化工原理-7章液液萃取

化工原理

principlesofchemicalengineering

第一章液液萃取2021/6/271第七章液液萃取第一节概述第二节液液萃取相平衡第三节液液萃取过程的计算第四节超临界气体萃取简介第五节液液萃取设备

2021/6/272第一节概述液-液萃取（抽提）：利用液体混合物中各组分对溶剂溶解度的差异来分离或提纯物质的传质过程。目的:

分离液-液混合物。依据:

利用混合物中各组分在某一溶剂中的溶解度之间的差异。（1）几个基本概念

①萃取剂(溶剂)S：所用的溶剂；

②原料液F：所处理的混合液；③溶质A：原料液中易溶于溶剂的组分；

④原溶剂B：原料液中较难溶于溶剂的组分。

2021/6/273（2）萃取过程的简单流程①混合传质过程：

F（A+B）及S

充分接触,组分发生相转移；②沉降分相过程：形成两相E、R，由于密度差而分层；③脱除溶剂过程萃取相Extract萃余相Raffinate料液A+BFeed萃取剂Solvent混合澄清槽Mixer-settler2021/6/274两相

萃取相E,y——溶剂相中出现(S+A+B)萃余相R,x——原溶剂相中出现(B+S+A)萃余相脱除溶剂得萃余液R’,x’脱溶剂后萃取相脱除溶剂得萃取液E’,y’（3）实现萃取操作的基本要求①选择适宜的溶剂。溶剂能选择性地溶解各组分，即对溶质具有显著的溶解能力，而对其他组分和原溶剂完全不溶或部分互溶。②原料液与溶剂充分混合、分相，形成的液-液两相较易分层。③脱溶剂得到溶质，回收溶剂。溶剂易于回收且价格低廉。2021/6/275(4)萃取后组成之间的变化萃取后:使组分A、B得到一定程度的分离。应用①液体混合物中各组分的相对挥发度接近1，采用精馏的办法不经济；②混合物蒸馏时形成恒沸物；③欲回收的物质为热敏性物料；④混合物中含有较多的轻组分，利用精馏的方法能耗较大；⑤提取稀溶液中有价值的物质；⑥分离极难分离的金属。脱出溶剂后：2021/6/276萃取操作在化学和石油化学工业上得到广泛发展如：乙酸乙酯溶剂萃取石油馏分氧化所得的稀醋酸-水溶液以SO2为溶剂从煤油中除去芳香烃。单级萃取装置示意图2021/6/27719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。萃取应用举例2021/6/278第二节液液萃取相平衡7.2.1三角形坐标图及杠杆定律（1）三角形坐标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表示方法习惯表示法：▲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。2021/6/279A点：xA=0.6K点：xA=0.6xB=0.4P点：xA=0.3xB=0.3xS=0.4注意：组成的归一性，即1.0S00.20.40.60.80.20.40.60.81.0ABPDCFEHGK三角形坐标2021/6/2710②组成的单位

常用质量分率表示(原则上可用任意单位)。BSPABSPA任意三角形坐标直角三角形坐标2021/6/2711（2）杠杆定律三元混合物mR（xA,xB,xs）和mE（yA,yB,ys

）混合形成新的混合物mM,(zA,zB,zs)

：物料衡算将方程整理成如下形式：此式说明，三个组成点M、R、E在一条直线上,即M点位于RE点的连接线上。2021/6/2712——称为杠杆定律或：①求和点已知R点、E点，求和点M。ABS能否将该图美化？1.01.02021/6/27132021/6/2714②求差点即从其混合液M中分出组成为(xA,xB,xS)，

质量为mR的三元混合物,求剩余的组成及质量。ABS1.01.02021/6/27157.2.2三角形相图

萃取相、萃余相的相平衡关系是萃取设计、计算的基本条件，相平衡数据来自实验或由热力学关系推算。讨论的前提:

各组分不发生化学反应。（1）溶解度曲线及平衡联结线①相平衡数据的测定：再加入一定量A，搅拌均匀,静止分层,得到互呈平衡的液-液两相(共轭相)，得到另一组平衡数据……...加入的B、S适量，搅拌均匀，静止分层，得到互呈平衡的液-液两相(共轭相)，得到一组平衡数据。2021/6/2716混合－澄清器2021/6/2717单项区两项区Rn

B、S部分互溶三角形相图En联结线溶解度曲线SABMKMn2021/6/2718（2）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混溶点:

曲线内为两相区，曲线外为单相区，曲线上的点称为混溶点；④临界混溶点(褶点):共轭相的组成相同，其位置和物系有关；⑤萃取相和萃余相:

以原溶剂为主的相称为萃余相，以溶剂为主的相称为萃取相。2021/6/2719（3）几类物系的相图①部分互溶物系，A、B，A、S完全互溶，而B、S部分互溶；

三角形相图溶解度曲线联结线两相区单相区RnEnSB1.01.002021/6/2720②完全不互溶物系，A、B，A、S完全互溶，而B、S完全不互溶。共轭相中，一相S=0另一相B=0；ASB完全不互溶物系相图2021/6/2721③第二类物系

(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温度较低时第二类物系三角形相图单相区溶解度曲线ASB1.01.002021/6/2722两相区单相区溶解度曲线联结线温度较高时第二类物系三角形相图两相区溶解度曲线ASB1.01.002021/6/2723（4）温度、压力对相平衡的影响

①压力的影响：压力的影响较小，可忽略；根据相律：②温度的影响：

温度的影响敏感，温度升高，溶解度增大，两相区小，不利于萃取操作。2021/6/2724(5)辅助曲线问题：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辅助线联结线三角形相图辅助曲线

ASB1.01.002021/6/2725辅助曲线作法：2021/6/2726利用辅助曲线求取共轭相组成2021/6/2727辅助线在三角形相图外：

相图外的辅助线ABKECRCSC辅助线2021/6/2728

要求溶剂具有一定的选择性，即对A的溶解度要大，对其它组分的溶解度要小。评价指标——选择性系数：脱除溶剂后，A，B组分含量比不变，因此：7.2.3萃取剂的选择

2021/6/2729（2）溶剂萃取容量

定义：部分互溶物系的褶点处或第二类物系溶解度最大时，萃取相中单位溶剂可能达到的最大溶质负荷。2021/6/2730（3）溶剂与原溶剂的互溶度B、S互溶度越小，两相区越大，萃取操作范围也越大，对萃取有利。2021/6/2731（4）溶剂的可回收性回收采用的方法是：蒸馏，蒸发，结晶等方法。（5）溶剂的物理性质

主要物理性质：密度差，界面张力，粘性

要求：密度差大，界面张力适中，粘度较低。（6）稳定性，腐蚀性，价格

良好的稳定性，腐蚀性小，毒性低，资源充足，价格适宜等。2021/6/2732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。第三节液液萃取过程的计算

2021/6/27337.3.1单级萃取计算

(1)流程

单级萃取流程示意图mF,xF混合器澄清槽mSmM,zxE,ymR,x2021/6/2734（2）特点

原料液与溶剂一次性接触。

萃取相与萃余相达到平衡。（3）计算已知原料液的处理量及组成（生产工艺给定），计算：操作型：给定S的用量mS及组成，求萃取相E与萃余相R的量mE和mR及组成y、x。设计型：根据给定的原料液F及规定的分离要求，求溶剂S用量。2021/6/2735①操作型计算求解方法

a）依S的用量mS及F的量mF和组成xF确定和点M：ABKSMF2021/6/2736

b）确定E，R的量及组成采取图解试差法确定E，R的组成。由杠杆定律确定E和R的量：A单级萃取图解法BKERSMF2021/6/27372021/6/2738

c)

确定萃取液与萃余液的组成及量脱除溶剂量为：A

单级萃取图解法BKERSR’E’MFA

单级萃取图解法BKERSR’E’MF2021/6/2739

②设计型计算求解方法一般规定萃余相R的x或萃余液R’的x’.

解法：由R得到E，连接F、Ｓ得交点Ｍ；溶剂用量：进而，得到萃取液、萃余液的量和组成。ABKERSR’MF单级萃取图解法BKERSR’E’MFA2021/6/27402021/6/2741

（3）最大溶剂用量及最小溶剂用量减小S，则Ｍ靠近F，当Ｍ达到R2时混溶，故Ｍ位于R2时的溶剂用量为mS

min。当

mS=mSmax时当mS=mSmin时单级萃取的溶剂范围：mSmin<mS<mSmax增加S，则Ｍ靠近S，当M点达到Ｅ1时混溶，故Ｍ位于Ｅ1时的溶剂用量为mS

max。

溶剂用量对单级萃取的影响ABESRE1MFxE2R2R12021/6/27422021/6/27432021/6/2744（4）萃取液的最大浓度当S=Smin时，E的浓度yA最大，但y’A一般不是最大。

过S点作溶解度曲线的切线得点E，求得R，得M点，于是得：ABE2SFR2ME’2E’y’maxy’2图解萃取液的最大组成E1R11.01.002021/6/2745萃取液的最大浓度确定:ABE2SFR2ME’2E’y’maxy’2图解萃取液的最大组成E1R11.01.002021/6/2746

注意：

如果M点在两相区外相交，说明超出萃取范围，不能进行萃取操作，由R1点确定的溶剂用量为该操作条件下的最小溶剂用量mS,min。ABSE1FERR1M’y’A2021/6/27477.3.2多级错流萃取的计算

（1）流程

qmR’n多级错流萃取流程图qmSEqmE’nqmS1qmRiqmEiqmRi-1qmENqmR1qmE2qmF,xFqmE’qmE1qmRNqmSnqmSiqmS2qmR2qmRn-1qmRi2021/6/2748（2）特点△溶剂耗量较大，溶剂回收负荷增加,△设备投资大。（3）计算①设计型计算

已知：

qmＦ、xF，规定各级qmＳ量，

求：达到一定的分离要求所需的理论级数Ｎ。②操作型问题

已知：理论级数估计：分离能力。

说明：解决方法基本相同。2021/6/2749多级错流萃取图解计算：多级错流萃取ABKE1R1SFE2R2E3R3E4R4M4M3M2M12021/6/27502021/6/27517.3.3多级逆流萃取的计算（1）流程多级逆流萃取流程图qmSRqmR’qmRNqmSqmRiqmEi+1qmRi-1qmEiqmR2qmE2qmF,xFqmE’qmE1qmSE2021/6/2752（2）特点连续逆流操作，分离程度较高。（3）计算设计型问题：已知S的组成，qmF、xF,

规定qmS/qmF

（溶剂比）和分离要求，求N

。

解决方法：每级内平衡。

即Ei和Ri平衡，若能确定Ri组成xi和E

i+1

组成yi+1之间的关系，即可求得理论级数（逐级计算)

。iR

i-1E

i+1RiEi2021/6/2753a）总物料衡算说明：M点是F、S的和点，也是E1、RN的和点。利用杠杆定律：注意:E1和RN不是共轭相。①三角形相图图解法ABE1RNSMFR’N2021/6/2754

b）各级的物料衡算第一级第二级……第N级于是：

此式说明：各级间的物流之差为一常数，且D为各级物流的公共差点（极点）。2021/6/2755c）逐级图解过程已知F、S可确定M，由M、RN可确定E1。2021/6/2756由E1通过平衡关系确定R1，R1和D连线确定E2,2021/6/2757多级逆流萃取图解法如此交替直至萃余相组成小于规定要求，则N为理论级数。2021/6/27582021/6/2759②利用分配曲线

N较多时，三角形相图内作图不准确。

a）画分配曲线；

b）画操作线；过D点画级联线，求得c）画梯级得理论级数。

……

2021/6/27602021/6/2761（4）溶剂比对操作的影响①溶剂比和最小溶剂比

定义：溶剂比=qmS/qmF

说明：溶剂比的变化，引起差点D的变化，导致理论级数的变化。2021/6/2762◆

qmS/qmF

较大，M→S，E1为F和D的和点，D点在三角形相图右侧，净物流向左流动。◆

qmS/qmF减小，M→F，E1升高，D点远离S。

D点移到无穷远时D=0，级联线互相平行。◆

qmS/qmF

再减小，F为E1和D的和点，D点落在三角形相图左侧，净物流向右流动。可见：2021/6/27632021/6/2764分配曲线操作线132PxFy溶剂比对操作线的影响2021/6/2765②最小溶剂比的求法

的位置，既和平衡关系有关，又和分离要求有关。夹紧点与Dmin的关系：2021/6/2766最小溶剂比的确定：操作范围内的联结线延长，与RNS相交，

D点在右侧，则取离S最近的点；

D点在左侧，则取离S最远的点。2021/6/2767RN连接F、Dmin点，与溶解度曲线相交于E1点，FE1则RNE1与FS的交点为和点M。M最小溶剂比：2021/6/27682021/6/2769实际溶剂比的确定：

实际溶剂比取最小实际溶剂比的倍数。多级错流萃取与多级逆流萃取的比较：◆分离要求、溶剂一定时：多级逆流萃取比多级错流萃取板数少。◆板数一定时：多级逆流萃取比多级错流萃取溶剂用量少。◆生产上多采用逆流萃取操作。2021/6/2770指：萃取相和萃余相逆流微分接触，使两相中的溶质浓度沿流动方向发生连续的变化。完成规定分离要求所需塔高或填料层高度的计算。8.3.4微分接触式逆流萃取2021/6/2771（1）理论级当量高度法理论级当量高度Hth：与物系、操作条件和设备形式有关，其值由实验确定。（2）传质单元数法取微元高度dHH微元接触式逆流萃取示意图2021/6/27722021/6/27737.3.5回流萃取

逆流萃取上部增加增浓段，塔顶有萃取液回流。qmFy'1'2'12NN-1IIIxN'qmErqmSEqmDqmSRqmRNqmSqmR’N回流萃取流程2021/6/2774第四节超临界气体萃取简介定义：利用超过临界温度、临界压力状态下的气体具有的特异溶解能力，选择性地溶解混合液体或固体中的溶质，分离液体或固体混合物的单元操作。（1）超临界萃取基本原理C点：体系的界面消失，成为均相体系，称为临界点对应的温度——临界温度对应的压力——临界压力2021/6/2775超临界状态下体系的特点：既非气体，亦非液体，却既具有近似气体的粘度和渗透能力，又具有接近液体的密度和溶解能力。常用的超临界萃取溶剂——CO20-60201000530201040纯CO2温度、压力和密度关系Bρ=120011001000900800200100700600500400300超临界流体温度/℃压力/MPa二氧化碳－乙醇－水体系相平衡图CO2H2OC2H5OHT=308.15Kp=10.1MPa2021/6/2776（2）超临界萃取的原则流程流程主要分为两部分：①在超临界状态下，溶剂气体与原料接触进行萃取获得萃取相；②将萃取相进行分离，脱除溶质，再生溶剂。改变压力或温度的超临界萃取流程加热器原料萃取相溶剂萃取产物萃余相萃取器分离器减压阀压缩机原料萃取相溶剂萃取产物萃余相萃取器分离器阀门泵冷却器

改变压力和温度的超临界萃取流程2021/6/2777采用吸附分离的超临界萃取流程：

采用吸附分离的超临界萃取流程阀门原料萃取相溶剂吸附剂萃余相萃取器吸附器泵2021/6/2778超临界萃取的特点：①操作温度一般较低，接近室温；②过程易于调节；③分离工艺流程简单；④萃取效率一般高于液体萃取，不会引起被萃取物质的污染且不进行溶剂蒸馏；⑤体系的沸点和溶解度与溶剂和溶质的种类有关；⑥萃取过程在高压下进行，设备及工艺技术要求较高，投资大.⑦间歇操作，无法连续操作。（3）超临界流体萃取的应用化学工业：废水中微量有机物的去除、共沸物的分离等；医药工业：药品有效成分的萃取、脂肪质的分离精制等；食品工业：植物油的萃取、咖啡和茶的脱咖啡因等。2021/6/2779第五节液液萃取设备要求：提供适宜的传质条件，使两相充分有效地接触并伴有较高程度的湍流，保证两相之间迅速有效地进行传质，并使两相得到及时、完善的分离。分类：

（1）按两相接触方式划分逐级接触——浓度呈阶跃式变化，微分接触式——浓度连续变化。（2）按外界是否输入机械能划分重力流动设备、外加能量的设备。（3）按设备结构特点和形状划分组件式——由单级萃取设备组合；塔式——板式塔、喷洒塔、填料塔。

7.5.1萃取设备的基本要求与分类

2021/6/2780一、混合澄清槽（1）结构混合－澄清器轻相重相重相轻相7.5.2常用萃取设备简介2021/6/2781（2）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；对物系的适应性好，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。不需高大的厂房和复杂的辅助设备。（3）缺点①占地大，溶剂储量大。②需要动力搅拌和级间物流输送设备，设备费和操作费较高。（4）应用适用于所需级数少、处理量大的场合。2021/6/2782Elgin型喷淋萃取塔轻相重相轻相重相Elgin型喷淋萃取塔二、塔式萃取设备

（1）喷洒塔（喷淋塔）特点：无塔内件，阻力小，结构简单，投资少易维护。但两相很难均