超声波连续萃取（精选五篇）
超声波连续萃取 篇1
为改变现阶段中药提取溶媒消耗量大、能耗高、提取时间长、自动化程度低, 而且对热敏性成分具有操作温度高、停留时间过长等缺点, 温州市成东药机有限公司于2009年承担了浙江省重大科技专项———数字化超声连续中药萃取装置, 彻底改变了传统的中药提取工艺。其工作原理是:中药材经粉碎后自动进入超声波连续萃取装置, 经超声波连续萃取装置进行较低温度超声波萃取 (萃取温度一般低于65℃) 后, 提取药液和药渣连续进入固液离心分离机, 经分离后提取液进入提取液贮罐, 药渣自动排出。
与传统提取工艺相比, 其有以下特点:应用了数字化控制先进技术, 对萃取温度、时间、超声频率及功率、进料及进液速度等实现数字化动态自动控制, 实现了远程操作控制, 实现了常温 (或较低温度) 常压超声连续萃取生产;设计螺旋式物料输送机构, 实现连续批量自动化生产, 自动上料, 自动进料, 自动出渣;萃取效率高, 提取得率比传统工艺提高30%以上, 萃取时间比常规提取缩短30%以上, 溶媒消耗降低50%以上。
超声波连续萃取 篇2
1 数字化超声连续中药萃取装置与传统中药提取生产工艺
数字化超声连续中药萃取装置改变了传统中药提取的工艺, 提高了生产效率, 也降低了生产成本, 其流程如图1所示。中药材经粉碎后自动进入超声波连续萃取装置, 经超声波连续萃取装置进行较低温度超声波萃取 (萃取温度一般<65℃) 后, 提取药液和药渣连续进入固液离心分离机, 经分离后提取液进入提取液贮罐, 药渣自动排出。
常规中药提取工艺如图2, 其采用多功能提取罐间歇提取。先从投料口加入适量的中药材, 然后向提取罐中加药材的6～10倍的溶媒, 开通蒸汽进行加热提取。蒸煮2～3 h后, 用泵抽出药液至提取液贮罐, 再加一定比例的溶媒进行蒸煮提取, 一般要加热提取2～3次, 所加溶媒量是中药材的18～30倍。提取完成后, 打开提取罐, 倒出药渣。而用多功能提取罐提取的缺点是使用溶媒量大、操作时间长、提取温度高、有效成分损失严重、能源消耗大以及提取效率低。尽管提取工艺几经改进, 但仍不能克服其缺点, 难以与现代化制药工业要求相吻合。
2 数字化超声连续中药萃取装置的结构
数字化超声连续中药萃取装置如图3所示, 主要由以下部分组成:数字化控制系统、驱动电机、机架、传动机构、螺旋进料机构、药液槽、超声波振子、蒸汽夹套、进料口、出渣口、减速机调节座等。
1—驱动电机2—机架3—传动机构4—药材进口5—螺旋进料机构6—溶媒进口7—药液槽8—超声波振子9—蒸汽夹套10—出渣口11—减速机调节座12—调节垫块
2.1 数字化控制系统
采用数字化对提取过程中的温度、时间、溶媒流量、进料速度、超声波功率等工艺参数进行自动控制。因模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数设定不方便、温度漂移严重、容易老化等缺点, 专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电路的控制线路, 提高了控制信号的开关频率, 提高了电路的可靠性。但是由于阻容元件的存在, 模拟控制电路的固有的缺陷, 如元件参数的精度和一致性, 元件老化等问题依然存在。此外, 模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活、通用性不强等问题。
用数字化方法代替模拟控制, 可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点, 有利于参数的整定与变参数调节, 便于通过程序软件的改变, 方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略。同时, 可减少元器件数目, 简化硬件结构, 从而提高系统的可靠性。此外, 还可以运行数据的自动储存和故障自动诊断, 有助于实现电路装置运行的智能化。
2.2 渐近式螺旋进料机构
通过研究萃取装置贮槽内中药材及溶媒的运动轨迹、运动方式, 并建立动力学模型, 研究药材运动速度与溶媒流量的关系, 研发出一种渐近式螺旋进料机构, 螺旋孔板上设计腰形孔便于溶媒通过。螺旋进料机构实行进3圈、退2圈的运动方式, 保证溶媒与药材充分接触, 并将超声波能传递到药材上, 实现了连续自动化生产。
渐近式螺旋进料机构由驱动电机、传动机构、带孔板的螺旋输送器等组成。
2.3 超声波萃取系统
超声波萃取是利用其机械效应、空化效应及热效应, 并通过增大介质分子的运动速度, 增大介质的穿透力以提取中药有效成分的方法。当超声波发生器发出的高频振荡信号, 通过浸入式振合转换成高频机械振荡而传播到提取液介质中, 超声波在提取液中疏密相间地向前辐射, 使液体振荡而产生许多的微小气泡, 这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长, 而在正压区迅速闭合。在这种被称作“空化”效应的过程中, 连续不断作用于溶质, 使中药材及其他天然物在溶液中产生“湍动”效应, 使边界层减薄, 产生界面效应增大了固液两相的传质面积, 产生聚能效应活化了分离物质。经超声处理的植物细胞壁被击破, 而形成空洞, 细胞周围轮廓不完整。经超声处理后, 在超声波的空化、粉碎等特殊作用下, 细胞在溶媒中瞬时产生的空化泡崩溃而破裂, 以便溶媒渗透到细胞内部, 从而使细胞中的有效成分溶于溶剂之中, 从而达到了提取有效成分的目的。
超声波系统由超声波发生器、固定在药液贮槽底部的3排超声波振子、连接电缆等组成。超声波振子与装置壳体采用特殊的超强树脂粘接与摩擦焊接相结合的连接方法, 能承受高温及较大的剪切力, 超声波振子使用寿命长, 安全可靠。
为了使超声波换能器高效率工作, 不但要求发生器提供的电能有足够的功率, 而且要求其频率与换能器的谐振频率一致。我们研发了具有自动调节频率的控制电路, 即通常称的自动频率跟踪或简称频率跟踪。简言之, 频率跟踪就是利用反馈技术, 自动调节发生器的振荡频率, 使其随着换能器谐振频率的变化而改变, 以保持换能器始终工作在某种设定状态下。电反馈是对换能器的电流和电压采样, 再对采样信号进行一定处理, 然后送回到发生器去控制振荡频率。这种反馈完全借助电子元器件实现, 制作方便。我们对萃取器装置内超声频率、声强度、提取时间、温度、料液比等工艺参数, 通过采用均匀设计方法进行实验探索出最佳方案, 保证了最大提取得率。
2.4 蒸汽夹套
由于超声波在55℃左右的温度条件下提取效果最佳, 所以本装置在药液贮槽的底部设计了2条蒸汽夹套, 在超声波萃取时, 对药液贮槽内的药液进行加热, 以保证超声波在55℃左右的最佳工作温度。但提取温度一般不超过65℃。
2.5 固液离心分离机
提取液的固液分离是中药生产的重要步骤, 在提取罐提取工艺中, 主要采用筒式过滤器进行粗过滤、半精过滤、精过滤, 但是这种过滤器必须频繁人工更换、清洗过滤网, 不能实现在线清洗, 过滤精度低, 不易实现自动控制。
将螺旋自动卸料离心机应用于数字化超声连续萃取装置后工序的固液分离, 其工作原理如下:离心机通过变频器逐步升速, 在转鼓带轮和差速带轮的带动下, 转鼓与差速器的输入轴达到额定转速n1、n2, 由于差速器的作用, 使螺旋输送器产生一个超前转鼓的稳定差转速⊿n, 以实现螺旋卸料功能, 机器转速稳定后, 从数字化超声连续萃取装置出来的提取液和含有药液的渣由进料管进入离心机, 经螺旋加速斗加速进入转鼓的小端内, 在强大的离心力场作用下, 大于滤网缝隙的固相被滤网截留下来, 经螺旋推动, 固相不断地被推向转鼓的大端, 离心力不断增加作进一步脱水 (需进行洗涤的物料在转鼓中部, 经洗涤水喷淋洗涤脱水) , 最终在转鼓大端由机壳收集经卸料口排出。而进入转鼓的液相, 穿过滤网与开槽转鼓并由排液口排出。在整个分离脱水、洗涤过程中物料不断地输入, 分离后的提取液及固相分别不断地排出, 实现了连续自动分离。
螺旋卸料固液分离离心机应用于中药生产, 使提取液中药渣固液分离更彻底、过滤精度更高、不需更换滤网、实现了在线清洗、易于实现自动化控制, 符合GMP要求。
3 数字化超声连续中药萃取装置的特点
与常规提取工艺相比, 数字化超声连续中药萃取装置具有如下特点:
(1) 应用了数字化控制先进技术, 数字模块系统替代传统的电气模拟控制系统, 对萃取温度、时间、超声频率及功率、进料及进液速度等实现数字化动态自动控制, 实现了远程操作控制, 实现了常温 (或较低温度) 常压超声连续萃取生产;
(2) 设计螺旋式物料输送机构, 实现连续批量自动化生产, 自动上料, 自动进料, 自动出渣, 降低了生产成本, 实现了自动控制;
(3) 萃取效率高。运用超声波强化萃取使中药有效成分萃取更充分, 提取得率比传统工艺显著提高30%以上, 萃取时间比常规提取缩短1/3以上, 溶媒消耗降低50%以上;
(4) 超声萃取适应性广, 不受成分极性、分子量大小的限制, 适用于绝大多数种类中药材和各类成分的提取, 也可实现常温、常压提取, 对遇热不稳定、易水解或氧化的药材中有效成分具有保护作用, 同时大大节约能耗;
(5) 萃取药液杂质少, 有效成分易于分离、纯化。萃取成本低, 综合经济效益显著。
4 结语
超声波连续萃取 篇3
关键词：Aspen Plus,萃取精馏,异丙醇,水,二甲基亚砜 (DMSO)
0 引言
异丙醇是一种重要的化工原料和有机溶剂, 在农药、医药、电子、日常化学品等领域具有广泛的用途[1,2,3]。化工生产中经常需要从异丙醇的水溶液中回收异丙醇, 常压下异丙醇与水在80.3℃时形成组分分别为87.4%和12.6% (质量分数) 的共沸物[4], 因此采用普通蒸馏方法难以得到高纯度的异丙醇。异丙醇-水体系的传统分离工艺是苯共沸物精馏法[5,6,7], 该分离工艺的能耗较大, 且共沸剂在生产操作中存在人身危害和环境污染问题, 因而逐渐被新的工艺所取代。本文采用萃取精馏法, 其具有能耗低、污染少等优点, 而且采用连续萃取精馏流程可将萃取剂循环利用[8,9,10]。但萃取精馏也存在溶剂用量大、回收成本高的不足[11]。选择优良的萃取剂, 优化萃取精馏效果, 是萃取精馏的重要研究课题。
本文以异丙醇和水体系为研究对象, 通过绘制拟二元汽液平衡相图, 筛选出合适的萃取剂, 通过Aspen Plus软件的灵敏度分析工具的结果, 得到双塔连续萃取精馏全流程的最优工艺条件, 旨在优化最佳分离操作条件, 为工业化设计提供理论指导。
1 萃取精馏过程模拟
1.1 萃取分离异丙醇-水体系萃取剂的筛选
萃取精馏适用于共沸物系和近沸物系的分离, 主要原理是在原料液中加入一种或几种物质 (称为萃取剂或溶剂) , 以改变原有组分之间的相对挥发度而使其得以分离。决定萃取精馏可行性和经济性的关键是萃取剂的选择, 选择优良的萃取剂, 才能很好的优化萃取精馏效果, 目前主要的萃取剂选择方法有:实验方法[12]、计算机辅助分子设计方法 (CAMD) [13]、人工神经网络方法 (ANN) [14]。本文用模拟软件Aspen Plus中的Property Analysis功能, 计算了萃取剂存在下异丙醇-水的汽液平衡关系, 绘制了拟二元汽液平衡相图, 实现了萃取剂的初步筛选, 考察了二甲基亚砜 (DMSO) 、N, N-二甲基甲酰胺 (DMF) 、环丁砜及乙二醇甲醚4种常用溶剂, 计算了单一溶剂存在下异丙醇-水的汽液平衡, 并将汽液相中分别除去溶剂, 绘制了拟二元汽液平衡相图。由图一可见, 按溶剂比 (萃取剂对原料的体积比) 为1.6, 分别加入二甲基亚砜 (DMSO) 、N, N-二甲基甲酰胺 (DMF) 、环丁砜及乙二醇甲醚, 原料中两组分的相对挥发度均有改变, 加入二甲基亚砜 (DMSO) 后, 相对挥发度改变的程度最大, 分离最容易, 因此合适的萃取剂是二甲基亚砜 (DMSO) 。
1.2 工艺流程
萃取精馏分离流程是由萃取精馏塔和萃取剂回收塔组成的双塔连续萃取精馏流程 (见图二) 。溶剂和原料分别从萃取精馏塔进料, 在塔顶得到产品异丙醇, 含有水和萃取剂二甲基亚砜 (DMSO) 的塔釜液由中间泵进入萃取剂回收塔, 在萃取剂回收塔塔顶得到水, 塔釜得到的萃取剂经冷凝器冷凝和循环泵输送后与新鲜萃取剂在混合器中混合后返回萃取精馏塔循环使用。
S:萃取剂进料;F:原料液进料;D1:异丙醇产品;W1:水-萃取剂混合物;D2:水;W2:回收得到溶剂;T1:萃取精馏塔;T2:溶剂回收塔;P1:中间泵;P2:循环泵;E:冷却器;M:混合器
1.3 模拟条件与结果
原料进料为异丙醇和水混合物, 选择DMSO为萃取剂, 利用化工模拟软件Aspen Plus中的Radfrac模块对萃取精馏塔进行模拟, 并应用灵敏度分析模块对全塔理论板数、原料进料位置、萃取剂进料位置、回流比、溶剂比 (萃取剂对原料的摩尔比) 进行优化, 最终确定了最佳工艺方案。萃取精馏塔的工艺操作参数如表一所示, 最终模拟计算结果如表二所示。从表二最终的模拟结果可以看出, 馏出液中异丙醇的摩尔纯度为0.9980, 达到工业异丙醇的质量标准[15]。萃取剂回收塔塔顶水的纯度达到99.58%;萃取剂DMSO的循环补充量为0.0288kmol/h, 回收率达99.98%。
2 结论
(1) 运用化工模拟软件Aspen Plus中的Property Analysis功能, 基于UNIFAC物性模型, 计算并绘制了不同萃取剂下异丙醇-水的拟二元汽液平衡相图, 筛选出合适的萃取剂为二甲基亚砜 (DMSO) 。
超声波连续萃取 篇4
异丙醇 (IPA) 是一种重要的有机化工原料和有机溶剂, 主要用在制药、化妆品、塑料、香料、涂料及电子工业上[1]。异丙醇一般通过丙烯水合法得到, 将丙烯溶解在硫酸溶液中发生酯化反应生成硫酸氢异丙酯和硫酸二异丙酯, 再经水解制得粗异丙醇, 最后经精制得到高纯度的异丙醇产品[2], 那么产品中就存在异丙醇- 水的混合物, 而常压下异丙醇与水可形成最低共沸混合物, 共沸组成中异丙醇的质量分数为87.4%, 共沸点温度为80.3℃[3]。因此, 采用普通蒸馏方法难以得到高纯度的异丙醇。传统的异丙醇- 水共沸物分离采用共沸精馏法, 通常用苯做为共沸剂, 此种工艺的能耗较大, 且共沸剂在生产操作中存在人身危害和环境污染问题[4]。近几年对异丙醇- 水分离新工艺进行了较多研究, 有共沸精馏法[5]、吸附蒸馏法[6]、膜分离法[7]、萃取精馏法[8]等, 萃取精馏是其中一种重要手段。朱登磊等[8]采用间歇萃取精馏的方法对异丙醇- 水共沸体系进行了研究, 得到了较好的分离效果, 但是没有对萃取剂回收并循环利用的连续萃取精馏进行研究。相对传统的共沸精馏而言, 由于萃取精馏所采用溶剂沸点较高, 不易挥发, 溶剂从塔釜排放, 因而具有能耗低、污染少等优点, 而且采用连续萃取精馏流程可将萃取剂循环利用, 但萃取精馏也存在溶剂用量大、回收成本高的不足[9]。选择优良的萃取剂, 优化萃取精馏效果, 是萃取精馏的重要研究课题。
本文以异丙醇和水体系为研究对象, 通过绘制拟二元汽液平衡相图, 筛选出合适的萃取剂, 在稳态设计的基础上进行灵敏度分析, 并系统讨论了各操作参数对分离效果和热负荷的影响, 得到最优工艺参数。
1萃取精馏过程模拟
1.1萃取分离异丙醇- 水体系萃取剂的筛选
决定萃取精馏可行性和经济性的关键是萃取剂的选择。适宜的萃取剂需具备以下要求:选择性高, 溶解度大、挥发性小、热稳定性和化学稳定性高、腐蚀性和毒性小、来源容易、价格低廉。目前主要的萃取剂选择方法有:实验方法[10]、计算机辅助分子设计方法 (CAMD) [11]、人工神经网络方法 (ANN) [12]。本文考察了萃取分离异丙醇- 水体系常用的4种萃取剂, 分别是乙二醇、N, N- 二甲基甲酰胺 (DMF) 、环丁砜及乙二醇甲醚, 采用相同的热力学方法UNI- FAC, 计算了萃取剂存在下异丙醇- 水的汽液平衡关系, 考察了4种萃取剂单一溶剂存在下并将汽液相中分别除去溶剂, 溶剂比 (萃取剂对原料的摩尔比) 皆为1.3的条件下, 对异丙醇- 水气液平衡的影响。图一结果显示乙二醇的选择性最强, 其次依次为环丁砜、 乙二醇甲醚、N, N- 二甲基甲酰胺 (DMF) 。因此合适的萃取剂是乙二醇。
1.2工艺流程
双塔连续萃取精馏的工艺流程所包含的设备为萃取精馏塔、萃取剂回收塔、冷凝器、混合器, 工艺流程如图二所示。原料为异丙醇和水的混合液, 在萃取精馏塔的中下部加入。萃取剂为乙二醇, 在萃取精馏塔的上部加入, 以保证塔板上液相中具备足够的萃取剂。萃取精馏塔塔顶获得纯度较高的异丙醇产品, 塔釜的水和萃取剂乙二醇被送入萃取剂回收塔, 进行普通精馏。萃取剂回收塔塔顶获得纯度较高的水, 塔釜得到的萃取剂经冷却器冷却与新鲜萃取剂在混合器中混合后返回萃取精馏塔循环使用。
1.3模拟条件与结果
原料进料为异丙醇和水混合物, 选择乙二醇为萃取剂。模拟的初始设定值如表一所示, 全流程模拟计算结果如表二所示。
2工艺参数优化
利用化工模拟软件Aspen Plus中Radfrac模块对萃取精馏塔进行模拟, 并应用灵敏度分析工具对全塔理板数、原料进料位置、萃取剂进料位置、回流比、溶剂比 (萃取剂对原料的摩尔比) 进行优化, 确定最佳工艺方案。
2.1全塔理论板数对分离效果的影响
全塔理论板数对精馏塔的分离效果影响较大。 利用ASPEN灵敏度分析工具, 保持原料进料位置为第11块理论板、萃取剂进料位置为第3块理论板、回流比为2、溶剂比为1不变, 考察不同全塔理论板数对异丙醇纯度的影响。计算结果如图三所示。
从图三中可以看出, 当全塔理论板数在18~26之间增加时, 塔顶异丙醇摩尔分数逐渐增大, 塔釜异丙醇摩尔分数逐渐减小, 从28块全塔理论板数开始, 异丙醇的纯度几乎不再有变化。同时, 由于过高的塔板数还会增加设备的制造成本。因此, 选择全塔理论板数为28较为合理。
2.2原料进料位置对分离效果与热负荷的影响
原料进料位置对萃取精馏塔塔顶异丙醇摩尔分数 (XD) 、再沸器热负荷 (QR) 和冷凝器热负荷 (QC) 的影响见图四。工艺条件为:全塔理论板数28块、萃取剂进料位置为第3块、回流比为2、溶剂比为2。
由图四可见, 当原料进料位置沿塔由上至下变动时, 塔顶异丙醇摩尔分数先升高后降低, 塔釜异丙醇摩尔分数先降低后升高。当原料进料位置为20~ 23块理论板时, 塔顶异丙醇摩尔分数达到最大值同时塔釜达到最小值。塔顶异丙醇摩尔分数先升高其原因为随原料进料位置的下移, 塔的精馏段增长, 使得异丙醇和水的分离效果逐渐增强;后降低的原因为在选择原料进料位置时, 应使原料进料组成与塔板上两组分的组成相近。否则, 将会破坏塔内浓度分布, 影响分离效果。在此工艺操作条件下, 萃取精馏塔内组分液相组成 (去溶剂) 分布见图五。从图五可知, 第21块塔板异丙醇- 水的液相组成在68∶ 32左右, 与原料进料组成相近, 并且异丙醇- 水共沸物能够达到很好的分离效果。因此, 综合考虑选择第21块板为原料最佳进料板。
2.3萃取剂进料位置对分离效果的影响与热负荷的影响
萃取剂进料位置对萃取精馏塔塔顶异丙醇摩尔分数 (XD) 和再沸器热负荷 (QR) , 冷凝器热负荷 (QC) 的影响见图六。工艺条件为:全塔理论板数28块、原料进料位置第21块、回流比为2、溶剂比为1。
由图六可见, 当萃取剂进料位置沿塔由上至下变动时, 塔顶异丙醇摩尔分数先升后降, 塔釜异丙醇摩尔分数先降后升。萃取剂的最佳进料位置为第3块理论板, 塔顶异丙醇摩尔分数达到0.9957。此时再沸器和冷凝器的热负荷也相对较低。表明萃取剂进料位置应选择在萃取精馏塔的上部, 以保证塔内具有较高的萃取剂浓度。同时, 应距塔顶若干块板以回收萃取剂, 防止萃取剂进入塔顶产品。因此, 选择第3块板进料较为合适。
2.4回流比对分离效果的影响与热负荷的影响
回流比对萃取精馏塔塔顶异丙醇摩尔分数 (XD) 、再沸器热负荷 (QR) 和冷凝器热负荷 (QC) 的影响见图七。工艺条件为:全塔理论板数28块、原料进料位置第21块、萃取剂进料位置第3块、溶剂比为1。
由图七可见, 当回流比小于2.2时, 随着回流比的增大, 塔顶异丙醇摩尔分数急剧增大, 同时塔釜急剧下降。回流比大于2.6后, 塔顶异丙醇摩尔分数逐渐小, 同时塔釜逐渐增大。回流比处于2.2~2.6时可获得最的分离效果, 达到0.9988。在普通精馏中, 回流比与塔顶产品的分离效果是单调递增的, 但是萃取精馏却不同, 过多或过少的回流对产品纯度都是不利影响, 这是因为在本体系中, 回流量过少, 更多的萃取剂进入塔顶而降低馏出物异丙醇的纯度, 如果回流量过大, 富余的异丙醇稀释了塔内的萃取剂浓度, 使得更多水进入塔顶[13], 同时热负荷较低。因此, 选择回流比为2.4比较合适。
2.5溶剂比对分离效果的影响与热负荷的影响
溶剂比对萃取精馏塔塔顶异丙醇摩尔分数 (XD) 、再沸器热负荷 (QR) 和冷凝器热负荷 (QC) 的影响见图八。工艺条件为:全塔理论板数28块、原料进料位置第21块、萃取剂进料位置第3块、回流比为2.4。
由图八可见, 当溶剂比小于1.2时, 塔顶异丙醇摩尔分数迅速增大, 塔釜迅速减小。当溶剂比大于1.4时两者的变化均不明显。这主要是由于随溶剂比的增大, 塔内各塔板上溶剂的含量增大, 从而加强了萃取剂与异丙醇、水间的相互作用, 有效地增大了二者间相对挥发度, 使得分离效果增强;但溶剂比若继续增大, 萃取剂对塔内异丙醇- 水物系有稀释作用, 降低了萃取剂的作用, 使得分离的效果增强不明显。当溶剂比为1.3时, 塔顶异丙醇摩尔分数已高达0.9991, 继续增大溶剂比, 萃取精馏塔的能耗增加 (如图八所示) , 且同时也会增大溶剂回收塔的负荷, 经济上不合理。由图九可见, 随着乙二醇与异丙醇- 水的摩尔比的增加, 异丙醇- 水体系的相对挥发度产生了较为显著地影响, 当溶剂比小于2时, 对异丙醇- 水体系的相对挥发度的影响显著, 当溶剂比大于2时, 这种影响效果较为平缓, 综合能耗和分离效果等因素, 选择溶剂比为1.3。
2.6工艺参数优化结果
通过以上的灵敏度分析与参数优化, 得到最佳操作参数为:萃取精馏塔全塔理论板数为28, 原料进料位置为第21块理论板, 萃取剂进料位置为第3块理论板, 回流比为2.4, 溶剂比为1.3, 塔顶为全凝器, 全塔压力为1 atm。萃取剂回收塔全塔理论板数为21, 进料位置为第8块理论板, 回流比为0.5, 塔顶为全凝器, 全塔压力为1 atm。在此优化操作参数下进行模拟, 模拟结果见表三。通过与表二中优化前模拟结果对比可以看出, 馏出液中异丙醇的摩尔分数从0.9721提高到0.9991, 达到工业异丙醇的质量标准[14]。萃取剂回收塔塔顶水的纯度达到99.81%; 萃取剂乙二醇的循环补充量为0.0087kmol/h, 回收率达99.993%。
3结束语
(1) 运用化工模拟软件Aspen Plus中的Proper- ty Analysis功能, 基于UNIFAC物性模型, 计算并绘制了不同萃取剂下异丙醇- 水的拟二元汽液平衡相图, 筛选出合适的萃取剂为乙二醇。
(2) 运用Aspen Plus软件的Radfrac模块, 模拟了异丙醇- 水共沸物的连续萃取精馏分离过程, 并用Sensitivity灵敏度分析工具分析了不同因素对分离效果的影响。提出最佳工艺方案为:萃取精馏塔的全塔理论板数为28, 原料和萃取剂进料位置分别为第21块和第3块理论板, 回流比为2.4, 溶剂比为1.3。
(3) 在最佳工艺方案下, 异丙醇的分离效果达99.91%, 萃取剂回收塔塔顶水的纯度达到99.81%, 塔底乙二醇纯度达到99.99%;萃取剂乙二醇的循环补充量为0.0087kmol/h, 回收率达99.993%。模拟与优化结果为异丙醇- 水共沸物连续萃取精馏分离过程的设计和操作提供了参考。
摘要：本文运用化工过程模拟软件Aspen Plus V7.3对异丙醇-水最低共沸物系的连续萃取精馏过程进行了模拟与优化。通过绘制拟二元汽液平衡相图, 筛选出合适的萃取剂为乙二醇, 确定了双塔连续萃取精馏的工艺流程, 并利用灵敏度分析工具考察了萃取精馏塔的全塔理论板数、原料进料位置、萃取剂进料位置、回流比、溶剂比 (萃取剂对原料的摩尔比) 对分离效果的影响。确定的最佳工艺方案为:全塔理论板数为28, 原料和萃取剂分别在第21块和第3块理论板进料, 回流比为2.4, 溶剂比为1.3。在此工艺条件下:萃取精馏塔塔顶异丙醇的分离效果达99.91%, 萃取剂回收塔塔顶水的纯度达到99.81%;萃取剂乙二醇的循环补充量为0.0087kmol/h, 回收率达99.993%。模拟与优化结果为异丙醇-水共沸物连续萃取精馏分离过程的设计和操作提供了参考。
超声波连续萃取 篇5
本文采用丙酮/正己烷(1∶1)混合溶剂[4]超声提取谷物中的有机氯,并用硅胶和氟罗里硅混合层析柱净化样品,取得较好的提取和净化效果。
1 实验部分
1.1 主要仪器与试剂
GC-17Aver气相色谱仪带电子捕获检测器(63Ni放射源);KQ-250V型超声波清洗器;TTL-DCⅡ型恒温水浴氮吹仪;高速万能粉碎机;1%电子天平JA21002;正己烷(C6H14,色谱纯)、丙酮(CH3COCH3,色谱纯)、无水硫酸钠(Na2SO4,在300 ℃烘箱中烘烤4 h,放入干燥器备用);氟罗里硅土:柱层析用,0.154 mm,在400 ℃干燥2 h;硅胶:柱层析用,0.154 mm,在300 ℃干燥4 h;有机氯标准溶液:20 mg·L-1六六六(BHCs)和滴滴涕(DDTs)有机氯农药混合标准溶液(包括8种组分:α-BHC、β-BHC、r-BHC、δ-BHC、P,P→-DDE、O,P→-DDT、P,P→-DDD、P,P→-DDT)。
1.2 实验步骤
1.2.1 稻谷样品的制备
将所采集的稻谷样品背光条件下自然风干,去壳,粉碎,经0.154 mm金属筛筛分后用四分法缩分得所需样品。
1.2.2 稻谷样品的提取
准确称取10.00 g已粉碎的稻谷样品置于装入100 mL的具塞锥形瓶中,用丙酮∶正己烷(1∶1)混合溶剂30 mL浸泡过夜。用超声波提取15 min,将提取液滤至另一锥形瓶中收集。再用超声波重复提取样品1次,并用丙酮∶正己烷(1∶1)混合溶剂清洗样品2次,将所有溶剂合并到提取液中。将全部提取液于氮吹仪中浓缩至2～3 mL,待净化。
1.2.3 样品的净化与分离
硅胶和氟罗里硅混合层析柱净化样品:层析柱为长15 cm、内径10 mm的玻璃柱,采用湿法装柱,用脱脂棉将层析柱底端塞住,装柱前先加入10 mL正己烷再依次加入1 cm高的无水硫酸钠,2 g硅胶,4 g氟罗里硅土,1 cm高的无水硫酸钠。再用10 mL丙酮∶正己烷(1∶9)混合溶剂活化柱子,调整层析柱活塞使溶液缓慢流出至溶剂接近无水硫酸钠上层为止。将初步浓缩的提取液全部转移至层析柱内,用30 mL丙酮∶正己烷混合溶剂1 mL·min-1速度淋洗样品。将净化后的样品溶剂转移至氮吹瓶中,在恒温为30 ℃的氮吹仪上氮吹至近干。用正己烷定容1 mL,供气相色谱分析。
2 结果与讨论
2.1 色谱条件的选择
DB-1色谱柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm);进样口温度250 ℃;检测器温度280 ℃,电流1 nA;程序升温初始温度为120 ℃保持2 min,以50 ℃·min-1升到190 ℃保持10 min;然后以20 ℃·min-1升到250 ℃保持12 min;分流进样,分流比1∶5;载气为高纯氮气,线速度为20 cm·s-1;进样量为1 μL,外标法定量计算。100 μg·L-1标准样品色谱图如图1。
1.α-BHC;2.β-BHC;3.γ-BHC;4.δ-BHC;5.P,P→-DDE;6.O,P→-DDT;7.P,P→-DDD;8.P,P→-DDT
2.2 萃取溶剂的选择
有机氯农药属于极性较弱的化合物,从谷物中提取有机氯农药残留可选用不同萃取溶剂,其中包括正己烷、丙酮、乙腈和石油醚等溶剂。从操作的安全性、经济和环境角度考虑,比较了正己烷、丙酮单一溶剂和两者混合溶剂提取土壤中有机氯农药组分的效果。结果表明,正己烷提取效率偏低;而丙酮由于其极性大,将样品中杂质也提取出来,干扰色谱峰较多,净化很困难,不可取。在正己烷中加入一定量的丙酮可以增加提取剂的极性,提高萃取效率。正己烷、丙酮∶正己烷(1∶9)、丙酮∶正己烷(1∶1)作提取溶剂分别对同一样品进行回收率实验,结果见表1,丙酮∶正己烷(1∶1)作为提取溶剂加标回收率为79%～112%,较其它2种溶剂有明显提高,保证了8种有机氯的定量回收。
2.3 净化条件的选择
分别单独用硅胶和氟罗里硅层析柱对萃取出来的样品进行净化,发现2种方法的净化效果均不佳,杂峰较多,影响有机氯农药组分的定性和定量。采用硅胶和氟罗里硅混合柱(如1.2.3所述),以丙酮∶正己烷(1∶9)混合溶剂[5,6]作为洗脱溶剂,取得较好的净化效果,且能保证样品加标回收率(见表2)。
2.4 方法检测限、回收率、精密度
在谷物样品中分别添加10 ng·g-1、50 ng·g-1有机氯农药进行回收试验,每个加标浓度水平重复6次,对稻谷的测定结果见表2(外标法)。结果表明,本法对8种有机氯农药残留加标回收率为78%～113%,精密度为3.4%～9.8%。
当取样10.00 g、全量浓缩定容1 mL、进样1 μL时,本法对有机氯农药残留量的检测限为1.0～2.0 ng·g-1(S/N=3),能满足农产品农药残留分析的要求。
3 结论
谷物中的8种有机氯农药以丙酮∶正己烷(1∶1)作提取溶剂,经超声波萃取,取得了较好的提取效果。同时用硅胶和氟罗里硅混合层析柱对谷物样品进行净化,能去除杂质,且保证了各组分的加标回收率。超声波萃取法简单、快捷,价格低廉,适用范围广,其精密度和回收率也可满足农残分析要求。
参考文献
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