第4章-液液萃取(夏青版)5课件

什么是液液萃取与吸收相似

利用液体混合物中各组分在外加溶剂中溶解度的差异而分离该混合物的操作。(抽提）4.1

概述本章主要讨论双组分均相液体混合物（A+B）的萃取过程。选用溶剂，萃取剂S，混合液中被分离出的组分，溶质A，混合液中与萃取剂不互溶或仅部分互溶的组分称为原溶剂或稀释剂B。2充分接触相界面(extractphase)(raffinatephase)1萃取操作的基本原理和过程原料液萃取剂SA+B

萃取液E’

萃取相E（A大量，B少量)

S+A+B萃余相RB+A+S萃余液R’（B大量，A少量)S一次相平衡一个理论级脱除溶剂溶质扩散沉降分层3讨论：（1）完整的萃取过程包括：萃取与反萃取（溶剂回收）。（2）溶剂循环使用，即脱溶剂过程才是经济性的体现。（3）萃取中相互接触的均为液相，因此必须两相有密度差Δρ。2.

萃取分离的适用场合思考：分离液相均相混合物，什么场合用精馏或用萃取？4稀溶液：溶质是易挥发组分溶质是难挥发组分＝1或1的体系热敏性溶液：其他-----精馏或萃取-----萃取-----萃取或特殊精馏-----萃取-----精馏精馏----需汽化萃取----常温操作3.

萃取操作的特点：①萃取剂与原溶剂只能部分互溶或完全不溶；萃取剂选择性好。②不能直接得到纯产品——过渡操作；③三元或多元体系，通常需在三角形相图上表示。54、萃取分离技术的发展

液-液萃取技术有着广泛的前景。萃取与蒸馏两种分离方法可以互相补充。实践证明，适当选用蒸馏或萃取，几乎所有液体混合物都能有效而经济的实现组分间的完全分离。（1）A完全溶于B及S中，但S与B完全不互溶；（2）S与B部分互溶，与A完全互溶；4.2

三元体系的液—液相平衡相平衡的应用：与吸收相同——Ⅱ类物系我们重点讨论的是前两种情况。（3）S不仅与B部分互溶，而且与A也部分互溶。——Ⅰ类物系液-液萃取形成的三组分物系有三种类型。64.2.1

组成在三角形相图上的表示方法

液液萃取过程涉及三元体系的相平衡，此时用直角坐标系就不方便了，因此要用到三角形相图。常用的三角形相图有如下几种，原理均相同。考虑到混合液组成用质量分数表示的方便简明，萃取计算中常采用等腰直角三角形坐标图。7溶质原溶剂萃取剂②每条边代表二元溶液

①顶点代表纯组分③相图中的点代表三元溶液表示方法AxBx8

原料中加入适量的S，充分接触和静置后，形成两个液层—萃取相E、萃余相R，相平衡（共轭相）。改变S量，得到不同的共轭相组成。

在三角形相图上，将各个共轭相组成坐标点联结起来的曲线称为溶解度曲线。溶解度曲线数据由实验测得。4.2.2

液—液相平衡关系1.溶解度曲线和联接线9

B，S混合液中加入A，随着A的增加，混合点沿AM线变化，在两相区内可以对应平衡的n个R和E，联接各个R点和E点，得曲线。B，S部分互溶时溶解度曲线的绘制（一）（一定温度下）MRE两相区均相区PA

BS溶解度曲线10L，J表示两相组成，C表示总浓度，与B，S的质量有关。B，S的质量改变，不影响相互的溶解度，但影响总浓度，所以有C~F各点。B，S部分互溶时溶解度曲线的绘制（二）由实验得混溶点C’~F’等，联接各混溶点，得曲线。E两相区均相区A

BS溶解度曲线

C

C’

D

D’FE’F’

L

J11思考：若B与S完全不互溶，则在三角形相图中溶解度曲线如何画？点L，J分别于点B和S相重合，R与E分别在AB线和AS线上，三角形内部均为两相区。¢B、S完全不互溶时二元溶液萃取液E萃取相E（纯A）S+A萃余相RB+A12

点R及E表示相平衡时的萃余相及萃取相的组成，两点的联线称为联结线。一定温度下，联结线有无穷多条，由实验测定。13其他两种情况MRE两相区均相区A

BS联结线

Tieline2．辅助曲线和临界混溶点已知四对相平衡坐标位置，即R1、E1…R4、E4各点。从点E1作边AB的平行线，从点R1作BS边的平行线，两线相交于点F。同样方法得交点G、H和J，联各交点的曲线FGHJ即为辅助曲线，又称共轭曲线。（用于R,E互求）辅助线14褶点

辅助曲线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点。又称褶点(plaitpoint)

，此点处R和E两相组成相同。P点并不一定处于曲线最高点

若已测出的某条联结线位置接近临界混溶点，则可将辅助线外推求出P，若距离较远，用外延辅助曲线方法不准确。临界混溶点数据应由实验测定出。MRE两相区均相区P15相平衡关系包含：溶解度曲线，共轭线，辅助线辅助线作法及E、R点的确定临界混溶点由两辅助曲线确定16B、S部分互溶，且A、S部分互溶时的溶解度曲线17思考：1、加入溶质A后，B、S互溶度如何变化？2、B、S互溶度变大，则两相区范围如何变化？B、S互溶度变大MREB、S部分互溶时P两相区范围变小183.分配系数与分配曲线------分配系数

distributioncoefficient1）分配系数：在一定温度下，相平衡时，溶质组分A在两个液层（E相和R相）中的浓度之比称为分配系数。19

分配系数表达了某一组分在两个平衡液相中的分配关系。Ay原料液

萃取剂SA+B

萃取液E’

萃取相EA大量，B少量

S+A+B

萃余相R

B+A+S萃余液R’B大量，A少量20kA＞1kA=1kA＜1联接线斜率越大，kA越大，越易分离。21不同物系具有不同的分配系数kA值。同一物系kA值随温度及溶质浓度而变化。在恒定温度下，kA值只随溶质A的组成而变。恒温，恒压，低浓度时，kA可视为常数。P不在溶解度曲线最高点2）分配曲线-----相平衡关系曲线B、S部分互溶时对角线22kA>1，分配曲线位于y=x线上侧。B、S完全不互溶时以质量比表示的分配系数K，有其中，Y，X为质量比其中，y，x为质量分数此时，分配曲线多为K为常数时的直线。234.温度对相平衡关系的影响①T↑→B及S中，A溶解↑，两相区缩小；不利于萃取分离。②T影响曲线形状、联结线斜率及两相区的面积，从而影响分配曲线形状；24③温度↑，Ⅱ类物系→Ⅰ类物系。对同一物系，当温度降低时，两相区增加，对萃取有利。但温度降低会使溶液黏度增加，不利于两相间的分散、混合和分离，因此萃取操作温度应作适当的选择。254.2.3杠杆规则—三角形相图的应用：表示混合、分离等过程1）两液相混合总组成在相图上的点，必落在两液相点的连线上2）若某差点流量越大，和点就越靠近该点。杠杆REF

M

A

B

S26则

S、F——分别代表纯溶剂和进料的质量，kg；E、R——分别代表萃取相和萃余相的质量，kgMR、ME——分别代表线段MR和ME的长度。MF、MS——分别代表线段MF和MS的长度杠杆REF

M

A

B

S或

27杠杆R

E

REF

M

ME’和R’的相图表示方法：E’和S为差点，E为和点R’和S为差点，R为和点E’和R’为差点，F为和点28如何证明上述杠杆原理成立？物料衡算：----本质上就是物料衡算关系杠杆差点和点差点294.2.4萃取剂的选择1、萃取剂的选择性和选择性系数

选择性是指S对A、B两个组分溶解能力的差别。若S对溶质A的溶解能力比对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来衡量。30------选择性系数relativeselectivity意义相似对照：如β=1，则萃取液与萃余液有同样的组成，并与料液的组成一样，不可用萃取分离。如β＞1，则萃取能够实现。β越大，分离越易，kA越大越好，kB越小越好

。β的大小可判断所选择萃取剂是否适宜和分离的难易。萃取剂的选择性好，对一定的分离任务，可减少萃取剂用量，降低回收溶剂操作的能量消耗，并且可获得纯度较高的产品。组分B，S完全不互溶时，yB=0，β趋近于无穷大。31Ay原料液

萃取剂SA+B

萃取液E’

萃取相E

S+A+B

萃余相R

B+A+S萃余液R’拓展322、萃取剂与原溶剂的互溶度相同温度下，同一种含A、B组分的原料液与不同S1、S2所构成的相平衡关系图。图（a）表明B、S1互溶度小，两相区面积大，E’中组分A的极限浓度y’max（相图表示法）较大。图（b）表明选用S2时，其极限浓度较小。显然S与B的互溶度越小，越有利于萃取。33

萃取剂需循环使用，回收的难易直接影响操作费用。回收所用的方法主要是蒸馏。若被萃取的溶质是不挥发的，而物系中各组分的热稳定性又较好，可采用蒸发操作回收萃取剂。在一般萃取操作中，回收萃取剂往往是费用最多的环节，有时某种萃取剂具有许多良好的性能，仅由于回收困难而不能选用。3、萃取剂回收的难易与经济性34①密度：萃余相与萃取相之间应有一定的密度差，以利于两个液相在充分接触以后能较快地分层，提高设备的生产能力。②界面张力：物系的界面张力较大时，细小的液滴比较容易聚结，使两相易于分层，但分散程度较差。界面张力过小时，易产生乳化现象，使两相较难分层。在实际操作中，液滴的聚集更为重要，故一般多选用界面张力较大的萃取剂。有人建议，将萃取剂和原料液加入分液漏斗中，经充分激烈摇动后，以两液相在五分钟以内能够分层的，作为萃取剂界面张力适当与否的大致判别标准。

4萃取剂的其他性质35③其他：为了便于操作、输送及贮存，萃取剂的黏度与凝固点应较低，并应具有不易燃、毒性小等优点。此外，萃取剂还应具有化学稳定性、热稳定性以及抗氧化稳定性，对设备的腐蚀性也应较小。萃取剂的选择

1、对溶质溶解性大2、选择性好

3、B与S互溶度越小越好4、萃取剂易于回收

5、萃取相与萃余相密度差异大364.3萃取过程的计算本节要讨论的37计算前提------理论级假定离开的两相Ri、Ei呈相平衡关系38MRME4.3.1单级萃取的计算1.萃取过程在三角形相图上的表示（B、S部分互溶）---图解法

（1）混合设S是纯态的，由已知原料液组成（假定只含有A和B），在三角形的边AB上确定F点，联SF线，代表原料液与萃取剂的混合液的组成点M必在线SF上。39最小萃取剂用量SminM溶剂量SR或SE时，和点MR或ME在溶解度线上，不分层，不能分离。则适宜的溶剂量为SR<S<SE；（2）分层

M分层为E和R，通过辅助线和杠杆规则，画出E和R点。确定E和R的质量。（3）脱溶剂

由S和E，R，画出E’和R’点。确定E’和R’质量。40y’max与组分B，S之间的互溶度和温度有关，即与两相区的面积有关。两相区面积越大，y’max越大。B，S完全不互溶时，则y’max=141最大萃取液浓度y’max2单级萃取的计算已知：F、xF、yS、xR（或xR

’）、相平衡关系。求：S（或S0）、R、E、yE。

F，xF

R，xR

¢，x’R

E¢，y’E

S，ySR，yE

SSE42R根据已知条件确定线FS（或FS0，S指纯溶剂，S0指再生后，含有少量A的溶剂）、点R（或R，再绘出R），通过相平衡关系作联结线，找到点E，再作图得到和点M。然后，利用杠杆原理求S等各量。B、S部分互溶时MEFS043RR——求得S或S0——求得E或R——求得E’或R’或EMEFS044也可进行解析计算由F+S=R+EFxF+Sys=RxR+EyE=MxM得同理萃取（出）率：萃余率：45B、S完全不互溶时---解析法

物料衡算：相平衡关系：解两个未知数与吸收类似，浓度用质量比更方便。46用相图表示：为过点（XF，YS），斜率为-B/S的直线与相平衡线的交点为（X1，Y1)如果B,S完全不互溶，萃取率等公式如何表达？萃取（出）率：萃余率：47流程及特点特点：①每一级均用新鲜萃取剂，故传质推动力较大；②萃取剂用量大，操作费用高。多个单级萃取串联使用4.3.2多级错流萃取流程（多级分离）48计算-----求级数N491.组分B、S部分互溶时的图解法作图步骤：①连点F、S，由F、S1值和杠杆原理确定和点M1；②由M1，确定点R1、E1及其值；R1E1M150③连点R1、S，由R1、S2大小和杠杆原理确定和点M2；④由M2，确定点R2、E2及其大小；R1M2R2E2E1M151

⑤如此反复，直至xNxR（指定）为止，线的个数即为理论级数。计算可知，对于指定的分离程度，各级溶剂用量相等时，溶剂总用量最少。522.B、S完全不互溶时理论级数的计算1）直角坐标图解法取每一级S相等，则B，S值为常数。E中只有（S，A），R中只有（B，A）。53必过点(Xn-1，YS）必过点(XF，YS)则对于第一级有：-----操作线方程整理得同理，对于第n级，有54步骤：（与计算匹配）1.做分配曲线（相平衡线）2.确定起始位置L（XF，YS）点，做操作线，交分配曲线与E1点。3.过E1点做垂线，交Y=YS线与点V，做LE1的平行线，依次类推。直至XN低于指定值为止。操作线的数目就是理论级数。55若YS=0，则相图解法为：562）解析法平衡关系：Yi=KXi，其中，K视为常数时，由则令则萃取因子57依次类推，得所需理论级数为常用：YS=0时的简化版可用曲线表示5859传质推动力较为均匀

流程及特点：S在最后一级加入，逐次通过各级，萃取相由第1级排出。F从第1级加入，逐次通过各级，萃余相RN由末一级排出。萃余相RN与萃取相E1分别回收萃取剂循环使用。与多级错流相比，S耗用量大为减少，因而在工业上应用广泛。4.3.3多级逆流接触萃取的流程和计算60计算级数比较：

相当于精馏中y1与x1是平衡关系，y2与x1是操作关系。

平衡关系，

为操作关系。注意：

61

1、组分B、S部分互溶时的理论级数

1）三角形坐标图上的逐级图解法

①绘出溶解度曲线和辅助曲线②由F、S值确定和点M，连结RN、M，并延长得点E1(由物料衡算得）；步骤：62

③连点F、E1

和RN、S，并延长交与点。④过E1作共轭线E1R1，得R1点，连结R1，交溶解度曲线于点E2；R1E263R1E2⑤过E2作共轭线得R2，连结R2，交溶解度曲线于点E3，过E3作共轭线得R3

；如此反复，直至小于指定RN为止，共轭线的个数即为理论级数。R2E3相当于交替使用相平衡和操作线关系64由总物料衡算：

第1级：

第2级：

第N级：

净流量

逐级法原理

65和点差点差点---操作线方程

R1E2R2E3操作点

FA

SB

E1

MRN66E1RNFMSR1E2R2注意，也可能在图的右侧，这与y1与xF的大小有关（从组成角度判断），但图解法步骤不变。67对指定的xN，S/F大小影响的位置（质量的角度）。

溶剂比S/F对多级逆流萃取的影响：

当S/F较大时，点在右侧，此时E为和点，S的用量越小，越远离S；68当S/F较小时，在左侧，此时R为和点，S用量越小，越靠近S。F

ARN

BS

69

理论级数较多，在三角相图上作图求解，结果不够清晰。可用直角坐标画出分配曲线与操作线，仿照精馏作图求解。2)在x-y直角坐标上求解理论级数步骤：（1）绘分配曲线（2）作操作线（3）交替使用操作线与分配曲线，作梯级，数目即理论级数。70作分配曲线方法（1）绘分配曲线（相当于平衡线，共轭相中R～E关系曲线）

71（2）作操作线●过Δ点任意作若干连线，交溶解度曲线两臂，这两点坐标yA

与xA

，在直角坐标上可获得一个操作点。72（3）以H（y1、xF）为起点交替使用操作线与分配曲线依次作梯级，直至终点（xN，yS），梯级数目即理论级数xFxNy1yS分配曲线操作线73以萃取设备整体为控制体总物料衡算式

F+S=Rn+E1

溶质A衡算式

FxFA+Sy0A=RnxnA+E1y1A溶剂S衡算式

FxFS+Sy0A=RnxnS+E1y1S

相平衡关系式

xnS=ψ（xNA）

y1S=Φ（y1A）

y1A=F(x1A)

联立求解6个方程可以求出6个未知数3)组分B、S部分互溶时的解析计算74同样，对于每一个理论级，列出相应的物料衡算式及对应的平衡关系式，可逐级计算求出理论级数。752.组分B和S完全不互溶时理论级数的计算1)在X-Y直角坐标图中的图解法对第i级作物料衡算，得：即-----操作线方程，过点（Xn，YS）（XF，Y1）76B

xFB,xnS,YSS,y11234P2P3类似于解吸计算

77

若平衡线为通过原点的直线，则解吸，萃取均可使用同一式子计算理论级（板）数。平衡线斜率与操作线斜率之比2)解析法求理论级数对萃取

为萃取因数

对解吸：

为解吸因数

78此时Am≠1。若Am=1

3、溶剂比和萃取剂的最小用量

（1）

（2）吸收

精馏萃取但回收溶剂所需能量增加（3）79S用量越小，操作线斜率与联结线斜率越接近，每个理论级的分离程度越小。（与精馏、吸收相似）

达到指定分离要求，所需理论级数无穷多时的溶剂用量。

最小溶剂比

80

连接线如图时，在右侧，延长所有的联结线与SRN相交，得1、2

、3，取最靠近S点的为min

。即此时，由杠杆规则，系列中值最大，和点的S相对最大。类似于多股进料中多个Rmin的选择方法。作图法求E1FR11RN

A

B

S81

连接线如图时，在左侧，延长所有的联结线与RNS相交，得1、2

、3......，取最远离S点的为min

。即此时，由杠杆规则，系列中值最小，另一差点S相对最大。作图法求F

A

E1

R1B

SRN82

最小溶剂比直角坐标上，类似于夹紧点若令：则YF*Y

Y1

YSXnXFX834.3.4微分接触逆流萃取h=n（HETS）1、理论级当量高度法（HETS）（指萃取效果相当于一个理论级的塔高)塔高的计算h=HOE·NOE=HOR·NOR2、传质单元法（类似吸收塔的推导过程）84相平衡曲线（与精馏类似）4.4.1带回流的逆流萃取——实现高纯度分离A、B（类同精馏塔）E’

=E0+Ro=E0（r+1）E1=E’+S4.4其他萃取分离技术FRnS0E’回流R0=rE0SE1E0854.4.2伴有化学反应的萃取——主要用于金属的提取和分离溶质与萃取剂之间的化学反应（1）络合反应——分离极性有机稀溶液（2）阳离子交换反应（3）离子缔合反应862.化学反应萃取过程的控制步骤化学反应控制扩散速率控制判别方法：（1）搅拌强度判别法（2）温度判别法（3）界面判别法——严格，可靠4.4.3超临界流体萃取1.基本原理

①用超过临界温度，临界压力状态下的气体作为溶剂，萃取待分离混合物中的溶质，然后用等温变压或等压变温等方法将溶剂与溶质分离的单元操作——超临界萃取。87

与传统的液—液萃取比较，在脱溶剂操作中更加容易，可降低能耗及投资费用，如CO2的临界温度为31℃，不用加热就可将溶质与溶剂CO2分离，其等同一般萃取。

2.超临界流体的特性88②超临界流体——兼有液体和气体的某些特性

常用的超临界流体：CO2、CH2=CH2

、CH3CH3、CH2=CHCH3、

NH3

3.典型流程及应用

①等温变压法

②等压变温法

③吸附吸收法

④添加惰性气体的等压法

例：等温降压法（CO2）

CO2与溶质的混合物减压后进入分离器，在较低压强下，溶质在CO2中的溶解度大大降低，被分离出来，CO2经压缩后循环使用89工业应用

液—气从发酵液中萃取乙醇，乙酸

从工业废水中萃取其他有机物

从木浆氧化废液中萃取香兰素

从柠檬皮油、大豆油中萃取有效成分

固液浸取

咖啡豆中咖啡因

烟草中的尼古丁

植物中调味品，

药物等

904.5.液—液萃取设备

液液传质的特点：

(1)液液两相密度差异小；

(2)液体表面张力较大，液滴易于合并而难于破裂；靠自身的重力来分散液滴往往不够，还常需外界提供能量以分散液滴，如加搅拌、振动脉冲等。

(3)易于产生返混现象，而使传质推动力下降。91

在萃取设备中有两个液相，连续相和分散相，传质发生在液滴群（分散相）与连续相之间。液滴在生成，运动和聚集时均发生传质。液滴的大小对萃取有重要影响，如液滴过大，则传质表面积减少，对传质不力；但如液滴过小，虽然传质面积增加，但分散液滴的凝集速度随之下降，有时甚至会发生乳化，同时液相间的密度差较气液相间的密度差要小得多，这会使混合后的重新分层发生困难。因此要根据物系性质选择适宜的萃取设备。

92混合-澄清槽筛板塔逐级接触式萃取设备喷洒塔填料塔微分接触式液液传质设备脉冲填料塔脉冲筛板塔振动筛板塔转盘塔离心式液液传质设备分类934.5.1．混合-澄清槽

带有搅拌器的混合槽和分离槽组合成的萃取设备，称为混合-澄清萃取器。操作时，原料液和萃取剂加入混合槽中经一定时间“激烈”的搅拌后，再进入分离槽内澄清分层。密度较小的液相在上层，较大的在下层。可以将多个混合-澄清槽串联操作，这样便构成了多级混合-澄清槽。94

4.5.2塔式萃取设备

用于萃取的塔设备有填料塔、筛板塔、转盘塔等。塔式液-液萃取设备适宜于连续逆流操作。原料液、萃取剂两液体中的重液由塔顶部进入，轻液由塔底部进入，在塔内两液相呈逆流接触进行萃取。95

单位时间内通过萃取塔的原料与萃取剂的流量不能过大。一方面：通入液体量过大，则接触时间减少，会使萃取效果差。另外：两相逆流，随着流速的加大，流动的阻力加大。当流速增大到某一定值时，一相会因流体阻力加大而被另一相夹带流出塔外，此种两个液体相互夹带的现象称为萃取塔的“液泛”，它是萃取操作中流量达到了负荷的最大极限值的标志。961填料萃取塔和脉动填料萃取塔填料萃取塔与用于吸收的填料塔基本相同，即在塔体内支承板上充填一定高度的填料层，塔内填料的作用，除可使分散相的液滴不断破裂与再生，以使液滴表面不断更新外，还可减少连续相在塔内的轴向混合。轴向混合会降低传质的推动力。9798

填料材质的选择：考虑溶液的腐蚀性外，还应考虑填料是否易为连续相所润湿。一般，陶瓷填料易为水溶液润湿；炭质或塑料填料易为有机溶液所