第十二章萃取-化工原理

第十二章萃取(LiquidExtraction),12.1.1萃取操作的对象、原理、目的,对象：液相混合物A+B、萃取剂S原理：液体各组分在溶剂S中溶解度不同目的：分离均相液体混合物,12.1萃取概述,12.1.2工业常见的萃取操作流程,12.1萃取概述,12.1.3萃取操作应用场合,（1）溶质A的浓度很稀，且B是易挥发组分，此时以蒸馏法回收A的单位能耗大如：从稀苯酚水溶液中回收苯酚；（2）当溶液是恒沸物或分离组分的沸点很接近时；（3）热敏性物质如：生化药物、食品、香料等；（4）湿法冶金、环境治理等。,12.1萃取概述,12.1.4液液萃取在工业上的应用1、在石油化工中的应用随着石油化工的发展，液液萃取已广泛应用于分离各种有机物质。轻油裂解和铂重整产生的芳烃混合物的分离是重要的一例。该混合物中各组分的沸点非常接近，用一般的分离方法很不经济。工业上采用Udex、Shell、Formex等萃取流程，分别用环丁砜、四甘醇、N-甲基吡咯烷酮为溶剂，从裂解汽油的重整油中萃取芳烃。对于难分离的乙苯体系，组分之间的相对挥发度接近于1，用精馏方法不仅回流比大，塔板还高达300多块，操作费用极大。可采用萃取操作以HF-BF3作萃取剂，从C8馏分中分离二甲苯及其同分异构体。,12.1萃取概述,2、在生物化工和精细化工中的应用在生化药物制备过程中，生成很复杂的有机液体混合物。这些物质大多为热敏性物质。若选择适当的溶剂进行萃取，可以避免受热损坏，提高有效物质的收率。例如青霉素的生产，用玉米发酵得到含青霉素的发酵液，以醋酸丁酯为溶剂，经过多次萃取可得到青霉素的浓溶液。此外，象链霉素、复方新诺明等药物的生产采用萃取操作也得到较好的效果。香料工业中用正丙醇从亚硫酸纸浆废水中提取香兰素，食品工业中用TBP从发酵液中萃取柠檬酸也得到了广泛应用。可以说，萃取操作已在制药工业、精细化工中占有重要的地位。,12.1.4液液萃取在工业上的应用,3、在湿法冶金中的应用20世纪40年代以来，由于原子能工业的发展，大量的研究工作集中于铀、钍、钚等金属提炼，结果使萃取法几乎完全代替了传统的化学沉淀法。近20年来，由于有色金属使用量剧增，而开采的矿石中的品位又逐年降低，促使萃取法在这一领域迅速发展起来。例如用溶剂LIX63-65等螯合萃取剂从铜的浸取液中提取铜是20世纪70年代以来湿法液化金的重要成就之一。目前一般认为只要价格与铜相当或超过铜的有色金属如钴、镍、锆等等，都应当优先考虑用溶剂萃取法进行提取。有色金属冶炼、已逐渐成为溶剂萃取应用的重要领域。,12.1.4液液萃取在工业上的应用,12.1.5液液萃取的基本流程根据混合液中欲分离组分在萃取剂中溶解度差别的大小和要求分离程度的高低，萃取过程可以分为单组分萃取（简单萃取）与双组分萃取（回流萃取）两种类型。1、单组分萃取（1）单级萃取或并流接触萃取（2）多级错流萃取（3）多级逆流萃取（4）连续逆流萃取2、双组分萃取分离回流萃取,12.1萃取概述,12.2.1三角形相图萃取过程牵涉到两相间物质传递，故需讨论两相间的相平衡关系。若萃取剂S与稀释剂B完全不互溶或溶解度在操作范围内可忽略不计，那么萃取相只有A+S，萃余相只有A+B，其平衡关系与吸收类似，可以用直角坐标表示；然而常见的是S与B属于部分互溶，此时萃取相有A+S+B，萃余相有A+B+S，故每相都含三个组分，其平衡关系要用三角形相图(triangulardiagram)来表示。三角形相图分为正三角形和直角三角形，各组分在相图上坐标组成用质量百分率(massfraction)表示。,12.2萃取基本概念,12.2.1.1三元组成的表示法,12.2.1三角形相图,点P组成按上述长度为A：30%B：50%S：20%,1、正三角形相图,12.2.1.1三元组成的表示法,边BA与边BS垂直、萃取剂S的标尺改在底边、原稀释剂B标尺改在与斜边平行的各条线上。由两坐标上查得%S和%A后，按下式计算B：%B=100%-%A-%S同样点P组成为：A：30%B：50%S：20%,2、直角三角形相图,掌握：两相图不同之处,12.2.1.1三元组成的表示法,12.2.1.2三角形相图中的杠杆定律（比例定律）,12.2.1三角形相图,掌握：和点、差点,12.2.1.2三角形相图中的杠杆定律（比例定律）,三角形相图中的杠杆定律应用举例：,如图所示，一组A、B二元溶液组成以F点表示，加入溶剂S，根据杠杆定律那么所得三元混合液总组成将位于FS连线上P点，且各点间满足以下关系：,S加入越多，P点朝顶点S移动,A、B的比例不因S的加入而变化,12.2.1.3三角形相图中的相平衡关系（温度一定）,12.2.1三角形相图,1、共轭线与溶解度曲线,2、三角形相图中辅助线的作法及应用:,R1E1、R2E2、R3E3连线都有一定斜率，故K点一般不是溶解度曲线顶点。,12.2.1.3三角形相图中的相平衡关系（温度一定）,12.2.1.4分配系数kA,y-质量分率或质量浓度（kg/m3）x-质量分率或质量浓度（kg/m3）,掌握：分配系数值对分离效果影响,kA=1,y=x，联结线与底边平行kA1,yx，联结线斜率大于零kA1,yT1,例12-3根据例12-1中给出的各组相平衡数据，计算其选择性系数。,12.2.3萃取剂的选择,12.3萃取操作的流程和计算,若要对原料液进行较完全的分离，单级萃取往往达不到要求，需用多级萃取。多级萃取的每一级中都应满足以下要求：（1）为萃取剂与原料液提供密切接触的机会，以利于两相间的传质。（2）使混合后的两液相较完全地分为轻重两个液层，以便于进一步处理。（3）需要溶剂回收设备，以得到所需的分离产品，并使萃取溶剂能循环使用。,已知条件：所要求原料液的处理量和组成（F，xF），萃取剂的组成，体系的相平衡数据，萃余相（或萃余液）的组成。计算：所需萃取剂的量、萃取相和萃余相的量，萃取相的组成。,12.3.1单级萃取,1、原溶剂和萃取剂部分互溶的体系,12.3.1单级萃取,12.3.1单级萃取,物料衡算：,12.3.1单级萃取,同理可得萃取液和萃余液的量,12.3.1单级萃取,单级萃取的最小与最大萃取剂用量,S、B萃取剂的用量、原料液中的原溶剂量，kg(间歇)；kg/s或kg/h(连续)。XF、X原料液、萃余相中A的组成，质量比，kg(A)/kg(B)。Y萃取相中A的组成，(A)/(S)质量比，kg/kg。,2、原溶剂和萃取剂在操作范围内不互溶的体系,12.3.1单级萃取,（12-7）,12.3.2多级错流萃取,已知物系的相平衡关系数据，原料液的量F及其组成xF，最终萃余相组成x和萃取剂组成yS，选择萃取剂的用量S，求所需的理论级数N。,1、萃取剂与原溶剂在操作范围内不互溶的体系,12.3.2多级错流萃取,（12-8）,（12-8a）,（12-8b）,（12-7）,（1）图解法,12.3.2多级错流萃取,令b1=mS1/B,则X1=XF/(b1+1),12.3.2多级错流萃取,（2）解析法,直到萃余相的组成xN小于或等于指定值xk，共N级。,2、萃取剂与原溶剂部分互溶,12.3.2多级错流萃取,例12-4含丙酮20%(质量百分率，下同)的水溶液，流量F=800kg/h，按错流萃取流程，以1，1，2-三氯乙烷萃取其中的丙酮，每一级的三氯乙烷流量S1=320kg/h。要求萃余液中的丙酮含量降到5%以下，求所需的理论级数和萃取相、萃余相的流量。操作温度为25，此温度下的平衡数据示于下表。,丙酮(A)-水(B)-三氯乙烷(S)在25，此温度下的平衡数据(质量%),12.3.2多级错流萃取,12.3.2多级错流萃取,（2）解析法,（1）图解法,12.3.3多级逆流萃取,已知物系的相平衡关系数据，原料液的两F及其组成xF，最终萃余相组成x和萃取相组成y（或萃余液组成x和萃取液组成y），求萃取剂的用量S，所需的理论级数N等。,1、萃取剂与原溶剂在操作范围内互不相溶,12.3.3多级逆流萃取,（12-13）,（12-14）,12.3.3多级逆流萃取,掌握：(1)作图方法(2)停止作图依据,（1）图解法,12.3.3多级逆流萃取,（2）解析法,若平衡线为Y=mX，则依据第九章式（9-75）同样方法可推导得到：,12.3.3多级逆流萃取,（12-15a）,2、萃取剂与原溶剂部分互溶,12.3.3多级逆流萃取,已知物系的相平衡关系数据，原料液的两F及其组成xF，最终萃余相组成x和萃取相组成y（或萃余液组成x和萃取液组成y），求萃取剂的用量S，所需的理论级数N等。,12.3.3多级逆流萃取,图解法步骤及原理：,12.3.3多级逆流萃取,（12-18）,D点为F与E1、R1与E2、R2与E3RN与S的差点,掌握：D点作法,12.3.3多级逆流萃取,（12-18）,例12-5将例12-4中的三级错流萃取流程改为三级逆流萃取流程，原料液、萃余液的浓度XF=0.25、XN=X3=0.0422不变，试比较两种流程所需的萃取剂流量。并求出逆流流程的最小萃取剂流量。,例12-4含丙酮20%(质量百分率，下同)的水溶液，流量F=800kg/h，按错流萃取流程，以1，1，2-三氯乙烷萃取其中的丙酮，每一级的三氯乙烷流量S1=320kg/h。要求萃余液中的丙酮含量降到5%以下，求所需的理论级数和萃取相、萃余相的流量。操作温度为25，此温度下的平衡数据示于下表。,12.3.3多级逆流萃取,12.3.3多级逆流萃取,12.3.3多级逆流萃取,3、多级逆流萃取的最小萃取剂用量,（1）原溶剂与萃取剂不互溶的体系,12.3.3多级逆流萃取,（2）原溶剂与萃取剂部分互溶的体系,例1某混合物含溶质A20%(质量，下同)，稀释剂B80%，拟用纯溶剂S进行单级萃取，要求萃余液中A的含量为10%，溶解度曲线如图示。在操作范围内溶质A的分配系数kA=1，试求：(1)当处理100kg原混合液时，需溶剂用量为多少kg?(2)所得萃取液中A的浓度为多少？(3)过程的选择系数为多少？,R,F,12.3.3多级逆流萃取补充例题,S,例2在多级逆流接触的萃取器内，用纯溶剂S处理含有溶质A30%(质量，下同)的两组分溶液，原料液F=1000kg/h。今欲获得最终萃取相中A的含量为40%，萃余相中A含量不高于10%。求：(1)萃取剂S的用量，kg/h?(2)在图上标出萃取液、萃余液的组成；(3)完成上述分离任务所需的理论级数N？,12.3.3多级逆流萃取补充例题,12.3.4连续接触逆流萃取,分散相：（1）不宜与填料或塔壁材料相润湿，以免液滴在壁面上并聚，形成膜状流动，减小传质面积。（2）分散相在塔内体积小，选昂贵或易燃液体作分散相。,1、等级高度法,HETS=f(物性、浓度、流量、塔结构),12.3.4连续接触逆流萃取,2、传质速率方程法,（12-19）,NA溶质A由萃余相向萃取相传递的速率，kg(A)/(m2.h);y萃取相中溶质组成，质量分率；y*与萃余相平衡的萃取相溶质组成，质量分率；Ky以萃取相溶质浓度差为推动力的总传质系数。,（12-20）,a单位塔体积中的相界面面积，m2/m3;塔截面积，m2；E萃取相的流量，kg/h。,12.3.4连续接触逆流萃取,（1）萃取相溶质浓度低时且两溶剂不互溶时,12.3.4连续接触逆流萃取,12.3.5回流萃取，双溶质的萃取,回流萃取流程,目的：得到高浓度A的萃取液,锆与铪的萃取分离示意,12.3.5回流萃取，双溶质的萃取,12.4萃取设备,12.4.1萃取设备的基本条件与分类1、液液萃取设备的基本条件必须有使两相间具有很大的接触面积；分散两相必须进行相对流动以实现两相逆流和液滴聚合与两相分层。2、液液萃取设备的分类（1）两液相的接触方式：逐级接触式和连续接触式（2）构造特点和形状：组件式和塔式（3）是否输入机械能：重力流动设备、输入机械能量的萃取塔,12.4.2混合-澄清槽,优点：(1)级效率高于75%(2)易设计、操作可靠(3)易实现多级操作(4)不需高厂房和复杂辅助设备缺点：(1)搅拌功率大，级与级要用泵输送液体，动力消耗大(2)占地面积大(3)设备内的存液大，使溶剂及有关的投资大,12.4.2混合-澄清槽,12.4.3重力流动的萃取塔,1、喷洒塔,优点：结构简单、投资少、易于维护缺点：两相接触面积和传质系数都不大，轴向返混严重，传质效率低。HETS约为36m。,2、填料塔,填料作用：使液滴表面更新，抑制连续相在塔内回流减少返混。传质效率比喷洒塔高，HETS约为1.56m。,常用填料：拉西环、弧鞍、鲍尔环,填料材料：被连续相优先润湿、不为分散相润湿,优点：结构简单，造价低廉，操作方便，适合处理有腐蚀性的液体。缺点：一般填料传质效率低，理论级当量高度大。不适用于有固体悬浮液的料液一般填料。,12.4.3重力流动的萃取塔,3、筛板塔,12.4.3重力流动的萃取塔,12.4.4输入机械能量的萃取塔,1、转盘塔,12.4.4输入机械能量的萃取塔,转盘塔主要结构参数：塔径/转盘直径=1.52.5塔径/固定环开孔直径=1.31.6塔径/盘间距=28,转盘塔的传质效率较高，通量大，操作弹性大，在石油化工中有较广泛的应用。,2、搅拌填料塔,填料：空隙率达98%的丝网填料填料作用：使液滴合并、轻液上浮，重液下沉；抑制轴向返混,优点：优于转盘塔缺点：结构复杂，不适用含悬浮固体的物料,12.4.4输入机械能量的萃取塔,转轴,搅拌器,丝网填料,图12-29搅拌填料塔,5、自控周期式萃取塔,12.4.4输入机械能量的萃取塔,1，3轻液进、出口自控阀；2，4重液进、出口自控阀,12.4.5离心萃取机,适用：萃取两液体密度差很小，或界面张力甚小易乳化，或粘度很大,优点：结构紧凑，提高空间利用率；持液量小、机内存留时间短，适用于处理贵重、易变质的物料；传质效率高缺点：结构复杂，造价高，维修费和能耗大,12.4.6萃取设备的选用,1、所需的平衡级数理论级数3，各种萃取设备都满足；理论级数10，筛板塔；理论级数在1020，选用转盘塔、脉冲塔和往复筛板塔等输入机械能量的设备。2、生产能力中小生产能力，填料塔、脉冲塔；大处理量，转盘塔、筛盘塔、往复筛板塔、离心萃取机、混合-澄清槽。3、能源供应能源紧张地区尽可能采用重力流动设备,12.4.7萃取设备的选用,4、物系的物理性质界面张力大、粘度大时，输入机械能以改善传质性能；界面张力小、易乳化及密度差小难于分层的物系，选用离心萃取机。5、物系的特殊性质强腐蚀性的物系，填料塔、脉冲填料塔；放射性元素提取，脉冲塔和混合-澄清槽。6、液体在设备内的存留时间抗生素生产，离心萃取机；萃取时间长，混合-澄清槽7、建筑场地,154在逆流填料吸收塔中，用清水吸收含氨4%（体积百分率）的空气氨混合气中的氨。已知混合气量为3600m3（标准）/h，气体空塔气速为1.5m/s（标准状况），