萃取过程及设备的选择与操作

学习情境四萃取过程及设备的选择与操作均相液体混合物的分离方法目前常用的有三种：蒸发、蒸馏和萃取。引言

均相液体混合物的分离方法蒸发蒸馏萃取当形成溶液的各组分中，至少有一种组分是不挥发的，通常选用蒸发的方法将不挥发性的溶质分与挥发性的溶剂分离。当形成均相混合物的溶液中各组分均具挥发性，且各组分之间挥发性相差较大时，一般采用蒸馏的方法。引言

依据待分离溶液中各组分在萃取剂中溶解度的差异实现分离的。萃取的应用

萃取属于低温分离方法，在石油化工、精细化工、湿法冶金、原子能化工和环境保护等方面被广泛地应用。任务一萃取工作过程的认识

液-液萃取的基本工作过程图4-2萃取基本操作示意图搅拌停止后，两液相因密度不同而分层：一层以萃取剂S为主，并溶有较多的溶质，称为萃取相，以E表示；另一层以原溶剂（稀释剂）B为主，且含有未被萃取完的溶质，称为萃余相，以R表示。若溶剂S和B为部分互溶，则萃取相中还含有少量的B，萃余相中亦含有少量的S。一、萃取的定义在欲分离的液体混合物中加入一种与其不溶或部分互溶的液体溶剂，形成两相系统，利用混合物中各组分在两相中分配差异的性质，易溶组分较多地进入溶剂相从而实现混合液分离的操作。二、基本术语：

原料液F=溶质A+稀释剂B（或称原溶剂）萃取相E=萃取剂S+溶质A+少量稀释剂B萃余相R=稀释剂B+残余的溶质A+少量萃取剂S任务二萃取剂的选择与萃取操作方式的确定一、萃取剂的选择

1、萃取过程的相平衡关系

（1）三角形相图1、萃取过程的相平衡关系三元混合液的表示方法：等边三角形直角三角形（常用等腰直角三角形）三角形坐标任意三角形①表示方法▲各顶点表示纯组分；▲每条边上的点为两组分混合物；

▲三角形内的各点代表不同组成的三元混合物。注意：组成的归一性，即②组成的单位常用质量分率表示(原则上可用任意单位)。BSPAWB/%WS/%WA/%xsxAxBBSPAWS/%WA/%WB/%xsxAxB根据物料衡算：R+E=M（2）杠杆规则1、萃取过程的相平衡关系根据相似三角形：（3）溶解度曲线与联结线1、萃取过程的相平衡关系单相区两相区RnEn联结线溶解度曲线SABMKMn

B、S部分互溶三角形相图

数据标绘及各区的状态①溶解度曲线:各平衡组成点连成一条曲线，称为溶解度曲线；②联结线:各对共轭相组成点之间的联线，称为联结线；③区域:

曲线内为两相区，曲线外为单相区；④临界混溶点:共轭相的组成相同，溶液变成均一相。

1、萃取过程的相平衡关系几类物系的相图①第I类物系

(部分互溶物系，A、B，A、S完全互溶，而B、S部分互溶）

溶解度曲线联结线两相区单相区RnEn1.0②第II类物系

(具有两对部分互溶物的物系，A、B完全互溶，

A、S，B、S部分互溶)两相区单相区溶解度曲线联结线RnEn溶解度曲线A1.0温度较高时第II类物系三角形相图两相区单相区溶解度曲线联结线两相区溶解度曲线ASB1.01.00一般情况下，当温度升高时，溶质在溶剂中的溶解度增加，温度降低时溶质的溶解度减少。图4-12溶解度曲线形状随温度的变化情况1、萃取过程的相平衡关系（4）温度对溶解度曲线的影响t1＜t2

＜t3温度升高，溶解度增大，两相区小，不利于萃取操作。结论：低温有利于萃取（5）辅助曲线与临界混溶点1、萃取过程的相平衡关系问题：已知一相的组成，如何求取其它共轭相的组成？解决办法：辅助曲线作图法:使用辅助曲线，已知一相的组成可求得另一相的组成。溶解度曲线RnEnCnK辅助曲线联结线AS1.00临界混溶点(6)分配系数与分配曲线1、萃取过程的相平衡关系①

分配系数——工程上衡量萃取剂萃取效果结论：kA值越大每次萃取所能取得的分离效果越好。工业萃取系统中，kA值的范围为1～10000。第Ⅰ类物系相图图中xA——溶质A在R相（萃余相）中的质量分率。yA——溶质A在E相（萃取相）中的质量分率。②

分配曲线第I类物系的分配曲线ABKEROGDxAyAy=xSB第II类物系的分配曲线AKERODxAyAy=xS二、萃取剂选择的原则一个溶剂能否作为萃取剂，首要的条件是它与料液混合后，能分成两个液相，其次溶剂对溶质有较大的溶解度。(1)萃取剂的选择性

当β>1，能萃取，β越大，萃取越容易。当β<1，也能萃取操作也能够实现，只是萃取分离出来的是稀释剂（B），而不是溶质（A）。若β=1，不能萃取。萃取剂的选择性系数β通常选择β较大的溶剂，以使萃取操作容易实现。互溶度越小，选择性系数大，对萃取操作有利。

(2)萃取剂与原溶剂的互溶度(3)萃取剂的物理性质①密度②界面张力③黏度④萃取剂的化学性质⑤萃取剂回收难易

⑥温度(3)萃取剂的物理性质图4-5温度对分层区大小的影响三、萃取操作的几种方式根据原料液和萃取剂的接触方式不同，可分为分级接触式和连续接触式（微分接触式）。分级接触式又分为单级萃取和多级萃取，其中多级萃取又分为多级错流萃取和多级逆流萃取。1、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溶解度很大或溶质萃取要求不高的场合。2、多级错流萃取

每级都加入新鲜溶剂，前级的萃余相为后级的原料，传质推动力大。只要级数足够多，最终可得到溶质组成很低的萃余相，但溶剂的用量较多。3、多级逆流萃取

操作一般是连续的，萃取剂循环使用。分离效率较高，溶剂用量较少，在工业中运用最为广泛。4、连续接触式萃取（微分逆流萃取）主要在塔式设备（填料塔、振动筛板塔）内进行。塔内，料液和萃取剂逆流流动，并在连续逆流过程中进行萃取。

任务三萃取设备液液萃取设备的必要条件：(1)两相液体之间具有很大的接触面积，这种界面通常是将一种液相分散在另一种液相中所形成。分散成滴状的液相称为分散相，另一个呈连续的液体相称为连续相。显然，液滴越小，两相的接触面积越大，传质越快。为此，在萃取设备内装有喷嘴或筛孔板，或填料，或机械搅拌装置。(2)两相流体在萃取设备内以逆流流动方式进行操作，以获得萃取过程有较大的传质推动力。一、概述(3)为了提高两液相的相对流速，常采用施加离心作用的方法，将萃取设备做成螺旋形的通道并沿中心轴转动，实现在离心力场作用下的两相逆流操作。二、萃取设备的认识1、萃取设备的分类（1）按有无外加能量分类分为有外加能量和无外加能量两类（2）按接触方式分类分为逐级接触式和微分接触式（3）按结构特点分类分为组件式（逐级式）和塔式（填料塔和筛板塔）三、液液萃取设备——混合-澄清器轻重两相进入混合室后受搅拌而良好接触，在室内停留一定时间，经充分传质后流入澄清室，两液相的混合物在此借重力分为轻、重两液层，再分别流出。根据生产需要，可以将多个混合-澄清级串连起来组成多级逆流或错流的流程。多级设备一般是前后排列，但也可以将几个级上下重叠。对大、中、小型生产都能适用，特别在湿法冶金中用得广泛。缺点是占地面积大，溶剂储量大，多级操作时需安装多个搅拌装置和泵，设备费用和操作费用较高。塔体呈圆筒形，其内壁上装有固定环，将塔分隔成许多小室，塔的中心从塔顶插入一根转轴，转盘即装在其上。转轴由塔顶的电动机带动。三、液液萃取设备——转盘萃取塔

转盘塔结构简单，造价低廉，维修方便。由于它的操作弹性大，生产能力大，因而在石油化学工业中，转盘塔应用比较广泛。

三、液液萃取设备——填料萃取塔连续相充满整个塔中，分散相以滴状通过连续相，二者在填料上充分接触传质。因此填料的性能直接影响萃取的效率。

填料萃取塔结构简单，造价低廉，操作方便，适合于处理腐蚀性料液。缺点是传质效率低，一般用于所需理论级数较少（≤3）的场合；两相的处理量有限，不能处理含固体的悬浮液。三、液液萃取设备——筛板塔塔内轻重两相总体做逆流流动，而在每块塔板上呈错流流动。轻液经孔板分散成液滴，在塔板上与重相密切接触后，分层凝聚，积聚在上一层塔板的下面。然后借助压力的推动，再经孔板分散，最后由塔顶排出。图4-25筛板工作过程示意图

筛板塔结构简单，造价低廉，操作方便，萃取效率比填料塔高。在萃取过程中所需理论级数少，处理量较大，可处理具有腐蚀性的物系。