第十一章 萃取

第十一章萃取第1页，共129页，2023年，2月20日，星期四

第一节概述一、萃取的原理萃取是利用液体混合物中各组分在所选定的溶剂中溶解度的差异，来达到分离各组分和提纯物质的单元操作。润滑油的精制过程：为达到润滑油较好的粘温特性及抗氧化安定性,必须从润滑油原料中除去大部分多环短侧链芳香烃和胶质,可在润滑油原料中加入糠醛以溶解非理想组分。油田含油废水中油含量的测定：使用石油醚或氯仿作为溶剂,将水中石油类物质溶解以实现与水相的分离。萃取操作的关键是选择一种适宜的溶剂，该溶剂对液体混合物中欲萃取的组分应有显著的溶解能力，而对其余的组分完全不溶或溶解能力较小。这样，溶剂加入液体混合物后可形成两相，欲萃取的组分溶入溶剂相从而达到分离的目的。第2页，共129页，2023年，2月20日，星期四萃取相Extract萃余相Raffinate料液A+BFeed萃取剂Solvent混合澄清槽Mixer-settler二、萃取操作流程萃取操作包括混合和分离两部分。混合的目的是使原料液和溶剂充分接触，造成极大的传质面积，从而利于溶质由原溶剂中转溶到萃取剂中；分离的目的是使传质后形成新的两相分离，以便从萃取相和萃余相中除去溶剂得到产品，溶剂循环使用。1、萃取基本流程第3页，共129页，2023年，2月20日，星期四萃取剂：萃取过程中所选择的溶剂，用S表示。溶质：混合液中在萃取剂中溶解度大的组分，用A表示。稀释剂：在萃取剂中不溶解或溶解度小的组分，用B表示。萃取相：以萃取剂为主，含有部分溶质的一相，以E表示。萃取液：将萃取相中的萃取剂完全脱除得到的液体，以E’表示。萃余相：以稀释剂为主，含有部分溶质的一相，以R表示。萃余液：将萃余相中的萃取剂完全脱除得到的液体，以R’表示。2、基本概念原料液由溶质A+稀释剂B组成例如,用乙酸乙酯萃取水中的醋酸，乙酸乙酯为萃取剂S，醋酸为溶质A，水为稀释剂B，分层后的酯相为萃取相E，水相为萃余相R。第4页，共129页，2023年，2月20日，星期四3、萃取流程分类分级接触式单级多级错流多级逆流按溶液与萃取剂的接触方式微分接触式(连续接触式)单级萃取单级萃取最多为一次平衡，故分离程度不高，只适用于溶质在萃取剂中的溶解度很大或溶质萃取率要求不高的场合。萃取相Extract萃余相Raffinate料液A+BFeed萃取剂Solvent混合澄清槽Mixer-settler第5页，共129页，2023年，2月20日，星期四多级错流萃取萃取剂Solvent原料液依次通过各级，新鲜溶剂则分别加入各级的混合槽中，萃取相和最后一级的萃余相分别进入溶剂回收设备。特点：萃取率比较高，但萃取剂用量较大，溶剂回收处理量大，能耗较大。料液Feed萃取相Extract萃余相Raffinate123N第6页，共129页，2023年，2月20日，星期四多级逆流萃取萃取剂Solvent原料液和萃取剂依次按反方向通过各级，最终萃取相从加料一端排出，并引入溶剂回收设备中，最终萃余相从加入萃取剂的一端排出，引入溶剂回收设备中。特点：可用较少的萃取剂获得比较高的萃取率，工业上广泛采用。料液Feed萃取相Extract萃余相Raffinate123N第7页，共129页，2023年，2月20日，星期四一液相为连续相，另一液相为分散相，分散相和连续相呈逆流流动；两相在流动过程中进行质量传递，其浓度沿塔高呈连续微分变化；两相的分离在塔的上下两端进行。微分接触式（连续接触式）一般在塔式设备（喷淋塔、填料塔、转盘塔、振动筛板塔等）中进行。轻液出口LightLiquidoutlet轻液进口Lightliquidinlet重液出口Heavyliquidoutlet重液进口Heavyliquidinlet第8页，共129页，2023年，2月20日，星期四4、萃取－蒸馏联合过程第9页，共129页，2023年，2月20日，星期四三、萃取操作在工业上的应用1、混合液中各组分的沸点很接近或形成恒沸混合物，用一般精馏方法不经济或不能分离；（如所需理论板数很多，或必须采用大回流比）如:环己烷（A)与苯(B)常压沸点为80.73℃、80.1℃,α→１。2、混合液中含热敏性物质，受热易分解、聚合或发生其它化学变化；在生化制药中，生成复杂的有机液体混合物，这些物质多为热敏性混合物。选择适当的溶剂进行萃取，可避免受热损坏，提高有效物质的收率。例如青霉素的生产，含青霉素的发酵液，以乙酸丁脂为溶剂，经过多次萃取得到青霉素的浓溶液。第10页，共129页，2023年，2月20日，星期四3、混合液中需分离的高沸点组分浓度很低，采用精馏方法须将大量稀释剂汽化，能耗太大。例如，从稀醋酸水溶液中回收醋酸，宜采取先萃取后精馏的方法，可以乙酸乙酯为萃取剂先将水中的醋酸富集到酯相。第11页，共129页，2023年，2月20日，星期四19世纪，用于无机物和有机物的分离，如1842年用二乙醚萃取硝酸铀酰，用乙酸乙脂类的物质分离水溶液中的乙酸等。石油化工：链烷烃与芳香烃共沸物的分离。例如用二甘醇从石脑油裂解副产汽油中或重整油中萃取芳烃,如苯、甲苯和二甲苯（尤狄克斯法）。工业废水处理：用二烷基乙酰胺脱除染料厂、炼油厂、焦化厂废水中的苯酚。有色金属冶炼：萃取是湿法冶金中溶液分离、浓缩和净化的有效方法。例如铌-钽、镍-钴、铀-钒体系的分离，以及核燃料的制备。制药工业：从复杂的有机液体混合物中分离青霉素、链霉素以及维生素等。4、萃取应用举例第12页，共129页，2023年，2月20日，星期四抗生素发酵液预处理板框过滤溶剂萃取萃取相水洗涤加酸反相萃取蒸馏回收结晶干燥产品溶剂相水相溶剂洗涤废水处理抗生素萃取相膜分离溶剂抗生素萃取分离过程的膜法改进工艺滤液膜法浓缩第13页，共129页，2023年，2月20日，星期四1、萃取操作中，溶剂选择的是否适宜，是过程能否进行的关键之一。所选溶剂不仅要对溶质A的选择性大，而且要回收方便，回收操作价格低廉。2、由于萃取过程包括混合和分离两部分，所以萃取设备中也应有相应的两部分。3、萃取过程是液－液相间传质过程，相平衡关系为过程进行的极限。4、萃取是一种过渡性操作。E相和R相脱溶剂后得到富集A或B组分的新溶液，未得到产品。四、萃取操作的特点第14页，共129页，2023年，2月20日，星期四五、液液萃取与蒸馏的比较第15页，共129页，2023年，2月20日，星期四第二节萃取的基本原理

萃取的两相通常为三元混合物，故其组成和相平衡的图解表示法与前述气液传质不同，在此首先介绍三元混合物组成在三角形相图上的表示方法一、液－液相平衡萃取过程的液液相平衡涉及三个组分（萃取剂、溶质和稀释剂），根据相律，F=C-φ+2=组分数－相数＋2=3-2+2=3，其自由度为3。当操作过程的温度、压力固定后，在两平衡液相的组成中只有一个为独立变量。常用三角形相图的方法表示相平衡关系。第16页，共129页，2023年，2月20日，星期四三元组成如何表示？在精馏与吸收中yA已知，yB=1-yA。（一）三角形相图第17页，共129页，2023年，2月20日，星期四1、三角形相图中组成的表示方法可用等腰直角三角形、等边三角形、不等腰直角三角形坐标图。其中以等腰直角三角形相图最为常用。组分的浓度以摩尔分率、质量分率表示均可。一般而言，在萃取过程中很少遇到恒摩尔流的简化情况，故在本章中xA、xB、xS分别表示A、B、S的质量分率。第18页，共129页，2023年，2月20日，星期四ABS三角形任一边上的任一点代表二元混合物，第三组分的组成为0。边上任一点越靠近某一顶点处，此顶点所代表的组分在溶液中的浓度越大。A%S%三角形的三个顶点分别表示A、B、S三个纯组分。点A：xA=1.0

点B：xB=1.0点S：xS=1.0习惯上，在三角形相图中，AB边以A的质量分率作为标度，BS边以B的质量分率作为标度，SA边以S的质量分率作为标度。第19页，共129页，2023年，2月20日，星期四ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8E点：xA=0.4，

xB=1-xA=0.6

三角形内任一点代表某三元混合物的组成。M点：xA=0.4，

xB=0.3，xS=0.3

EEMM第20页，共129页，2023年，2月20日，星期四

如何确定M

点坐标？三元混合物中A含量如何表达：xA

＝EB=0.4过M作BS边的平行线ABSME0.20.40.60.8第21页，共129页，2023年，2月20日，星期四过M作AB边的平行线三元混合物中S含量如何表达：xS

＝AF=0.3

如何确定M

点坐标？ABSMF0.20.40.60.8第22页，共129页，2023年，2月20日，星期四三元混合物中B含量如何表达：xB

＝1-xA-xS

=0.3

如何确定M

点坐标？过M作AS边的平行线ABSMABSMG0.20.40.60.8第23页，共129页，2023年，2月20日，星期四将质量为Vkg、组成为xA、xB、xS的混合物系V与质量为Ukg、组成为yA、yB、yS

的混合物系U相混合，得到一个质量为Mkg、组成为zA、zB、zS

的新混合物系M物料衡算:总：U+V=MA：UyA+VxA=MzAS：UyS+VxS=MzS2、物料衡算与杠杆定律联立以上三式，消去M，得第24页，共129页，2023年，2月20日，星期四杠杆定律在三角形相图中分别以点U、V和M表示原料液和混合液。M点称为U点与V点的和点，U点与V点称为差点。用以描述点M与差点U、V之间的关系（i）几何关系：和点M与差点U、V共线。（线段UM与MV斜率相等，所以U、M、V三点共线。）MV线斜率UM线斜率第25页，共129页，2023年，2月20日，星期四（ii）数量关系：和点与差点的量M、U、V与线段长UM、MV之间的关系符合杠杆原理，即，以M为支点可得U、V之间的关系或写成杠杆定律的用途：可根据溶液U和V的质量比定出混合液M点的位置并可确定其组成。或者，若从某一混合液M中分出一定组成和质量的溶液U，余下的溶液V的质量和组成也可由杠杆定律计算出。第26页，共129页，2023年，2月20日，星期四向二元溶液F(A+B)中加入一定量的纯组分S，则F、M、S三点共线，S与F的质量关系符合杆杠定律，即杠杆定律的应用实例：S增加时,M向S移动而其中A、B的质量比不变ABSFM第27页，共129页，2023年，2月20日，星期四3、三角形相图中的相平衡关系由于萃取操作一般是在固定的温度和压力下进行，因此，三角形相图表示的是在固定温度和压力下的各组分在两平衡液相中组成间的关系。根据萃取操作中各组分的互溶性，可将三元物系分为以下三种情况(1)溶质A可完全溶解于B及S中，而B、S不互溶；(2)溶质A可完全溶解于B及S中，而B、S只能部分互溶；(3)溶质A与B完全互溶，B与S和A与S部分互溶。习惯上，将①、②两种情况的物系称为第I类物系，而将③情况的物系称为第II类物系。在萃取操作中，第I类物系较为常见，以下主要讨论这类物系的相平衡关系。第28页，共129页，2023年，2月20日，星期四（1）溶解度曲线与平衡联结线ABSR0E0d恒温条件下，向纯组分B的实验瓶中滴加S并使其溶解，S滴加到一定数量后，混合液开始发生混浊，即出现了溶剂相，得到的浓度即S在B中的饱和溶解度（R0点）。用类似的方法可得E0点。R0、E0称为分层点，或称混溶点d点如何分相？第29页，共129页，2023年，2月20日，星期四在二元混合液d中加入A，至M1点，混合后静置分层，得互成平衡的两液相E1和R1，联结点R1、E1即为平衡联结线。ABSR0dE0R1E1M1第30页，共129页，2023年，2月20日，星期四ABSRdER1E1M1连接所有的E、R点即得溶解度曲线(图中的黑色曲线)。单相区两相区组成落在单相区的三元混合物形成一个均匀的液相；平衡联结线：联结Ei、Ri两点的直线。共轭相：组成落在两相区的三元混合物所形成的两互成平衡的液相，其组成分别由Ri

和Ei点表示；临界混溶点P：两个共轭相组成相同时的混溶点。P第31页，共129页，2023年，2月20日，星期四讨论：(1)两相区是萃取的可操作范围；(2)三组分溶液的溶解度曲线和平衡联结线的平衡组成数据均由实验测得；(3)平衡联线线不一定是水平的，还可能倾斜方向不同；有少数物系，当混合液组成变化时，其联结线的斜率会有较大的改变；有些物系在不同浓度范围内联结线斜率方向不同，如吡啶－氯苯－水体系；

第32页，共129页，2023年，2月20日，星期四说明：由于石油馏分是多种组分的混合物，如若用萃取方法将其进行分离，则无法将每一组分的量用一自由度来表示（太复杂）。为简化起见，常把复杂混合物分成A、B两组分，再加上萃取剂组成三元体系来处理。(5)溶解度曲线受温度的影响。(4)P点将溶解度曲线分为萃取相与萃余相两支。一般临界混溶点并不是溶解度曲线的最高点，其准确位置的实验测定也很困难；第33页，共129页，2023年，2月20日，星期四（2）辅助曲线已知共轭相中任一相的组成，可利用辅助线得出另一相的组成。辅助曲线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点P；ABSR1E1实验测得的平衡联结线（即共轭相的组成数据）是有限的，对其它组成的液-液平衡数据，可以采用辅助曲线的方法获得。P方法一：已知联结线E1R1、E2R2、E3R3、E4R4，分别从E1、E2、E3、E4点作AB平行线，与由R1、R2、R3、R4点分别作的BS平行线相交，连结各交点即得辅助曲线；R2E2E3E4R3R4第34页，共129页，2023年，2月20日，星期四辅助曲线延长线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点P；借助辅助曲线可求出任何一对共轭相的对应点，即可由一平衡液相的组成找出对应共轭相的组成。ABSR1E1P方法二：分别从E1、E2、E3、E4点引AB平行线，与分别从R1、R2、R3、R4点引出的AS平行线相交，连结各交点即得辅助曲线；R2E2E3E4R3R4第35页，共129页，2023年，2月20日，星期四二苯基己烷廿二烷糠醛0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.845C80C115C140C甲基环戊烷正己烷苯胺0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.825C通常情况下，物系的温度升高，溶质在溶剂中的溶解度增大，反之减小。因此，温度明显地影响溶解度曲线的形状、联结线的斜率和两相区面积

温度升高，互溶度增加，两相区面积减小。(3)温度对相平衡关系的影响第36页，共129页，2023年，2月20日，星期四(二)直角坐标系表示的相平衡关系两相平衡关系也可由直角坐标系表示，用yA表示A组分在萃取相的浓度，xA表示A组分在萃余相的浓度。1、用质量分率表示的y-x直角坐标上的相平衡关系由相律可知，温度、压力一定时，三组分体系两液相呈平衡时，自由度为1。故只要已知任一平衡液相中的任一组分的组成，则其它组分的组成及其共轭相的组成就为确定值。换言之，温度、压力一定时，溶质在两平衡液相间的平衡关系可表示为第37页，共129页，2023年，2月20日，星期四分配曲线：将三角形相图上各对共轭相中溶质A的组成数据（x,y）标绘在x-y直角坐标上，连接后所得的曲线即可表示两共轭相组成的关系。它表达溶质A在呈平衡的两相中的分配关系。有一对组分部分互溶时的分配曲线第38页，共129页，2023年，2月20日，星期四有两对组分部分互溶时的分配曲线若已知某一液相中溶质的组成，则可用分配曲线找到与之平衡的另一液相的溶质组成，其作用类似于辅助曲线。第39页，共129页，2023年，2月20日，星期四2、用质量比表示的Y－X直角坐标上的相平衡关系对B、S完全不互溶的体系：可用YA表示萃取相中溶质A的质量比（A/S），用XA表示萃余相中溶质A的质量比（A/B），则可在Y－X直角坐标上用YA和XA间的关系曲线描述溶质在两相中的分配情况。质量比表示相平衡关系分配曲线可直观表示出溶质在两相间的平衡分配关系，但却无法表示B、S的互溶状况和在两相间的相对数量关系，因此，用于B、S完全不互溶或基本不互溶的体系十分方便。第40页，共129页，2023年，2月20日，星期四式中yA、yB------分别为组分A、B在萃取相E中的质量分率；

xA、xB------分别为组分A、B在萃余相R中的质量分率。3、分配系数当三元混合液的两个液相达到平衡时，溶质在E相和R相中的组成之比称为分配系数，以kA表示，即同样，对于组分B也可写出相应的表达式，即第41页，共129页，2023年，2月20日，星期四(1)分配系数表达了溶质在两个平衡液相中的分配关系。kA值愈大，萃取分离的效果愈好。(2)kA只反映S对A的溶解能力，不反映A、B的分离程度。(3)分配系数的值取决于物系、操作温度和溶液的组成。一般情况下分配系数不是常数，即分配曲线是一条曲线。在恒定温度下，且溶质组成范围变化不大时，kA值才可视为常数。

讨论:对于萃取剂S与稀释剂B互不相溶的物系，溶质在两液相中的分配关系与吸收中的类似，即第42页，共129页，2023年，2月20日，星期四二、萃取过程在三角形相图上的表示在只含有组分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M静置分层得萃取相E和萃余相R，其质量关系为ABSREME’R’FE’max从萃取相E中除去萃取剂S后得萃取液E’；Emax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。第43页，共129页，2023年，2月20日，星期四例:用水作萃取剂(S)，对醋酸(A)－苯(B)混合液进行萃取分离，在25℃下醋酸－苯－水溶液的液－液相平衡数据如表所示，依此数据:(1)在直角三角形坐标图上标绘出溶解度曲线及临界混溶点。(2)试求与组成为15%醋酸、0.5%水、其余为苯的液相呈平衡的另一液相的组成，并求出醋酸在两平衡液相中的分配系数kA的数值。序号萃余相/%(溶质)萃取相/%(溶质)醋酸苯水醋酸苯水10.1599.850.0014.560.0495.421.498.560.0417.70.2082.1433.2796.620.1129.00.4070.6413.386.30.456.93.339.8515.084.50.559.24.036.8619.979.40.763.96.529.6722.876.350.8564.87.727.5831.067.11.965.818.116.1935.362.22.564.521.114.41037.859.23.063.423.413.21144.750.74.659.330.010.71252.340.57.252.340.57.2第44页，共129页，2023年，2月20日，星期四解:(1)根据表中所给数据，首先在直角三角形坐标图上绘制出25℃下醋酸－苯－水溶液的溶解度曲线，并作出各组数据的平衡联结线，如图所示。表中最末一组数据E与R的组成相同，即表明互成平衡的两液相组成重合于一点，此即临界混溶点P。第45页，共129页，2023年，2月20日，星期四（2）将由（1）得到的25℃醋酸－苯－水溶液的溶解度曲线和辅助曲线标绘在图上，组成为15%醋酸、0.5%水、其余为苯的溶液的组成点在临界混溶点P的左侧，即R点，由R点作水平线与辅助曲线交于Q点，再由Q点作垂直线与溶解度曲线交于E点，则可由E点读得与萃余相R平衡的萃取相E的组成为59%醋酸、37%水、4%苯，所以醋酸的分配系数为第46页，共129页，2023年，2月20日，星期四三、萃取剂的选择1、萃取剂的选择性及选择性系数

萃取剂的选择性是指萃取剂S对原料液中两个组分溶解能力的差异。若S对溶质A的溶解能力比对稀释剂B的溶解能力大得多，那么这种萃取剂的选择性就好。萃取剂的选择性可用选择性系数β表示，即两相平衡时，萃取相E中A、B组成之比与萃余相R中A、B组组成之比的比值。其定义式为第47页，共129页，2023年，2月20日，星期四(1)选择性系数β为组分A、B的分配系数之比，其物理意义类似蒸馏中的相对挥发度。(2)若β＞1，说明组分A在萃取相中的相对含量比萃余相中的高，即组分A、B得到了一定程度的分离，显然kA值越大,kB值越小，选择性系数β就越大，组分A、B的分离也就越容易，相应的萃取剂的选择性也就越高。(3)若β=1，则由定义式可知萃取相和萃余相在脱除溶剂S后将具有相同的组成，并且等于原料液的组成，说明A、B两组分不能用此萃取剂分离。讨论:(4)萃取剂的选择性越高，则完成一定分离任务所需的萃取剂量也就越少，相应的用于回收溶剂的能耗也就越低。当组分B、S完全不互溶时，选择性系数趋于无穷大，这是最理想的情况。综上所述，在所有的萃取操作中，选择的萃取剂应在操作范围内使β>1。第48页，共129页，2023年，2月20日，星期四

组分B与S的互溶度大小影响溶解度曲线的形状和分层区面积。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y`max较高。所以B、S互溶度愈小,愈有利于萃取分离。ABSy’max

结论：B、S互溶度越小,越有利于萃取分离。2、萃取剂S与稀释剂B的互溶度第49页，共129页，2023年，2月20日，星期四3、萃取剂的物理性质(1)溶解度：萃取剂在料液相中的溶解度要小。(2)密度：密度差大，有利于分层，不易产生第三相和乳化现象，两液相可采用较高的相对速度逆流。(3)界面张力：界面张力大，有利于细小液滴的聚结和两液相分层；但液滴分散程度较差，混合时界面小，接触不良，不利于质量传递。由于液滴的聚结更重要，故一般选用使界面张力较大的萃取剂。(4)粘度：低粘度有利于两相的混合与分层，流动与传质，对萃取有利。对大粘度萃取剂，可加入其它溶剂进行调节。第50页，共129页，2023年，2月20日，星期四萃取剂S的选择还需考虑萃取剂应满足一般的工艺要求：稳定性好，腐蚀性小，无毒，不易着火、爆炸，来源容易，价格较低等。易回收：为了获得纯产品及使溶剂循环使用，必须将萃取相及萃余相中的溶剂进行回收。萃取过程中，溶剂回收是费用最多的环节。有的萃取剂虽有许多良好的性质，但因回收困难而不被采用。溶剂回收常用的方法是蒸馏、蒸发、反萃取等。在选择具体的萃取剂或几种溶剂组成的萃取剂时，应根据实际情况综合考虑上述因素。第51页，共129页，2023年，2月20日，星期四第三节萃取过程计算计算任务：确定各种萃取过程中分离程度，以及为达到分离要求所需要的萃取剂用量和萃取理论级数。分类：（1）级式接触式：单级，多级错流，多级逆流（2）连续（微分）接触式基本工具：物料衡算和相平衡关系，计算萃取实际级数和连续逆流萃取设备高度时还需用传质速率方程。（萃取过程热效应较小，可认为是等温操作，不作热量衡算）理论萃取级：即无论进入该级的两股液流（原料、溶剂或前一级的萃余相和后一级的萃取相）的组成如何，经过萃取后，从该级流出的萃取相和萃余相为互成平衡的两个相。第52页，共129页，2023年，2月20日，星期四一、单级萃取过程计算任务：给定F、xF、y0、xR（或x’R）等条件，根据相平衡数据和物料衡算求出S，E、yE、E’、y’E。单级萃取可间歇或连续操作。计算方法有解析法和图解法。注意：

xR和x’R，yE和y’E的下标常省略。x和y即分别代表萃余相和萃取相中溶质的质量分数。第53页，共129页，2023年，2月20日，星期四A：根据平衡数据作出溶解度曲线及辅助线。B：确定F、S点：已知xF,在AB边上定出F点，由萃取剂组成y0确定S0点。（若为纯溶剂，则为S点）联结FS0，代表原料液与萃取剂的混合液M点必在FS0线上。1、图解法ABSREE’R’FC：确定R、E和M点：由xR（或xR’）定出R点（若知R’点，连SR’线与溶解度曲线的交点即为R点）。再由R点利用辅助曲线求出E点，则RE与FS0线的交点即为混合液的组成点M。M单级萃取图解法S0（1）S－A完全互溶，S－B部分互溶已知条件：物系在操作条件下的相平衡数据、原料液流量F及组成xF，规定要达到的萃余相中溶质A的组成xR图解步骤：第54页，共129页，2023年，2月20日，星期四D：确定S、R和E的量：根据物料衡算，有M=F+S=R+E根据杠杆定律可计算出萃取剂与原料液F的流量比萃取相和萃余相的流量分别为R＝M－E萃取相和萃余相脱除溶剂后所得的萃取液和萃余液的组成分别为yE’和xR’，同样可根据杠杆定律写出萃取液和萃余液的流量E’和R’。R’＝F－E’ABSREE’R’FM单级萃取图解法S0第55页，共129页，2023年，2月20日，星期四（2）S－A完全互溶，S－B完全不互溶计算与吸收相似:萃取相和萃余相中都只有两个组分，且整个萃取过程中，萃取相中萃取剂的量不变，萃余相中稀释剂的量也不变.萃取剂和萃取相中溶质的组成以纯萃取剂S为基准的质量比表示，即Y0、Y(A/S)，相应的，原溶液和萃余相中溶质的组成以稀释剂B为基准的质量比表示，即XF、X(A/B)。溶质A在两相中的平衡关系可以表示成Y＝KX，其中K称为溶质A的分配系数，其值随溶质的组成变化而异。溶质A的物料衡算可写为或写成——单级萃取操作的操作线方程第56页，共129页，2023年，2月20日，星期四在Y－X图中即为斜率为-B/S，过点(XF,Y0)的直线。操作线和相平衡线交点P的坐标值即为通过一个理论级后萃余相和萃取相中溶质A的组成。Y10分配曲线Y0X1XF-B/S如为纯溶剂，则操作线变为和蒸馏一章中理论板的概念相似，实际操作中单级萃取的传质效果达不到一个理论级。可用级效率表达实际级与理论级的差别。设计时如无生产数据可供参考，则需通过中间实验来取得级效率值。P第57页，共129页，2023年，2月20日，星期四第58页，共129页，2023年，2月20日，星期四2、解析计算当萃取剂与稀释剂不互溶，且在操作范围内分配系数K可视为常数时，可采用解析法计算。一般，B、XF和K已知，可用上式计算在一定萃取剂比下所得到的萃余相组成X或要达到一定的萃余相组成时所需的萃取剂用量S。操作线：

交点：第59页，共129页，2023年，2月20日，星期四3、单级萃取过程中萃取剂的极限用量RC点：最小溶剂用量，SminEC点：最大溶剂用量，Smax萃取操作S应满足下列条件：ABSREFM单级萃取图解法S0RCEC

原料量F及组成一定，增大萃取剂用量，M向S点靠近。第60页，共129页，2023年，2月20日，星期四ABSEmax’FRminRCMEmaxECS04、单级萃取过程的分离范围与Ec呈平衡的萃余相的组成点为Rmin，其中溶质组成为该操作条件下单级萃取可能达到的最低值xmin，相应的脱除萃取剂后的萃余液组成也最低。但此时的萃余相的流量为零。结论：（1）经单级萃取，萃余液组成x’≮x’min，萃取液组成y’≯y’max（2）受相平衡限制，不可能同时得到Rmin和E’max过S点作溶解度曲线的切线与AB边交于E’max点，其组成y’max为单级萃取所能获得萃取液中溶质含量最高的组成。由辅助曲线，可得到与切点Emax呈平衡的萃余相组成R，平衡联结线REmax与FS交于点M，可由此求得相应于y’max的萃取剂用量。R第61页，共129页，2023年，2月20日，星期四例:在一单级接触式萃取设备中，用三氯乙烷为溶剂，萃取丙酮－水溶液中的丙酮。溶解度曲线及辅助曲线NN’见附图,已知原料液量为140kg，其中含丙酮56kg。萃取后所得萃余相中丙酮含量为20%（质量%）。试求：(1)萃取剂用量；(2)萃取相量及其组成；(3)若将溶剂全部回收，所得萃取液的量及其组成；(4)若将溶剂全部回收，所得萃余液的量及其组成。第62页，共129页，2023年，2月20日，星期四解：(1)三氯乙烷（S）的用量原料液中丙酮的组成溶剂用量可根据杠杆定律求取，在图中量取MF＝22mm，MS＝39mm，则标出原料液组成点F联SF线标出R点由辅助曲线求E点RE与SF两线交于M点第63页，共129页，2023年，2月20日，星期四(2)萃取相E量及其组成yEM＝F＋S＝140+79＝219kg依杠杆定律求E，在图中量取MR＝22mm，ER＝40mm,则由图中E点读出萃取相中丙酮的组成yE＝0.25。(3)萃取液的量E’及组成yE’连SE并延长与AB边交于E’，读出E’的组成为yE’＝0.95。依杠杆定律求E’，在图中量取R’F＝11mm,R’E’=42mm,则(4)萃余液的量R’及其组成x’R

R’=F-E’＝140-36.7＝103.3kgR’的组成与R的组成相同，即。第64页，共129页，2023年，2月20日，星期四二、多级错流萃取过程单级萃取分离程度有限，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。多级错流萃取的目标产品为高纯度的稀释剂B。流程如下萃取剂S,y0料液F,xF萃取相萃余相M1M2M3MnE1R1E2E3EnR2R3Rn-1Rn设各级萃取剂用量均为S0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。第65页，共129页，2023年，2月20日，星期四1、解析计算条件：同单级萃取，即当S与B不互溶，且在操作范围内分配系数K可视为常数时。若使用纯萃取剂，则对任一级也有与单级萃取相同的关系式，即当各级萃取剂用量相同时，萃取效果最好，因此有萃取因数ε：表示每级达平衡后的萃取相中溶质的量与萃余相中溶质的量之比第66页，共129页，2023年，2月20日，星期四则有从i=1至i=N，逐级联解其物料衡算和相平衡方程可得到最终萃余相组成为可进一步得到，欲达到规定的XN所需要的级数经N级错流萃取后，溶质A的萃余率φ为则萃取率ρ为可见，萃取因数越大或萃取级数越多，萃取率越高。第67页，共129页，2023年，2月20日，星期四2、图解计算（1）萃取剂与稀释剂部分互溶采用三角形相图图解计算较为方便。多级错流萃取过程的图解法是单级萃取过程图解法的多次重复M1(FS0上)M2(R1S0上)M3(R2S0上)ABSR1E1FM1多级错流萃取图解法S0E2R2M3M2E3R3直至最终萃余相中溶质组成等于或小于规定要求时为止，平衡联结线数即为所需要的理论级数。第68页，共129页，2023年，2月20日，星期四（2）萃取剂与稀释剂不互溶或互溶度很小可忽略各级萃余相中稀释剂量均等于原料液中稀释剂量，加到每一级中的萃取剂都进入萃取相，两相中溶质的组成可用质量比表示，可采用Y－X直角坐标图进行图解计算。平衡关系：第一级物料衡算为：第二级物料衡算为：料液B,XF萃取相M1M2E1(Y1)R1(X1)E2(Y2)R2(X2)……S,Y0第69页，共129页，2023年，2月20日，星期四Y10Y*=f(X)Y0X1XF-B/SX2Y2X3Y3-B/S-B/S任一级系统的物料衡算：从点（XF，Y0）开始逐级作操作线，直至最终萃余相中溶质组成等于或小于规定值。各操作线与相平衡线（分配曲线）交点的坐标即为离开各级的萃取相和萃余相达到平衡时的组成Yi，Xi。操作线与分配曲线的交点数目即为欲达到分离要求所需要的理论级数。第70页，共129页，2023年，2月20日，星期四给定S,NT求X①作分配曲线②定操作线斜率③定a→b→x1④定c→d→x2⑤定e→f→x3第71页，共129页，2023年，2月20日，星期四例：在25℃下用异丙醚为萃取剂分离含35%醋酸（质量）的醋酸水溶液，萃取物系的溶解度曲线及辅助曲线如图所示，原料液的处理量为100kg/h，试求：（1）用100kg/h的纯萃取剂进行单级萃取时所得的萃取相和萃余相的流量及其中的醋酸组成；（2）每次用50kg/h纯萃取剂进行两级错流萃取时所得的萃取相和萃余相的流量及其中醋酸的组成；（3）上述两种萃取操作的萃余率。第72页，共129页，2023年，2月20日，星期四解：已知F＝100kg/h，xF=0.35，由此定出F点(1)S=100kg/h联结FS，由于F＝S，所以混合点M在线段FS的中点。F总流量M＝F＋S＝200kg/hM借助于辅助曲线,用试差法作过M点的平衡联结线RE，且从图上量出线段RM和RE的长度，RM＝19.0mm，RE＝37.0mmRE由杠杆定律得第73页，共129页，2023年，2月20日，星期四从上图中可读得萃取相和萃余相中醋酸的组成分别为y=0.15,x=0.25(2)两级错流萃取时进入第1级萃取器的总液流量为M1=F+S1=100+50=150kg/hFM1R1E1混合点M1与S点间的长度为由线段M1S的长度可在图上确定出M1点的位置。借助辅助曲线作过M1点的平衡联结线R1E1，从图中量得线段M1E1和R1E1的长度，则第1级萃余相的流量为第74页，共129页，2023年，2月20日，星期四进入第2级萃取的总液流量为M2＝R1＋S2＝90＋50＝140kg/h混合点M2与S点间的长度为由线段M2S的长度可在图上确定M2点的位置。借助辅助曲线作过M2点的平衡联结线R2E2FM1R1E1M2R2E2从图中量得线段M2E2和R2E2的长度，则第2级萃余相的流量为从图中可读得第2级萃余相中醋酸的组成分别为x=0.22第75页，共129页，2023年，2月20日，星期四（3）两种萃取操作的萃余率为单级萃取两级错流萃取第76页，共129页，2023年，2月20日，星期四三、多级逆流萃取过程（一）流程多级逆流萃取过程是将多个单级萃取操作串联起来，实现萃取相与萃余相的逆流操作。萃取剂S,yS料液F,xF萃取相萃余相M1M2M3MnE1R1E2E3EnR2R3Rn-1RnE4原料在第一级中加入，依次通过各级，从第N级（最后一级）排出，新鲜溶剂由第N级中加入，与原料液呈逆流流动，从第一级中排出。最后，萃取相E1和萃余相Rn分别进行溶剂回收，回收后溶剂供循环使用。第77页，共129页，2023年，2月20日，星期四第1级第N级萃余相中溶质组成萃取相中溶质组成大小大小第78页，共129页，2023年，2月20日，星期四（二）计算设计型计算：已知物系的相平衡数据、原料液流量F及组成xF，选定萃取剂用量S及组成y0，规定最终萃余相中溶质的组成xN，求所需的理论级数N和离开各级的萃取相、萃余相的流量和组成。操作型（标定）计算：在萃取级数已知的情况下，确定为完成规定的分离任务和要求所需要的萃取剂量。基本计算式：物系的相平衡关系和物料衡算关系。第79页，共129页，2023年，2月20日，星期四1、三角形相图图解法适用于萃取剂与稀释剂部分互溶的物系。步骤：(1)根据物系的相平衡数据，在三角形坐标图上标绘出物系的溶解度曲线和辅助曲线。(2)总物流的组成点（混合点）M必在直线FS上，根据S和F的用量依据杠杆定律定出M点的位置。(3)M点也必在RN和E1的联线上(?)，由xN在溶解度曲线左半支上确定组成点RN，连接RN和M点延长至溶解度曲线的右半支上定出E1点。ABSE1FM多级逆流萃取图解法S0RN流量RN和E1的计算应用杠杆规则，即RN=M－E1第80页，共129页，2023年，2月20日，星期四物料衡算i=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（4）理论级数的确定：萃取剂S,yS料液F,xF萃取相萃余相M1M2M3MnE1R1E2E3EnR2R3Rn-1RnE4操作线方程第81页，共129页，2023年，2月20日，星期四离开每级的R

与进入该级的E

流量之差为一常数。>0，流动方向与R相同，<0，流动方向与E

相同。由以上方程可见，在操作稳定后，进入任一级与离开该级的两物流的流量差(Ri-1-Ei)为一常数，即△，同时，在三角形相图上级间两物流的组成点Ri-1、Ei与△三点共线。因此，各条操作线均过点△，点△就叫做操作点，其位置是各条操作线的交点。实际做图时，可由RNS和FE1两条线延长，交点为△F-E1=R1-E2=R2-E3=．．．=Rn-1-En

=Rn

-S=Δ第82页，共129页，2023年，2月20日，星期四ABSE1FM多级逆流萃取图解法S0E2E3直至萃余相中溶质的组成等于或小于所要求的最终萃余相中溶质的组成。图中联结线的数目N，即为所求理论级数。E4R1R4R2RnR3联E1F与SRN交于点△由E1点作平衡联结线得到R1点连R1和△点并延长，得E2点由E2点得R2点交替用平衡联结线和操作线得到E3,R3…第83页，共129页，2023年，2月20日，星期四讨论：(1)操作点△在三角形相图外，故其不代表任何组成关系，只是一个虚拟点。(2)操作点的位置：与物系的平衡联结线斜率、萃取剂流量和原料液的流量及组成有关，可能在三角形相图的左侧，也可能位于右侧。第84页，共129页，2023年，2月20日，星期四萃取剂用量较大时，混合点M靠近S，操作点在相图的右侧。萃取剂用量减小时，M点远离S点，操作点逐渐移到相图的左边。S/F越小，操作点越靠近B点，其第一级萃取相组成E1越高。因此，为达到同样的分离要求，萃取剂比S/F越小，所需要的理论级数越多。第85页，共129页，2023年，2月20日，星期四（3）最小萃取剂比：当萃取剂比减小到某一较低值时，在操作范围内会有一条平衡联结线的延长线通过操作点∆，即在此处操作线与平衡联结线重合，表明相遇的两相间无差别而传质推动力为零，完成规定的分离任务所需要的理论级数为无穷多，此时的萃取剂比称为最小萃取剂比(S/F)min。此时对应的∆称为∆min。∆min的作法：将操作范围内若干条平衡联结线延长，分别与直线RNS的延长线相交于若干点，其中最左边的交点即为∆min。一般将通过进料点F的那条平衡联结线延长，与直线RNS的延长线相交的点作为最小萃取剂比下的操作点∆min。第86页，共129页，2023年，2月20日，星期四(S/F)min的求取：联结F与∆min点，直线F∆min或其延长线与溶解度曲线右半支的交点即为最小萃取剂比时的第1级萃取相组成点Em1。联结直线RNEm1和直线FS交点为Mm为最小萃取剂Smin与原料液F的和点，则最小萃取剂比为设计时实际萃取剂比一般为最小萃取剂比的1.2－2.0倍。第87页，共129页，2023年，2月20日，星期四例用纯溶剂S逆流萃取某混合液中的A组分。混合液由A、B两组分组成。原料液量为1000kg/h，其中A组分的组成为30%。已知纯溶剂用量为350kg/h。要求最终萃余相RN中A组分的组成不大于6.5%（均为质量%）。试求：（1）所需理论级数；（2）最终萃取相的量及其组成。第88页，共129页，2023年，2月20日，星期四（1）依原料组成xF＝0.3在相图中AB边上定出F点，连SF线。根据溶剂比在SF线上定出M点。按最后一级萃余相组成xN＝6.5%，在溶解度曲线上定出RN点。连接RNM并延长与溶解度曲线交于E1点，E1即为离开第一级的萃取相组成点。连E1F及SRN两线并延长，得交点，∆即为操作点。第89页，共129页，2023年，2月20日，星期四过E1点作平衡联结线得R1点（联结线可通过辅助曲线作出）。连∆R1并延长与溶解度曲线交于E2点，过E2作联结线与溶解度曲线交于R2点，连∆R2并延长与溶解度曲线交于E3点，重复上述方法作图，至萃余相中A组分的组成小于xN（即小于6.5%）。图中联结线数目为五条，即所需理论级数为五级。第90页，共129页，2023年，2月20日，星期四（2）由图中读出E1的组成为A－42%，B－6%，S－52%。M＝F＋S＝RN＋E1＝1350kg/h第91页，共129页，2023年，2月20日，星期四萃取过程的标定计算：给定萃取级数的情况下，确定完成一定分离任务要求所需要的萃取剂用量，一般需用迭代法求解，即先假设一个萃取剂用量，然后按给定的级数逐级求解，看能否达到所要求的分离任务，若不能，则重新假设萃取剂用量，重复计算，直到达到所要求的分离任务为止。第92页，共129页，2023年，2月20日，星期四2、直角坐标图解法在直角坐标图中做出分配曲线和操作线，再用梯级作图法求理论级数。（1）S、B部分互溶①由平衡数据绘出分配曲线；由操作线数据画操作线。②在x-y坐标图中做操作线。在三角形相图上确定F,RN,M,E1和∆点，在E1至RN的范围内任意作若干条操作线，将每条操作线与溶解度曲线的两个交点的组成xi-1,yi标绘在x-y直角坐标图中就是一个操作点，将若干个操作点连接起来即为直角坐标图中的操作线。ABSE1FM多级逆流萃取图解法S0EmRm-1Rn第93页，共129页，2023年，2月20日，星期四③从起点F开始交替运用操作线与分配曲线依次作梯级直至达到或跨过N点为止，梯级数即为理论级数。xy0分配曲线PNy1xFxnySxm-1ym操作线F第94页，共129页，2023年，2月20日，星期四（2）S、B不互溶（用X－Y坐标）物料衡算——

操作线方程S,Y01NS

,Y1SB

,

XFBBB

,

XNS这是一条斜率为B/S，过点（XN，Y0）和点（XF，Y1）的直线，关联了任意相邻两级间两液相中溶质组成的关系，称为萃取的操作线方程。或若从第i级至最后作衡算，则第95页，共129页，2023年，2月20日，星期四理论级数的求取步骤①在X－Y直角坐标图中作分配曲线；②作操作线：斜率为B/S，过点(XN,Y0)和点(XF,Y1)的直线;③画阶梯：在以上两线间作梯级得到理论级数。XY0分配曲线NY1XFXNY0X2Y2操作线F（1）当分配曲线上凸，若(S/F)↓→(B/S)↑，操作线靠近分配曲线，所需梯级数增多。当操作线与分配曲线相交时，所需理论级数为无穷大，此时的S即为Smin。（2）当分配曲线上凹时，操作线与分配曲线相切时S最小，由切线斜率可求出(S/F)min。讨论：第96页，共129页，2023年，2月20日，星期四3、解析法或∴萃余率萃取率（1）分配系数K逐级变化时的计算（不要求）（2）各级分配系数K为常数时的计算：适用条件：纯溶剂（Y0＝0），B、S不互溶。计算最终萃余相中溶质组成的公式为第97页，共129页，2023年，2月20日，星期四例:已知S=40kg/h纯溶剂，B与S完全不互溶，kA=YA/XA=1.5，B=30kg/h，XF=0.3kgA/kgB，XN=0.05kgA/kgB。试求：完成分离任务所需的理论级数。第98页，共129页，2023年，2月20日，星期四第四节液-液萃取设备液-液萃取设备必须同时满足两相的充分接触（传质）和较完全的分离。液-液两相间密度差小，界面张力不大，为了提高萃取设备的效率，通常要补给能量，如搅拌、脉冲、振动等。萃取设备的分类产生分散相的动力微分接触式逐级接触式重力差喷啉塔、填料塔筛板塔、流动混合器机械搅拌转盘萃取塔、搅拌萃取塔、振动筛板塔混合澄清器脉冲脉冲填料塔、脉冲筛板塔

脉冲混合澄清器离心力作用连续式离心萃取器逐级式离心萃取器第99页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备混合澄清槽第100页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备筛板塔第101页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备振动筛板塔第102页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备转盘塔第103页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备不对称转盘塔（偏心转盘塔）1-转盘；2-横向水平挡板；3-混合区；4-澄清区；5-环形分割板；6-垂直挡板既保持了转盘塔结构简单、传质效率高、生产能力大等特点，分开的澄清区可使分散相液滴反复进行凝聚-再分散，减小轴向混合，提高萃取效率。第104页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备翻斗式萃取器第105页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备静态混合器第106页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备单级离心萃取器第107页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备芦威（Luwesta）式离心萃取器第108页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备波德（Podebielniak）式离心萃取器第109页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备离心萃取器第110页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备离心萃取器第111页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备离心萃取器第112页，共129页，2023年，2月20日，星期四常见工业萃取设备液泛现象第113页，共129页，2023年，2月20日，星期四萃取设备的选择不同的萃取设备有各自的特点。设计时应根据萃取体系的物理化学性质、处理量、萃取要求及其它因素进行选择。(1)物系的稳定性和停留时间：要求停留时间短可选择离心萃取器，停留时间长可选用混和澄清器。(2)所需理论级数：所需理论级数多时，应选择传质效率高的萃取塔，如所需理论级数少，可采用结构与操作比较简单的设备。(3)处理量：处理量大可选用混合澄清器、转盘塔和筛板塔，处理量小可选用填料塔等。(4)系统物性：易乳化、密度差小的物系宜选用离心萃取设备；有固体悬浮物的物系可选用转盘塔或混和澄清器；腐蚀性强的物系宜选用结构简单的填料塔；放射性物系可选用脉冲塔。(5)厂房条件：面积大的厂房可选用混合澄清器；面积小、但高度不受限制的厂房可选用塔式设备。(6)费用：设备的一次性投资和维护。(7)经验：对特定设备的实际生产经验。第114页，共129页，2023年，2月20日，星期四萃取的基本原理与概念定义萃取基本流程：混合、澄清三角形相图组成的表示方法溶解度曲线平衡联结线辅助曲线临界混溶点分配曲线杠杆定律分配系数选择性系数第115页，共129页，2023年，2月20日，星期四萃取的计算

计算任务基本工具理论萃取级单级萃取图解法S－B部分互溶S－B完全不互溶解析计算操作范围的确定萃取液最大浓度的确定Smin、Smax的确定第116页，共129页，2023年，2月20日，星期四ABSREE’R’FM单级萃取图解法S0Y10分配曲线Y0X1X