化工原理(下)第四章 萃取426

第四章萃取4.3部分(bùfen)互溶物系的萃取计算精品资料回顾1、萃取的依据:

利用混合物中各组分(zǔfèn)在某一溶剂中的溶解度之间的差异。2、三角坐标表示方法：▲各顶点表示纯组分(zǔfèn)；▲每条边上的点为两组分(zǔfèn)混合物；▲三角形内的各点代表不同组成的三元混合物。ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8精品资料3、杠杆(gànggǎn)定律描述两个混合物C和D形成一个新的混合物M时，或者一个混合物M分离为C和D两个混合物时，其质量(zhìliàng)之间的关系。

分量与合量的质量与直线上相应线段的长度成比例，即：ABSDCMABSDM精品资料4、液-液平衡(pínghéng)关系ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8REM单相区两相区组成落在单相区的三元混合物形成(xíngchéng)一个均匀的液相；组成落在双相区的三元混合物所形成的两互成平衡的液相，被称为共轭相，其组成分别由R和E点表示；联结线：联结E、R两点的直线。对任何B、S的两相混合物，当加入A的量使混合液恰好变为均相的点称为混溶点。两个共轭相组成相同时的混溶点被称为临界混溶点

。①溶解度曲线②联结线③混溶点:④临界混溶点(褶点)⑤萃取相和萃余相:精品资料5、辅助(fǔzhù)曲线ABSR1E1PR2E2E3E4R3R4ABSR1E1PR2E2E3E4R3R4已知共轭相中任一相的组成(zǔchénɡ)，可利用辅助线得出另一相的组成(zǔchénɡ)。精品资料6.温度(wēndù)对相平衡的影响相图上两相区的大小，不仅取决于物系本身的性质，而且与操作温度有关。一般情况下，温度上升，互溶度增加，两相区减小，不利于萃取操作。温度特别高时，两相区会完全消失，致使(zhìshǐ)萃取分离不能进行。取A组分在萃取相中的浓度为y，在萃余相中的浓度为x，绘制曲线，即分配曲线，斜率等于分配系数。7、分配曲线：精品资料8、分配(fēnpèi)系数（Distributioncoefficient）一般(yībān)kA不为常数，而随温度、溶质A的浓度变化。在A浓度变化不大和恒温条件下，kA可视为常数（平衡常数m），其值由实验测得。一定温度下，A组分在互成平衡的两液相中的浓度比精品资料9.萃取(cuìqǔ)剂的选择性与选择性系数（Selectivitycoefficient）两相平衡时，萃取(cuìqǔ)相E中A、B组成之比与萃余相R中A、B组组成之比的比值。10.萃取剂S与稀释剂B的互溶度B、S互溶度小，分层区面积大，可能得到的萃取液的最高浓度ymax’较高。B、S互溶度愈小，愈有利于萃取分离。精品资料4.3部分互溶(hùrónɡ)物系的萃取计算4.3.1萃取(cuìqǔ)在三角形坐标图上的表示法1、混合在只含有组分A与B的原料液F中加入一定量的萃取剂S后，得到新的混合液M，由杠杆规则知F、S和M之间的关系为ABSREME’R’FE’maxEmax精品资料2.分层M静置分层得萃取(cuìqǔ)相E和萃余相R，其质量关系为3.脱溶剂(róngjì)从萃取相E中除去萃取剂S后得萃取液E’；从萃余相R中除去萃取剂S后得萃余液R’；

单级萃取中，萃取相能达到的最大A组分含量为Emax点的组成，对应的萃取液组成点为E’max。4.3.2萃取过程的计算

理论级：离开萃取器的萃取相与萃余相互成平衡。对分级式萃取过程，可先求出所需理论级数，然后由基于质量传递速度的级效率确定所需的实际级数。由相际传质所产生的热效应较小，可视为等温过程。精品资料单级萃取(cuìqǔ)的计算萃取(cuìqǔ)相E,yE萃余相R,xR料液F,xF萃取剂S,yS萃取液E’,y’E萃余液R’,x’R脱除S脱除S1、特点

原料液与溶剂一次性接触。

萃取相与萃余相达到平衡。2、计算操作型：给定S的用量mS

及M组成，求萃取相E与萃余相R的量mE

和mR

及组成y、x。设计型：根据给定的原料液F及规定的分离要求，求溶剂S用量。精品资料1、单级萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分(bùfen)互溶计算方法有解析(jiěxī)法和图解法。图解法根据平衡数据作出溶解度曲线及辅助线。已知xF,在AB边上定出F点，由萃取剂组成确定S

点。联结FS，代表原料液与萃取剂的混合液M点必在FS线上。具体位置未定ABSFM单级萃取图解法Sa）依S的用量mS

及F的量mF

和组成xF

确定和点M：精品资料试差法：先定出R点，再由R点利用辅助曲线求出E点，则RE与FS线的交点即为混合液的组成(zǔchénɡ)点M。如果不对，再次假设R点。根据(gēnjù)杠杆法则——

溶剂比yE、xM、xR、x’R、y’E可由相图读出。ABSREE’R’FM单级萃取图解法S0b）确定E，R的量及组成若知R’

点，连SR’

线与溶解度曲线的交点即为R点精品资料精品资料c)确定(quèdìng)萃取液与萃余液的组成及量ABSREE’R’FM单级萃取(cuìqǔ)图解法S精品资料精品资料D点：最小溶剂(róngjì)用量，SminG点：最大溶剂(róngjì)用量，Smax萃取只能在分层区内进行。对单级萃取，原料量F及组成一定：萃取操作S应满足下列条件：ABSREFM单级萃取图解法S0DGB、最小溶剂用量和最大溶剂用量精品资料精品资料精品资料C、萃取液的最大浓度(nóngdù)当S=Smin时，E的浓度(nóngdù)yA最大，但y’A一般不是最大。过S点作溶解度曲线的切线得点E，求得R，得M点，于是得：ABE2SFR2ME’2E’y’maxy’2

图解萃取液的最大组成E1R11.01.00精品资料注意：如果M点在两相区外(qūwài)相交，说明超出萃取范围，不能进行萃取操作，由R1点确定的溶剂用量为该操作条件下的最小溶剂用量mS,min。ABSE1FERR1M’y’A精品资料计算与吸收相似。质量(zhìliàng)比Y(kgA/kgS)和X(kgA/kgB)表示的平衡关系为：单级系统(xìtǒng)的物料衡算：2、单级萃取的计算：萃取剂与稀释剂完全不互溶体系

适用于萃取剂与稀释剂互溶度很小，且在操作范围内溶质组分对B、S的互溶度又无明显影响的体系。——

单级萃取操作的操作线方程

Y10分配曲线YSX1XF-B/S精品资料例4-2：在25℃下，以水（S）为萃取剂从醋酸（A）与氯仿（B）的混合液中提取醋酸，已知原料液流量为1000kg/h，其中(qízhōng)醋酸的质量百分率为35％，其余为氯仿。用水量为800kg/h。操作温度下，E相和R相以质量百分数表示的平衡数据如附表所示：试求（1）经单级萃取后E相与R相的组成及流量；（2）若将E相和R相中的溶剂完全脱除，再求萃取液及萃余液的组成和流量；（3）操作条件下的选择行系数β。精品资料解：根据(gēnjù)题目数据，在等腰直角三角形中做溶解度曲线和辅助曲线，如图所示精品资料（1）两相的组成和流量根据醋酸在原料液中的质量百分率为35％，在AB边上确定F点，联结点F,S，按F、S的流量用杠杆定律(dìnglǜ)在FS线上确定和点M。因为E和R相的组成均未知，需要借助辅助线用试差法确定M点的联结线ER。由图读得两相的组成为：E相yA＝27％yB＝1.5％yS＝71.5％R相xA＝7.2％yB＝91.4％yS＝1.4％根据物料(wùliào)守恒得到计算得到：M=F+S=1000+800=1800kg/h由图量得RM=45.5mm，及RE=73.5mm，用式4.8求E相的量精品资料（2）萃取液、萃余液的组成和流量联结S,E，并延长(yáncháng)到AB交与E’，由图得到yE’=92%。

连接点S，R，并延长(yáncháng)SR与AB边交于R’，由图得到xR’＝7.3％。萃取液和萃余液的流量可由式4-12及4-13求得：（3）选择(xuǎnzé)行系数β用式4-4求，即由于该物系的氯仿，水的互溶度很小，所以β较高，得到的萃取液浓度很高。精品资料4.3.2多级错流萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分(bùfen)互溶单级萃取分离程度(chéngdù)有限，可采用多级萃取进一步降低萃余相中溶质的浓度。多级错流的计算只是单级的多次重复。第一级：F+S0M1，M1E1+R1（平衡相）第二级：R1+S0M2，M2E2+R2（平衡相）第三级：R2+S0M3，M3E3+R3（平衡相）依次计算，直到萃余相中溶质的浓度等于或小于所要求的浓度为止，标绘的联结线数目即为理论级数。萃取剂S,yS料液F,xF萃取相Extract萃余相RaffinateM1M2M3MnE1R1E2E3EnR2R3Rn-1Rn设各级萃取剂用量均为S0精品资料（2）特点△溶剂耗量较大，溶剂回收负荷增加(zēngjiā),△设备投资大。（3）计算①设计型计算已知：Ｆ、xF，规定(guīdìng)各级Ｓ量，求：达到一定的分离要求所需的理论级数Ｎ。②操作型问题已知：理论级数估计：分离能力。说明：解决方法基本相同。精品资料M1(FS上)M2(R1S上)M3(R2S上)ABSR1E1FM1多级错流萃取(cuìqǔ)图解法E2R2M3M2E3R3三角形坐标(zuòbiāo)图图解法精品资料精品资料例25℃丙酮(A)-水(B)-三氯乙烷(S)系统以质量分数表示的溶解度和联结线数据如本题附图所示。用三氯乙烷为萃取剂在三级错流萃取装置中萃取丙酮水溶液中的丙酮。原料液的处理量为500kg/h，其中丙酮的质量分数为40%，第一级溶剂用量与原料液流量(liúliàng)之比为0.5，各级溶剂用量相等。试求丙酮的回收率精品资料精品资料——操作(cāozuò)线方程平衡(pínghéng)关系：任一级系统的物料衡算：2.多级错流萃取的计算：萃取剂与稀释剂完全不互溶体系由平衡数据绘出X~Y平衡曲线，由每一级物料衡算得出操作线，直到第n级萃余相中的浓度XR

满足要求为止。Y10Y*=f(X)Y0X1XF-B/S1X2Y2X3Y3-B/S2-B/S3注意：若要求S用量，已知N时，需试差。精品资料b）解析(jiěxī)法分配(fēnpèi)曲线：设：——萃取因子如果各级加入等量溶剂，由物料衡算推导得：精品资料多级错流萃取(cuìqǔ)N~XN的关系曲线104103102101100091243567810NAm=0.10.20.40.60.81.01.22.01.53.06.0Am=20精品资料例：丙酮（A）-水（B）-三氯乙烷（S）体系中，水和三氯乙烷可视为完全不互溶。在操作条件下，丙酮的分配系数(xìshù)可视为常熟，即K=1.71。原料液中丙酮的质量分数为25%，其余为水，处理量为1200kg/h。萃取剂中丙酮的质量分数为1%，其余为三氯乙烷。采用五级错流萃取，每级中加入的萃取剂量都形态，要求最终萃余相中丙酮的质量分数不大于1%。试求萃取剂的用量及萃取相中丙酮的平均组成精品资料104103102101100091243567810NAm=0.10.20.40.60.81.01.22.01.53.06.0Am=20精品资料4.3.3多级逆流萃取的计算(jìsuàn)：萃取剂与稀释剂部分互溶萃取(cuìqǔ)剂S,yS料液F,xF萃取相萃余相M1M2M3MnE1R1E2E3EnR2R3Rn-1RnE4（2）特点连续逆流操作，分离程度较高。（3）计算设计型问题：已知S的组成，F、xF,

规定S/F

（溶剂比）和分离要求，求N。解决方法：每级内平衡。 精品资料即Ei和Ri平衡，若能确定(quèdìng)Ri组成xi和Ei+1组成yi+1之间的关系，即可求得理论级数（逐级计算)。iR

i-1E

i+1RiEii=1F+E2=R1+E1或F-E1=R1-E2i=2F+E3=R2+E1或F-E1=R2-E3i=n

F+S=Rn+E1或F-E1=Rn-SF-E1=R1-E2=R2-E3=．．．=Rn-1-En=Rn-S=Δ离开每级的R与进入该级的E流量之差为一常数。>0，流动方向(fāngxiàng)与R相同，<0，流动方向(fāngxiàng)与E相同。每一级的“净流量”物料衡算萃取剂S,yS料液F,xF萃取相萃余相M1M2M3MnE1R1E2E3EnR2R3Rn-1RnE4精品资料1.多级逆流萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分(bùfen)互溶F-E1=R1-E2=R2-E3=R3-E4．．．=Rn-1-En=Rn-S=ΔF+S=M=E1+Rn由给定(ɡěidìnɡ)的F、S和Rn可得出E1ABS多级逆流萃取图解法S0E2E3E4R1R4R2RnR3A.三角形相图上的图解方法FME1精品资料精品资料1、M点是F、S的和点，也是E1、RN的和点2、E1和RN不是共轭相3、各级间的物流之差为一常数，且Δ为各级物流的公共差点（极点）。4、极点Δ的位置与联接线斜率，F，xF，S，yS等因素有关(yǒuguān)，极点Δ可以在三角形左侧也可以在右侧。当其他条件一定时，只与溶剂比（S/F）决定。S/F小，极点Δ在三角形左侧，R点为和点；S/F大，极点Δ在三角形右侧，E点为和点。说明(shuōmíng)：精品资料ABSE1FM1多级逆流萃取图解法S01Rn2M2E1溶剂(róngjì)比（S/F）对极点的影响精品资料例4-5在多级逆流萃取中，用纯溶剂S处理含A、B两组分的原料液。原料液流量F为1000kg/h，其中溶质A的质量分数为30%，要求萃取余相重溶质质量分数不超过7%。溶剂用量S=350kg/h。试求1.所需的理论级数2.若将最终(zuìzhōnɡ)萃取相重的溶剂全部脱除，最终(zuìzhōnɡ)萃取也的流量E’和y’。操作条件下的溶解度曲线和辅助曲线如本题附图所示ABSE1FM多级逆流萃取图解法S0E2E3E4R1R4R2RnR3精品资料——操作(cāozuò)线方程S0,ySmnEm

,

ymEnRm-1,

xm-1RmRn-1Rn

,

xnEm-1对A组分(zǔfèn)作物料衡算：B.直角坐标图上的图解方法N较多时，三角形相图内作图不准确。精品资料ABSE1FM多级逆流萃取图解法S0EmRm-1(1)确定(quèdìng)Rn及E1点，由E1F线与S0Rn线确定(quèdìng)点。Rn(2)在FE1及RnS0两线间，过点作任意操作线与溶解度曲线相交于Rm-1与Em，得操作线上一点（xm-1、ym），重复(chóngfù)上述步骤可得操作线。操作线的作法精品资料(3)在分配曲线与操作线之间，从点N(xF，y1)开始画梯级，直至某一梯级所指萃余相组成x≤xn为止(wéizhǐ)，所绘的梯级数即为萃取所需的理论级数。(1)由平衡数据绘出分配(fēnpèi)曲线；xy0分配曲线PNy1xFxnySxm-1ym操作线理论级数(2)由操作线数据画操作线。精品资料分配(fēnpèi)曲线求多级逆流萃取的理论级数精品资料C.组分B、S部分互溶(hùrónɡ)时的解析计算精品资料参考(cānkǎo)：例4-6精品资料——操作(cāozuò)线方程S,Yi+11mS

,Y1SB

,

XFBBB

,

XiS式中：XF——料液中溶质A的浓度，kgA/kgB；Y1——最终萃取相E1中溶质A的浓度，kgA/kgS；Xi——离开m级萃取相中溶质A的浓度，kgA/kgB;Yi+1——进入m级萃取相中溶质A的浓度，kgA/kgS;B——原料(yuánliào)液中纯稀释剂的流量，kg/h;S——原始萃取剂组分纯S的流量，kg/h。物料衡算2.多级逆流萃取的计算：萃取剂与稀释剂不互溶精品资料在Y－X坐标图上作出分配曲线及操作线，然后在此两线间作梯级便可得到(dédào)所需的理论级数。XY0分配(fēnpèi)曲线NY1XFXnYSX2Y2操作线理论级数精品资料解析法当分配曲线为通过原点的直线时，由于操作线为直线，萃取因子Am是常数，可以仿照(fǎngzhào)脱吸计算设：精品资料作业P2394精品资料3.溶剂比对逆流萃取理论级数(jíshù)的影响A、溶剂(róngjì)比定义：溶剂(róngjì)比=S/F说明：溶剂比的变化，引起差点Δ的变化，导致理论级数的变化精品资料◆S/F较大，M→S，E1为F和Δ的和点，Δ点在三角形相图右侧，净物流向左流动。◆S/F减小，M→F，E1升高，Δ点远离(yuǎnlí)S。Δ点移到无穷远时Δ=0，级联线互相平行。◆S/F再减小，F为E1和Δ的和点，Δ点落在三角形相图左侧，净物流向右流动。可见(kějiàn)：精品资料分配曲线操作线132PxFy溶剂比对操作线的影响B、最小溶剂(róngjì)比分配曲线操作线132PxFy溶剂比对操作线的影响精品资料最小溶剂(róngjì)比的求法Δmin的位置，既和平衡关系有关，又和分离(fēnlí)要求有关。A、稀释剂与萃取剂不互溶物系操作线斜率：B/S溶剂比：S/F操作线与分配曲线相交，