确定举取装置的工艺参数

模块十

萃取技术02任务二确定萃取操作条件

3

萃取是指利用物质（溶质）在两种互不相溶或微溶的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使溶质从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中的分离方法。萃取操作条件主要是：依据分离物系的性质及分离要求，确定合理的萃取流程及选用合适的萃取剂。02任务二确定萃取操作条件4能力目标学习要求与目标1.具有根据生产工艺要求计算萃取设备参数的能力。知识目标1.掌握萃取理论级与确定方法。2.掌握萃取装置参数的计算。素质目标1.培养诚实守信、团结协作、爱岗敬业精神；2.培养安全、环保、健康生产意识；3.培养严谨的工作态度及质量意识，具备工程管理能力；4.培养分析问题和解决问题的能力；5.创新能力培养等。子任务3确定萃取装置的工艺参数025子任务3确定萃取装置的工艺参数任务二确定萃取操作条件

萃取过程是在萃取设备内完成的，萃取设备的大小是随萃取过程处理的物料量、处理要求及物料性质的不同而改变的。萃取物系依据溶质-溶剂-萃取剂互溶关系，其平衡关系亦不同，需要的分离装置也不一样，其分离设备多为萃取塔，且每一次分离均可认为达到平衡。

萃取装置的工艺参数主要是萃取塔的塔高和塔径。对于连续接触式萃取塔，其塔高的确定采用精馏塔塔高的计算方法，先确定理论级数，再采用等级高度法或传质方程法。026任务二确定萃取操作条件

萃取过程中，若原料液与萃取剂在混合器中充分进行液液相际接触传质，然后在澄清器中充分静止分层得到相互平衡的萃取相和萃余相，这样的过程即为一次萃取理论级，类似于精馏操作中的理论板，萃取理论级也是一种理想状态。萃取过程中，因为要使液液两相充分混合接触传质达到平衡且使混合两相彻底分离，理论上需要无限长的时间，实际过程中也是无法实现的。应用理论级的概念是为了便于对萃取设备操作效率进行分析，同时在萃取设备计算时，先确定理论级，再依据经验得出的级效率或等级高度，确定实际萃取级数，最终确定萃取装置的工艺参数。一、萃取理论级027任务二确定萃取操作条件二、理论级的确定

萃取过程理论级的确定方法与萃取流程、萃取物系性质有关。下面就完全不互溶物系的萃取理论级的确定方法进行介绍；而部分互溶物系的萃取理论级的确定，建议参照相关资料。

萃取过程中，若B和S完全不互溶或互溶度很小，则整个萃取过程中，B和S均可看成不变量，只有溶质A在两相(B、S)间进行转移，这种情况类似于单组分吸收过程。028任务二确定萃取操作条件1.相组成与相平衡表示方法因萃取过程中，B和S不互溶，A在两相中的组成采用质量比表示。萃取相中溶质A的组成：萃余相中溶质A的组成：溶质A在平衡两相中的组成可用X-Y坐标系中的分配曲线表示。2.单级萃取过程的理论级

当原料液(A+B)与萃取剂S在萃取器中充分接触时，溶质A从原溶剂B向萃取剂S中转移，B和S在两液相中的量不变，最后达到两相平衡。029任务二确定萃取操作条件对萃取器作溶质A的物料衡算有：即是或：式中:B—原料液或萃余相中溶剂B的质量，kg或kg/hXF—原料液中溶质A的质量比，kgA/kgBS—萃取剂或萃取相中萃取剂S的质量，kg或kg/hXR—萃余相中溶质A的质量比，kgA/kgBXS—萃取剂中溶质A的质量比，kgA/kgBXE—萃取相中溶质A的质量比，kgA/kgB该式为单级萃取过程的操作线方程，在X-Y坐标图中为一直线，该直线过D（XF，YS）点，斜率为0210任务二确定萃取操作条件

当已知B、

XF，YS及S，则可依据操作线方程和相平衡关系直接求解(XR，YE);或规定XR，求解YE和S。也可采用图解法求解，如图（b）所示，在X-Y图中绘制相平衡线OE，根据分离任务XF，YS作点F(XF,0),并过点F作斜率为-B/S的直线交平衡线OE于点D，FD为单级萃取过程操作线，交点为D(XF，YS)。若确定分离要求XR，则可依据FD操作线求-B/S，再求S的量。完全不互溶物系的单级萃取02113.多级萃取过程的理论级任务二确定萃取操作条件⑴

多级错流萃取过程多级错流萃取过程实际上是单级萃取的多次串联过程，图(a)所示为B、S完全不互溶物系四级错流萃取过程。每一级的萃取相和萃余相的S和B的量均不变。其理论级的计算有解析法和图解法两种方法。互不相溶物系多级错流萃取过程0212任务二确定萃取操作条件①

解析法。萃取若在操作范围内，其分配系数为常数，且YS=0，在Y-X坐标系内的分配曲线可近似为过原点的直线，即类似于吸收操作中的表达式：对第一级作A组分的衡算，由操作线方程得：将,

代入上式得：令为萃取因素，则：同理，对于第二级，有：

以此可求出经过n个理论级错流萃取后的萃余相组成Xn和相应的萃取相Yn；或相应由上式，求解使溶液由XF降至要求的Xn所需理论级数0213任务二确定萃取操作条件②

图解法。若萃取操作过程的平衡线（分配曲线）为曲线（直线亦如此），可采用图解法。若

，由第一级的操作线方程为依次可得第二级、第三级、…、第N级的操作线方程…各操作线的斜率均-B/S，分别通过X轴上的点R1(XF,0)，R2(X1,0)，…，Rn(Xn-1,0)。其图解步骤如下：a.在Y-X坐标图上，依据萃取物系平衡数据，作平衡线OE；b.过X轴上点R1(XF,0)作斜率为-B/S的直线，得第一级操作线，交平衡线于F1(X1,Y1)，得出第一级的萃取相与萃余相的组成Y1与X1；0214任务二确定萃取操作条件c.由F1作垂线交X轴于R2(X1,0)，过R2作斜率为-B/S的直线得第二级操作线，交平

衡线于F2(X2,Y2)d.依次作操作线，直至萃余相组成等于或小于要求的Xn为止，这一级为第n级。说明：若入口萃取剂中

，则可依据操作线

和平衡线按照上述方法自行作图求解萃取理论级。0215任务二确定萃取操作条件⑵

多级逆流萃取过程互补相溶物系多级逆流萃取过程如图所示，此操作中，各级萃余相和萃取相中的B、S量均不变，虚线框为衡算范围，作第i级到第n级溶质A组分衡算有：若

，则式中:Xi-1,XN—离开第i-1级、N级的萃余相组成，kgA/kgBYi—离开第i级萃取相组成，kgA/kgB——为多级逆流萃取操作的操作线方程。萃取流程0216任务二确定萃取操作条件对多级逆流萃取操作全系统作溶质A的物料衡算可得方程多级逆流萃取过程理论级的计算方法（图解法）介绍如下：由上式可知，该操作线必过点(XF,Y1)、(Xn,0)，即图中的P1、S，斜率为B/S萃取图解法

先在Y-X坐标系中画平衡线OE和操作线SP1，再按梯级法作图，自P1起作水平线交平衡线于F1，得到与F1对应的相平衡组成(X1,Y1)；由F1作垂线交操作线于P2点，得出离开第一级萃取相组成Y1，依次在平衡线OE和操作线SP1之间作阶梯，直至Xn等于或低于分离要求的最终萃余相组成为止。其中所得阶梯数即为S、B互不相溶物系多级逆流萃取操作的理论级数。0217任务二确定萃取操作条件提示：当分离要求Xn一定时，减少萃取剂的用量S，其操作线斜率B/S将增大，即操作线向平衡线靠拢，萃取理论级数将增多；且当S降至操作线与平衡线相交，此时所需理论级数将增至无穷多，此时的S量为最小萃取剂用量，而(S/B)min即为最小溶剂比。实际操作中溶剂比必须大于最小溶剂比，才能达到规定的分离要求。适宜的溶剂比需均衡设备费用和操作费用。0218任务二确定萃取操作条件三、萃取装置工艺参数的确定确定萃取装置工艺参数最主要的是确定萃取塔的工艺参数，即是萃取塔的塔高和塔径。1.萃取塔的塔径

塔径的确定仍采用确定精馏塔和吸收塔塔径的方法：式中

Vs——液相流率，m3/s；

u——适宜流速，m/s。0219任务二确定萃取操作条件2.萃取塔的塔高对于连续接触式萃取塔，其塔高的确定方法有：等级高度法和传质方程法⑴等级高度（HETS）法等级高度法类似于模块五（精馏技术）中的等板高度法。当已知萃取分离物系分离一个理论级的的当量高度（等级高度）he时，即可利用下式，计算完成分离任务需要的有效高度。说明：等级高度法虽然较简单，但是HETS随物系的物性、浓度、流率和塔的结构而变，范围非常大，故在应用时需有与分离条件一致的数据，否则结果与实际差别较大，一般较少采用。0220任务二确定萃取操作条件2.萃取塔的塔高⑵传质方程法传质方程法类似于模块六（吸收技术）中对填料层高度的计算法。以萃取相的溶质总质量分数差为推动力的传质方程为：式中

NA

—溶质A由萃余相向萃取相传递的速率，kgA/(m2相界面·h)；y

—萃取相中溶质A的组成，质量分数；y*

—萃余相平衡的萃取相溶质A的组成，质量分数；Ky—以萃取相溶质浓度差(y*-y)为推动力的总传质系数，kg/(m2·h).0221任务二确定萃取操作条件式中

α

—单位塔体积中的相界面面积，m2/m3；

Ω

—塔截面面积，m2；

E—萃取相的流率，kg/h；对塔微分高度dh内的传质有：

当萃取相中溶质浓度低，且两相互不相溶时，E可作为常数，则由上述两式积分可得萃取塔所需的有效高度：0222任务二确定萃取操作条件式中

yayb

—萃取相在入塔、出塔时的溶质组成，

质量分数m2/m3；

NOE

—萃取相为稀溶液时总传质系数；

HOE

—萃取相为稀溶液时总传质单元高度，m，

；

NOE.C—萃取相为浓溶液时总传质系数；

HOE.C

—萃取相为浓溶液时总传质单元高度，m，

。当萃取相的溶质浓度较高时，可依据下式计算。：

说明：同上，也可以采用萃余相的溶质总质量分数差为推动力的传质方程进行萃取塔高度的计算。0223任务二确定萃取操作条件

化工集团生产丙酮，得到丙酮–水溶液，其中丙酮的质量分数为45%，采用萃取操作从丙酮-水溶液中分离丙酮，要求萃余相中丙酮的质量分数为10%。表中列出了常温下丙酮-水-三氯乙烷三元物系的连接线数据。依据要求完成以下任务：⑴选择合适的萃取剂；⑵如以CHCl3作萃取剂，试求所需萃取剂的用量及三元混合液中水和丙酮的质量分数；

⑶试求所得萃取相E的量；⑷试求萃取相E脱除萃取剂S后所得萃取液E’和萃余液R’的量。0224任务二确定萃取操作条件丙酮-水-CHCl3连接线数据表（质量分数/%）三元物系的单级萃取操作0225任务二确定萃取操作条件解：依题意绘出溶解度曲线和辅助曲线⑴

根据萃取剂的选择原则，从丙酮-水溶液中萃取丙酮，可选用的萃取剂有：三氯甲烷、异丙醚、乙醚、三正辛胺、乙酸乙酯等。下面将以三氯甲烷为萃取剂，确定萃取操作参数。

⑵

根据题意，在三角形相图上标出F点、R点，由R点和辅助曲线确定萃取相E点，连接E、R点，ER线与SF线相交于M点，M点即为混合物的组成点，读出M中含水量为14%，含丙酮为15%，含三氯甲烷71%。根据杠杆定律得：0226任务二确定萃取操作条件⑶如图所示，根据杠杆定律⑷根据杠杆定律

对于实际生产的萃取过程，由于萃取剂的循环使用，萃取剂S中含有少量的A和B，萃取液E’和萃余液R’中也含有少量的S，故点S、R’、E’在三角形相图的均相区内。即0227任务二确定萃取操作条件

对训练1的物系，今有含丙酮(A)20%（质量分数，下同）的水(B)溶液，流量为800kg/h。按错流流程，用三氯甲烷(S)作萃取剂，且每一级的S用量均为320kg/h若要求萃余相中A降至5%，则:⑴

需要的理论萃取级是多少？⑵