11.3萃取过程的计算.ppt

11 3萃取过程的计算11 4液 液萃取设备11 5超临界萃取 11 3萃取过程的计算 11 3 1萃取级内过程的数学描述11 3 2单级萃取的计算11 3 3多级错流接触萃取11 3 4多级逆流接触萃取11 3 5完全不互溶物系萃取过程的计算11 3 6回流萃取11 3 7微分接触逆流萃取 萃取过程的计算 萃取操作设备可分为级式接触和微分接触两类 本节主要讨论级式萃取过程的计算在级式接触萃取过程计算中 无论是单级还是多级萃取操作 均假设各级为理论级 离开每级的 相和 相互为平衡 萃取操作中的理论级概念和蒸馏中的理论板相当 一个实际萃取级的分离能力达不到一个理论级 两者的差异用级效率校正 11 3 1萃取级内过程的数学描述 单一萃取级的物料衡算萃取级内传质过程的简化 理论级与级效率 萃取级内过程的数学描述 和精馏一样 级式过程的数学描述也以每一个理论级作为考察单元 即在每一级进行物料衡算 热量衡算和级内传递过程的特征方程 由于萃取过程的热效应一般较小 因此其热量衡算式不考虑 单一萃取级的物料衡算 在级式萃取设备内任选第m级 作为为考察对象 对该级进行物料衡算 如图11 29所示 总物料衡算Rm 1 Em 1 Rm Em溶质A衡算Rm 1xm 1 Em 1ym 1 Rmxm Emym溶剂S衡算Rm 1xm 1 S Em 1ym 1 S Rmxm S Emym S 图11 29萃取级的物料衡算 萃取级内传质过程的简化 理论级与级效率 由于萃取过程的传质很复杂 为了避免直接写出传质速率方程式的困难 引入理论级的概念 假设进入一个理论级的两股物料流Rm 1和Em 1 不论组成如何 经过传质后离开该级的两股物料流Rm和Em达到平衡 萃取级内传质过程的简化 理论级与级效率 这样萃取级内传质过程特征方程可简化为分配曲线ym A f xm A 溶解度曲线xm S xm A ym S ym A 一个实际萃取级的分离能力不同于理论级 两者的差异用级效率表示 级效率必须结合具体设备型式通过实验研究确定 11 3 2单级萃取的计算 单级萃取的解析计算单级萃取的图解计算单级萃取的分离范围 单级萃取的解析计算 单级萃取可以连续操作 也可以间歇操作 各股物料的量以kg表示 连续操作时 用kg h表示 进 出萃取器的各股物料与组成如图11 30所示 则物料衡算式可具体简化为 图11 30单级萃取 单级萃取的解析计算 假设萃取器相当于一个理论级 离开该级的萃取相E和萃余相R成平衡 两相组成满足相平衡方程式 得 单级萃取的解析计算 在单级萃取操作中 原料量F及组成xFA 物系的相平衡数据是已知的 规定萃余相组成 A 可选择溶剂组成 A与 S 要求计算溶剂用量 萃取相流量及以萃取相组成 S与 A 萃余相流量及其中溶剂含量 S等6个未知数 单级萃取的图解计算 用解析方法计算萃取问题将溶解度曲线及分配曲线拟合成数学表达式 而所得的数学表达式皆为非线性 联立求解时必须通过试差计算 在三角形相图上可以方便的求解 单级萃取的图解计算 如图11 30 所示 根据已知的 F A及规定的 A在溶解度图上确定点F及萃余相的组成点R 过R作平衡连结线RE与FS线交于M点 与溶解度曲线交于E点 图中E 及R 点为从E相及R相中脱除全部溶剂后的萃取液及萃余液组成坐标点 各流股组成可从相应点直接读出 单级萃取的图解计算 各股流量由杠杆定律求得 S F称为溶剂比 根据溶剂比与料液流量F即可求出溶剂流量S 单级萃取的图解计算 进入萃取器的总物料量与溶剂流量之和为M 即 单级萃取的分离范围 对于一定的料液流量F及组成 F A 溶剂的用量越大 混合点M越靠近S 但以c点为限 如图11 31所示 即c点的溶剂用量为最大用量 超过此用量 混合物将进入均相区而无法操作 与c点成平衡关系的萃余相溶质含量 A min为单级萃取可达到的最低值 除去溶剂后萃余液的最低含量为 A min 11 3 4多级逆流接触萃取 多级逆流萃取的解析计算组分B和S部分互溶时的图解计算法溶剂比对逆流萃取理论级数的影响最小溶剂比的计算 多级逆流接触萃取 多级逆流接触萃取操作一般是连续的 其分离效率高 溶剂用量少 故在工业中得到广泛的应用 图11 34为多级逆流萃取操作流程示意图 萃取剂一般是循环使用的 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中溶质组成限制 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 多级逆流接触萃取 在多级逆流萃取操作中 原料液的流量F和组成xF A 最终萃余相溶质组成xn A均由工艺条件规定 萃取剂用量S和组成ys由经济权衡而选定 要计算萃取所需的理论级和离开任一级各股物料的量和组成 多级逆流萃取的解析计算 图11 35表示多级逆流萃取过程中物料进 出各级的流向及参数 设待分离混合液的流量F及组成xF A xF S为已知 选定溶剂量S并已知溶剂的组成zA与zS 根据工艺要求已知最终萃余相的溶质含量xN A 求理论级数N及离开每一级的萃取相与萃余相流量及组成共6N个未知数 多级逆流萃取的解析计算 计算时可首先以萃取设备为控制体列出物料衡算式总物料衡算式F S RN E1溶质A衡算式FxF A SzA RNxN A E1y1A溶剂S衡算式FxF S SzS RNxN S E1y1S 多级逆流萃取的解析计算 相平衡方程 溶解度曲线 上述五个方程可解出5个未知数 E1 y1A y1S RN xN S 多级逆流萃取的解析计算 再以原料进入第1级为控制体 列出上述5个方程可求出5个未知数 以后如此类推逐级计算 直至yNA 最后用分配曲线由yNA求出xNA 当xNA低于规定数值 N即为所求的理论级 例11 3多级逆流萃取所需理论级数的计算 某化工过程中 需要25 的丁醇 S 萃取间苯二酚 A 水 B 溶液中的间苯二酚 原料液进料量为1kg s 含间苯二酚xF A 0 03 操作采用的溶剂比 S F 为0 1 要求最终萃余相中含间苯二酚低于0 002 已知操作条件下的相平衡关系为yA 3 98xA0 68 yS 0 933 1 05yA xS 0 013 0 05xA 试求逆流操作所需要的理论级数 解 以整个萃取设备为控制体 进行物料衡算总物料F S RN E11 1 RN E1溶质AFxF A SzA RNxN A E1y1A0 03 0 002RN E1y1A溶剂SFxF S SzS RNxN S E1y1S0 1 RNxN S E1y1SxS 0 013 0 05xA 0 013 0 05 0 002 0 0129解出y1A 0 224 y1S 0 698 E1 0 125kg s RN 0 975kg s 对第1萃取级进行计算总物料F E2 R1 E11 E2 R1 0 125溶质AFxF A E2y2A R1x1 A E1y1A0 03 E2y2A R1x1 A 0 125 0 224溶剂SFxF S E2y2S R1x1 S E1y1SE2y2S R1x1 S 0 125 0 698相平衡关系0 224 3 98x1A0 68y2S 0 933 1 05y2Ax1S 0 013 0 05x1A 解出x1A 0 0145 x1S 0 0123 y2A 0 104 y2S 0 824 R1 0 996 E2 0 121 同理可求出x2A 0 0047 x2S 0 0128 y3A 0 0241 y3S 0 908 R2 0 985 E3 0 110 由相平衡关系计算x3Ay3A 0 0241 3 98x3A0 68x3A 0 00055 0 002即理论级数为3 溶剂比对逆流萃取理论级数的影响 精馏操作中回流比对理论板数有明显的影响 在多级逆流萃取中 溶剂比S F的大小对指定分离要求所需要理论级数也有明显的影响 当S F减少时 理论级数会增加 当S F减少到某值时 理论级数增大到无穷多 此时的溶剂比称最小溶剂比 该值可通过逐次逼近法求出 实际溶剂比可取最小溶剂比的某一倍数 11 3 5完全不互溶物系萃取过程的计算 组成与相平衡的表示方法单级萃取多级错流萃取多级错流萃取直角坐标图解法多级逆流萃取多级逆流萃取解析计算 完全不互溶物系萃取过程的计算 当溶剂S与稀释剂B极少互溶 溶质组分的存在在操作范围内对B S的互溶度又无明显影响 可近似将溶剂与稀释剂看作完全不互溶 此种物系的萃取过程与气体解吸过程极为相似 萃取相与萃余相只有两个组分 因此微分接触式完全不互溶萃取过程的计算与低含量气体吸收过程完全相同 讨论级式接触不互溶萃取的计算问题 组成与相平衡的表示方法 由于溶剂与稀释剂完全互不相溶 溶剂S与稀释剂B均可视为惰性组分 其量在萃取过程中均保持不变 组分的含量用质量比X kg溶质 kg纯稀释剂 与Y kg溶质 kg纯溶剂 表示更为方便 组成与相平衡的表示方法 X与x Y与y的关系为溶质在两相中的平衡关系可用X Y在直角坐标图中的分配曲线表示 即Y K X 单级萃取 图11 40为一单级萃取器 进出该萃取器的各物料的流量及组成如图所示 对萃取器进行物料衡算S Y Z B XF X 假设物料在萃取器内充分接触 离开进两相已达到平衡 则Y K X一般XF Z B为已知 根据要求的X即可计算出Y和S 图11 40完全不互溶体系的单级萃取 单级萃取 上述计算也可采用图解计算 如图图11 40b所示 由点H XF Z 作一直线 斜率为 多级错流萃取 多级错流萃取是上述单级萃取的重复计算 进出各级的物流及图解计算可见图11 41所示 在操作范围内 平衡线为通过原点的直线 即分配系数K为一常数 则多级错流的理论级数可通过解析计算 多级错流萃取 图11 42为多级错