[发明专利]用高密气和多孔膜从流体中萃取溶质的方法和系统

说明书

发明领域

本发明涉及流体萃取，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。

发明背景

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。

发明概述

本发明涉及一种从流体或高密气中萃取溶质的方法，及用于进行本发明方法的系统。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。