化工原理 第七章 萃取

1、第四章 液液萃取,1 概述 2 三元体系的液液相平衡 3 萃取过程的计算 5 液液萃取设备,4.1 概述,1、萃取操作的基本原理和过程 液液萃取（抽提）：在液体混合物中加入一 种与其不溶或部分互溶的液体溶剂，经过充 分混合，分相，利用混合液中各组分在溶剂 中溶解度的差异而实现分离的一种单元操 作。又称溶剂萃取。,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。,混合传质过程：充分接触，相界面传质； 沉降分相过程：密度差分相E、R； 脱除溶剂过程：精馏、蒸发、结晶等。,几个概念： 萃取剂(溶剂)S：所用的溶剂 原料液F：所处理的混合液（ A+B ） 溶质A

2、：原料液中易溶于溶剂的组分； 原溶剂（稀释剂）B：难溶或不溶组分。,2、萃取分离的适用场合 1：如芳烃与脂肪烃； 混合物蒸馏时形成恒沸物； 欲回收的物质为热敏性物料； 稀溶液，精馏能耗大：如稀 醋酸制备无水醋酸； 稀有元素及环境治理：废水脱酚； 分离极难分离的金属：核燃料等。,3、萃取操作的特点 外界加入萃取剂形成第二相，故萃取剂与 混合液只能部分互溶或完全不溶； 不能直接得到纯产品过渡操作； 常温操作，适合热敏性组分且节能； 三元或多元体系，相平衡关系复杂，通常 需在三角形相图上表示；,4.2 三元体系的液液相平衡,4.2.1组成在三角形相图中的表示方法 组分浓度常用质量分率表示，有时也用体

3、 积分率或摩尔分率。,各顶点表示纯组分（A、B、S）； 任一边上的点表示相关二元混合物； 习惯上， AB边以A的质量分率作 为标度， BS边以B的质量分率作 为标度， SA边以S的质量分率作 为标度。,三角形内的点代表三 元混合物。 M点的组成： 过M点做BS的平行线， 得ED，则BE（SD）为 含有的溶质A； 过M点做AS的平行线， 得HG，则AH（SG）为 含有的稀释剂B； 过M点做AB的平行线， 得KF，则AK（BF）为 含有的萃取剂S。,4.2.2液液相平衡关系,按组分互溶度，将三元混合液分为： A完全溶于B及S中，而B、S不互溶； A完全溶于B及S中，而B、S部分互溶； A与B互溶，

4、B与S和A与S部分互溶。 习惯上，将、两种情况的物系称为第 类物系，而将情况的物系称为第类物 系。,工业上常见的第类物系有： 丙酮(A)水(B)甲基异丁基酮(S)、 醋酸(A)水(B)苯(S) 丙酮(A)氯仿(B)水(S)； 第类物系有： 甲基环己烷(A)正庚烷(B)苯胺(S)、 苯乙烯(A)乙苯(B)二甘醇(S)。 在萃取操作中，第类物系较为常见，以下 主要讨论这类物系的相平衡关系。,溶解度曲线和联结线 设溶质A可完全溶于B 及S，但B与S部分互溶。 相平衡数据测定：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)，得到一 组平衡数据。,在总组成为F的二元混 合液中加入

5、一定量 A(B、S的质量比不 变)，三元混合液的组成 点将沿AF线变化； A的量逐渐增加，直至 不再分相混溶点（分 层点）。,改变总组成，重复上述步骤，得到溶解度曲线。,两相区内的混合物为两个液相，达到平衡时，两个液层称为共轭相，连接共轭液相组成坐标的直线称为联结线。,通常联结线的斜率随混合液的组成而变，但 同一物系其联结线的倾斜方向一般是一致 的，有少数物系，例如吡啶氯苯水，当混 合液组成变化时，其联结线的斜率会有较大 的改变,2. 辅助曲线与临界 混溶点 有限个共轭组成 得到的联结线可按 一定方法作出辅助 曲线； 临界混溶点P：过该点的联结线无限短，处于分相的临界点。不一定是顶点（因为联结

6、线有一定斜率）；, 临界混溶点需实测， 一般不能外推。,3、分配系数和分配曲线 1）分配系数：一定温度下，在平衡的两相 中，某组分在E相与R相中的组成之比称为该 组分的分配系数，以k表示：,yA、yB萃取相E中组分A、B的质量分数； xA、xB萃余相R中组分A、B的质量分数。,kA表明了组分在共轭相中的分配关系； kA=f(物系，T，浓度)。T 、浓度kA ； 恒温、恒压、低浓时， kA =可视为常数。,2）分配曲线yAxA图,有一对组分部分互溶时的分配曲线,kA1，联结线斜率0，曲线在y=x上方； kA1，联结线斜率0，曲线在y=x下方； 若联结线倾斜方向变化，则与相交。这类物 系称为等溶度

7、体系。,采用同样方法可作出有两对组分部分互溶时的分配曲线,4、温度对相平衡的影响 TB及S中A溶解，分相区缩小； T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； 温度，类物系类物系。,4.2.3杠杆规则,杠杆规则 E、R(差点)与混合总组 成点M（和点）共线； 各物相的量符合 杠杆规则：,于A、B二元原料液F中 加入纯溶剂S，则混合 液总组成的坐标M点沿 SF线而变，具体位置 由杠杆规则确定:,4.2.4萃取剂的选择,萃取剂的选择性和选择性系数 溶剂要具有一定选择性，对A溶解度要大，对其 它组分溶解度要小。 萃取相： 萃余相： 评价指标选择性系数。 选择性系数： 表示萃取剂

8、对组分A，B溶解能力差别的大小。,=f(kA)，kA=f(T，浓度）； 一般xB/yB1。若kA1，则一定有1； 若kA1，则可能大于1或接近1； 效果S用量能耗产品纯度； =1，脱S后组成与料液相同，不能用萃取分离。 类似于，溶质A在萃取液与萃余液中的组成关系 也可用类似于蒸馏中的汽液平衡方程表示：,2、萃取剂S与稀释剂B 的互溶度 组分B与S的互溶度影响 溶解度曲线的形状和分 层面积。 互溶度分层面积 ymax。 B、S互溶度愈小，愈有 利于萃取分离。,3、萃取剂回收的难易与经济性 回收费用在萃取中比重大； 常用蒸馏分离：大且无共沸，组成小的 易挥发，若溶剂作易挥发则汽化热要小节 能； 若

9、接近1，可用反萃或结晶分离等方法。 萃取能力大，减少S用量； S在B中溶解度小，减少浪费。,4、萃取剂的其它物性 密度：密度差大，容易分相处理能力 （特别是无外加能量的设备）； 表面张力：大易聚结易分相难分 散；反之，难分层，易乳化； 黏度： 对萃取有利。 一般工业要求：化学及热稳定性，腐蚀性， 无毒，来源，价格等。,例 一定T，测得A、B、S平衡数据。试求： 作溶解度曲线和辅助曲线； 临界互溶点组成； xA=20%时的kA和； F=100kg, xF=30%, 混合液开始分层时S=?; 对 中料液， 欲得yA=36%，xA=?，xM=?,作溶解度曲线和辅助曲线；临界互溶点组成；xA=20%时

10、的kA和；,F=100kg, xF=30%, 混合液开始分层时S=?;,对 中料液， 欲得yA=36%，xA=?，xM=?,4.3萃取过程的计算,萃取设备：分级式与连续式； 分级式：单级萃取和多级萃取 假设条件：离开每级的萃取相和萃余相相互 平衡。,单级萃取流程,特点： 一次接 触，两相平衡； 连续或间歇； 组成：x、y。,4.3.1单级萃取的计算,1、萃取过程在三角形相图上的表示 1）混合 S加到原料液F中，M点 在SF线上，由杠杆规 则确定，应落在两相区 2）分层 得到平衡相：E相与R相 （利用辅助曲线，且过M点） 由杠杆规则确定量,3）脱溶剂 脱除溶剂S后，得到E和 R，在AB线上，数量

11、关 系用杠杆规则，,萃取液最大浓度ymax 从S点做溶解度曲线的 切线与AB线交于Emax S与B互溶度分相 范围 ymax。 T 互溶度 ymax ，但也会造 成和表面张力， D，因此温度选择要 适当。,2、单级萃取的计算 1）计算任务： 已知：F、xF、xR 求：S、E、R及yE。 2）计算方法： 物料衡算、平衡关系和杠杆规则。,1）先确定点F和点R 2）由R点和辅助线得E点，RE与SF交于M点； 3）E和R为脱除溶剂后的萃取液和萃余液组成； 总物料衡算： F+S=R+E=M,各流股的量由杠杆定律：,分物料衡算式：,例：在25下，用水(S)萃取醋酸(A)氯仿 (B)中的醋酸，F=1000

12、kg/h，xF =35%， S=800 kg/h。 试求： 单级萃取后E及R的流量和组成； E和R的流量及组成； 。 B,S若视作不互溶，K=3.4，要求原料液中80%的溶质A进入E相，求S/B?,作溶解度曲线和辅助曲线； 由杠杆规则确定M点 借助辅助曲线，试差定E和R点，读出组成，量图计算流量。 作SE,SR的延长线，读图，确定萃取液和萃余液组成及流量。 ,4.3.2多级错流接触萃取,每级均加入新鲜S，前一级的R做为后一级的 原料液。 特点：推动力大；级数足够多，萃余相 （xn ）就可足够低；S用量大，回收负荷、 投资大。,1、B,S部分互溶时的三角形坐标图解法单级图解的重复,例：在25下，

13、已知丙酮(A)-水(B)-氯仿(S) 平衡数据。三级错流，F=500 kg/h， xF=40%，各级Si相同，S1=0.5F 试求丙酮回收率,2、B,S不互溶时的理论级数计算直角坐标图解法,不互溶，则E中的S与R中的B为常数， 浓度可用质量比表示：,同一级的两相处于平衡，满足平衡关 系；同时也应该符合物料平衡，即满足相 应的操作关系。因此，在XY坐标中，组成点应是二者的交点。,对每一级作物料衡算：,作图方法： 1）作分配曲线； 2）确定V点；由V点 定E1点； 3）过E1点作垂线得 到U点E2； 4）以此类推，直到 X达到要求为止。,说明： 1）操作线数即为理 论级数； 2）Si相等，则各操

14、作线平行； 3）使用纯溶剂时 Ys =0； 4）单级萃取，亦可 用直角坐标图解； 5）使用条件：完全 不互溶体系。,解析法适用：Y = KX （K为常数）,4.3.3多级逆流接触萃取,特点：连续、高效、S用量小； S一般循环使用，常含少量A和B，故最终R相最低组成受循环溶剂组成限制，E相最高组成受料液组成限制。,B、S部分互溶体系的图解 计算 三角形相图上逐级图解法 1）作平衡曲线及辅助曲 线； 2）确定F、S，并由溶剂比 S/FM； 3）由xnRn，由Rn、M延 长确定E1； 4）由平衡关系及物料衡算 n。,4.5液液萃取设备,分类：逐级接触和微分接触 有外加能量和无外加能量,1、混合澄清槽,优点： 处理量大，级效率高； 结构简单，容易放大和操作； 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； 易实现多级连续操作，便于调节级数。不 需高大厂房和复杂