一种超临界萃取过程溶解度优化方法技术

技术编号:19423890 阅读:44 留言:0更新日期:2018-11-14 10:09
本发明专利技术属于超临界萃取的生产工艺领域,具体的说是一种超临界萃取过程溶解度优化方法。该方法包括以下步骤:步骤一、温度‑压力过程与溶解度建模;步骤二、温度‑压力解耦控制与溶解度优化计算;步骤三、实验结果的分析。本发明专利技术结合PR状态方程,用新理论和方法研究温度与压力之间的耦合及其解耦模型以改进SFE工作效率,构建了非线性温度‑压力解耦模型,给出了溶解度优化方法,根据设定温度计算最优的工作压力以获得超临界萃取过程最大溶解度,解决了超临界萃取过程中SFE工作效率低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种超临界萃取过程溶解度优化方法
本专利技术属于超临界萃取的生产工艺领域,具体的说是一种超临界萃取过程溶解度优化方法。
技术介绍
超临界流体萃取(SupercriticalFluidExtraction,简称SFE)就是利用超临界流体具有溶解许多物质能力的性质,将其作为萃取剂,根据各物质组分在超临界流体相中的溶解量不同,然后通过减压或调节温度来降低超临界流体的密度,从而降低其溶解能力,达到萃取分离或精制某种特定成分目的的新型分离技术。近二三十年来,随着科技进步和生活水平提高,人们对健康、环境有了新的认识,对食品、医药、化妆品等有关身心健康的产品及相关生产方法提出了更高标准和要求。尽管近年来作为代表“清洁化工”和“绿色化学”理念新技术之一的CO2超临界萃取的实际应用已取得了较大的进展,但由于缺乏超临界流体体系相平衡和萃取过程中传递性质的基础数据,而不能建立满意的关联和预测模型;在超临界状态下,温度等参数控制具有时变、非线性的特点,常规反馈控制手段很难保证萃取温度的精准控制,由此给工业化生产带来了困难。影响超临界流体萃取的因素有物料粉碎粒度、萃取压力、温度、被萃取物本身的性质、CO2的流量、萃取时间、夹带剂、分离压力及分离温度等。超临界萃取过程萃取温度是影响超临界CO2萃取效果的主要因素,对超临界流体溶解性能的影响也是非常显著的。但这种影响表现为双重作用,在压力比较低的条件下,升高温度能够提高待分离组分的挥发度和扩散能力,但这种提高不足以弥补由于温度升高导致超临界CO2密度下降而带来的流体溶解能力减弱,因此表现为溶质的溶解度随温度的升高而下降;在相对高压的条件下,超临界CO2的密度比较大,可压缩性小,此时由于温度升高而使待分离组分蒸汽压和扩散系数的增加大大超过了由于超临界流体密度减小而引起的溶解能力的降低,从而使超临界流体的溶解性能随温度的升高而增强。在临界点附近,温度的微小变化将会引起流体密度很大变化,并相应地表现为溶解度的变化。因此,可以利用温度的变化来实现萃取和分离的过程。CO2超临界萃取过程中温度和压力是相互影响的,但是在实际的生产应用中往往压力能够比较容易的达到理想值,但是温度由于其他因素的影响以及控制方法的原因很难达到最优值。所以在实际应用中实现CO2超临界萃取过程温度的控制成为超临界萃取工艺推广应用的一大难题。温度-压力过程是一非线性系统,由线性和非线性两部分组成。温度和压力的线性部分模型可以很容易获得,其都为SISO模型。非线性部分存在温度和压力的耦合关系。很多方法和模型被提出来描述SFE过程,其中立方型状态方程因其结构简单、形式通用等特点被广泛应用。vdW状态方程由vanderWaals在1873年提出,用来进行蒸汽流量平衡计算。PK状态方程由Redlich与Kwong在1949年提出。RK状态方程由Soave进行改进,并在1979年提出了RKS状态方程。RP状态方程由Peng与Robinson在1976年提出。相比之下,PR状态方程应用最广。文献(HaoLiandS.X.Yang,"ModelingofsupercriticalfluidextractionbyhybridPeng-Robinsonequationofstateandgeneticalgorithms,"IEEE2002InternationalConferenceonCommunications,CircuitsandSystemsandWestSinoExpositions,2002,pp.1122-1126vol.2.)、(S.X.Yang,J.Zeng,C.Guo,F.C.Sun,"ANovelNeuro-FuzzyModelforSupercriticalFluidExtraction",NeuralNetworksandBrain2005.ICNN&B'05.InternationalConferenceon,vol.3,pp.1774-1779,2005.)一个由RBF(radialbasisfunction)和PR状态方程构成的混合模型被提出,其保留了PR模型中的所有物理信息,并优化PR模型参数。结合操作成本、安全和得率等因素,一优化控制系统被设计。然而在SFE过程中,温度与压力相互影响。温度与压力之间的耦合关系在所设计的优化控制系统中没有深入考虑。温度与压力的控制性能直接影响SFE得率与溶解度。
技术实现思路
本专利技术结合PR状态方程,用新理论和方法研究温度与压力之间的耦合及其解耦模型以改进SFE工作效率,构建了非线性温度-压力解耦模型,给出了溶解度优化方法,根据设定温度计算最优的工作压力以获得超临界萃取过程最大溶解度,解决了超临界萃取过程中SFE工作效率低的问题。本专利技术技术方案结合附图说明如下;一种超临街萃取过程溶解度优化方法,方法包括以下步骤:步骤一、温度-压力过程与溶解度建模;步骤二、温度-压力解耦控制与溶解度优化计算;步骤三、实验结果的分析。所述的步骤一的具体方法如下:11)采用灰色技术对SFE过程中的温度和压力过程的UEIGOM进行建模,方程如下:式中,序列为经过灰色计算后生成的序列,单位为K或MPa;a、b、c为UEIGOM模型参数;为模型的残差;为温度或是压力的原始数据序列;为经过累减运算后的序列,即所要获得的温度和压力的UEIGOM模型;Δt为平均时间间隔,12)PR模型建模,方程如下:式中,x∈R2为模型状态变量,x1为温度,单位为K,x2为压力,单位为MPa;u∈R2为模型输入;y∈R2为模型输出,y1为温度,单位为K,y2为压力,单位为MPa;为模型干扰,为压力对温度的干扰,单位为K,η1x1+η2x11/2+η3为温度对压力的干扰,单位为MPa;a1a2b1b2η1η2η3ζ1ζ2ζ3ζ4≠0,它们为系统参数,均为常数;x0=[00]T为模型初始值;;为干扰初始值;令系统(14)可表示为:式中,令e1(x)=a1[-p1(x2)+p1(x20)0]T;e2(x)=a2[0-p2(x1)+p2(x10)]T;可将模型的输出中的干扰转换成状态变量中的干扰,将不可输入输出解耦问题转换为干扰解耦问题。13)溶解度建模,方程如下:对于低挥发性溶质,摩尔分数可以表示为:式中,pv(T)为溶质的蒸气压,单位为MPa;Vm为纯溶质的体积,单位为L;φ2为逸度系数,R为气体常数;T为温度,单位为K,其计算公式为:其中,f(ω1)=0.37464+1.54226ω1-0.26992ω12;f(ω2)=0.37464+1.54226ω2-0.26992ω22;式中,pc,1为二氧化碳临界压力,单位为MPa;pc,2为萃取物质的临界压力,单位为MPa;Tc,1为二氧化碳临界温度,单位为K;Tc,2为萃取物质的临界温度,单位为K;Tb,1为二氧化碳沸点,单位为K;Tb,2为萃取物质沸点,单位为K;所述的步骤二的具体方法如下:21)温度—压力解耦控制温度和压力控制器均采用PID控制器,PID传递函数如下:式中,KP为比例增益;TI为积分时间;TD为微分时间;s为拉普拉斯变换变量。22)溶解度优化计算溶解度优化的目标是寻找最优工作点,即寻找最优的温度与压力以获得SFE过程最大溶解度;萃取过程得率本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种超临街萃取过程溶解度优化方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:步骤一、温度‑压力过程与溶解度建模;步骤二、温度‑压力解耦控制与溶解度优化计算;步骤三、实验结果的分析。

【技术特征摘要】
1.一种超临街萃取过程溶解度优化方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:步骤一、温度-压力过程与溶解度建模;步骤二、温度-压力解耦控制与溶解度优化计算;步骤三、实验结果的分析。2.根据权利要求1所述的一种超临街萃取过程溶解度优化方法,其特征在于,所述的步骤一的具体方法如下:11)采用灰色技术对SFE过程中的温度和压力过程的UEIGOM进行建模,方程如下:式中,序列为经过灰色计算后生成的序列,单位为K或MPa;a、b、c为UEIGOM模型参数;为模型的残差;为温度或是压力的原始数据序列;为经过累减运算后的序列,即所要获得的温度和压力的UEIGOM模型;Δt为平均时间间隔,12)PR模型建模,方程如下:式中,x∈R2为模型状态变量,x1为温度,单位为K,x2为压力,单位为MPa;u∈R2为模型输入;y∈R2为模型输出,y1为温度,单位为K,y2为压力,单位为MPa;为模型干扰,为压力对温度的干扰,单位为K,η1x1+η2x11/2+η3为温度对压力的干扰,单位为MPa;a1a2b1b2η1η2η3ζ1ζ2ζ3ζ4≠0,它们为系统参数,均为常数;x0=[00]T为模型初始值;为干扰初始值;令系统(14)可表示为:式中,令e1(x)=a1[-p1(x2)+p1(x20)0]T;e2(x)=a2[0-p2(x1)+p2(x10)]T;可将模型的输出中的干扰转换成状态变量中的干扰,将不可输入输出解耦问题转换为干扰解耦问题。13)溶解度建模,方程如下:对于低挥发性溶质,摩尔分数可以表示为:式中,pv(T)为溶质的蒸气压,单位为MPa;Vm为纯溶质的体积,单位为L;φ2为逸度系数,R为气体常数;T为温度,单位为K,其计算公式为:其中,f(ω1)=0.37464+1...

【专利技术属性】
技术研发人员:李丙林尤元廉宇峰刘克平尤文
申请(专利权)人:长春工业大学
类型:发明
国别省市:吉林,22

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