色谱中，流体可被认为是与填充物处于平衡状态，按顺序洗脱出来这一现象是因为溶剂-溶质平衡，以及溶质在流动态和不动态中所处时间的不同。
同样地，本发明的方法可用于把对吸咐剂具有不同亲和力的溶质分离开。对吸咐剂的选择方法与色谱技术中的相似。
在图3中，给出的实例可用于将二氧化硅，成垢矿物质及其它杂质从不纯的蒸汽，例如地热蒸汽，超临界水氧化产物或湿空气氧化所得的蒸汽等中分离出来。
图4给出了二氧化硅在水中的溶解度。
可以看出的是二氧化硅在高压蒸汽中的溶解是可观测量的。在实际运行中，将蒸汽通过吸咐柱进行净化。一部分流体被抽出并通过热交换器得到冷却以防止泵的过热。
分析二氧化硅在水中的溶解曲线可以看出，在接近超临界区，其溶解度随着温度升高而降低。在图3所示的设备中，一部分热量在到达泵21之前就已被去掉了，所以用于再生的流体是处于较高的压力和较低的温度。该装置不需要外来的纯净水，它可以从任何低纯度的蒸汽中生产出非常纯的蒸汽。
除了对一部分被净化的蒸汽进行冷却、压缩及再次加热外，也可将纯水经加热后直接注入。此外，较低温度的水也可被注入。
例如，在图5中，从超临界水(SCW)氧化器32来的440℃、300巴压力的水的二氧化硅溶解度为0.01％，而在370℃和400巴压力下则为0.1％。因则，十分之一的产物蒸汽将需要被压缩以便用于再生。使用较低温度进行再生可减少所需用的流体，但要对吸咐床进行加热使恢复工作温度以防止二氧化硅通过吸咐床。
对蒸汽的净化以及吸咐床的再生最易在超临界区完成。从很热的蒸汽中可以很有效地提取出机械功。超临界水氧化反应器32可以在低于化学计算氧的条件下运行，从而使温度于接近超临界区内，且可燃性有机物仍保留不变。在超临界水中，大多数的有机物是可混溶的，并且具有比水低的临界点。这些有机物质将不会随矿物质一起被浓缩，而是会存在于多水相中。溶解的矿物质可以被去掉，仍含有大量油料价值的蒸汽可与另外的高压空气在反应器33中合并，而且在不发生热转移界面与不纯蒸汽接触的情况下，就可生产出干净的高温高压蒸汽。更高温度的高含矿物质的蒸汽可与进来的水、空气或燃料直接发生接触对它们进行预热，其后，矿物质可与其它固体一起从起始反应器或反应器后边的固体分离器3 4中去掉。
在某些情况下，温和的化学处理可以改善被污染了的蒸汽的可处理性。例如，地热蒸汽中一般均含有硫化氢(H，S)。可使其被氧化为挥发性低的硫酸，从而更易于用本发明的方法来去除之。当干净的蒸汽膨胀后，可对其进行压缩以收取纯水。
吸咐剂的选择是重要的，但不是决定性的。吸咐剂必须能吸咐溶质，必须对所用的流体和温度不发生反应。吸咐剂，例如，沸石，活性碳，分子筛(无机或有机)，硅胶，活性铝，聚合吸咐树脂等，均是已知的吸咐剂，并可用于本发明。有用的选择适宜吸咐剂的先有技术是色谱中所用的技术，其中固体、有固体支持的液体一般均被用作吸咐剂。液体可用作吸咐剂，但会引起相当的麻烦，需要用多台泵，除非用固体作为支持物。此外、迅速的质量传递需要高界面面积以及短的扩散程，特别是在液相时更是如此，而且没有固体支持则很难达到。在对蒸汽进行纯化时，在相图在某些区域内，流体可以是盐水，而在其它区域则为固体。当在两相区内实践本发明的方法时，则凝相中的一个可以被用作吸咐剂。
溶质在气相和吸咐剂相的化学势决定于热动力平衡效应。当在气相和凝相之间的质量传递良好时，即在气体与固体吸咐剂或流体吸咐层之间的质量传递良好时，本发明的方法工作最佳。可以使用小颗粒的吸咐剂来缩短扩散程，从而很方便地达到这一效果。其它的已知的增强质量传递的方法均可被使用。例如，一种众所周知的在流体-流体之间增强质量传递的方法是在保持活塞式流动的同时，提供脉动流进行混合。另一种方法是使用场。众所周知的是电场梯度的移动不同介电常数区域的能力。在填充有介电质的吸咐床内，施加外部电场可以促进固体捕捉滴状物。液体停留在固体颗粒上是由于毛细作用，即液体的表面张力使液滴停留在固体颗粒上，当表面粗糙时更是如此。美国专利第4,786,387号及其所引述的参考文献中均讨论了用电场捕捉或过滤液滴的很多方面。在该方法中，电场是被用于移动平衡并且增强质量传递。在本发明的方法中，是由压力改变平衡的，电场只是用于增强质量传递，并且用介电过滤方法减少含杂质的滴状流体被纯化气体的夹带。这一点在使高速气流时及夹带液体是潜在的问题时更为有用。
理想的吸咐剂应具有如下特性1、可逆吸咐；2、对许多次吸咐-解吸循环有稳定性；3、选择性(对溶质-溶质分离)4、花费低廉5、快速质量传递高吸咐能力并非特别重要。必须被压缩和用于再生的液体部分是溶剂-溶质系统的化学势以及热动力平衡效应的函数，而不是吸咐剂能力的函数。吸咐剂能力会影响每次再生循环之间的时间，而不影响再生剂与产物的比率。高吸咐能力的吸咐剂可带来较长时间的循环及较小的吸咐床的效果。在某些考虑因素中，循环时间可能就是重要，例如，对循环压力容器的疲劳寿命就是如此。被压缩流体的体积，流动速率，压缩机的价格运行费用等均与循环的时间无关(吸咐床内的空隙不计)。一个大的系统将会使用多个吸咐柱，以使压缩机可以连续工作，再用阀门控制循环。
对溶质-溶质的分离而言，吸咐剂对不同溶质的相对吸咐能力或说选择性是重要，某一吸咐床对某一溶质的相对吸咐能力决定突破次序。参量泵是已知技术并且已被在理论上仔细研究过了，该理论可以理性地选择吸咐剂以及估计每一循环的分离。
在某些情况，可以就地产生吸咐剂。这一点在吸咐剂随时间而变质，或具有某些不可逆转的吸咐性时很有用，并且用在需要就地产生吸咐系统的活性成份时也很有用。例如，在净化超临界水氧化产物时使用高面积氧化锆。可以注入能分解并反应生成氧化锆颗粒的锆化合物就地生成氧化锆。这些颗粒可以捕捉到薄的盐水层、或由溶解于蒸汽中的盐形成的垢。这一盐水或盐垢层对矿物质有关很强的亲和力，可以像固体吸咐剂一样起作用。这就类似在气-液色谱中使用支持的液体一样。可以加入化合物促进具有适当化学组成的盐水的形成。同样地，气凝胶通常是由形成凝胶的化合物在流体中反应，然后使其达到超临界点以上来形成的。对金属氧化物气凝胶的典型溶剂是水。用溶解性的前体在溶液中反应来形成不溶性的氧化物。然后将水和反应产物取出，剩下氧化物气凝胶，由于气凝胶具有很大的表面积，它可以成为有效的吸咐剂。可用类似的方法来生产沸石这种众所周知的吸咐剂。
权利要求
1.一种从气溶剂中分离出至少一种溶质的方法包括下列步骤1、在条件1下，将含有所述溶质的溶剂的溶液按一个方向通过吸咐床，使溶质从溶液中被吸咐到吸咐剂上，同时产生溶质浓度被降低了的被纯化的气溶剂；2、对一部分的已去除了溶质的溶剂改变其条件1为不同的条件2使该纯化了的溶剂对该溶质的溶剂能力得到提高；3、将该部分已减少了溶质并已提高了溶剂能力的溶剂在条件2下按与步骤1中所述的相反方向通过所述的吸咐床，以使溶质从吸咐剂上解吸下来并形成该溶质处于所述溶剂中的溶液；4、在条件2下，对含有从吸咐剂上解吸下来并溶解于其中的溶质的溶剂进行回收。
2.一种如权利要求1所述的方法还包括以下各步骤5、对在条件2下回收到的含有从吸咐床上解吸下来的溶质的那一部分溶剂进行条件改变，使其达到条件1；6、给处于条件1下的所述的被回收到的溶剂一段时间使其达到相平衡，并形成更浓的溶质相和更稀的溶剂相；7、对存在的不同的相进行分离；8、回收浓缩了的溶质相，并使稀释了的溶剂相在条件1下通过吸咐床。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述的已被减少了溶质的那一部分溶剂是在条件1下由被纯化了的气溶剂中取出的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述的已被减少了溶质的那一部分溶剂是从外部供来的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述的条件1和条件2指溶剂的密度不同，且条件1下的密度低于条件2下的密度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中是用压力的改变来实现在条件1下和条件2之间的密度变换。
7.根据权利要求5所述的方法，其中是用温度改变来实现在条件1与条件2之间的密度变换。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述的溶剂可选自下列溶剂CH4，C2H4，C2H2，C2H6，C3H8，C3H6，C4H10，C4H8，CO2，H2O，NH3，N2O，Ar，Kr，Xe，H2S，SO2，O2，N2，SiH4，SiF4，BH3，BF3，SF6，CF4，芳香烃，脂族烃，卤化碳，氢卤化碳，天然气，天然气液，石脑油，酯类，醚类，有机金属化合物。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述的吸咐剂选自下列各物活性碳，活性铝，沸石，色谱支持物，金属氧化物，硅胶，分子筛，在固体支持物上的液体，气凝胶，成垢矿物质，盐水，在固体支持物上的盐水，金属盐，聚合吸咐树脂。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述的溶质选自下列二氧化硅，植物油，种子油，鱼油，动物油，矿物油，氯化钠，芳香烃，润滑油，硅油，多氯联苯(PCB)，碳酸钙，天然石油，卤化烃，废油，成垢矿物质，金属卤化物，咖啡因，羧酸，脂肪。
11.一种将溶解于气溶剂中的至少两种溶质相互分离的方法，包括下列步骤1、将含有至少两种溶质溶解于气溶剂中的溶液在条件1下按第一方向通过吸咐床以吸咐所述至少两种溶质中的第一种，并使述至少两溶质中的至少另一种在基本不发生吸咐的状态下通过该吸咐床。2、在吸咐床的末端收集仍然溶解于气溶剂中的基本不含第一种溶质的所述至少两种溶质的另一种；3、将一定体积所述气溶剂的条件改变为条件2，使所述的气溶剂的对第一溶质的溶剂亲和力得到提高；4、使具有条件2的气溶剂以相反于第一方向的第二方向通过所述的吸咐床，并使该溶剂在第2条件下使一溶质从所用的吸咐剂上解吸下来；5、收集通过吸咐床上的具第2条件的气溶剂，并在第2条件下将仍然溶解于气溶剂中的第一溶质回收出来。
12.根据权利要求11所述的方法，包括用另外的步骤作用于含第一溶质的气溶剂，或含所述至少两种溶质中的另一种的溶剂，以回收所述两种溶质中的另一种的溶剂，以回收所述两种溶质中的任何一种的一部分。
13.对不纯蒸汽进行纯化的方法，包括下述步骤(1)将不纯蒸汽在条件1下以第一方向通过吸咐床，吸咐该蒸汽中的杂质，并以纯化态回收一部分所述的蒸汽；(2)对一部分纯水改变其条件为条件2；(3)将所述条件2下的纯水以与第一方向相反的第2方向通过吸咐床，将吸咐于吸咐剂上的杂质解吸下来；(4)在条件2下回收含有从吸咐剂上解吸下来的杂质的水。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述的不纯蒸汽是由燃料与水在亚临界或超临界区内发生直接接触所产生的。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述的被以条件2回收的含杂质的水，用于与一种或更多种的原料水，燃料或氧化剂直接接触并对它们进行加热。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述的不纯蒸汽来自于地热源。
17.根据权利要求13所述的方法，其中的纯化过的蒸汽通过膨胀来回收功。
18.根据权利要求13所述的方法，其中的纯化过的水经过冷凝来回收纯水。
19.一种由基质中提取溶质的方法，所述基质包括咖啡豆，茶叶，烟草，被污染的土壤，造纸淤浆，油页岩，油砂，煤，磨垢，挖泥船挖出的泥土，蒸馏尾物，残油，沥青，废油，油籽，油坚果，油炸食品，调味品，可可豆，含动物脂肪的物质，咖啡，茶，含鱼油的脂肪，聚合物质，发酵汤汁，污染的设备，活性碳，废水，并将产生的气溶剂进行分离。
20.根据权利要求1所述的方法，其中在气溶剂与吸咐剂之间的质量传递是由脉动流或电场来增强的。
21.根据权利要求2所述的方法，其中所述的电场是用于促进稀释的溶剂相与浓缩的溶质相的分离。
全文摘要
描述了一种从气溶剂中分离溶解于其中的溶质的方法，该方法可用于以超临界流体提取和回收溶质中，以及用于不纯蒸汽的纯化中，该方法先用吸附剂去除溶质，然后于当地对吸附剂进行再生，并回收溶质。
文档编号B01D11/00GK1118997SQ94191415
公开日1996年3月20日 申请日期1994年3月4日 优先权日1993年3月8日
发明者大卫·魏特洛克 申请人:大卫·魏特洛克