CN1090516C - 以减小长度校正死体积的色谱法模拟移动床分离方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟移动床分离方法，对柱段封闭回路中用于液体、超临界的或气体混合物的至少一个循环泵(P)或压缩机引入的死体积所导致的提取液(EA)或残留液(RB)组成的扰动进行了校正。当死体积位于柱段下游和柱段提取物流上游时，将在死体积上游与之相邻柱段的体积减去一适当值，或当死体积位于柱段的注入物流下游和柱段上游时，将在死体积下游与之相邻柱段的体积减去一适当值。本发明适用于分离含有8个碳原子的芳香烃的异构体。

Description

以减小长度校正死体积的色谱法模拟移动床分离方法

本发明涉及的是应用色谱法分馏流体混合物的组分的方法。

该方法特别适用于分离含有8个碳原子的芳香烃。

色谱法是基于如下的事实，即在有液体、气体、或超临界混合物存在的条件下，一些多孔固体可以或多或少地保留该混合物的不同组分。

通常基于色谱法的分离方法按如下方式操作：将已知颗粒度的多孔固体盛于总体上为圆柱形的贮器即柱中；这构成了固定相。所要分离的混合物通过该柱渗滤，根据被固定相保留的程度各组分连续的排布。

在欧州专利EP-A-0415821、和国际专利WO-A-84 02854和WO-A-90 06796中对现有技术进行了叙述。

本发明的分离方法是逆流或并流方式的模拟移动床色谱分离，例如美国专利US-A-2985589、US-A4 402 832和US-A-4 498991中叙述的。

附图图示了本发明，其中：—图1所示为真实逆流分离的原理；—图2A、2B、2C所示为模拟逆流分离的操作；—图3所示为模拟移动床，其中循环泵固定在第n个床或柱部分上；—图4所示为以循环的阶段数为函数，在循环的每个阶段T的相同时刻采取的提取液试样的组成C(重量％)的变化(模数24)；—图5所示为未补偿死体积时以循环的阶段数NP为函数，在循环的每个阶段提取液的平均组成C(重量％)的变化；—图6所示为应用了本发明的补偿后，以循环的阶段数NP为函数，循环的每个阶段提取液的平均组成C(重量％)的变化。

阐述模拟移动床色谱分离方法操作的一种方式是以等价的真实逆流方法来表示它。

图1所示的真实逆流方法中，含有Z₁、Z₂、Z₃和Z₄四个区，在分离柱1中形成了固定且浓度恒定的剖面，其中进料A+B和洗脱液S注入点位置、及提取液EA和残液RB的提取点位置保持固定，而固体吸附剂2和液体3互相逆流迁移。在这一方法中，循环泵P使液体由柱的高点返回至低点，同时移动床系统例如将固体由低点返回至高点。这两个系统含有这样一点，即在该点液体和固体两者浓度剖面中仅存的种类是洗脱用的洗脱液。该点在I和IV区的连接处(见图1)。在这种情况下，用于循环系统中的液体和固体体积没有实际意义，因为仅存一个种类且反混效应已不重要。

模拟移动床色谱分离方法的成功的难度在于正确地循环固体而不造成磨损与固定床相比不明显地增加床的孔隙率。在模拟移动床方法中，固体位于序数为n的固定床中，n一般在4到24之间。其实逆流方法与模拟流动床方法的主要区别在于以下的事实，即在后者模拟移动床方法中，浓度剖面不再固定而是以均匀的速率围绕封闭的回路迁移，该回路由串级排布的n个固定床或色谱柱构成，其中第n个固定床的出口与第一个床的入口相连。

有两种情况的模拟移动床方法必须考虑，它们二者的循环泵(用于液体和密度足够大可以泵送的超临界流体)或循环压缩机(用于气体和不能泵送的超临界液体)在n个固定床的回路中循环液体的方式不同：A)在第一种情况下，每个固定床包含在单独的柱中，循环泵可以按与流体注入和提取点相同的速度从一个柱接合点迁移至下一个。在这种情况下(如US-A-5 093 004和WO 93/22022所述)，如同真实逆流分离的情况，将流体从一个柱的出口输送至循环泵入口的管线的体积、泵自身的体积和将流体从泵的出口输送至下一个柱的入口的管线的体积(这三项的总和构成了循环回路的体积)是无足轻重的，因为这些体积被设计成单独被纯洗脱液占据。B)在第二种情况下，每个固定床或色谱柱段通过一管线与其下一个相连，该管线仅到达下一个床(特别是当在同一柱中设置有数个固定床时)，例外的是第n个的出口与循环泵P的入口相连，而所述泵P的出口与第一个固定床相连(见图2)。自然地，这些柱段的编号纯粹是任意的；通常，认为第一个是其入口与循环泵出口相连的柱段，最后一个或第n个其出口与所述泵的入口相连。在这种情况下，循环泵将通过所有的浓度剖面。与其它的床相比泵的死体积造成了第n个固定床体积的差异性，并引起提取液和残留液组成的挠动，降低纯度和产率。一般，为了使回路的总的死体积降至最小，不同柱之间的接合管线设计成具有相同的体积，这一体积尽可能减至最小。当系统中的流体是由压缩机循环的气体时，观察到的挠动大大低于液体或可泵送的超临界液体情况下所得到的值。对于低压气体，该挠动可以忽略。

为简便起见，单元可以由节段的组合体代表，这些节段最好长度都应为相同的长度L(这些节段代表柱段)。但对其中的一个节段我们不得不加上一个长度l(l代表循环回路的死体积)。当单元操作时，一个点以恒定的速度U沿这些节段迁移。该点穿过n个节段的组合体需要时间θ，且当节段的接合点在θ/n的倍数的时间以同步方式被穿过时该操作是最优化的。在理想情况下(长度为L的n个节段)，T＝θ/n-L/u；在真实情况下，通过忽略l使T和θ为固定值。要穿过的总长度不再是n·L，而是n·L+l； 在每一阶段T中，所述的点穿过L+l/n的距离，但对于第一个n-1阶段它应穿过L的距离，最后期间穿过L+l。所述的点穿过节段的接合处不再与T的倍数同步而是仅各与θ的倍数同步。通过将每段的体积V、循环回路的死体积v和在所述段中的流量Di除以所述段的横截面就可分别得到L、l、和u。

图4所示为在有4个区和24段的模拟移动床中逐个阶段在每个阶段的相同时刻得到的提取液的即时组成由循环回路的体积引起的挠动的实例。如观察若干个连续的循环，每到挠动具有24个阶段的周期性，即1个循环(第9届制备色谱法国际研讨会论文集，Nancy，1992年4月，Balannec-Hotier)。

再有，法国专利申请94/05293叙述了循环流量恒定的模拟流动床分离方法，其中的循环泵的入口与第n个固定床相连，该循环泵的出口与第一个固定床相连。这样浓度剖面总体从其中穿过。在色谱系统中导入和提取回路独立移动，且不再有唯一的移动周期而代之以移动时间表[Tⁱ _j]，该时间的计算是基于如下的事实，即在每个区的出口的洗脱体积必须是恒定的并且与等价的通用模拟移动床的对应体积相等，这样

            V_k＝D_k·T＝D^p _k·(T^j _i+1-T^j-1 _i)其中—D_k表示通用模拟移动床中K区的流量；—T表示通用模拟移动床的移动周期；—D^p _k表示当泵在P区时有恒定循环流量的模拟移动床中K区的流量；—T^j _i+1表示其中移出或导入的液流从第j段的出口移向下一段出口的时刻，

其中：—j是注入或提取点之前与其相邻的段的号数；—i是循环启动后Z回路最慢点已移动的次数。

实际上这样类型的系统的运行与通用模拟移动床完全相似，并且由于循环回路的死体积，提取液和残留液的组成表现出相同的挠动，这导致与其它柱段相比第n个床或柱段的差异性。

本发明的第一个目的是当混合物为液体或可泵送的超临界液体时，解决由于设在第n个和第1个床之间的循环泵中的死体积而引起的提取液和残留液组成的挠动。

本发明的第二个目的是当混合物为加压气体或低密度超临界液体时，解决由于设在第n个和第1个床之间的循环压缩机中的死体积而引起的提取液和残留液组成的挠动。

更一般地讲，本发明的目的是解决由于设在回路的两个连续的床之间的各种装置的死体积而引起的提取液和残留液组成的挠动。

更精确地说，本发明涉及一种在有至少一种洗脱液存在的条件下将含有至少两种成分的进料分离成至少两种馏分的模拟移动床分离方法，该模拟流动床含有n个、优选4至24个色谱柱或柱段，这些柱或柱段的封闭的回路中连续设置，液体、超临界或气体混合物在加压状态下在所述回路中循环，该回路具有至少一个进料注入物流、至少一个洗脱液注入物流、至少一个提取液提取物流和至少一个残留液提取物流，在所述的柱中限定有至少四个区，每个区以注入或提取物流与其下一个区相分隔，注入和提取物流周期地移动，所述的封闭回路包含一个用于所述混合物的循环泵，它的流量可进行调节并位于两个连续的柱或柱段之间，所述的封闭回路还可以含有至少一个测量或取样装置，并还可包含至少一个压力可调节的循环泵，所述的测量或取样装置和/或压力调节的循环泵各位于两个连续的柱或柱段之间，所述的泵和/或测量或取样装置在循环回路中各具有死体积，该死体积造成提取液和残留液组成的挠动，所述方法的特征在于当所述死体积位于柱段的下游且位于所述柱段提取物流的上游时，该所述的死体积上游与之相邻柱段的体积减去一适当的值，或者当所述死体积位于进入柱段的注入物流的下游且位于所述柱段的上游时，将所述死体积下游与之相邻柱段的体积减去一适当的值。

“循环泵”一词必须以其广义理解为循环装置，即在可泵送的液体或超临界混合物情况下是泵，在加压气体混合物或低密度超临界混合物的情况下是压缩机。

所述混合物可以是加压气体或低密度超临界流体，使用一个或多个循环压缩机取代循环泵，并按以下的关系式将回路中在各个死体积v_j上游与之相邻或下游与之相邻的各个柱段的体积减小：

          V′_j＝V-df·V_j/da·∈其中V代表一柱段及它与下一柱段的连接部分的独自的空体积，V′_j代表按照本发明减小体积的柱段及它与下一柱段连接部分的独自的空体积，v_j代表其效应需校正的死体积，∈代表在∈b和1之间的系数，这里∈b表示为柱或柱段的体积分数并代表在所述柱或柱段中颗粒间和颗粒孔隙度的总和。

为简便起见，将流量调节的循环泵考虑成例如任意位于柱n和1之间。使用上述的公式，这样构成所述问题的是重新确立这样一个位置，使得在总循环时间为θ的所述循环的每个阶段的终点所述的点到达每个节段的端点。所提出的手段的组成为将第n个节段减去长度“l”，以补偿这一长度引起的延迟，而l是需要加在第n个节段上的。一种非吸附的组分以连续的体积∈b·V在第一个(n-1)柱段迁移；因而第n个柱段必须具有体积V′使得∈b·V＝∈b·V′+v以保持相同的穿过时间θ，即，

V′＝V-v/∈b

设Ca为固定相的吸附容量，它表达为柱段的体积分数，一种中等程度吸附的组分以连续的体积(∈b+Ca)·V在第一(n·1)柱段中迁移；第n个柱段因而必须具有体积V′使得(∈b+Ca)·V＝(∈b+Ca)·V′+v以保持相同的穿过时间θ，即

V′＝V-v/(∈b+Ca)

最后，被相对较弱吸附的洗脱液置换出的强吸附组分，以连续体积(∈b+k·Ca)·V在第一(n-1)柱段中迁移，其中K＞1；由于实际原因，我们认为在(n-1)第一柱段中它与最大量的连续体积V接触，因而第n段具有体积V′＝V-v以使得对于强吸附组分保持穿过时间θ。

总体来说，在第一种变态中，第n个柱段具有体积V′，使得

V-v＞V′＞V-v/∈b。以这种方式，扰动的绝大部分被消除；然而残余的扰动仍会持续，因为即使在加压流动下，减小的固定床与死体积的结合也不能等价于固定床的正常尺寸。

在第二种变态中，流体混合物可以是加压气体或低密度的超临界液体。在这种情况下，它由一个(或多个)流量调节的循环压缩机驱动。校正项通过乘以流体相密度df与吸附相密度da的比值则其价值可能会减弱。

更一般地说，如果使用流量调节的循环泵和一个或多个压力控制的循环泵，事实也常常如此，则通常使用上面限定的规则减小位于循环泵入口(或出口)的固定床的体积，以相同的方式可解决两个或多个体积变异的问题。

在模拟移动床色谱装置中引入死体积的主要原因是循环泵，而在两个具体柱间的其它装置也会产生相同的效应：可以提到的一些测量或取样装置例如流量计、用于在线测量组成的光谱仪单元、旁路或取样回路。由引入一具体装置而造成的各种差异、以及各个死体积通过按照如下关系式减少与该装置相接的固定床的体积可以进行补偿，所述关系式为：

         V′＝V-vj/∈，其中V′为与所述死体积相接的柱段的校正过的体积。V为在回路中不含附加死体积的柱段(及它的与下一柱段连接部分)的体积，v_j代表泵或测量装置的死体积，当流体混合物是加压气体或低密度超临界液体时，它由一个(或多个)压缩机驱动，校正项必须乘以液相密度df与吸附相密度da的比值使之弱化。

图2A、2B和2C表示的是模拟逆流装置的操作，其中液体和转换迁移以相同的方向移动(顺时针)。该装置包含24个互相连接的柱，柱24(n)和柱1通过固定循环泵P连接。洗脱液注入点S和提取物提取点EA划定了1区的界限，提取物提取点和进料进入点A+B划定了2区的界限，进料注入点A+B和残留液提取点RB划定了3区的界限，残留液提取点和洗脱液注入点划定了4区的界限。在每个阶段的终点，注入和提取物流移动。

图3所示为n个连续柱段的一种变形，提取液提取EA、残留液提取RB、进料注入A+B和洗脱液注入S位于两个柱段之间。再有，该图图示了循环泵和/或测量装置的位置在提取液提取物流EA或残留液提取物流RB的上游与之相邻，而后者提取液提取物流EA或残留液提取物流RB位于床1的上游。在这种情况下，必须校正第n个柱段的体积以重新建立上面限定的点的迁移相对于注入和提取点的等时性。

另外两种情况也是可能存在的：

在未图示的一种变形中，第n个床的提取物流和第一个床的注入物流位于第n个床和循环泵之间：在这种情况下，必须校正第一个床的体积而不是校正第n个和最后一个床的体积。

在未图示的另一种变形中，第n个床的提取物流位于第n个床和循环泵之间，而第一床的注入点位于循环泵和第一个床之间：这种情况是不应允许的：在这种情况下，为保持相对于提取点的等时性，则不得不减短第一个床，而为了保持相对于注入点的等时性，则不得不减短第n个床。

最后，如果将第n个床的提取物流和第一个床的注入物流设置于两种不同的死体积或两种差异物之间(anisotropies)，例如循环泵或压缩机与测量装置之间或者循环泵与长度长于其它管线的管线之间，这种情况出现时，由于循环泵或压缩机的死体积的作用第n个床必须减短，由于测量装置的死体积或长度长于其它管线的管线导致的死体积的作用第一个床必须减短。

在如法国专利申请94/05293所述的循环流量恒定的模拟移动床的情况下，因为在循环回路中引入一个或多个死体积而产生的挠动与等价的通用模拟移动床所观察到的对应值相等，通常减少在差异物之前的床的体积而提供的校正也相等。因而上述的校正规则可以按与等价的通用模拟移动床完全相同的方式应用于循环流量恒定的模拟移动床。

所述混合物可以是液体或超临界流体，其中按照以下的关系式将在回路中各个死体积v_j上游与之相邻的或下游与之相邻的各个柱段的体积减小：

             V′j＝V-v_j/∈

以下的实施例对本发明进行说明，而并非限定它的范围。图5在未进行任何补偿的情况下逐阶段地示出提取物组成。图6所示的通过减少柱的第n节段的长度而实现补偿时的相同的图线。

                    实施例1A(比较)

按照现有技术对组成如下的进料进行分离：乙基苯(EB)12.07％，对二甲苯(PX)22.95％，邻位加间位二甲基(OX+MX)64.98％。该设备由24个长1m直径1cm的柱组成，以模拟流动床逆流方式操作。在柱24和l之间设置的管线和泵产生了17.25cm³的死体积。进料、由基本上纯的甲苯构成的洗脱液、提取液和残留液的流量分别为：1.42cm³/分、2.45cm³/分，2.05cm³/分和1.82cm³/分。吸附剂为钡和钾交换的Y沸石例如出自CECA(法国)的SPX2000。所述的柱划分如下：4区5个，3区4个，2区7个，1区8个。循环泵流量如下：4区5倍(times)，9.1cm³/分，3区4倍，10.92cm³/分，2区7倍，9.5cm³/分和1区8倍，11.55cm³/分。移动周期为5分钟。在循环的第一阶段中，洗脱液注入柱1的入口，从柱8的出口移出提取液，将进料注入柱16的入口并从柱19的出口移出残留液。在提取液中得到的对甲苯的平均纯度为90.70％，产率为99.90％。由图5所示，逐阶段测量的提取液的组成是多变的。

                    实施例1B

按照本发明，所有的参数保持不变，以一62.5cm长的柱取代所述的二十四个柱。在提取液中得到的对二甲苯的产率为99.75％，而这一次的纯度为96.26％。由图6所示，逐阶段采取的提取液组成互相很接近：最大的差值为五分之一(dirides by5)。从而可看出，一种很普通的校正，即减短第24个床，就可降去由循环泵的死体积引起的组成挠动的80％。体积V′即62.5cm×0.5cm×0.5cm×π＝49.09cm³，在V-v/∈b，即48.76cm³和V-v，即61.25cm³之间，其中∈b＝0.58，即床的孔隙度为0.33，颗粒的孔隙度为0.25。

                    实施例1C

除了在第一和第24床之间的循环泵之外，在第12和第13个床之间还设置了一个分光光度计，其死体积为8cm³，该8cm³认为与柱12相连，如同图3的泵。为补偿由这些死体积引起的提取液和残留液组成的扰动，如针对实施例1B所解释的那样，以62.5cm长的柱取代第24个柱，并以82.5cm长的柱取代第12个柱。

Claims (9)

1.一种在有至少一种洗脱液(S)存在条件下将至少含两种组分的进料(A+B)分离成至少两种馏分的模拟移动床分离方法，含有n个在封闭回路中顺序排布的色谱柱或柱段，在加压下液体、超临界或气体混合物在所述回路中循环，该回路具有至少一个进料注入物流、至少一个洗脱液注入物流、至少一个提取液提取物流(EA)和至少一个残留液提取物流(RB)，在所述的柱中限定有至少四个区，每个区与其下一个区以注入或提取物流来划分，所述注入和提取物流周期性移动，所述封闭回路含有一个用于所述混合物的循环泵(P)，该泵是流量调节的并位于两个连续的柱或柱段之间，所述封闭回路任选还可含有至少一个测量或取样装置并任选地还可含有至少一个压力调节的循环泵，所述测量装置或取样装置和/或压力调节的循环泵各位于两个连续的柱或柱段之间，所述泵和/或测量或取样装置在循环回路中各具有一死体积，所述死体积造成了提取液和残留液组成的扰动，所述方法的特征在于所述死体积位于一柱段的下游和该柱段提取物流的上游时，将位于所述死体积上游侧与之相邻的所述柱段的体积减去一适当的值，或者当所述死体积位于一柱段注入物流的下游和所述柱段的上游时，将位于所述死体积下游与之相邻的所述柱段的体积减去一适当的值。

2.如权利要求1所述的方法，其中在封闭回路中顺序排布的色谱柱或柱段有4至24个。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述混合物是液体或超临界流体，其中按照以下的关系式将在回路中各个死体积v_j上游与之相邻的或下游与之相邻的各个柱段的体积减小：

             V′j＝V-v_j/∈其中V代表一柱段及它与下一柱段的连接部分的独自的空体积，V′_j代表按照本发明减小体积的柱段及它与下一柱段连接部分的独自的空体积，v_j代表其效应需校正的死体积，∈代表在∈b和1之间的系数，这里∈b表示为柱或柱段的体积分数并代表在所述柱或柱段中颗粒间和颗粒孔隙度的总和。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述混合物是加压气体或低密度超临界流体，使用一个或多个循环压缩机取代循环泵，并按以下的关系式将回路中在各个死体积v_j上游与之相邻或下游与之相邻的各个柱段的体积减小：

          V′_j＝V-df·V_j/da·∈其中V′_j、V、v_j和∈是权利要求2的参数，而其中的df是流体相的密度，da是吸附相的密度。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述回路包含位于两个连续柱段间的至少两个不同的死体积，提取物流和注入物流位于所述不同的体积之间，其中，所述两个柱段的每一个的体积都按权利要求3或权利要求4所限定的关系式减小。

6.如权利要求1至5任一项所述的方法，其中所述模拟移动床是以逆流方式运行。

7.如权利要求1至5任一项所述的方法，其中所述模拟移动床是以并流方式运行。

8.如权利要求1至5任一项所述的方法，其中所述模拟移动床以恒定的循环流速操作。

9.如权利要求1至5任一项所述的方法，其中所述进料包含含有8个碳原子的芳香族烃的混合物。

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