用高密气和多孔膜从流体中萃取溶质的方法和系统技术方案

一种用于从流体或高密气中萃取溶质的方法和系统（１０）包括高密气供给源（１２）和气体供应管线（４８），用于将高密气输入压力平衡室（１２２）和含有多孔中空纤维束的可加压组件（１６）。系统（１０）还可包括流体供给源（１４）和流体供应管线（４０），用于将流体输入室（１２２）和组件（１６）。室（１２２）包括浮动的隔膜（２６），用于基本上平衡流体和高密气的压力，以使组件（１６）中膜两侧的压力基本相同。流体和高密气至少之一含有要萃取的溶质，而另一用作萃取介质。溶质萃取由溶质跨过膜的浓度梯度驱动。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及流体萃取，更具体地，涉及用中空纤维膜组件萃取溶质，其中至少一种流体为高密气。
技术介绍
溶质萃取的方法之一是传统的基于平衡的液-液萃取方法，使用接触装置如在萃取塔中的填料。此种萃取方法的一个例子描述在Schultz的美国专利3,477,856中。该`856专利公开了一种从含有香料的材料中分离香料的方法，涉及使用萃取塔用液体二氧化碳萃取香料。在此典型的系统中，将水溶液引入塔顶。同时，液体CO2从塔中较低点进入。由于密度不同，水溶液向下移动，而液体CO2在塔中向上移动，液体CO2与有机溶质形成溶液。然后，此液体CO2-香料相从萃取溶器的顶部移出，二氧化碳蒸发而分离出有机溶质。传统的基于平衡的萃取的限制之一是由于系统基于扩散和取决于重力，所以必须使用不同密度的溶剂。传统的液-液萃取的另一限制是有可能形成稳定的乳液，在此情况下将不发生萃取。此外，萃取器内的接触面积可能因沟流而减少。由于两相间的相互分散，在塔内将趋于形成阻力最小的路径并沿其流动。如果填料不紧，则可能损害两相的扩散，因而损害传质效率。液-液萃取中的另一更近的发展是使用微孔中空纤维膜。在膜萃取器中，很多纤维封装在一起形成纤维束，装入一外壳中。典型地，一种液体通过纤维的腔，另一种液体沿纤维的壳侧通过，溶质跨过多孔纤维膜传递。由于膜萃取是无分散操作，所以系统不需要相间密度不同。此外，因膜稳定了两相间的界面，形成乳液的潜力减少。Seibert，A.F.，et al.，“Hydraulics and Mass Transfer Efficiency ofa Commercial-Scale Membrane Extractor”，Separation Science and Technology，28(1-3)，pp.343-359(1993)。然而，用中空纤维膜组件完成的萃取仅已获得有限的成功。这些组件的传质效率低于所期望的，主要由于大量的壳侧纤维旁路(同上)。壳侧纤维旁路是指组件中大部分纤维被壳侧流体旁路的一种现象。因而，仅利用了纤维总表面积的一小部分，使得组件的效率相对低。此现象可使膜表面积的70％-90％无效(同上)。一些组件试图通过在组件内设立挡板迫使壳侧流体接触更多的膜表面积而降低此旁路问题。然而，此技术不能解决壳侧纤维旁路问题，还增加了组件的生产成本。因此需要有一种用多孔中空纤维膜从流体中萃取溶质的方法和系统，其中减少壳侧纤维旁路并改善传质效率。鉴于上述背景和现有技术的一般描述，需要改善萃取溶质的方法和设备。专利技术概述本专利技术涉及一种从流体或高密气中萃取溶质的方法，及用于进行本专利技术方法的系统。该方法使用在加压下的组件中具有相对两侧的多孔膜，而该膜对溶质为非选择性的，并用作流体和高密气之间的阻挡层。所述高密气在膜的一侧加入组件，所述流体在膜的另一侧加入组件。所述流体和高密气至少之一含有待萃取的溶质，另一种用作萃取介质。所述高密气的密度至少约0.5g/cc，且在所述流体中基本上不混溶从而提供两相。进行所述方法时，组件中膜两侧的压力基本上相同，由流体和高密气之间溶质的浓度梯度驱动跨过膜萃取溶质。如需要，所述方法也可包括在膜的相对侧提供流体的步骤之前用所述高密气干燥所述膜的步骤。优选地，所述高密气和流体在膜的相对两侧通过，更优选地，所述高密气和流体在膜的相对两侧逆流通过。当静态系统迅速达到平衡时，通过的流体和高密气在整个时间内保持浓度梯度，而逆流流动增加所述梯度。所述高密气可选自各种不同的气体，优选二氧化碳。除价廉易得外，二氧化碳还无毒、不易燃、相对惰性、且在萃取产品中不留残余。其它高密气的例子包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯、四氟甲烷、一氯二氟甲烷、一氧化二氮、六氟化硫、氨、氯代甲烷和氟代烃(hydroflurocarbon)。所述氟代烃包括部分地氟化的甲烷、乙烷、和丙烷，如氟代甲烷、三氟甲烷、四氟乙烷(通常称为HFC-134a)、1，1，1，2，3，3，3-七氟丙烷(通常称为P227)、HFC-143a和HFC-125，及其混合物。所述流体可以是任一种不同的流体，例如果汁、果酱、菜汁、菜泥、水包油型乳液、活细胞发酵肉汤和加酶肉汤。如需要，所述流体可以是密度至少约0.5g/cc的第二高密气。要被萃取的溶质可以是在所述流体和高密气中均有一些溶解度的任何溶质，典型地是香料、香精、药物和螫合的金属。所述方法典型地在以下条件下进行温度在约-10℃至约200℃的范围内，压力在约2bar至约700bar的范围内。此温度范围基本上包括所有含水生物系统，此压力范围包括分析和工业规模系统的操作压力。根据本专利技术原理从流体和高密气中萃取溶质的系统包括高密气供应源、流体供应源和如以上方法中所述的可加压组件，所述组件可操作地与所述高密气和流体供应源相连。所述系统还可包括用于在膜的相对两侧通过高密气和流体的装置，以及用于在所述高密气和流体进入组件之前大体上平衡高密气和流体的压力的装置。如需要，所述压力平衡装置可包括用于大体上防止在加压组件内萃取之前在所述压力平衡装置内的溶质萃取的装置。此外，所述系统可包括用于监控所述高密气、流体和溶质传递量的装置，以及用于在溶质萃取之后使所述气体和流体返回所述高密气和流体供应源的装置。关于多孔膜，优选所述膜为中空纤维膜或中空纤维膜束。使用中空纤维膜可使给定组件内的接触面积高。如需要，可使用其它类型的膜，如螺旋缠绕的膜组件或板框中的平板膜。膜本身可由任一种不同的材料制成，包括例如聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、尼龙、聚磺酸酯、聚碳酸酯、聚酯、乙酸纤维素、硝酸纤维素、纤维素和丙烯酸。所述孔优选为基本上对称的，以使所述膜受膜表面的针形孔缺陷的影响最小。所述孔的直径优选在约0.001微米至约1微米的范围内，更优选约0.1微米至约0.2微米。0.1微米至约0.2微米的范围典型地提供流动特性与对称孔结构的最佳平衡。膜的厚度优选在约0.005毫米至约3毫米的范围内，更优选约0.2毫米至约0.6毫。这些范围提供膜强度和完整性与要求的流动特性间的更好平衡。本专利技术方法和系统的优点之一是通过降低壳侧纤维旁路改善传质效率。与传统的液体相反，高密气一般粘度较低扩散系数较高。这些特性使高密气能在组件内分布于和渗透多得多的纤维表面，从而改善传质效率。进一步的优点是意想不到的高密气能在加入流体之前干燥多孔膜，从而当加入流体时膜的润湿潜力最小，而改善传质效率。另一优点是高密气能以比传统液体溶剂快的速率通过组件。流速是传递效率中的重要因素，但由于反向摩擦力和增加的壳侧纤维旁路限制了传统液体的流速。由于高密气在组件内产生的摩擦小，所以可以较高的速率通过，而改善传递效率。进一步的优点是高密气在萃取期间能充满膜的孔，从而降低发生萃取的边界层厚度，而改善传质效率。再另一优点是当流体进入组件时高密气导致膜的孔不被流体润湿。因此，在与高密气相反的膜侧的流体可以较高的速率通过组件而不置换孔中的高密气，从而改善传质效率。参考以下的附图和描述将进一步理解这些和其它优点和效益附图简述附图说明图1为用于从流体中萃取溶质的本专利技术系统的一优选实施方案的示意流程图；黑箭头表示高密气流，白箭头表示流体流；图2为图1系统的多孔中空纤维膜组件的局部剖面的示意透视本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从流体或高密气中萃取溶质的方法，包括：在加压下的组件中提供有相对两侧的多孔膜，所述膜作为流体和高密气之间的隔层，而且所述膜对所述溶质为非选择性的；所述高密气在所述膜的一侧加入所述组件中，所述流体在所述膜的另一侧加入所述组件中，所 述流体和高密气至少之一含有要萃取的溶质，所述流体和高密气之另一用作萃取介质，所述高密气的密度至少为０．５ｇ／ｃｃ，所述流体和高密气基本上不相互混溶以提供两相；进行所述方法，其中在所述组件中所述膜两侧的压力基本相同；和由所述溶质在所述 流体和所述高密气之间的浓度梯度驱动跨过所述膜萃取所述溶质。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯R罗宾逊，马克J西姆斯，
申请(专利权)人：泰斯特美克公司，分离设备技术公司，马克西姆斯SFE公司，詹姆斯R罗宾逊，马克J西姆斯，
类型：发明
国别省市：US[美国]