第十一章 液液萃取.ppt

,第十一章,液液萃取,(Liquidextraction),授课教师：万惠萍,利用液体混合物各组分在某溶剂中溶解度的差异而实现的分离。,11.1概述,11.1.1液液萃取过程,一、萃取原理,溶质A,稀释剂B,原料,溶剂S,萃取相E,萃余相R,B+A(S),（1）溶剂不能与被分离混合物完全互溶，只能部分互溶。,溶剂S必须满足两个基本要求：,（2）溶剂对A、B两组分有不同的溶解能力，即具有选择性。,yA、yB萃取相中A、B两组分的质量分数,xA、xB萃余相中A、B两组分的质量分数,吸收涉及气液系统，萃取涉及液液系统。,萃取与吸收的比较：,相同点：,添加组分；,对各组分的溶解度有差异,不同点：,吸收有惰性组分，而萃取大多数各组分都有一定的溶解度；,二、工业萃取过程,混合液含热敏性物质（如药物等），采用萃取方法精制可避免物料受热破坏。,三、萃取过程的经济性：溶剂回收的难易,（1）取决于后继的两个分离过程是否较原溶液的直接分离更易实现,萃取过程适用场合：,混合液小或形成恒沸物，用一般精馏方法不能分离或很不经济。,溶质在混合液中浓度很低且为难挥发组分，采用精馏方法须将大量稀释剂B汽化，能耗过大。,（2）取决于萃取剂的性质,要求萃取剂：,应有较强的溶解能力：S耗量少，后继精馏能耗低。,应有较高的选择性：获高纯产品。,AS高：S为高沸点溶剂，后继精馏R较低。,S在AB中的溶解度小：减少R相中溶剂回收费用。,11.1.2两相的接触方式,微分接触：塔式设备,级式接触：槽式设备,本节均指级式萃取过程的计算,单级萃取,多级逆流,多级错流,等边三角形直角等腰三角形直角非等腰三角形,11.2液液相平衡,11.2.1三角形相图,一、液液组成的表示方法,组成：质量分数,三组分：,A,B,S,一个方程：,自由度：,2,三组分溶液的组成用平面坐标上的一点表示,三角形相图,30%A,直角等腰三角形相图,顶点：,纯组分,边：,双组分,图中一点：,三组分,如M点：,M,A%,A%,S%,S%,20%S,50%B,二、物料衡算与杠杆定律,物料衡算:,（11-2）,得:,杠杆定律：,同理:,M=E+R,E=M-R,R=M-E,杠杆规则表明：,（1）和点M必在R、E的连线上,SQ1线任一点所代表的溶液中A、B两组分含量的相对比值均相同。,P（B+S）,+A,P1（A+B+S）,A,P2（靠近A点）,和点,同理：,Q1,Q2,Q,差点,应用：,类：A与B完全互溶，A与S、B与S部分互溶两对部分互溶,第类物系的相图,11.2.2部分互溶物系的相平衡,萃取操作：,B与S部分互溶或完全不互溶,部分互溶物系：,类：A与B、A与S完全互溶，B与S部分互溶一对部分互溶,实验求取：,一、溶解度曲线（双结点曲线）,条件：恒温,类,溶解度曲线：,代表了饱和溶液的组成,相图中若干分层点的联线；,二、平衡联结线和临界混溶点,实验求取：恒定温度条件下、类,R1、E1；R2、E2；Rn、En为互成平衡的两相，称为共轭相。,连接R1、E1；R2、E2；Rn、En的线称为平衡联结线（或结线）。,R1,E1,一定温度下，同一物系平衡连接线的倾斜方向一般相同,溶解度曲线将三角形相图分成两个区,分层区(两相区),R1,共轭相R、E的和点M必在平衡联结线上。,P临界混溶点，两共轭相的组成无限趋近而变为一相。（不一定为溶解曲线的最高点）,溶解度曲线以内（或下方）是萃取过程的可操作范围。,均相区(单相区),均相区,两相区,由实验测得的平衡数据作出部分联结线和溶解度曲线后，为求出此物系的任一对平衡数据，可利用辅助线。其作法如图：,平衡联结线的内插辅助曲线,E,R,下面是辅助曲线的另一作法：,在一定温度下，E和R成平衡时，组分A在两相中的平衡组成分别为yA和xA，则分配系数,三、相平衡关系的数学描述,1、分配系数与分配曲线,分配系数：,kA一般不是常数，其值随物系种类、组成和温度而异,同样，对组分B也可写出类似的表达式：,kA，分离效果越好,kA=1，则y=x，联结线与底边平行，其斜率=0,kA1，则yx，联结线的斜率0；,kA1，则yxA，故1,（3）B不能溶解于S时，=（yA=1，yB=0）,已知某三组分混合液的两条平衡联结线如图中ab、cd所示，试比较两者的选择性系数。,例11-1选择性系数的比较,解：（1）对平衡联结线ab，读得y1A=0.77，x1A=0.24。于是，该线的选择性系数为,可见21,互溶度越小，萃取的操作范围越大，yA,max,三、互溶度的影响（S与B）,互溶度越小，分离效果好。,t，互溶度，两相区，操作范围，yA,max。但t过多，原来SA完全互溶部分互溶，故t要适当,温度对互溶度的影响：,试求：（1）溶解度曲线和辅助曲线；,例：在一定温度下测得A、B、S三元物系两平衡液相的平衡数据如附表所示：,表中的数据为质量百分率。,（5）对上一问的原料液，欲得到含36%A的萃取相E，试确定萃余相的组成及混合液的总组成。,（2）临界混溶点的组成；,（3）当萃余相中xA=20%时的分配系数kA和选择性系数；,（4）在100kg含30%A的原料液中加入多少kgS才能使混合液开始分层？,解：（1）依题给数据，作出溶解度曲线LPJ，并根据联结线数据作出辅助曲线JCP。,P,溶解度曲线,辅助曲线,（2）辅助曲线和溶解度曲线的交点P即为临界混溶点，由图读出该点处的组成：,xB=1-0.415-0.15=43.5%,xA=41.5%,xS=15%,根据萃余相中xA=20%，在图中定出R1点，利用辅助曲线求出与之平衡的萃取相E1点，从图读得两相的组成为：,A,萃余相：xA=20%xS=6.6%,（3）分配系数和选择性系数：,R1,E1,萃取相：yA=39%yS=41.4%,yB=19.6%,分配系数kA：,选择性系数:,xB=73.4%,在AB边上确定点F，连点F、S。混合液沿直线FS变化。当S的加入量恰好到使混合液组成落在溶解度曲线的H点时，混合液便开始分层。分层时溶剂的用量用杠杆规则求得,（4）使混合液开始分层的溶剂用量：,所以S=0.0833F=0.0833100=8.33kg,F,zA=23.5%，zS=22.5%，,（5）萃余相的组成和混合液的总组成：,根据yA=36%在溶解度曲线上确定E2点，借助辅助曲线作联结线获得与E2平衡的点R2。,由图读得:,xA=17%，xS=6%，,xB=77%,R2E2线与FS线的交点M为混合液的总组成点：,由图读得:,zB=54%.,F,溶剂S衡算式,一、单一萃取级的物料衡算,第m级,总物料衡算式,溶质A衡算式,11.3萃取过程计算,11.3.1萃取级内过程的数学描述,二、萃取级内传质过程的简化理论级与级效率,理论级,进入一个理论级的两股物流Rm-1和Em+1，无论其组成如何，经过传质之后离开该级的两股物流Rm和Em达成平衡。,特征方程简化为：,分配曲线,NA=（物性，操作条件，设备结构等）,11.3.2单级萃取,一、解析计算,物料衡算：,F+S=R+E,FxFA+SzA=RxA+EyA,F0+SzS=RxS+EyS,设为理论级，特征方程：,R=ME,二、图解计算（方便）,确定原料F与溶剂S两点,总物料的组成点M,溶剂比：,萃取器内总流量：,M=F+S,萃取相流量：,萃余相流量：,xA,F,例：以水为溶剂，对xF=30%的丙酮醋酸乙酯溶液进行单级（一个理论级）间歇萃取，为使萃余液的溶质浓度x0降至15%，每kg原料液需加多少水？能得到多少萃取液？其浓度为多大？若需使x0降至5%，结果又如何？附：丙酮(A)醋酸乙酯(B)水(S)在30下的相平衡数据（质量百分率）,解：根据平衡数据，标绘出溶解度曲线和联结线（略）,1.0,0,0.2,0.4,0.6,0.2,0.4,0.6,0.8,水量S：,F,R,E,在边BA上标明点F及R0。,点R0与点S相连的直线交溶解度曲线的左支于点R，,作通过点R的联结线RE，,萃取液的浓度：,连线SE的延长线交边BA于E0，得知,萃取液的量E0：,y0=60%。,E,F,1.0,0,0.2,0.4,0.6,0.2,0.4,0.6,0.8,R,E0,用同样的方法，在边BA上定出萃余液浓度x0=5%的点R0，,F,R0,则所作联结线与FS的交点已落在两相区之外（即在均相区），说明单级萃取不能使萃余液中A的浓度降到5%，对此，需用多级萃取。,R,E,R0,三、溶剂比的选择与分离范围,（1）,，,M靠近F，,混合物的点落在溶解度曲线上M1点,（2）最小溶剂比时，,F,此时物系处于分层的临界点，萃余相R与M1重合，萃取相量0；混合物只有一个相，无分离作用。,萃余液浓度xA0=xF,A,R,混合物的点落在溶解度曲线上M2点,（3）最大溶剂比时，,F,此时萃取相E与M2重合，萃余相量0；混合物只有一个相，无分离作用。,萃取液浓度yA0=xF,A,E,（4）适宜的萃取剂用量,进行萃取操作时应满足：,萃取剂用量用杠杆规则可算出,11.3.4多级逆流萃取,当料液中两个组分均为过程的产物而需要较完全地加以分离时，一般均用多级逆流萃取。,多级逆流萃取可将萃余相中溶质含量降至很低，萃取相中溶质含量较高。,操作可在溶剂用量较少的情况下获得较大的分离程度。,逐级接触式,11.4萃取设备,11.4.1萃取设备的主要类型,无外加能量：筛板塔,有外加能量：混合澄清槽等,微分接触式,无外加能量：喷洒塔及填料萃取塔,有外加能量：转盘塔等,（1）多级混合澄清槽,11.4.1.1逐级接触式萃取设备,.轻相为分散相,（2）筛板塔,重相为分散相,11.4.1.2微分接触式液液传质设备,（1）喷洒塔,（2）填料塔,（3）脉冲填料塔和脉冲筛板塔,（4）振动筛板塔,（5）转盘塔,课堂练习,1、单级萃取中，在维持进料组成和萃取相组成不变的条件下，若用含有少量溶质的萃取剂S代替纯溶剂S，则所获得的萃余相质量与萃取相质量之比将（）。,3、选择萃取剂时，希望（）。A只能与溶质部分互溶；B只能与稀释剂部分互溶；C可与溶质完全互溶；D可与稀释剂完全互溶。,2、如右图，在单级萃取中，保持进料量F及组成不变，纯溶剂萃取，若加大萃取剂用量，则萃取液组成yA0（），萃余相组成xA（）。,减小,先后,减小,C,（7）用什么办法在不影响萃取液中A的含量的条件下，减少萃余液中A的含量？,一、某混合物含溶质A20%，稀释剂B80%，拟用纯溶剂S进行单级萃取，要求萃余液中A的含量为10%，溶解度曲线如图示。在操作范围内溶质A的分配系数kA=1，试求：,（1）当处理100kg原混合液时，需溶剂用量多少kg？,（2）所得萃取相、萃余相的质量和组成。,（3）所得萃取液中A的浓度为多少？,（4）萃取相中A、B组分的浓度比。,（5）过程的选择性系数为多少？,（6）采用单级萃取，萃取液可能达到的最大浓度。,在相图上由xA=10%找到R点，联结RS，交平衡线左支于R点，读得xA=9%。,在图中找到E点。,F,R0,R,E,M,解：（1）由xF=20%找到F点，联结FS。,联结RE与FS交于M点，则,（2）总物料流量：M=F+S=100+125=225kg,萃余相：,萃取相：,（4）萃取相中A、B组分的浓度比：,（3）萃取液中A的浓度：,联结SE并延长交AB边于点E，,（5）过程的选择性系数：,E0,读得yA=30%.,联结S与溶解度曲线的切点e，并延长交AB边于E点，读得yA,max=62%。,（7）若要在不影响萃取液中A的含量的条件下，减少萃余液中A的含量，可用多级逆流萃取。,e,（6）单级萃取，萃取液可能达到的最大浓度：,E,二、含40%丙酮的水溶液，用甲基异丁基酮进行单级萃取。欲使萃余相中丙酮的含量不超过10%，求：,（1）处理每吨料液所需的溶剂量；,（2）此时萃余相质量与萃取相质量之比是多少？,（3）萃取液的量。,解得：E=0.4吨R=0.6吨,吨,E,R,M,E0,R0,（1）由xF=40%找到F点，联结FS。,F,（2）,（3）,由xA=10%，在平衡线左支找到R点，借助辅助线找到E点，联结RE与FS交于M点，则,三、含溶质A20%，稀释剂B80%的溶液800kg，拟用纯溶剂S进行单级萃取，要求萃取液中A的含量不低于40%，溶解度曲线如图示。溶剂比为0.7，试求：,（1）所用萃取剂的质量。,（2）所得萃取相、萃余相的质量和组成。,（3）过程的分配系数和选择性系数为多少？,解：由xF=20%找到F点，联结FS。,F,溶剂比为0.7，即,确定M点,由yA=40%找到E点，联结ES，交平衡线右支于E点，连接E、M作直线交平衡线于R点,E0,E,R,（1）萃取剂的质量：,（2）总物料流量：M=F+S=800+560=1360kg,萃余相：,萃取相：,（3）分配系数：,选择性系数：,四、含溶质A40%，稀释剂B60%的溶液，用循环萃取剂进行单级萃取。该萃取剂含纯溶剂S为85%，溶质A为10%，稀释剂为5%。物系溶解度曲线及平衡连接线的内插辅助线如图所示。试求：,（1）要得到含萃取剂30%的混合液，每kg溶液应加入多少萃取剂？,（3）50kg原料液和25kg溶剂混合在一起，得到的混合液是否能分层？若分层，至少再加入多少原料液才能使其不分层？若不分层，至少再加入（或减少）多少原料液才能使其分层？,（4）若原料液流量为100kg/h，最大萃取剂用量是多少？此时萃取液的组成、萃余相的量是多少？,（2）若萃取相中A的含量为30%时，求萃取相质量与萃余相质量之比。,解：萃取剂含纯溶剂S为85%，溶质A为10%，稀释剂为5%，定出S点。连结FS,S,（1）根据混合液中萃取剂含量为30%，在BS边找到C点（zS=0.3),F,M,过C点作垂线交FS于M,所以每kg溶液应加入的萃取剂：,S,（2）根据萃取相中A的含量为30%时，在AB边找到xA,F=0