化工原理-第十二章-萃取

第十二章

萃取

SolventExtraction12.1

萃取的基本概念12.2

萃取过程的流程和计算12.3

萃取设备.2024/4/2第十二章

萃取

SolventExtractio1第一节

萃取的基本概念12.1.1萃取操作过程及应用12.1.2三角形相图及杠杆规则12.1.3三角形相图中的相平衡关系12.1.4分配系数与分配曲线12.1.5温度对相平衡的影响12.1.6萃取剂的选择.2024/4/2第一节

萃取的基本概念12.1.1萃取操作过程及应用.212.1萃取的基本概念12.1.1萃取操作过程及应用

在液体混合物（原料液）中加入一个与其基本不相混溶的液体作为溶剂，造成第二相，利用原料液中各组分在两个液相中的溶解度不同而使原料液混合物得以分离的操作称为萃取。选用的溶剂称为萃取剂，以S表示；原料液中易溶于S的组分，称为溶质，以A表示；难溶于S的组分称为原溶剂（或稀释剂），以B表示。.2024/4/212.1萃取的基本概念12.1.1萃取操作过程及应用3

图12-1萃取操作示意图.2024/4/2图12-1萃取操作示意图.2024/4/14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，即①溶质A可完全溶于B及S，但B与S不互溶；②溶质A可完全溶于B及S，但B与S部分互溶；③溶质A可完全溶于B，但A与S及B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。工业上常见的第Ⅰ类物系有丙酮(A)–水(B)–甲基异丁基酮(S)、醋酸(A)–水(B)–苯(S)等；第Ⅱ类物系有苯乙烯(A)–乙苯(B)–二甘醇(S)等。在萃取操作中，第Ⅰ类物系较为常见，本章主要讨论第Ⅰ类物系物系的相平衡关系。.2024/4/2根据萃取操作中各组分的互溶性，可将三元物5一般地，在下列情况下采用萃取方法更为有利。

（1）原料液中各组分间的沸点非常接近，也即组分间的相对挥发度接近于1，若采用蒸馏方法很不经济；（2）料液在蒸馏时形成恒沸物，用普通蒸馏方法不能达到所需的纯度；（3）原料液中需分离的组分含量很低且为难挥发组分，若采用蒸馏方法须将大量稀释剂汽化，能耗较大；（4）原料液中需分离的组分是热敏性物质，蒸馏时易于分解、聚合或发生其它变化。.2024/4/2一般地，在下列情况下采用萃取方法更为有利。.2024/6萃取在工业中的应用：(1)液液萃取在石油化工中的应用eg.用酯类溶剂萃取乙酸，用丙烷萃取润滑油中的石蜡(2)在生物化工和精细化工中的应用eg.以醋酸丁酯为溶剂萃取含青霉素的发酵液香料工业中用正丙醇从亚硫酸纸浆废水中提取香兰素(3)湿法冶金中的应用eg.用螯合萃取剂从铜的浸取液中提取铜.2024/4/2萃取在工业中的应用：.2024/4/1712.1.2三角形相图及杠杆规则

1三角形相图

三角形相图通常有正三角形相图、直角三角形相图，如图所示。

图12-2三角形相图

.2024/4/212.1.2三角形相图及杠杆规则.2024/4/18

如图所示，将质量为rkg、组成为、、的混合物系R与质量为e

kg、组成为、、，的混合物系E相混合，得到一个质量为mkg、组成为、、的新混合物系M，其在三角形坐标图中分别以点R、E和M表示。M点称为R点与E点的和点，R点与E点称为差点。

图12-32杠杆规则.2024/4/2如图所示，将质量为rkg、组成9

和点M与差点E、R之间的关系可用杠杆规则描述，即

（1）几何关系：和点M与差点E、R共线。即：和点在两差点的连线上；一个差点在另一差点与和点连线的延长线上。（2）数量关系：E相与R相的量与线段长a、b

之间的关系符合杠杆原理，即，

根据杠杆规则，若已知两个差点，则可确定和点；若已知和点和一个差点，则可确定另一个差点。

.2024/4/2和点M与差点E、R之间的关系可用杠杆规则描述1012.1.3三角形相图中的相平衡关系

1溶解度曲线、联结线、临界混溶点

图12-4

溶解度曲线.2024/4/212.1.3三角形相图中的相平衡关系11溶解度曲线将三角形相图分为两个区域：曲线以内的区域为两相区，以外的区域为均相区。显然萃取操作只能在两相区内进行。位于两相区内的混合物分成两个互相平衡的液相，称为共轭相，联结两共轭液相相点的直线称为联结线，

临界混溶点是在一定溶质含量下两共轭相变为一相的临界点，其位置一般并不在溶解度曲线的最高点，常偏于曲线的一侧，将溶解度曲线分为左右两支。.2024/4/2溶解度曲线将三角形相图分为两个区域：曲线以内的区域122辅助曲线—平衡联结线的内插

一定温度下，三元物系的溶解度曲线和联结线是根据实验数据而标绘的，使用时若要求与已知相成平衡的另一相的数据，常借助辅助曲线求得。图12-5

辅助曲线.2024/4/22辅助曲线—平衡联结线的内插一定温度下，三元物13

辅助曲线的作法：通过已知点R1、R2、…分别作BS边的平行线，再通过相应联结线的另一端点E1、E2分别作AB边的平行线，各线分别相交于点F、G、…，联接这些交点所得的平滑曲线即为辅助曲线。

利用辅助曲线可求任何已知平衡液相的共轭相。设R为已知平衡液相，自点R作BS边的平行线交辅助曲线于点J，自点J作AB边的平行线，交溶解度曲线于点E，则点E即为R的共轭相点。

.2024/4/2辅助曲线的作法：通过已知点R1、R2、…1412.1.4分配系数和分配曲线

1分配系数

一定温度下，某组分在互相平衡的E相与R相中的组成之比称为该组分的分配系数，以表示，即溶质A组分B

、——萃取相E中组分A、B的质量分数

、——萃余相R中组分A、B的质量分数式中.2024/4/212.1.4分配系数和分配曲线一定温度下，15

分配系数kA表达了溶质在两个平衡液相中的分配关系。显然，kA值愈大，萃取分离的效果愈好。不同物系具有不同的kA值；同一物系，其值随温度和组成而变。如第Ⅰ类物系，一般kA值随温度的升高或溶质组成的增大而降低。一定温度下，仅当溶质组成范围变化不大时，kA值才可视为常数。对于S与B部分互溶的物系，kA值随着联结线的斜率而变化。对于萃取剂S与原溶剂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。.2024/4/2分配系数kA表达了溶质在两个平衡液相中的16联结线的斜率＞0kA＞1，yA＞xA

联结线的斜率为0kA=1，yA=xA

联结线的斜率＜0kA＜1，yA＜xA

kA值愈大，萃取分离的效果愈好。.2024/4/2联结线的斜率＞0联结线的斜率为0联结线的斜率＜0kA值172分配曲线

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

——萃取相E中组分A的质量分数；

——萃余相R中组分A的质量分数。

此即分配曲线的数学表达式。

.2024/4/22分配曲线由相律可知，温度、压力一定时，三组分体18B、S部分互溶时的分配曲线.2024/4/2B、S部分互溶时的分配曲线.2024/4/119

对同一物系，当温度降低时，S与B的互溶度减小，即两相区增加，对萃取有利，如右图所示；但另一方面，温度降低时会使溶液的粘度增加，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。

12.1.5温度对相平衡的影响.2024/4/212.1.5温度对相平衡的影响.2024/4/12012.1.6萃取剂的选择

选择合适的萃取剂是保证萃取操作能够正常进行且经济合理的关键。萃取剂的选择主要考虑以下因素。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的溶解能力比对原溶剂B的溶解能力大得多，即萃取相中比大得多，萃余相中比大得多，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表示，其定义式为

.2024/4/212.1.6萃取剂的选择选择合适的萃取剂是保证212影响分层的因素为使两相在萃取器中能较快的分层，要求萃取剂与被分离混合物有较大的密度差，特别是对没有外加能量的设备，较大的密度差可加速分层，提高设备的生产能力。两液相间的界面张力对萃取操作具有重要影响。萃取物系的界面张力较大时，分散相液滴易聚结，有利于分层，但界面张力过大，则液体不易分散，难以使两相充分混合，反而使萃取效果降低。界面张力过小，虽然液体容易分散，但易产生乳化现象，使两相较难分离，因之，界面张力要适中。.2024/4/22影响分层的因素.2024/4/1223萃取剂回收的难易萃取后的E相和R相，通常以蒸馏的方法进行分离。萃取剂回收的难易直接影响萃取操作的费用，从而在很大程度上决定萃取过程的经济性。因此，要求萃取剂S与原料液中的组分的相对挥发度要大，不应形成恒沸物，并且最好是组成低的组分为易挥发组分。若被萃取的溶质不挥发或挥发度很低时，则要求S的汽化热要小，以节省能耗。4萃取剂的其它物性萃取剂应具有的一般工业要求：化学稳定性和热稳定性，对设备的腐蚀性要小，黏度小，蒸汽压低，无毒，不易燃易爆，来源充分，价格低廉等。通常，很难找到能同时满足上述所有要求的萃取剂，这就需要根据实际情况加以权衡，以保证满足主要要求。.2024/4/23萃取剂回收的难易.2024/4/123第二节

萃取过程的流程与计算12.2.1单级萃取12.2.2多级错流萃取12.2.3多级逆流萃取12.2.4连续接触逆流萃取.2024/4/2第二节

萃取过程的流程与计算12.2.1单级萃取.2024

萃取理论级：原料液与萃取剂在混合器中经充分的液液相际接触传质，然后在澄清器中分层得到相互平衡的萃取相E和萃余相R的过程。【类似理论板】应用理论级的概念是为了便于对过程的分析。设计时，先求出所需的理论级数，再根据经验得出的级效率求实际的萃取级数。.2024/4/2萃取理论级：原料液与萃取剂在混合器中经充分2512.2.1单极萃取一、单极萃取的流程二、单级萃取的计算1、萃取剂与原溶剂部分互溶的体系

原料液F萃取剂S萃余相R萃取相E.2024/4/212.2.1单极萃取一、单极萃取的流程原料液F萃取剂S萃余26●F●REME’R’DG（1）图解计算法

.2024/4/2●F●REME’R’DG（1）图解计算法.2024/4/127（2）解析计算法

.2024/4/2（2）解析计算法.2024/4/1282、萃取剂与原溶剂不互溶的体系

萃取相中溶质A的浓度

萃余相中溶质A的浓度

.2024/4/22、萃取剂与原溶剂不互溶的体系萃取相中溶质A的浓度萃余相29当萃取剂为纯溶剂时，Y0=0

单级萃取的操作线方程

XFE1X1Y1.2024/4/2当萃取剂为纯溶剂时，Y0=0单级萃取的操作线方程XFE13012.2.2多级错流萃取一、多级错流接触萃取的流程

.2024/4/212.2.2多级错流萃取一、多级错流接触萃取的流程.2031图中每个圆圈代表一个理论级，主要包括以下两个部分：（1）原料液与萃取剂进行充分接触传质的混合器；（2）混合液进行机械分离的分层器。

多级错流萃取流程既可用于间歇操作，也可用于连续操作。.2024/4/2图中每个圆圈代表一个理论级，主要包括以下32多级错流萃取的特点：萃取操作中，每一级都加入新鲜的萃取剂，前一级的萃余相为后级的原料液，这种方式传质推动力大，可得到溶质组成很低的萃余相，但是溶剂的用量较大。适用于分配系数较大或萃取剂为水无需回收等情况。

实验表明，相同总量的萃取剂以每级加入的量相等时萃取效果最好。后续的加料方式均为等量加入。.2024/4/2多级错流萃取的特点：.2024/4/133二、多级错流萃取的计算1、萃取剂和原溶剂部分互溶的体系采用三角形相图求解.2024/4/2二、多级错流萃取的计算.2024/4/134(1)按第1级原料液萃取剂得量和组成，确定第1级混合也得量和组成，得点M1(2)过点M1作联结线得经第一级萃取后得萃取相E1和萃余相R;(3)按第2级进了R1及萃取剂得量和组成确定第2级混合液得梁河组成，得点M2；(4)重复2和3得方法的方法，直至第N级萃余相RN浓度符合要求。.2024/4/2(1)按第1级原料液萃取剂得量和组成，确定第1级混合也得量352、萃取剂和原溶剂不互溶的体系

对第1级：第2到N级：(1)直角坐标图解法（分配曲线为曲线的情况）每一个萃取级中溶质物料衡算.2024/4/22、萃取剂和原溶剂不互溶的体系对第1级：第2到N级：(36Y0Y3Y2Y1XFX1X2X3平衡线-B/S1-B/S2-B/S3.2024/4/2Y0Y3Y2Y1XFX1X2X3平衡线-B/S1-B/S2-37第一级平衡为Y1=mX1

代入操作线得：则有：依次有：(2)解析法分配曲线近似为过原点的直线：设：称为萃取因数.2024/4/2第一级平衡为Y1=mX1(2)解析法分配曲线近似为过3812.2.3多级逆流萃取一、多级逆流萃取的流程

.2024/4/212.2.3多级逆流萃取一、多级逆流萃取的流程.202439二、多级逆流萃取的计算1、萃取剂与稀释剂部分互溶的体系

FRNME1△R1E2R2E3.2024/4/2二、多级逆流萃取的计算FRNME1△R1E2R2E3.20240对第一级作总物料衡算对第二级作总物料衡算依此类推，对第n级作总物料衡算对第一级与第N级之间作总物料衡算.2024/4/2对第一级作总物料衡算对第二级作总物料衡算依此类推，对第n41——操作点2、萃取剂与稀释剂不互溶的体系（1）直角坐标图解法在任一级与第N级间作溶质A的物料衡算——逆流萃取的操作线方程.2024/4/2——操作点2、萃取剂与稀释剂不互溶的体系——逆流萃取的操作42XYOEXFY1P1XNSE1P2.2024/4/2XYOEXFY1P1XNSE1P2.2024/4/143（2）解析法3、多级逆流萃取的最小溶剂用量XYOEXRXFk1k2kmaxMmax.2024/4/2（2）解析法3、多级逆流萃取的最小溶剂用量XYOEXRXF4412.2.4连续接触逆流萃取一、连续逆流萃取的流程

.2024/4/212.2.4连续接触逆流萃取一、连续逆流萃取的流程.2045二、连续逆流萃取的计算1）理论级当量高度法

2）传质单元法当分配曲线为直线时，萃余相总传质单元数的解析计算式为：.2024/4/2二、连续逆流萃取的计算2）传质单元法当分配曲线为直线时，萃余46例、每小时用45kg的纯溶剂S对A、B两组分混合液进行萃取分离。已知稀释剂B的流量为30kg/h，原料液中溶质A的质量比组成为0.3，操作条件下组分B、S可视作不互溶，且相平衡关系为Y=1.5X。试比较如下三种萃取操作溶质A的回收率φA。⑴单级平衡萃取；⑵将45kg/h的萃取剂分成两等份进行两级错流萃取；⑶两级逆流萃取。.2024/4/2例、每小时用45kg的纯溶剂S对A、B两组分混合液进行萃取分47解：由于在操作条件下，组分B、S可视作互不相溶，且分配系数K取作常数1.5，故可用解析法求解最终萃余液组成Xn，则溶质回收率可用下式计算：.2024/4/2解：由于在操作条件下，组分B、S可视作互不相溶，且分配系数K48⑴单级平衡萃取对溶质A作物料衡算得：B(XF-X1)=S(Y1-YS)→30(0.3-X1)=45Y1另外有

Y1=mX1=1.5X1联解上两式可得：

X1=0.0923.2024/4/2⑴单级平衡萃取对溶质A作物料衡算得：.2024/4/149所以⑵将45kg/h的萃取剂分成两等份进行两级错流萃取每级萃取剂加入量为：.2024/4/2所以⑵将45kg/h的萃取剂分成两等份进行两级错流萃取每50将有关数据代入下式，可解出X2.2024/4/2将有关数据代入下式，可解出X2.2024/4/151⑶两级逆流萃取将有关数据代入下式，可求得X3.2024/4/2⑶两级逆流萃取将有关数据代入下式，可求得X3.2024/452故得:.2024/4/2故得:.2024/4/153第三节

萃取设备12.3.1常见的液液萃取设备12.3.2影响萃取操作的主要因素.2024/4/2第三节

萃取设备12.3.1常见的液液萃取设备.2054一、常见的液-液萃取设备1．混合—澄清槽（1）优点①处理量大，级效率高。②结构简单，容易放大和操作。③两相流量比范围大，运转稳定可靠，易于开、停工。对物系适应性强，对含有少量悬浮固体的物料也能处理。④易实现多级连续操作，便于调节级数。装置不需要高大厂房和复杂的辅助设备。（2）缺点：由于需要动力搅拌装置和级间的物流输送设备，因此设备费和操作费较高。.2024/4/2一、常见的液-液萃取设备.2024/4/1552．喷洒塔（1）优点：无任何内件，阻力小，结构简单，投资费用少，易维护。（2）缺点：两相很难均匀分布，轴向返混严重。分散相在塔内只有一次分散，提供的理论级数不超过1～2级，传质系数小。.2024/4/22．喷洒塔.2024/4/1563．筛板塔特点：筛板塔结构简单，造价低廉，尽管级效率较低，在许多工业萃取中得到了应用。特别是对于所需理论级数少，处理量大，且物系具有腐蚀性的萃取过程较为适宜。.2024/4/23．筛板塔.2024/4/1574．填料塔

特点：塔结构简单，造价低廉，操作方便，尽管级效率较低，在工业上仍有一定应用。一般在工艺要求的理论级小3、处理量较小时，可考虑采用填料萃取塔。.2024/4/24．填料塔.2024/4/1585．输入机械能量的萃取塔对于两液相界面张力较大的物系，为改善塔内的传质状况，需要从外部输入机械能量来产生较大的传质面积，并进行表面更新。输入能量的常用方式有转动式和脉冲（或振动）式两种，现分述如下：(1)

转盘塔

转盘萃取塔在其内壁从上到下装设一组等距离的固定环，塔的轴线上装有中心转轴，轴上固定着一组水平圆形转盘，每个转盘都位于两相邻固定环的正中间。操作时，转轴由电动机驱动，连带转盘一起旋转，使两液相也随着转动。.2024/4/25．输入机械能量的萃取塔.2024/4/159两液相流因具有相当大的速度梯度和剪切力，一方面使连续相产生旋涡运动，另一方面也促使分散相的液滴变形、破裂及合并，故能提高传质系数、更新及增大相界面积。固定环的作用是抑制轴向反混，使旋涡运动大致被限制在两固定环之间。转盘和固定环都较簿而滑，可防止乳化现象，有利于轻重液的分离。.2024/4/2两液相流因具有相当大的速度梯度和剪切力，一方面使连续相60由于转盘能分散液体，故塔内无需另设喷洒器。只是对于大直径的塔，液体可采用顺转轴旋转方向从切线方向进入，以免冲击塔内已建立的流动体系。塔的顶层和底层各装有一层栅板，以使塔顶与底的澄清区避免转轴的影响。最重要的操作和设计参数是转速。转速偏低，输入的机械能不足以克服界面张力，传质性能得不到明显改善；转速偏高，不仅消耗的机械能量大，而且由于分散相的液滴很细，澄清很慢，使塔的生产能力明显下降；转速过高，分散相将过于细化而乳化，