萃取2013.9.ppt

1,质量传递已介绍的单元操作:处理对象物性差异相际传质吸收气体混合物溶解度气/液蒸馏液体混合物挥发度气/液萃取液体混合物溶解度液/液,第十一章液液萃取,2,11.1概述,1什么是液液萃取？,利用液体混合物中各组分在某外加溶剂中溶解度的差异而分离该混合物的操作，称为液液萃取。外加溶剂称为萃取剂。,第十一章液液萃取,A:易溶组分,溶质B:难溶组分,稀释剂S:溶剂(两个基本要求)S与原料液(A+B)只能部分互溶S对A、B具有选择性,3,2.两相的接触方式微分接触式(连续接触式):料液与溶剂中的较重者(称为重相)自塔顶加入,较轻者(轻相)自塔底加入.两相中的一相经分布器分散成液滴,另一相保持连续.液滴在浮升或沉降过程中与连续相呈逆流接触进行物质传递,最后轻重两相分别从塔顶与塔底排出.级式接触式单级多级错流多级逆流,11.1概述,4,一液相为连续相，另一液相为分散相，分散相和连续相呈逆流流动；两相在流动过程中进行质量传递，其浓度沿塔高呈连续微分变化；两相的分离在塔的上下两端进行。,微分接触式（连续接触式）,一般为塔式设备（喷淋塔、填料塔、转盘塔、振动筛板塔等）。,轻液出口LightLiquidoutlet,轻液进口Lightliquidinlet,重液出口Heavyliquidoutlet,重液进口Heavyliquidinlet,11.1概述,5,单级萃取,单级萃取最多为一次平衡，故分离程度不高，只适用于溶质在萃取剂中的溶解度很大或溶质萃取率要求不高的场合。,萃取相Extract,萃余相Raffinate,料液A+BFeed,萃取剂Solvent,混合澄清槽Mixer-settler,11.1概述,6,多级错流萃取,萃取剂Solvent,原料液依次通过各级，新鲜溶剂则分别加入各级的混合槽中，萃取相和最后一级的萃余相分别进入溶剂回收设备，回收溶剂后的萃取相称为萃取液（用E0表示），回收溶剂后的萃余相称为萃余液（用R0表示）。特点：萃取率比较高，但萃取剂用量较大，溶剂回收处理量大，能耗较大。,料液Feed,萃取相Extract,萃余相Raffinate,1,2,3,N,11.1概述,7,多级逆流萃取,萃取剂Solvent,原料液和萃取剂依次按反方向通过各级，最终萃取相从加料一端排出，并引入溶剂回收设备中，最终萃余相从加入萃取剂的一端排出，引入溶剂回收设备中。特点：可用较少的萃取剂获得比较高的萃取率，工业上广泛采用。,料液Feed,萃取相Extract,萃余相Raffinate,1,2,3,N,11.1概述,萃取操作是两相间的传质过程，需要研究两液相间的平衡关系和相际间的传质速率问题。,8,11.2液-液相平衡,工业萃取过程中萃取剂与稀释剂一般为部分互溶，涉及到的是三元混合物的平衡关系，一般采用三角形坐标图来表示。,组成表示法,一、三角形坐标图,可用等腰直角三角形、等边三角形、不等腰直角三角形坐标图。,组分的浓度以摩尔分率，质量分率表示均可。本章中yA、yB、yS、xA、xB、xS分别表示A、B、S的质量分率。,9,组成表示法,A,B,S,0.8,0.6,0.4,0.2,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,A,B,S,0.8,0.6,0.4,0.2,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,三角形的三个顶点分别表示A、B、S三个纯组分。,三条边上的任一点代表某二元混合物的组成，不含第三组分。E点：xA=0.4，xB=0.6,三角形内任一点代表某三元混合物的组成。M点：xA=0.4，xB=0.3，xS=0.3,E,E,M,M,F,N,10,物料衡算与杠杆规则,一个混合物M分离为E和R两个混合物时，E点为M点与R点的差点，R点为M点与E点的差点。两个混合物E和R形成一个新的混合物M时，M点为E与R点的和点，分点与合点在同一条直线上，分点位于合点的两边；,xAC,R,E,M,xAM,xAD,xSC,xSM,xSD,11,物料衡算与杠杆规则,xAC,R,E,M,xAM,xAD,xSC,xSM,xSD,(2)分量与合量的质量与直线上相应线段的长度成比例，即：,RE线上不同的点代表R、E以不同质量比进行混合所得的混合物；混合物M可分解成任意两个分量，只要这两个分量位于通过M点的直线上，在M点的两边即可。,12,二、部分互溶物系的相平衡,按组分间互溶度的不同，可将三元混合液分为：(1)溶质A可完全溶解于B及S中，而B、S不互溶；(2)溶质A可完全溶解于B及S中，而B、S只能部分互溶；(3)溶质A与B完全互溶，B与S和A与S部分互溶。萃取中(2)类物系较普遍，故主要讨论该类物系的液-液相平衡。,11.2液-液相平衡,13,R,E,M,单相区,两相区,组成落在单相区的三元混合物形成一个均匀的液相；,联结线：联结E、R两点的直线。,共轭相：组成落在两相区的三元混合物所形成的两互成平衡的液相，其组成分别由R和E点表示；,11.2液-液相平衡,二、部分互溶物系的相平衡,组成落在单相区的三元混合物形成一个均匀的液相；,14,连接所有的E、R点即得溶解度曲线。,恒温条件下，在实验瓶中加入恰当的B与S，使混合物的浓度位于RE之间（d点），滴加少许溶质A至M1点，充分混合后静置分层，取两相试样分析，得共轭相E1和R1的组成，联结R1E1线即为平衡联结线。,获取溶解度曲线的实验方法,恒温条件下，在有纯组分B的实验瓶中逐渐滴加溶剂S并不断摇动使其溶解，由于B、S仅部分互溶，S滴加到一定数量后，混合液开始发生混浊，即出现了溶剂相，得到的浓度即S在B中的饱和溶解度（图中R点）。用类似的方法可得E点。,R1,E1,M1,E,R,d,15,混溶点,对任何B、S的两相混合物，当加入A的量使混合液恰好变为均相的点称为混溶点。,d1,d2,E,R,d3,d4,溶解度曲线上所有的点都是混溶点，既可能代表E相，也可能代表R相。,16,P点将溶解度曲线分为萃取相区域与萃余相区域。一般临界混溶点并不是溶解度曲线的最高点，其准确位置的实验测定也很困难。,临界混溶点P,R1,E1,M1,E,R,d,两个共轭相组成相同时的混溶点。,P,17,通常联结线不互相平行，其斜率随混合液的组成而异，一般是按同一方向缓慢地改变。有些物系在不同浓度范围内联结线斜率方向不同，如吡啶氯苯水体系。,联结线,18,已知共轭相中任一相的组成，可利用辅助线得出另一相的组成。,辅助曲线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点P；,辅助曲线,R1,E1,实验测得的平衡联结线（即共轭相的组成数据）是有限的，对其它组成的液-液平衡数据，可以采用辅助曲线的方法获得。,P,方法一：已知联结线E1R1、E2R2、E3R3、E4R4，分别从E1、E2、E3、E4点作AB平行线，与由R1、R2、R3、R4点分别作的BS平行线相交，连结各交点即得辅助曲线；,R2,E2,E3,E4,R3,R4,19,辅助曲线延长线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点P；,借助辅助曲线可求出任何一对共轭相的对应点，即可由一平衡液相的组成找出对应共轭相的组成。,辅助曲线,R1,E1,P,方法二：分别从E1、E2、E3、E4点引AB平行线，与分别从R1、R2、R3、R4点引出的AS平行线相交，连结各交点即得辅助曲线；,R2,E2,E3,E4,R3,R4,20,相图上两相区的大小，不仅取决于物系本身的性质，而且与操作温度有关。一般情况下，温度上升，互溶度增加，两相区减小。温度特别高时，两相区会完全消失，致使萃取分离不能进行。,45C,80C,115C,140C,温度对萃取过程的影响,21,三、分配系数与分配曲线,分配系数,一般kA不为常数，而随温度、溶质A的浓度变化。在A浓度变化不大和恒温条件下，kA可视为常数（平衡常数m），其值由实验测得。,一定温度下，A组分在互成平衡的两液相中的浓度比,注意：kA只反映S对A的溶解能力，不反映A、B的分离程度。,22,三、分配系数与分配曲线,分配曲线,两相平衡关系也可由直角坐标系表示，用yA表示A组分在萃取相的浓度，xA表示A组分在萃余相的浓度，将各联结线两端点相对应的组分A组成均标于y-x图上，得曲线，称为分配曲线。,23,x,y,0,分配曲线,P,分配曲线可用某种函数形式表示：,分配曲线,三、分配系数与分配曲线,此即为组分A的相平衡方程。,24,四、选择性系数,两相平衡时，萃取相E中A、B组成之比与萃余相R中A、B组成之比的比值。,25,kA，kB，。表示S对A、B组分溶解能力差别，即A、B的分离程度。kB一定：kA，。kA一定：kB，。,选择与稀释剂互溶度小的溶剂，可增加分离效果。,四、选择性系数,在只含有组分A与B的原料液F中加入一定量的萃取剂S后，得到新的混合液M，由杠杆规则知F、S和M之间的关系为,M静置分层得萃取相E和萃余相R，其质量关系为,R,E,M,E0,R0,F,单级萃取,五、萃取过程在三角形相图上的表示,27,R,E,M,E0,R0,F,从萃取相E中除去萃取剂S后得萃取液E0,组成为y0；,从萃余相R中除去萃取剂S后得萃余液R0,组成为x0.此时：,单级萃取,五、萃取过程在三角形相图上的表示,28,E0max,R,E,M,F,Emax,单级萃取中，萃取相能达到的最大A组分含量为Emax点的组成，对应的萃取液组成点为E0max。,单级萃取,五、萃取过程在三角形相图上的表示,29,E0max,RC,E,M,F,单级萃取中，溶剂的用量越大，混合点M越靠近S，但以C点为限。C点的溶剂用量为最大溶剂用量。与C点成平衡的萃余相溶质含量为xA,min,除去溶剂后萃余液的最低含量为x0A,min。,单级萃取,五、萃取过程在三角形相图上的表示,E,x0A,min,M,最少溶剂用量怎样计算？,30,11.3萃取过程的计算,一、理论级与级效率离开的两相Ri、Ei呈相平衡关系,实际萃取级的分离能力与理论级的差异用级效率校正。,31,确定点F、S（或S0）、点R或R0，点E，作联结线，找到点M，利用杠杆原理求各量。,二、单级萃取的计算,E0,M,E,R0,32,单级萃取计算举例,例1单级萃取采用纯溶剂进行单级萃取。已知料液组成xF=0.3(质量分率，下同)，选择性系数为6，在萃余相中，kA1，溶解度曲线如图所示。试求：（1）萃取液量与萃余液量的比值；（2）溶剂比S/F是