化工原理(天大版）---（下册）第四章萃取.ppt

第四章 液液萃取,4.1 概述,1、液-液萃取的基本原理 萃取：在液体混合物中加入与其不互溶或部分互溶的液体溶剂（萃取剂），形成两相体系。利用原料液中各组分在萃取剂中溶解度的差异，实现原料液中各组分一定程度的分离，称为萃取。 溶质：选用的溶剂对原料液一个组分有较大溶解力，该易溶组分为溶质，以A表示； 稀释剂（原溶剂）：溶剂对另一组分完全不溶解或部分溶解，该难溶组分称为稀释剂，以B表示； 萃取剂：萃取过程中加入的溶剂，以S表示。 萃取操作基本过程：,4.1 概述,2、萃取分离的适用场合 混合液中组分的相对挥发度接近于1或形成共沸物 溶质在混合液中组成很低且为难挥发组分 混合液中有热敏性组分 3、萃取操作的特点 外界加入萃取剂建立两相体系，萃取剂与原料液完全不互溶或部分互溶 萃取是一个过渡性操作，E相和R相脱除溶剂后才能得到A或B的产品 常温操作，适合于热敏性物系的分离，并且有节能的优势 多相液-液混合物的平衡多用三角形相图 4、液-液萃取过程举例 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或重整油中萃取芳烃，如苯、甲苯和二甲苯。 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：湿法冶金中溶液分离、浓缩和净化的有效方法。 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,4.2三元体系的液-液相平衡,混合液的分类 I类物系：组分A、B及A、S分别完全互溶，组分B、S部分互溶或完全不互溶 II类物系：组分A、S及B、S分别形成部分互溶体系，组分B、S部分互溶或完全不互溶 本章重点研究I类物系,4.2.1 组成在三角形相图上的表示方法,三角形坐标图中混合物的组成常用质量分数表示 三角形坐标图的每个顶点分别代表一个纯组分。 在三角形坐标图中，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。（逆时针） 三角形坐标图三条边上的任一点代表一个二元混合物系，第三组分的组成为零 三角形坐标图内任一点代表一个三元混合物系 过物系点M分别作对边的平行线ED、HG、KF，则由点A、B、S的组成分别为： xA=BE=0.4 xB=SG=0.3 xS=AK=0.3,4.2.2 液-液相平衡关系,1、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为部分互溶，在一定温度下做溶解度曲线 均相区：曲线以外的区域为均相区 两相区：曲线以内的区域为两相区 共轭相：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 联结线：联结两共轭液相相点的直线称为联结线 一定温度下，同一物系的联结线的倾斜方向 一般是一致的，但随溶质组成而变，即各联 结线互不平行，少数物系联结线的倾斜方向 会有改变,4.2.2 液-液相平衡关系,2、辅助曲线和临界混溶点 辅助曲线的做法 利用辅助曲线便可从已知某相R（或E）组成确定与之平衡的另一相E（或R）的组成 临界混溶点：辅助曲线与溶解度曲线的交点为P，显然通过P点的联结线无限短，即该点所代表的平衡液相无共轭相，相当于该系统的临界状态，故称点P为临界混溶点。,4.2.2 液-液相平衡关系,3、分配系数和分配曲线 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 A表示,原溶剂B,表达了溶质在两个平衡液相中的分配关系。 A值愈大，萃取分离的效果 愈好, A值与联结线的斜率有关,同一物系， A值随温度和组成而变。,一定温度下，仅当溶质组成范围变化不大时， A值才可视为常数,说明：,不同的物系具有不同的分配系数 A值,式中：Y萃取相E中溶质A的质量比组成； X 萃余相R中溶质A的质量比组成； K以质量比表示相组成时的分配系数,4.2.2 液-液相平衡关系,3、分配系数和分配曲线 分配曲线：若以xA为横坐标，以yA为纵坐标，则可在x-y直角坐标图上得到表示互成平衡的一对共轭相组成的点N。将这些点联结起来即可得到曲线ONP，称为分配曲线 曲线上的P点即为临界混溶点。 分配曲线表达了溶质A在互成平衡的E相与R相中的分配关系。若已知某液相组成，则可由分配曲线求出其共轭相的组成。 若在分层区内y均大于x，即分配系数 A 1，则分配曲线位于y=x直线的上方，反之则位于y=x直线的下方。 若随着溶质A组成的变化，联结线倾斜的方向发生改变，则分配曲线将与对角线出现交点，这种物系称为等溶度体系,4.2.2 液-液相平衡关系,4、温度对相平衡关系的影响 通常物系的温度升高，溶质在溶剂中的溶解度增大，反之减小。因此，温度明显地影响溶解度曲线的形状、联结线的斜率和两相区面积，从而也影响分配曲线的形状。 温度升高，分层区面积减小，不利于萃取分离的进行。,4.2.3 杠杆规则,将Rkg的R相与Ekg的E相混合，即得到总量为Mkg的混合液；反之，在分层区内，任一点M所代表的混合液可分为两个液层R、E 则M点称为和点，R和E点称为差点 M与R、E之间的关系可用杠杆规则描述： （1）M点与R、E点处于同一直线上 （2） E相与R相的量和线段MR与ME成比例,式中：E、RE相和R相的质量，kg或kg/s MR，ME线段的长度,（3）若与A、B二元原料液F中加入纯溶剂，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,1、萃取剂的选择性和选择性系数 萃取剂的选择性：指萃取剂S对原料液中两个组分溶解能力的差异,萃取剂选择性系数 ,说明：,选择性系数与kA、kB有关。 kA越大， kB越小，就越大， A、B的分离也就越容易,凡是影响kA、kB的因素都影响（温度、组成）,若 =1，则萃取相和萃余相在脱除溶剂S后将具有相同的 组成，并且等于原料液的组成，故没有分离能力,萃取剂的选择性越高，对A的溶解能力就大，则一定的分离 任务，可越少萃取剂用量，降低回收溶剂操作的能耗，并且 可获得高纯度的产品A,当组分B、S完全不互溶时，则选择性系数趋于无穷大，这 是最理想的情况。,4.2.4萃取剂的选择,2、原溶剂B与萃取剂S的互溶度,组分B与S的互溶度影响曲线的形状和分层区的面积,组分B与S1互溶度小，分层区面积大，可能得到的萃取液 的最高组成ymax较高，所以，B、S互溶度越小，越有利 于萃取分离,4.2.4萃取剂的选择,3、萃取剂回收的难易与经济性 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,4.2.4萃取剂的选择,4、萃取剂的其它物性 萃取剂与被分离混合物有较大的密度差 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 因此，界面张力要适中 溶剂的粘度对分离效果也有重要影响 溶剂的粘度低，有利于两相的混合与分层，也有利于流动与传质 萃取剂应具有化学稳定性和热稳定性 对设备的腐蚀性要小 来源充分 价格较低廉 不易燃易爆等,4.3萃取过程的计算,萃取操作的分类 分级接触式 连续接触式 理论级：离开萃取器每一级的萃取相与萃余相互成平衡 级效率,1、萃取过程在三角形相图上的表示 说明： 间歇操作时各股物料均以kg表示，连续操作时以kg/h表示 萃取相组成y及萃余相组成x的下标只标注了相应的流股符号，不标注组分符号，如没特别指出，均指溶质A （1）混合,4.3.1单级萃取的计算,讨论：,（2）分层,（3）脱溶剂,Emax点代表在一定条件下可能得到 的最高组成的萃取液,S的量应使M在MR和ME之间,4.3.1单级萃取的计算,2、单级萃取的计算,对（a）作总物料衡算：,对（a）作溶质A的物料衡算：,其中xF、x R、yE由相图读出,根据杠杆法则 ：,把4-6、4-10代入4-8得：,把4-6、4-7代入4-9得：,其中yE、xM、xR 由相图读出,4.3.1单级萃取的计算,2、单级萃取的计算 当B、S完全不互溶时，则对溶质A作总物料衡算可写成：,式中：B原料液中稀释剂的量，kg或kg/h； S萃取剂的量， kg或kg/h； XF原料液中A的质量比组成， kgA/kgB X1单级萃取后萃余相中A的质量比组成， kgA/kgB Y1单级萃取后萃取相中A的质量比组成， kgA/kgS YS萃取剂中A的质量比组成， kgA/kgS,4.3.2多级错流接触萃取的流程和计算,多级错流接触萃取的流程,4.3.2多级错流接触萃取的流程和计算,1、组分B、S部分互溶时的三角形坐标图图解法,多级错流的计算只是单级的多次重复,4.3.2多级错流接触萃取的流程和计算,2、组分B、S不互溶时理论级数的计算 1）直角坐标图图解法 设每一级加入的溶剂量相等，则溶质在萃取相和萃余相中的组分分别用质量比Y（A/S）、X（ A/B）表示 对图中第一级作A的衡算：,对图中第n级作A的衡算：,操作线方程,4.3.2多级错流接触萃取的流程和计算,在X-Y坐标图上图解理论级的步骤： （1）在坐标图上绘出 XY 分配曲线 （2）由每一级物料衡算得出操作线，直到第 n 级萃余相中的浓度 Xn满足要求为止 说明 若各级萃取剂用量不等，则诸操作线不相平行 如果溶剂中不含溶质，YS =0，YSL和X轴重合,4.3.2多级错流接触萃取的流程和计算,2）解析法 若在操作条件下分配系数可为常数，平衡关系可写为：Y=KX 则第一级的相平衡关系为： Y1=KX1 代入第一级的操作线方程,4.3.2多级错流接触萃取的流程和计算,对第二级作A的衡算：,第二级的操作线方程为：,第二级的平衡关系为：,同理对第n级有：,4.3.2多级错流接触萃取的流程和计算,图4-18,4.3.3多级逆流接触萃取的流程和计算,多级逆流接触萃取的流程,多级逆流接触萃取的设计计算内容,已知F，xF,xn生产要求,S，yS现实因素已知,理论级数,多级逆流接触萃取的设计计算方法,B、S部分互溶时可用三角形相图上的逐级图解法,B、S不互溶时可用X-Y直角坐标上的图解法,解析法（包括B、S部分互溶和完全不互溶）,4.3.3多级逆流接触萃取的流程和计算,1、B、S部分互溶时的理论级数 1）三角形相图上的逐级图解法 在三角形图上绘出溶解度曲线和辅助曲线 根据原料和萃取剂的组成，在图上定出F和S两点，再由S/F在FS连线上定出M点的位置 由规定的xn在相图上确定Rn点，连Rn和M并延长交溶解度曲线于E1 利用平衡关系和物料衡算图解理论级数,xn规定值,的做法：延长FE1与SRn的交点来确定,多级逆流接