第三章--分离机械与设备(下)

第3章分离机械与设备§3.4萃取机械1、萃取分离简介1.定义根据不同物质在同一溶剂中溶解度的差别，使混合物中各组分得到部分的或全部分离分离过程，称为萃取。萃取是分离和提纯有机化合物常用的操作之一。应用萃取可以从固体或液体混合物中提取出所需要的物质，也可以用来洗去混合物中少量的杂质。通常称前者为抽提或萃取，后者为洗涤。萃取过程包括液相到液相、固相到液相、气相到液相等三种传质过程。通常把固液传质过程称为“浸取”，气液传质过程称为“吸收”，仅把液液传质过程称为萃取。利用组分在两个互不相溶的液相中的溶解度差而将其从一个液相转移到另一个液相的分离过程称为液液萃取，也叫溶剂萃取，简称萃取。待分离的一相称为被萃相，萃取后成为萃余相，用做分离剂的相称为萃取相。萃取相中起萃取作用的组分称为萃取剂，起溶剂作用的组分称为稀释剂或溶剂。①传质速度快、生产周期短，便于连续操作、容易实现自动化控制；②分离效率高、生产能力大等一些列优点，所以应用相当普遍；③能量消耗较少，设备投资费用不高；④采用多级萃取可使产品达到较高纯度，便于下一步处理，减少以后工序的设备和操作费用。2、萃取法特点：3、萃取工艺分类工业上采取的萃取方法多样，最常用的方法有：错流萃取法、逆流萃取法、双溶剂萃取法、回流萃取法。（1）错流萃取法：把溶剂加入到被萃取的混合液中，然后使被萃取物在萃取相和萃余相之间达到溶解平衡，并且使两相分层澄清后，把形成的萃取相分出。萃余相再次用溶剂处理，重复多次。每次以溶剂处理的一个步骤称为一个萃取级。（2）逆流萃取法：溶剂与被萃取的混合液具有一定的密度差，重相从萃取塔的顶部进入塔内，轻相从萃取塔的底部压入塔内，两相在塔内由于密度的差异，在重力的影响下形成两种流动方向相反的料液流和溶剂流，两相在萃取塔内充分接触，轻液从塔顶流出，重液从塔底流出，从而达到萃取分离的目的。特点：①该法萃取效率高，溶剂用量少；②设备结构复杂，一次性投资大，不易操作。（3）双溶剂萃取法：采用两种互溶度很小的溶剂作为萃取剂，一次性从被萃取液中萃取分离出两种（或两组）物质的一种萃取方法。在萃取过程中，两种溶剂通常分别从塔的顶部和底部进入塔内，以逆流的方式通过整个萃取系统。（4）回流萃取法：用乙醇等易挥发的有机溶剂提取A组分，将浸出液加热蒸馏，其中挥发性溶剂馏出后又被冷凝，重复流出浸出器中浸提的A组分，这样周而复始，知道有效成分回流提取完全的方法。萃取剂选择要点：①选择性好表现为分离系数大。②萃取容量大表现为单位体积或单位质量溶解萃合物多。③化学稳定性强耐酸碱、抗氧化还原、耐热、无腐蚀。④易与原料液相分层不乳化、不产生第三相。⑤易于反萃或分离便于萃取剂的重复利用。⑥安全性好无毒或低毒、不易燃、难挥发、环保。⑦经济性好成本低、损耗小。3.4.2溶剂萃取设备的分类根据料液和溶剂接触的次数及接触时的流动方向，溶剂萃取设备可以分成单级萃取设和多级萃取设备，后者又可分为错流接触设备和逆流接触萃取设备。多级逆流萃取过程具有分离效率高、产品回收率高、溶剂用量少等优点，是工业生产最常用的萃取流程。多级萃取设备也有多种类型，如混合沉降器、筛板萃取塔、填料萃取塔等。根据操作方式不同，溶剂萃取设备可分成间歇萃取设备和连续萃取设备。根据分离物系构成的不同，溶剂萃取设备可分成液一液萃取设备和液一固萃取设备。第一节液-液萃取分离过程与设备一、溶媒萃取法是用一种溶剂将物质从另一种溶剂中提取出来的方法，这两种溶剂不能互溶或只部分互溶，能形成便于分离的两相，利用混合物中不同组分在同种溶剂中的溶解度不同，而将所需要的组分分离出来。溶剂萃取法又分为物理萃取和化学萃取。物理萃取的理论基础是分配定律，而化学萃取服从相律及一般化学反应的平衡规律。1.物理萃取在溶剂萃取中，被提取的溶液称为料液，其中欲提取的物质称为溶质，而用以进行萃取的溶剂称为萃取剂。经接触分离后，大部分溶质转移到萃取剂中，得到的溶液称为萃取液，而被萃取除溶质以后的料液称为萃余液。将萃取剂和料液放在萃取器中，经充分振荡，静置待分层形成两相，即萃余相和萃取相，进行萃取的体系是多相多组分体系。在一个多组分两相体系中，溶质自动地从化学位大的一相转移到化学位小的一相，其过程是自发进行的。2.化学萃取化学萃取是伴有化学反应的传质过程。可分为五类络合反应萃取在此萃取反应中，溶质和萃取剂皆是中性分子，两者通过络合反应结合成为中性溶剂络合物后进入有机相。进行络合反应的萃取剂主要是中性含磷萃取剂、中性含硫和含氧萃取剂。阳离子交换反应萃取此类萃取反应中萃取剂为一弱酸性有机化合物，溶质在水相中以络离子形式存在，萃取时，水相中溶质的阳离子取代出萃取剂中的氢离子，故称为阳离子交换反应萃取。离子缔合反应萃取有两种情况：一是溶质离子在水相中形成络阴离子，萃取剂与氢离子结合成阳离子，两者通过离子缔合反应构成离子缔合物而进入有机相，称为阴离子萃取；另一情况是溶质的阳离子与螯合性萃取剂结合成螯合阳离子，然后与水相中存在的较大阴离子通过离子缔合反应构成离子缔合物而进入有机相，称为阳离子萃取。加合反应萃取（协同萃取）萃取体系中含有两种或两种以上萃取剂，如被萃取组分的分配系数显著大于每一萃取剂（浓度及其它条件皆相同）单独使用时的分配系数之和，即为加合反应萃取。带同萃取反应某一溶质不被萃取或很少被萃取，但当其与另一溶质同时被萃取时，它却能被萃取或者分配系数显著增大，这种现象称为带同萃取。1、混合—澄清萃取设备（1）结构混合－澄清器轻相重相重相轻相常见的液-液萃取设备主要有：混合-澄清萃取设备、塔式萃取设备、离心萃取机。（2）优点①处理量大，级效率高；②结构简单，容易放大和操作；③两相流量比范围大，运转稳定可靠，易于开、停工；对物系的适应性好，对含有少量悬浮固体的物料也能处理；④易实现多级连续操作，便于调节级数。不需高大的厂房和复杂的辅助设备。（3）缺点①占地大，溶剂储量大。②需要动力搅拌和级间物流输送设备，设备费和操作费较高。（4）应用适用于所需级数少、处理量大的场合。Elgin型喷淋萃取塔轻相重相轻相重相Elgin型喷淋萃取塔4.4.2塔式萃取设备（1）喷洒塔（喷淋塔）特点：无塔内件，阻力小，结构简单，投资少易维护。但两相很难均匀分布，轴向反混严重，理论级数不超过1~2级，传质系数小。轻相重相轻相重相（2）筛板萃取塔萃取过程中的筛板塔轻液轻液重液重液筛板轻液分散在重液内的混合液分散相聚集界面溢流管塔板上两相流动情况：为保证筛板塔正常操作，应考虑以下几点：①分散相应均匀地通过全部筛孔，防止连续相短路而降低分离效率；②两相在板间分层明显，而且要有一定高度的分散相累积层。轻液分散的筛板萃取塔轻液向上流相界面轻液筛板降液管重液向下流挡板分散的轻液轻液向上流相界面重相液滴筛板升液管重液向下流挡板重液重液分散的筛板萃取塔（3）填料萃取塔特点：填料萃取塔结构简单，造价低廉，操作方便，级效率较低，在工艺要求的理论级小于3，处理量较小时可考虑采用。填料萃取塔轻液轻液重液重液液－液相界面填料（4）转盘萃取塔特点：结构简单，造价低廉，维修方便，操作弹性和通量较大，应用较广。轻液轻液重液重液界面格栅定环转盘转盘萃取塔（5）搅拌填料塔重液出轻液出重液入轻液入1.转轴2.搅拌器3.丝网填料1234.4.3离心萃取器优点：处理量大，效率较高，提供较多理论级，结构紧凑，占地面积小，应用广泛。缺点：能耗大，结构复杂，设备及维修费用高。应用：适用于要求接触时间短，物流滞留量低，易乳化，难分相的物系。驱动槽轮轻相进重相出转鼓清洗通道栓塞轻相出重相进机械密封波式离心萃取器示意图萃取设备的选择原则（1）稳定性及停留时间稳定性差—停留时间尽可能短—离心萃取器；伴有较慢的化学反应时—停留时间长—混合-澄清槽。（2）所需理论级数需理论级数少（2~3级）—各种萃取设备；需理论级数4~5级—转盘塔、脉冲塔和振动筛板塔；需理论级更多—离心萃取器或多级混合-澄清槽。（3）物系的分散与凝聚特性物系易乳化，不易分相—离心萃取器；物系界面张力较小，或两相密度差较大—重力流动式。（4）生产能力生产处理量小—填料塔或脉冲塔；生产处理量大—筛板塔，转盘塔，混合-澄清槽等。（5）防腐蚀及防污染要求具有腐蚀性—结构简单的填料塔；具有污染性—屏蔽性能良好的脉冲塔。（6）建筑物场地要求空间高度有限—混合-澄清槽；占地面积有限—塔式萃取设备。浸取是固-液萃取，又称浸出、提取或浸提。由于食品加工的原料大多为固体，要分离提取其中的成分，往往采取浸取的方法，因此浸取在食品工业中得到广泛应用。食用油的浸提香料的浸提咖啡豆可溶性成分的浸提甜菜中糖分的浸提天然色素的浸提应用第二节固-液萃取分离过程与设备固体的浸提过程一般包括三个步骤：①溶剂浸润进入固体内，溶质溶解；②溶解的溶质从固体内部流体中扩散达到固体表面；③溶质继续从固体表面通过液膜扩散而到达外部溶剂的主体中。影响浸提速度的因素包括：①可浸提物质的含量；②原料的形状和大小；③温度；④溶剂。浸提的基本概念浸提是将溶剂加入固相或另一液相混合物中，其中所含的一种或几种组分溶出从而使混合物得到完全或部分分离的过程。统称为溶剂萃取。其中液体溶剂对固体混合物进行的溶质萃取过程称为固－液萃取，也称为浸出、浸提或浸沥。浸取适用的原料粘性无组织结构新鲜易于膨胀浸提热浸冷浸适用于提取遇热易被破坏的物质及含淀粉、树胶、果胶、黏液质的样品，从含淀粉较多的苦豆子种子中提取生物碱，就是在冷的稀盐酸水浸出生物碱。由于提高温度有利于有效成分的溶解度故提取效果较冷浸好。该方法操作时间长，浸出溶剂用量大往往浸出效率差，不易完全浸出，不适合有效成分含量低的原料分离原料预处理（破碎或切片）混合提取过程浸提溶剂的选择原则（1）溶质的溶解度大，以为节省溶剂用量；（2）与溶质之间又足够大的沸点差，以便于回收利用；（3）溶质在溶剂的扩散阻力小，即扩散系数大和黏度小；（4）价廉易得，无毒，腐蚀性小等。浸提理论•扩散现象：分子热运动随意弥散的宏观现象。•渗透现象：只允许溶剂通过，而不允许溶质通过的半透膜。•浸析现象：浸析膜除了能允许溶剂通过之外，还允许一些中小分子的溶质通过却不能让大分子胶体物质通过。浸提平衡浸提系统由3种组分，即溶剂、溶质(目标浸提物)和惰性固体构成。浸提系统的平衡关系：极其复杂，其机理尚未完全搞清楚。但较多采用以下模型：假定在不溶性的多孔惰性固体(A量)内部含有不被固体所吸附的溶质B。溶质量B对所加溶剂量S而言，假定是在饱和溶解度以下。如果固体与溶剂经过长时间的充分接触，则溶质完全溶解，并且固体空隙中的液体浓度等于周围液体的浓度，这时液体的组成不随更长的接触时间而改变。这种级接触则称为理论级。或称理论效。固体的浸提过程的步骤1.溶剂浸润进入固体内，溶质溶解2.溶解的溶质从固体内部流体中扩散达到固体表面3.溶质继续从固体表面通过液膜扩散到达外部溶剂的主体。溶剂S原料F0溢流E1底流W萃取设备设备级式固定床浸取装置连续移动床浸取装置单级浸取罐多级固定床浸取系统U型管式浸取器平转式浸取器超临界流体萃取(SCFE)是近30多年来出现的一种新型的萃取分离技术特性：低能耗、无污染、无残留和适宜处理易受热分解的热敏性物料第三节超临界萃取设备某一纯物质的临界温度是指在任何高压下均不能使该物质液化的最低温度，与此温度点相对应的压力称为临界压力。在压温图中，高于临界温度和临界压力的区域称为超临界区，此时的流体称为超临界流体。在超临界区域内，压力稍有变化，超临界流体对溶质的溶解能力也会发生很大变化。原理：超临界气体的密度接近于液体，这使它具有与液体溶剂相当的萃取能力。超临界流体的黏度和扩散系数与气体相近似，使它具有非常好的传质性能。超临界流体作为萃取剂还具有良好的选择性；在超临界区域内，压力稍有变化，即引起超临界流体的密度发生很大的变化，从而它对溶质的溶解能力也会发生很大变化。压力变化即引起超临界流体的相态发生变化，从而有利于溶质和萃取剂的分离。超临界流体性质超临界流体萃取系统主要由四部分组成①溶剂压缩机(即高压泵)。②萃取器