连续环状萃取色谱床的性能研究_考虑轴向扩散的传质数学模型.docx

) 3连续环状萃取色谱床的性能研究 (¦考虑轴向扩散的传质数学模型张会平0,秦 炜,李阳兴,戴猷元清华大学 化学工程系, 北京 100084;0 厦门大学 化学工程系, 厦门 361005文 摘 采用柠檬酸水溶液为进料液、去离子水为冲洗液,在连续环状萃取色谱床内实验测定了不同操作条件下的流 出曲线 利用考虑轴向扩散影响的传质过程数学模型, 通过直接拟合实验流出曲线的方法求解相间总传质系数等模型参数, 讨论了该模型的可行性 文中还将采用的模型方法与C a r ta 的模型方法进行了比拟 在同时忽略连续环状色谱床中的轴向扩散和圆周方向扩散影响的情况下, 经常用于描述连续环 状 色 谱 床 流 出 曲 线 的 数 学 模 型 求 算 结 果 是 Sh e r2w oo d 等人5 的近似解和 C a r ta 6的精确解对 于 圆 周 方 向 上 的 脉 冲 进 料 ( ΗF → 0 ) , Sh e r2w oo d 等人的近似解表示为关键词 连续环状萃取色谱床;传质数学模型; C a r ta 模型(K F aB ) 20. 25C (Z , δt) =Qrδ分类号 TQ 028132; TQ 0511861(u Ε) 3 Z t [ (1 - Ε) K ]32Π2δ 112K F aB ZK F aB t2-2exp -连续环状色谱别离技术是在固定床色谱别离技术的研究开发根底上出现的一种连续制备色谱别离 技术。

它具有连续、稳定、操作方便及别离效率高等 优点, 在有机物稀溶液及生物制品别离等领域具有 广阔的应用前景随着连续环状色谱装置的改良及工艺性研究工 作的深入, 对于此类别离过程的传质特性研究和数学模型描述及求解也取得了较大的进展 San k a t 1研究了固定床色谱别离过程与连续环状色谱别离过 程之间的关系, 并在理论上证明了当忽略圆周方向扩散的影响时, 二维稳态的连续环状色谱别离过程 的描述可以转化为通常的一维间歇非稳态的固定床 色谱过程 连续环状色谱床层进口端连续进料和冲 洗可以看做依圆周方向的周期性矩形波进料, 进料角度为 ΗF (= 2ΠQ F ƒ(Q F + Q E ) ) ; 出口端溶质浓度那么 形成依圆周方向分布的、与时间无关的色谱峰形许多研究者2 ～ 4 在忽略连续环状色谱床内圆周方向扩 散影响的前提下, 通过固定床色谱别离过程与连续 环状色谱别离过程的比照, 分析实验结果, 求取模型u ΕK (1 - Ε)式中所有符号的说明见文末Η -C 0 u ΕQ F r 2ΠZ , Q =δt =Ξ uQ F + Q EΞ对于圆周方向上的矩形波进料, C a r ta 的精确解简化后可表示为∞C (Z , Η)ΗF2Π6=ΗF + ΗE +C 0j = 1j ΠΗF 1 expr sin-ΗF + ΗEj j ΠΗF + 2 j ΠΗ -r co s-ΗF + ΗE ΗF + ΗE2 j ΠZ Ξ-u (ΗF + ΗE )K F aB (ΗF + ΗE )r 表示为:r=2Π(1- Ε) K Ξ连续环状色谱床内的轴向扩散及传质特性的研究是这种色谱别离技术的研究及实现工程放大的关 键7, 8 。

在研究了连续环状萃取色谱床内轴向扩散行为的根底上, 利用单组分模拟体系对连续环状萃取 色谱床的传质特性开展实验研究, 建立考虑轴向扩散影响的传质过程数学模型, 并通过直接拟合实验 流出曲线的方法求解相间总传质系数等模型参数,探究其可行性, 为深入研究连续环状萃取色谱别离收稿日期: 1996205220第一作者: 男, 1964 年生, 副教授3 国家自然科学基金资助工程, 29276252j rK F aB Z( j 2 + r2 ) u Εj 2 K F aB Z( j 2 + r2 ) u Ε秦 炜, 等: 连续环状萃取色谱床的性能研究39过程, 进行设备的优化设计提供依据和方法2实验装置及实验方法连续环状萃取色谱床的主体装置由有机玻璃加1数学模型在等温操作条件下, 描述连续环状萃取色谱分离过程的根本关系式应该包括: 1) 物料衡算方程( 或称连续性方程) ; 2) 传质速率方程; 3) 溶质在 流动相和固定相间的平衡关系式 在研究的操作条 件范围内假设: 床层中浸渍树脂填充均匀; 流动相 与固定相相互紧密接触并在流动方向上连续; 流动相在床层内占有固定的体积分率; 流体流速在床层 任一截面上均为恒定; 忽略圆周方向和径向的扩散 效应, 只考虑轴向扩散的影响。

对于恒温、单波带的 单痕量体系, 前述根本关系式可表示如下:1) 物料衡算方程工 制 成 环 状 床 层 的 外 径 为 215 mm , 内 径 为 190mm , 高度为 600mm 床层采用中国核工业总公司五 所的 CL 2TB P 浸渍树脂装填, 树脂中溶剂的质量分 数 w 为 50% , 树脂平均粒径约为 013mm , 床层空隙 率为 0148, 装填有效高度为 580mm 连续环状萃取色谱装置顶端设有进料分布器, 它有两个进料管、四个冲洗管和一个空气加压管 当环状床层连续低速 旋转时, 进料分布器保持静止不动的状态装置的底 端在环状间隙的圆周方向均匀分布着 90 个直径为2mm 的小孔并接有出口管, 以便收集不同圆周方向 的流出样品别离体系为柠檬酸水溶液, 冲洗液为去离子水采用一个进料管进料, 由 L DB 2H J 电子蠕动泵连续 输送柠檬酸水溶液冲洗液那么由 L DB 2A B 组合电子蠕动泵经四个冲洗管连续注入床层内 整个过程保持在常压条件下进行操作 样品收集槽在装置底部 收集不同圆周位置的流出液 流出液的柠檬酸浓度由标定的 N aO H 溶液滴定测取实验测定了不同进 料浓度、不同床层流速及不同床层旋转速率条件下的流出液浓度, 以便探讨柠檬酸溶液在连续环状萃 取色谱装置内的传质特性及影响因素。

不同操作条件下的实验流出曲线, 采用本文提出的模型及解法进行直接拟合, 求取模型参数—K2u 9C + Ξ 9C +Ξ 1 - Ε 9q = D Z 9 C(1)9Z边界条件为:9ΗΕ 9Η9Z 2C (Z , 0) =0,C 00q (Z , 0) =00 ≤ Η≤ ΗFC (0, Η) =ΗF <Η< 2ΠΗF其中,ΗF =r360° 如果轴向扩散的影响也忽Η + ΗF E略, 那么式 (1) 的等号右侧为 02) 传质速率方程表示为一阶线性推动力形式,Ξ(1 - Ε) 9q =K F aB (C - C 3 )(2)9Η3) 溶质在流动相与固定相间的平衡关系式假定为线性,q = K C 3和 K F aBD Z 利用文9的关系式获得3)在数据处理中, 用数值法拟合实验曲线, 求取模型参数整理式 (1)～ (3) , 做出差分格式, 最终获得:3结果与讨论u C ( i + 1, j ) - C ( i, j ) + Ξ C ( i, j + 1) - C ( i, j ) +连续环状萃取色谱床流出曲 线的出峰位置Η3. 1∃ZK F aB∃ Η表 1 列出了各操作条件下的Η。

在连续环状萃取q ( i, j )C ( i, j ) -色谱别离中, 床 层流速的增大使Η值减小, 旋转速度=ΕK的增大那么会使Η出现明显的增大趋势 这与文 3 、10 的报道是一致的 这反映出床层流速和旋转速 率是连续环状色谱床操作的重要影响因素3. 2 相间总传质系数及相平衡常数图 1 绘出了连续环状萃取色谱床流出曲线的典 型拟合结果, 图中的实线是模型计算值 十清楚显, 采用考虑轴向扩散影响的传质数学模型对实验流出 曲线的拟合结果是令人满意的, 其拟合精度优于文3 、10 中的结果 ( i + 1, j ) - 2C ( i, j ) + C ( i - 1, j )D Z C(4)∃Z 2Ε) q ( i, j + 1) -q ( i, j ) =Ξ(1 -∃ Ηq ( i, j )C ( i, j ) -(5)K F aBK连续环状萃取色谱床的结构参数、操作条件及流出曲线, 根据式 ( 4)、( 5) 和相应的边界条件,通过拟合实验曲线, 对描述别离过程的参数寻优, 求 出 K F aB 和 K 清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)1997, 37 (6)40表 1不同操作条件下的 Η774Ξ×10 3 Q F ×10 Q E ×10 U ×10 C 0 序号Ηƒ(°)(m 3rs- 1 )(m 3rs- 1 )(mrs- 1 )(k grm - 3 )(°)rs- 11234561. 1671. 5001. 6391. 3891. 3061. 7506. 3886. 6677. 3616. 6676. 6675. 8331. 982. 142. 342. 112. 081. 97100100100508010066. 766. 766. 766. 766. 733. 3292266245271278164 7 1. 417 6. 806 2. 15 100 100. 0 396 (a)Q F = 1. 167×10- 7 m 3 ƒsQ E = 6. 388×10- 7 m 3 ƒs(b )Q F = 1. 306×10- 7 m 3 ƒsQ E = 6. 667×10- 7 m 3 ƒsC 0 = 100 k gƒm 3C 0 = 80 k gƒm 3Ξ= 0. 0667 (°) ƒsΞ= 0. 0667 (°) ƒs(c)Q F = 1. 639×10- 7 m 3 ƒsQ E = 7. 361×10- 7 m 3 ƒsΞ= 0. 0667 (°) ƒs C 0 = 100 k gƒm 3(d)Q F = 1. 417×10- 7 m 3 ƒsQ E = 6. 806×10- 7 m 3 ƒsΞ= 0. 1000 (°) ƒs C 0 。