萃取过程及设备的选择与操作.doc

The general staff (1 employees in addition to vice president, director, manager, deputy manager and special positions outside the contract period) to resign, to give 10 days notice, the project manager or department manager, administrative personnel department or relevant responsible person for the relevant visa after departure procedures; in addition to general staff personnel outside the contract period of turnover must submit the resignation report, a month ahead of schedule, the administrative personnel department, general manager of visa before separation procedures; probation employees shall pay in advance 5 resignation report, the project manager or department manager and administrative personnel department visa before departure; positive after special reasons did not sign a contract with reference to general employees Through the staff学习目标 萃取过程及设备的选择与操作1了解液-液萃取操作在化工生产中的重要性，熟悉化工生产过程中常见的液-液萃取方案；2熟悉萃取剂的选择原则，掌握萃取剂的选择方法。会根据萃取相图等知识确定萃取剂用量并能进行单级萃取过程的计算。3掌握萃取设备的分类及萃取典型设备，能够根据萃取任务进行萃取设备的选择。4掌握连续逆流萃取过程及计算，萃取剂最少用量的计算。5掌握实训萃取装置的结构，萃取操作的要点及注意事项。能够独立进行萃取装置的操作。通过测定原料液和萃余相的浓度，对萃取效果进行评价。引 言前已介绍，非均相物系的分离一般用沉降、过滤等操作方法；均相物系中气体混合物的分离则用吸收与解吸的方法来完成，那么均相液体混合物又该如何分离呢？本学习情境四开始介绍均相液体混合物的分离方法。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。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组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的均具挥发性，且各组分之间挥发性相差较大时，如果分离任务量大，且不需要很高的温度就能使各组分汽化时，这类均相液体混合物的分离一般采用蒸馏的方法。萃取也是分离均相液体混合物的常用方法。一般用于以下几种情况：（1）混合液中各组分之间的挥发性相近，沸点相近，相对挥发度接近于1，甚至形成恒沸物时，用一般的蒸馏方法难以达到或不能达到分离要求的纯度。（2）需分离的组分浓度很低且沸点比稀释剂高，用蒸馏方法需蒸出大量稀释剂，消耗能量很多。（3）溶液中要分离的组分是热敏性物质，受热易于分解、聚合或发生其它化学变化。需要说明的是当分离液体混合物用蒸馏或萃取方法均可应用时，其选择操作方式的依据主要是由经济性来确定。与蒸馏比较，整个萃取过程的流程比较复杂，且萃取相中萃取剂的回收往往还要应用精馏操作。但是萃取过程是在常温下操作，无相变化以及选择适当溶剂可以获得较好的分离效果等优点，在很多情况下，仍显示出技术经济上的优势。本学习情境主要学习萃取过程的有关知识。下面我们基于双氧水生产工艺中氧化液分离任务的完成来学习有关萃取操作的知识。 工程任务 制定从蒽醌氧化液中分离出双氧水的方案某化工厂采用蒽醌法生产双氧水，工艺过程示意框图如下：图4-1 双氧水生产过程示意图上图中以2-乙基蒽醌为载体，溶解于芳烃和磷酸三辛脂按一定比例组成的溶剂中(又称工作液)，工作液中的2-乙基蒽醌在钯的催化作用下，在氢化反应器中与氢气进行氢化反应，生成2-乙基氢蒽醌和四氢-2-乙基氢蒽醌的混合液(又称氢化液)，氢化液经过氢化床袖筒和氢化液过滤器后，在氧化塔里与氧气进行氧化反应，生成含双氧水、2-乙基蒽醌和四氢-2-乙基氢蒽醌 (又称氧化液)，氧化液经分离处理，获得浓度大于303g/L的双氧水，通过净化处理即为27.5%的双氧水成品。请拟定：从氧化液分离出双氧水的方案。双氧水是重要的无机化工产品，广泛应用于国民经济各个领域。目前国内双氧水生产主要采用蒽醌法，蒽醌法生产双氧水较电解法生产双氧水具有能耗少、成本低和易于实现大规模生产等优点。近20年，蒽醌法生产双氧水的能力迅速增加，国内陆续投产了几十套生产装置，尤其近几年，国内多家年产100kt（H2O2质量分数为27.5%，下同）和200kt大型双氧水企业的投产，大大促进了双氧水生产工艺和技术的进步。任务分析本任务的主要目的就是：从含有双氧水、2-乙基蒽醌和四氢-2-乙基氢蒽醌 、芳烃和磷酸三辛脂均相液体混合物（氧化液）中分离出双氧水，可见这是一典型的均相液体混合物的分离任务。由于物系中各个组分均具挥发性，其中2-乙基蒽醌和四氢-2-乙基氢蒽醌 、芳烃和磷酸三辛脂均为沸点较高的有机物，混合液的沸点在185左右，与双氧水的沸点（158）相差不大，而过氧化氢为热敏性物质，加热易分解。显然要将氧化液中的过氧化氢与其他物质分离，是不可能采用蒸发和蒸馏的方法。因此实际生产中一般采用萃取的方式。那么什么是萃取？萃取操作是如何进行的？在萃取过程中要解决哪些基本问题？怎样解决这些问题？这是化工专业技术人员必须掌握的知识和技能。萃取过程和萃取方案的认识一、液-液萃取基本工作过程的认识萃取就是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称为液液萃取。萃取操作的基本过程如图4-2所示。将一定的溶剂（萃取剂）加到被分离的混合液（原料液）中，采取措施（如搅拌）使原料液和萃取剂充分混合，在混合过程中溶质通过相界面由原料液相向萃取剂相中扩散。待两相充分混合后，再利用沉降使两液相分层，加以分离。图4-2 萃取基本操作示意图在萃取过程中，所用的溶剂称为萃取剂，混合液体为原料液，原料液中欲分离的组分称为溶质，其余组分称为稀释剂（或称原溶剂）。萃取操作中所得到的溶液称为萃取相，其成分主要是萃取剂和溶质，剩余的溶液称为萃余相，其成分主要是稀释剂，还含有残余的溶质等组分。萃取后得到的萃取相需要用精馏或反萃取等方法进行分离，得到含溶质的产品（萃取液E，）和萃取剂，萃取剂供循环使用。萃余相通常含有少量萃取剂，也需应用适当的分离方法回收其中的萃取剂。用三氯乙烷在萃取装置中萃取丙酮水溶液中的丙酮，分析并指出在这个案例中的原料液、萃取剂、萃取相、萃余相、溶质、稀释剂。二、液-液萃取方案的认识液-液萃取的最早实际应用是1883年Goeing用乙酸乙酯之类的溶剂由醋酸的稀溶液制取浓醋酸。1908年Edeleanu首先将溶剂萃取应用于石油工业中。他用液态二氧化硫作为溶剂从煤油中萃取除去芳香烃。20世纪30年代初期，开始有人研究稀土元素的萃取分离问题，但是在很长的时间内没有获得具有实际价值的成果。20世纪40年代以后，随着原子能工业的发展，基于生产核燃料的需要，大大促进了对萃取化学的研究。特别是在20世纪40年代末期采用TBP（磷酸三丁酯，tributyl phosphate）作为核燃料的萃取剂以后，萃取过程得到了日益广泛的应用和发展。近年来，由于萃取设备的改进，回流萃取流程的推广以及电子计算机的应用，更加提高了萃取效率，从而为萃取过程的广泛应用创造了更为有利的条件。目前萃取操作在无机化工、石油化工、精细化工、原子能化工和环境保护等方面已被广泛应用。下面分别介绍无机萃取和有机萃取的典型实例。（一）无机化工中的液-液萃取过程萃取过程在无机化学工业生产过程中最重要的应用就是在水法冶金过程中提取、分离各种金属元素。下面以稀有金属锆、铪的分离过程为例。锆、铪分离原则流程如图4-3所示。图4-3 金属锆、铪分离过程据统计，至今已经对周期表中94种元素的萃取性能进行了研究。萃取技术适用于冶金过程的不同处理阶段，其中包括：（1）从矿石浸出液中提取金属；（2）分离性质相近的金属元素；（3）从工业废液中回收有价金属元素随着萃取技术的不断改进，随着开采各种低品位矿的需求的增加，以及对环境保护的日益强烈的要求，将会促使采用萃取过程选择性地生产某种特定金属(包括锌铝，钼、铋等)的新方法不断发展，萃取过程将在冶金工业中得到更加广泛的应用。（二）有机化工中的液-液萃取过程萃取过程在有机化学工业中的应用也相当广泛。例如，在石油和石油化学工业中，用于芳烃抽提、丙烷脱沥青、糠醛精制，以及利用石油基作原料合成醋酸、生产丙烯酸等多种工艺过程。在煤焦油工业中，用于从煤焦油馏分中萃取苯酚和分离苯酚同系物等过程。在制药工业中，用于从发酵液中回收抗菌素(青霉素的生产是最好的例证)和各种生物碱(如马钱子碱、二甲马钱于碱、奎宁)的生产。在油脂工业中，用于动物油和植物油的净化和肥皂的生产等过程。在食品工业中，应用于磷酸三丁酯从发酵液中萃取柠檬酸等过程。表4-1综合了萃取法在有机化工中的部分应用实例表4-1 萃取法在有机化工中的部分应用行业原料溶剂萃取物石油工业汽油和煤油馏分环丁砜芳香烃催化重整物、直馏汽油或煤油二甲基亚砜芳香烃含重渣油的石蜡丙烷石蜡及沥青C4碳氢化合物二甲基甲酰胺丁二烯石脑油糠醛、糠醇、水重芳香族化合物炼焦工业焦炉油二甘醇和水芳香烃粗焦馏物甲醇、水和己烷焦油酸煤气水洗液重苯溶剂油N503酚油脂工业植物油和动物脂丙烷不饱和甘油酯和维生素植物油糠醛不饱和甘油酯医药工业麻黄草浸渍液苯、二甲苯麻黄素含青霉素发酵液醋酸丁酯青霉素其他醋酸稀溶液乙酸乙酯醋酸催化裂化石油厂废水轻催化油酚此外，液-液萃取在生物化工、分析、环保等方面也有广阔的应用，例如，发酵液中酶的提取及各种酶之间的分离；核酸的分离及纯化；又例如，大量钍中微量铀的测定，就经常用某种萃取剂（TRPO）先萃取分离铀、钍，然后再进行铀的比色测定。在液-液萃取技术不断扩大其应用领域的同时，还不断地发展了若干新技术，除了前已叙述的方法之外，随着回流萃取、双溶剂萃取、液膜萃取、超临界萃取等技术的问世，以及萃取与其他分离手段相结合的技术，使得液-液萃取技术成为具有广阔发展前景的单元操作之一。常用的液体混合物分离方式除了液-液萃取外还有哪些？液-液萃取较这些分离方式有何优点？三、实现液-液萃取生产所涉及的主要问题从上面液-液萃取在无机化工和有机化工应用的例子中我们已经看出，在不同的场合，处理对象不同，所用萃取剂也不相同，萃取过程所采用的工艺条件更是千变万化。但作为萃取过程本身，其实质都是一样的。无论是哪种分离体系，哪一种流程，它们具有如下共性问题：（1）萃取体系的选择：即是采用什么样的萃取剂从哪一种介质中进行萃取，能够满足萃取分离的要求，并且对被萃取组分的提取和分离最为有利。（2）工艺和操作条件的确定：即是在确定萃取体系之后，研究采用什么样的条件进行萃取，对被萃取组分的提取和分离最为有利。（3）萃取方式的确定和萃取流程的建立。（4）萃取设备的选型和设计。显然，上述每个问题都着眼于取得较好的萃取效果，满足对具体处理对象所提出来的提取或分离的要求，并使之在生产实践中付诸实现。后面我们将针对这些方面进行专门的学习。练习与实践101液-液萃取主要应用于哪些方面，并举例。02在表4-1中选取一个萃取实例，通过查找资料，画出该实例的萃取操作示意图。模块二 萃取剂的选择与萃取用量的确定通过引言及模块一，我们接触了大量的萃取实例，对萃取的过程已经有了基本的认识。要完成引言中从氧化液中分离出双氧水萃取任务，我们应该选择什么样的物质作为萃取剂量呢？选择萃取剂时应考虑的因素有哪些？对不同的原料液，如何选择萃取剂及萃取剂的用量如何确定，是萃取操作的核心问题。下面我们学习相关知识。一、萃取剂的选择萃取溶剂的选择是萃取操作的关键，它直接影响到萃取操作能否进行，对萃取产品的产量、质量和过程的经济性也有重要的影响。因此，当准备采用萃取操作时，首要的问题，就是萃取溶剂的选择。一个溶剂要能用于萃取操作，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。但要选择一个经济有效的溶剂，还必须从以下几个方面作分析、比较。1、萃取剂的选择性系数为了更好地说明一个溶剂的萃取分离特征，就要综合考虑到溶剂对溶质和原溶剂的溶解度，比较通用的参数叫做溶剂的选择性系数，表示为： （4-1）式中 是萃取相E中溶质（A）和稀释剂（B）的浓度比；是萃余相R中溶质（A）和稀释剂（B）的浓度比；选择性系数是溶质（A）和稀释剂（B）分别在萃取相E和萃余相R中的分配系数的比值。当1，萃取操作能够实现，越大，分离操作越容易。当Emax，采用萃取剂S比S更有利于组分A的分离。图4-4 溶剂与稀释剂的互溶度影响2、萃取剂的物理性质（1）密度在液液萃取中，两相间应保持一定的密度差，以利于两液相在萃取器中能以较高的相对速度逆流和两相的分层；此外萃取设备还可达到较大的生产能力。（2）界面张力萃取物系的界面张力较大时，细小的液滴比较容易聚结，有利于两相的分离，但界面张力过大，液体不易分散，难以使两相混合良好，需要较多的外加能量。界面张力小，液体易分散，但易产生乳化现象使两相难分离，因此应从界面张力对两液相混合与分层的影响综合考虑，选择适当的界面张力，一般说不宜选用张力过小的萃取剂。两种纯液体的界面张力可用滴重法和气泡最大压力法来测定，常用体系界面张力数值可在文献中找到。有人建议,将溶剂和料液加入分液漏斗中,经充分剧烈摇动后,两液相最多在5min以内要能分层,以此作为溶剂界面张力适当与否的大致判别标准。（3）粘度溶剂的粘度低，有利于两相的混合与分层，也有利流动与传质，因而粘度小对萃取有利。有的萃取剂粘度大，往往需加入其他溶剂来调节其粘度。3、萃取剂的化学性质萃取剂需有良好的化学稳定性，不易分解、聚合，并应有足够的热稳定性和抗氧化稳定性。对设备的腐蚀性要小。4、萃取剂回收难易通常萃取相和萃余相中的萃取剂需回收后重复使用，以减少溶剂的消耗量。回收费用取决于回收萃取剂的难易程度。有的溶剂虽然具有以上很多良好的发生，但往往由于回收困难而不被采用。最常用的回收方法是蒸馏，因而要求被分离体系相对挥发度大，如果接近于1，不宜用蒸馏，可以考虑用反萃取，结晶分离等方法。5、其它指标如萃取剂的价格、来源、毒性、以及是否易燃、易爆等等，均为选择溶剂需要考虑的问题。当没有一种萃取剂能满足以上要求时，可以采用几种溶剂组成的混合萃取剂以获得较好的性能。6、温度对萃取剂性能的影响在讨论萃取剂和稀释剂互溶度时指出，对于萃取过程互溶度愈小愈好。温度对互溶度有显著影响，通常温度升高溶解度增加。图4-5所示为二十二烷-二苯基己烷-糠醛体系的相图。二十二烷与糠醛部分互溶。从图中可以看出，温度从45上升到140，两相区不断减少若温度继续上升，则变成三组完全互溶体系而无法进行萃取操作。某些体系，温度改变时，溶解度曲线的形状会发生较大的变化，例如图4-12示的甲基环戊烷（A）-正己烷（B）-苯胺（S）体系，在三个不同温度下（T3T2T1）的溶解度曲线。随着温度升高，该体系的溶解度曲线由第类物系转变为第类物系。也有一些体系温度变化时溶解度曲线无明显变化。温度对萃取剂的粘度，表面张力等物性有较大影响，因而在萃取操作中选择什么温度应该仔细考虑。图4-5 温度对分层区大小的影响任务解决 双氧水生产中萃取剂的选择从氧化塔出来的氧化液是 2-乙基氢蒽醌和四氢-2-乙基氢蒽醌、芳烃和磷酸三辛脂和过氧化氢的混合物。在这个混合物中，只有过氧化氢溶解与水，其它组分几乎不溶于水，可见水对过氧化氢有很好选择性。水的粘度低，只要措施得当容易与工作液（原料液）混合，也有利流动与相际传质。由于氧化液的密度在900kg/m3左右，与水的密度相差较大，当水中溶有双氧水后，密度更大，因此水相与油相很容易分开。更重要的是产品双氧水溶液的溶剂本身就是水，因此可直接使用水做萃取剂，可减少后续处理的环节。鉴于上述几个原因，可见从氧化液中出过氧化氢并获得产品双氧水溶液用水作为萃取剂是最合适的。特别提示：由于过氧化氢遇到Fe2+会分解，所以作为萃取剂使用的水一定要使用无离子的纯净水！图4-6 双氧水萃取流程图下面是某厂的萃取流程和萃取工艺参数萃取流程见图4-6。萃取流程的核心为萃取塔，塔顶进料S1为萃取剂水，塔底进料S2为氧化液，塔顶出料S3为萃余液，塔底出料S4为萃取液（粗双氧水）。萃余液经后处理后循环使用，萃取液净化后即得产品。萃取过程中氧化液（双氧水、三甲苯、磷酸三辛酯、烷基蒽醌、四氢烷基蒽醌）流量为470m3/h，双氧水浓度7.3g/L，萃取剂水的量在10m3/h以内，萃余液中双氧水浓度控制在不大于0.3g/L的范围内。萃取后，萃取液中含双氧水375g/L，双氧水和水占总萃取液组成的99.99%以上，萃余液中含双氧水小于0.lmg/L，含水小于25mg/L，产量为100kt/a 。从双氧水萃取方案中可以看到，萃取剂水的流量为10m3/h，萃取设备使用的是填料式萃取塔。那么水的流量是怎么确定的？为什么使用填料萃取塔，除了填料萃取塔外还有哪些萃取设备，它们各有什么特点用于什么场合？二、萃取剂用量的确定确定萃取剂水的用量及萃取相浓度（双氧水浓度）需要掌握三角形相图；溶解度曲线及联结线；辅助曲线及临界混溶点；分配系数及分配曲线；杠杆规则等基本萃取知识。1、三角形相图在萃取过程中至少要涉及三个组分，原料液中的两个组分即溶质（A）和稀释剂（B）以及加入的溶剂即萃取剂（S）。三元物系的相平衡关系不仅可以三角形坐标图上表达，而且通过该图可以计算出它们各自的组成和数量关系。三角形坐标图一般采用等边三角形或直角三角形，溶液组成通常用质量百分数或质量分率表示。其表示的平衡组成图即为三角形相图。三角形的三个顶点分别表示某一种纯物质，如A点表示只有一个组分（纯溶质），含量为100%，B点则表示只有稀释剂一种组分，S点则为纯溶剂。在三角形相图中，每条边上的任一点代表一个二元混合物的组成，其中不含有第三组分，二元混合物的组分的含量可以直接由图上读出。例如在图4-7(a)中AB边上的E点所表达的含A（溶质）50%，含B（稀释剂）50%。 图4-7 三元物系（三元混合液）的组成在三角形相图中的表示方法在三角形内的任一点代表某三元混合物的组成。例如图4-7中M点所代表的混合物中含有40%的组分A，含有40%的组分B，含有20%的组分S。其查法是由点M至AB边的垂直距离代表组分S在M中的质量分率=20%，由点M至BS边的垂直距离代表组分A在M中的质量分率=40%。同样由点M至AS边的垂直距离代表组分B在M中的质量分率=40%。所以=0.4+0.4+0.2=1.02、溶解度曲线与联结线在萃取操作，按三组分间的互溶度的不同，可以分为以下两类：第类物系：溶质A可溶于稀释剂B和萃取剂S中，但稀释剂与萃取剂部分互溶或完全不互溶。如图4-8。图4-8 有一对组分（B与S）部分互溶的溶解曲线与联结线第类物系：溶质A与稀释剂B互溶，但稀释剂与萃取剂部分互溶，同时溶质A与溶剂S也是部分互溶。如图4-9，第I类物系在萃取操作中较为普遍，故下面主要讨论第类物系。图4-9 两对组分（B与S、A与S）均为部分互溶的溶解度曲线及联结线图4-8是第类物系的典型相平衡图。图中曲线是溶解度曲线，它将三角形相图分为两个区：曲线上部为均相区，曲线下部为两相区。两相区是萃取过程的可操作范围，溶解度曲线是在恒定温度时通过实验测定的，例如可以采用下列方法测定。在恒温下，将一定量的稀释剂B和萃取剂S加到试验瓶中，此混合物组成如图4-10上的M点所示，将其充分混合，两相达平衡后静置分层，两层的组成可由图中的点R和点E表示。然后在瓶中滴加少许溶质A，此时瓶中总物料的状态点为M1，经充分混合，两相达到平衡后静置分层，分析两层的组成，得到E1和R1两液相的组成，E1和R1为一对呈平衡的两相称为共轭相（或平衡液），E1和R1两点的联结的直线称为联结线。然后再加入少量溶质A，进行同样的操作可以得到E2、R2，E3、R3等若干对共轭相，当A的加入量增加到某一程度时，混合液的组成抵达图中N点处，分层现象就完全消失。将诸平衡液层的状态点R、R1、R2、R3、N、E3、E2、E1、E连接起来的曲线即为此体系在该温度下的溶解度曲线。图4-11 吡啶氯苯水体系的联结线图4-10 溶解度曲线和联结线绘制通常联结线都不互相平行，各条联结线的斜率随混合液的组成而异。一般情况下各联结线是按同一方向缓慢地改变其斜率，但有少数体系，当混合液组成改变时，联结线斜率改变较大，能从正到负，在某一组成联结线为水平线，例如吡啶一氯苯一水体系就是这种情况，如图4-11所示。不同物系有不同形状的溶解度曲线，对于同一物系，在不同温度下，由于物质在溶剂中的溶解度不同，因而分层区的大小也相应地改变，而使溶解度曲线形状发生变化。图4-12 溶解度曲线形状随温度的变化情况图4-12所示的为甲基环戊烷（A）-正己烷（B）-苯胺（S）系统在温度t1=20，t2=34.5，t3=45条件时的溶解度曲线。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。在溶解度数据表中，三元混合物组成有时也省略掉稀释剂的组成数据，因为它可以从xB=1-xA-xS中计算得到。3、辅助曲线与临界混溶点在一定温度下测得的溶解度平衡数据是由实验的次数决定的，也是有限的。为了得到其它组成的液液平衡数据，可以应用内插法进行图解求得。通常这种内插法利用若干对已知平衡数据绘制出一条辅助曲线进行。图4-13 三元物系的辅助曲线辅助曲线的作法如图4-13所示。已知联结线E1R1，E2R2，E3R3。从E1点作AB轴的平行线，从R1点作BS轴的平行线，得一交点H。同样从E2，E3分别作AB轴的平行线，从R2，R3分别作BS轴的平行线，分别得到交点K，J，联结各交点，所得的曲线HKJ即为该溶解度曲线的辅助曲线。利用辅助曲线可求任一平衡液相的共轭相。如求液相R的共轭相，如图4-13所示，自R作点BS轴的平行线交辅助曲线于G点，再由G点作AB轴的平行线，交溶解度曲线于E点，则E是R的共轭相。在作辅助线时，将辅助线延长与溶解度曲线相交在P点，该点称为临界混溶点，它将溶解度曲线分为两部分，靠溶剂S一侧为萃取相即E相，含溶剂较多，靠稀释剂B一侧为萃余相即R相，含稀释剂较多。临界混溶点一般不在溶解度曲线的最高点，其准确位置的确定较为困难，只有当已知的其轭相接近临界混溶点时才较准确。4、分配曲线与分配系数（1）分配曲线与联结线的关系将三角形相图上各组相对应的平衡液层中溶质A的浓度转移到x-y直角坐标上，所得的曲线为分配曲线。对第类物系即有一对组分部分互溶时的分配曲线如图4-14，对第类物系即有二对组分部分互溶时的分配曲线如图4-15表示。分配曲线表达了溶质A在相互平衡的R相与E相中的分配关系。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。分配曲线也可在X-Y直角坐标图上绘出，横坐标X是溶质A的量与稀释剂B的量之比，即kg(A)/kg(B)；纵坐标Y是溶质A的量与萃取剂S的量之比，即kg(A)/kg(S)。在绘图前只须将x,y的数值换算成X，Y的数值即可绘图。图4-14 分配曲线与联结线间的关系，第类物系相图，三角形坐标图4-15 分配曲线与联结线间的关系，第类物系相图，三角形坐标例如在图4-7(b)中已知M点的组成，若取该组成的量为1kg，则溶质A的质量是0.4kg，稀释剂B的量0.4kg，萃取剂的量是0.2kg，所以其换算关系为： （2）分配系数 分配系数是表达溶质A在两平衡相中的分配关系。在一定温度条件下，溶质A在E相中的浓度yA与它在R相中的浓度xA之比，称为分配系数，以kA表示，即 （4-2）5、杠杆规则（混合规则）如图4-16所示，将Rkg的R相与Ekg的E相相混合，即得到总组成为Mkg的混合液。点M所代表的混合液可分为两个液层R和E。M点称为和点，R点和E点称为差点。三点如图所示，处于同一直线上。M点与R、E的关系可用杠杆规则描述，见下式： 图4-16 杠杆规则的应用 （4-3）根据相似三角形的比例关系得：所以得到 （4-4）式中xE溶质A在E相中的质量分率。xR溶质A在R相中的质量分率。xM溶质A在混合液M中的质量分率。上式称为杠杆规则由总物料衡算可得： R+E=M若于A、B二元料液中加入纯溶剂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，即： （4-5）杠杆规则是物料恒算的图解表示方法，为以后将要讨论的萃取操作中物料恒算的基础。6、单级萃取的过程及计算单级接触萃取可用于间歇操作，也可用于连续生产，流程较简单，其过程如图4-17所示。原料液F与萃取剂（即溶剂S）一起加入到萃取器内，充分搅拌，使两相混合，经过一定时间的萃取后（假设萃取达到平衡），将混合液M送入澄清器，分离为萃取相E和萃余相R两层，再将萃取相与萃余相分别送入溶剂回收设备以回收溶剂（萃取剂），相应地得到萃取液E和萃余液R。单级萃取过程的计算，一般已知的条件是：所要求处理的原料液的量和组成，溶剂的组成，体系的相平衡数据，萃余相（或萃余液）的组成。要求计算所需萃取剂的用量，萃取相和萃余相的量与萃取相的组成，通常根据三角形相图用图解法进行计算。图4-17 单级萃取流程示意图图4-18中各物流量及组成的符号表示为：F原料液的量，kg或kg/h，S萃取剂的量，kg或kg/h，图4-18 单级接触萃取操作图解法M混合液（原料液+萃取剂）的量，kg或kg/hE萃取相的量，kg或kg/h，R萃余相的量，kg或kg/h，E萃取液的量，kg或kg/h，R萃余液的量，kg或kg/h，xF原料液中溶质A的质量分数，xM混合液中溶质A的质量分数，xR萃余相中溶质A的质量分数，xR萃余液中溶质A的质量分数，yS萃取剂中溶质A的质量分数，yE萃取相中溶质A的质量分数，yE萃取液中溶质A的质量分数。图解法的计算步骤如下： (1)根据已知平衡数据在直角三角形坐标图中画出溶解度曲线及辅助曲线。 (2)在三角形坐标的AB边上根据原料液的组成xF确定F点（如图4-18），根据所用萃取剂的组成yS在图上确定S点（设为纯溶剂在三角形右顶点上。有时溶剂是经过回收循环使用的，其中会含有少量的组分A与B，则萃取剂的组成点落在三角形之内）。联接FS，则代表原料液与萃取剂的混合液的点M必定落在FS的联线上。 (3)由已知的xR在图上定出R点（也可用萃余液组成xR定出R点，联接SR线，与溶解度曲线交于R点），再利用辅助曲线由R点画联结线交溶解度曲线E点，则RE与FS两直线的交点即为混合液的组成点M，而E是R的共轭相。根据杠杆规则，求出所需萃取剂的量S： （4-6） （4-7）式中原料液量F为已知，与线段的长度可从图中量出或坐标的读数求出。（4）求萃取相量E和萃余相量R，根据杠杆规则： （4-8）根据系统的总物料衡算： F+S=R+E=M （4-9）联立上二式即可解出R与E，并从图4-17中读出yE。（5）求萃取液E和萃余液R的量： 过E、S两点作直线交三角形AB边于E点，过R、S两点作直线交三角形AB边于R点，根据杠杆规则： ； （4-10） ； （4-11） （4-12） 以上三式是假设萃取剂从萃取相及萃余相中全部脱除，如未全部脱除，E和R两点不在三角形AB边上，而在三角形内部的ES及RS联线的延长线上。【例4-1】以水为萃取剂，从醋酸一氯仿原料液中萃取出醋酸。25时两液相（萃取相E和萃余相R）以质量百分数表示的三元平衡数据列于本例附表中。已知原料液的量为1000kg，醋酸浓度为35%，用纯水作萃取剂。要求萃取后萃余相中含醋酸不超过7.0%。计算（1）萃取剂水的用量，（2）萃取后的水层和氯仿层的量及水层中醋酸浓度，（3）若水完全脱除后所得萃取液，萃余液的量及醋酸的浓度。例4-1 附表氯 仿 层 （R相）水 层 （E相）醋 酸水醋 酸水0.000.990.0099.166.771.3825.1073.6917.222.2444.1248.5825.724.1550.1834.7127.655.2050.5631.1132.087.9349.4125.3934.1610.0347.8723.2842.516.542.5016.50例4-1 附图 解：（1）根据平衡数据在直角三角形坐标图中绘出溶解度曲线并作出辅助曲线。在AB坐标上根据原料液中醋酸的组成35%确定F点。因萃取剂是纯水，则萃取剂的点在三角形的右顶点上，联接F、S两点得直线FS。再由萃余相中含醋酸浓度为7.0%在临界点左边的溶解度曲线上确定R点，从R点作平行于三角形BS边的直线交辅助曲线于L点，再从L点作平行于三角形AB边的直线交溶解度曲线于E点，联接R、E两点的直线与FS直线交于M点，并在图中分别量出线段和的长度为5.3及5.3。由杠杆规则： 得 （2）由图量得=5.0，=2.7代入式（4-8）得： 由式（4-9）得： R+E=F+S=1000+1000=2000kg联解两式，得： R=701.3kg, E=1298.7kg由图中E点查得： yE =24.0% （3）过E、S两点及R、S两点分别作直线交AB边得两点E和R并在图中量得和的线段长度分别为3.5和10.0，代入式（4-10）得： 由式（4-12）得： 由图查得： ， 练习与实践01.萃取剂的选择性（ ）A、是液液萃取分离能力的表征； B、是液固萃取分离能力的表征C、是吸收过程分离能力的表征； D、是吸附过程分离能力的表征02.三角形相图内任一点，代表混合物的（ ）个组分含量。A、一； B、二； C、三； D、四03.在溶解曲线以下的两相区，随温度的升高，溶解度曲线范围会（ ）。A、缩小； B、不变； C、扩大； D、缩小及扩大04.单级萃取中，在维持料液组成xF、萃取相组成yA不变条件下，若用含有一定溶质A的萃取剂代替纯溶剂，所得萃余相组成xR将（ ）。A、增高； B、减小； C、不变； D、不确定05.进行萃取操作时，应使溶质的分配系数（ ）1。A、等于； B、大于； C、小于； D、无法判断06.萃取剂的加入量应使原料与萃取剂的和点M位于（ ）。 A、溶解度曲线上方区； B、溶解度曲线下方区； C、溶解度曲线上； D、任何位置均可二、简答题01三角形相图中三个顶点分别代表什么物质？溶解度曲线将相图分成两个部分，这两个区域的名称是什么？萃取操作在哪个区域里进行？02联结共轭液相组成坐标的直线称为联结线，举例说明联结线在萃取计算中的作用。03萃取剂必须满足的两个基本要求是什么？三、简单计算题01一定温度下，溶质A的分配系数=1.5，溶质A的质量为1000kg，则在萃取相和萃余相中，分别有多少公斤溶质A。02在单级萃取器中以异丙醚为萃取剂，从醋酸组成为0.50(质量分率)的醋酸水溶液中萃取醋酸。平衡数据见下表，醋酸水溶液量为500kg，异丙醚量为600kg，试作以下各项：在萃余相R（水层）中在萃取相E（异丙醚层）中醋酸%(A)水%(B)异丙醚%(S)醋酸%(A)水%(B)异丙醚%(S)0.691.42.76.413.3025.5037.0044.3046.4098.197.195.791.784.471.158.645.137.11.21.51.61.92.33.44.410.616.50.180.370.791.94.811.4021.6031.1036.200.50.70.81.01.93.96.910.815.199.398.998.497.193.384.771.558.148.7（1）在直角三角形相图上绘出溶解度曲线与辅助曲线；（2）确定原料液与萃取剂混合后，混合液的坐标位置；（3）萃取过程达平衡时萃取相与萃余相的组成与量；（4）萃取相与萃余相间溶质（醋酸）的分配系数及溶剂的选择性系数；（5）两相脱除溶剂后，萃取液与萃余液的组成与量；03某混合液含溶质A0.4，稀释剂B0.6（均为质量分率），处理量为100kg，用纯溶剂进行单级萃取，试求：（1）可能操作（开始分层）的最大溶剂量，萃余相和萃取相的量，以及萃取液和萃余液的组成；（2）可能操作的最小溶剂量，萃取相和萃余相的量，以及萃取液和萃余液的组成；（3）萃取液浓度最大时的溶剂量。操作条件下的相平衡数据如下表：萃余相（质量分数）萃取相（质量分数）ABSABS00.980.0200.10.90.050.920.030.140.050.810.100.860.040.220.0450.7350.150.800.050.2950.0450.660.200.7380.0620.3550.060.5850.250.6750.0750.4050.080.5150.300.610.090.4450.1030.4520.350.5350.1150.480.130.390.400.450.150.4950.1750.330.450.3650.1850.500.220.280.480.300.220.4950.250.25504在20的操作条件下，用纯异丙醚作为溶剂，在单级萃取器中，对含醋酸0.20（质量分数）的水溶液中萃取醋酸。处理量为100kg，要求萃余相醋酸含量不超过0.10（质量分数），求所需溶剂量。若原料的醋酸组成变为0.4，溶剂比不变，所得萃余相组成为多少？若仍要求萃余相醋酸组成不超过0.10，所需溶剂比为多少？（操作条件下平衡数据见计算题2）05365kg未知浓度的料液含水（B）、醋酸（A）及异丙醚三种组分，在一单级萃取器中与124kg混合液相接触，该混合液的组成为醋酸0.20，异丙醚0.78，水0.02（皆为质量分数），萃取相为320kg，含醋酸0.20，试估算料液组成及萃取相组成。操作条件下的平衡数据见计算题2。模块三 萃取设备的确定双氧水生产中萃取操作的主要设备为萃取塔，在萃取流程图4-4中。塔顶进料S1为萃取剂水，塔底进料S2为氧化液，塔顶出料S3为萃余液，塔底出料S4为萃取液。萃取过程中氧化液（双氧水、三甲苯、磷酸三辛酯、烷基蒽醌、四氢烷基蒽醌）流量为470m3/h，双氧水浓度7.3g/L，萃取剂水的量在10m3/h以内，萃余液中双氧水浓度控制在不大于0.3g/L的范围内。萃取后，萃取液中含双氧水375g/L，双氧水和水占总萃取液组成的99.99%以上，萃余液中含双氧水小于0.lmg/L，含水小于25mg/L，产量为100kt/a 。根据上述生产条件，实现上述生产目标，我们要解决以下几个问题：1、萃取中，选用何种萃取操作方式。2、选用何种类型的萃取设备，此设备的各种参数；3、萃取中的工艺条件，温度，压力，是否需要机械混合等下面我们就来学习相关的知识。一、萃取设备的分类工业上所采用的各种类型的萃取设备已达30多种，而且还不断开发出新型的萃取设备。这些液-液萃取设备无论有何种特点和形状，其必须具备两项基本功能：（1）在萃取设备内能使两相密切接触和适度地湍动，以实现两相之间的物质传递。（2）传质后，又能使两相较快地分离，以提高萃取分离效果。萃取设备的类型很多，分类的方法也可以根据不同的标准。例如1、从传质设备不同进行分类，可根据两液相接触的方式分为逐级接触式和连续接触式。前者既可用于间歇操作，又可用于连续操作，后者一般为连续操作。2、根据构造特点和形状，可分为组件式和塔式。组件式设备一般为逐级式，可以根据需要灵活地增减级数；塔式设备可以是逐级式的，如筛板塔，也可以是连续接触式，如填料塔。3、还可以根据是否从外界输入机械能量来划分。如未从外界加入能量的填料塔，塔内的两相逆流和液滴的表面更新都是由于密度差异导致的重力之差，故不输入机械能的设备也称为重力流动设备。但这一重力差相当小，当两液相间的界面张力较大时，液滴就易于合并而难于破裂，使两相接触面积小而传质效果差，故常需以不同的方式输入机械能，如进行搅拌、振动等。二、萃取操作的几种方式从前面所学知识可知，萃取操作主要是实现原料液与萃取剂进行有效的接触，完成溶质从原料液中转移到萃取剂中的过程，实现这个目的，有多种操作方式可以选择，下面介绍几种典型的操作方式。1、单级萃取单级萃取前文已作叙述，这里不再讲解。2、多级错流萃取多级错流萃取示意图如图4-19所示图4-19多级错流萃取示意图多级错流萃取操作中，每级都加入新鲜溶剂，前级的萃余相为后级的原料，这种操作方式的传质推动力大，只要级数足够的多，最终可得到溶质组成很低的萃余相，但溶剂的用量较多。3、多级逆流萃取图4-20为多级逆流萃取操作示意图图4-20多级逆流萃取示意图多级逆流萃取操作一般是连续的，萃取剂循环使用，其中常含有少量的组分A和B，故最终萃余相中可达到的溶质最低组成受溶剂组成限制，最终萃取相中溶质的最高组成受原料液中溶质组成的制约。多级逆流萃取操作分离效率较高，溶剂用量较少，在工业中运用最为广泛。4、微分逆流萃取微分接触逆流萃取主要是在塔式设备（填料塔、振动筛板塔）内进行。塔式萃取设备内，料液和萃取剂逆流流动，并在连续逆流过程中进行萃取。两相的分离式在塔的两端实现的。操作示意图见图4-21。图4-21 微分逆流萃取示意图三、一些典型萃取设备1、混合-澄清槽混合-澄清槽是一种组件的级式萃取设备。图4-21中示意的为连续操作的厢式设备的一个级，它分为混合室和澄清室。原料液和萃取剂进入混合室后受搅拌而能良好接触，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、