(6.1)-12.1化工原理绪论化工原理

*1*1Chapter12

第十二章萃取

Extraction12-1概述

12-2液-液相平衡关系

12-3液-液萃取的动力学

12-4液-液萃取计算

12-5液-液萃取设备*2*2一、萃取操作的基本原理第一节概述二、萃取过程的分类三、萃取操作的基本流程四、萃取操作的适用范围*3*3一、液-液萃取的基本原理用溶剂从液体混合物中提取其中某种组分的操作称为液-液萃取。萃取是利用溶液中各组分在不同溶剂中溶解度的不同，使溶质由溶解度小的溶剂中向溶解度大的溶剂中传质，从而达到分离液相混合物的目的。溶质：溶液中被分离出的物质，以A表示；稀释剂（原溶剂）：原溶液中的溶剂，以B表示；萃取剂：萃取过程中加入的溶剂，以S表示。萃取剂对溶质应有较大的溶解能力，对于原溶剂则不互溶或仅部分互溶。*4*4按性质可分为物理萃取和化学萃取；按萃取对象可分为有机物萃取和无机物萃取；按萃取溶质组份数可分为单组分萃取和多组分萃取；按操作过程可以分为单级萃取和多级萃取。二、液-液萃取过程的分类*5*5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：在湿法冶金中用于溶液分离、浓缩和净化等。例如从锌冶炼烟尘的酸浸出液中萃取鉈、铟、镓、锗，以及铌-钽、镍-钴、铀-钒体系的分离，还有核燃料的制备。制药工业：从生物培养液中分离出青霉素、链霉素以及维生素等。*6*6三、萃取操作的基本流程分级接触式单级多级错流多级逆流按溶液与萃取剂的接触方式连续接触式

(微分接触式)*7*7特点：单级萃取为一次液－液相平衡，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。1、单级萃取萃取相Extract萃余相Raffinate料液A+BFeed萃取剂Solvent混合澄清槽Mixer-settler萃取液E’萃余液R’萃取剂S*8*8原料液依次通过各级，萃取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。特点：萃取率比较高，但萃取剂用量较大，回收处理量大，能耗较高。2、多级错流萃取萃取剂Solvent料液Feed萃取相Extract萃余相Raffinate123N*9*93、多级逆流萃取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，并引入萃取剂回收设备中，最终萃余相从另一端排出，引入萃取剂回收设备中。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。萃取剂Solvent料液Feed萃取相Extract萃余相Raffinate123N*10*10一液相为连续相，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变化；两相的分离在塔的上下两端进行。4、连续接触式一般在塔设备中进行，如喷淋塔、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*11四、萃取操作的适用范围萃取过程本身并未完全完成分离任务，而只是将难于分离的混合物转变成易于分离的混合物，要得到纯产品并回收萃取剂，必须辅以精馏(或蒸发)等操作。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。

萃取操作一般用于：(1)混合液中各组分的沸点很接近或形成恒沸混合物，用一般精馏方法不经济或不能分离；(2)混合液中含热敏性物质，受热易分解、聚合或发生其它化学变化；(3)混合液中需分离的组分浓度很低，采用精馏方法须将大量的原溶剂汽化，能耗太大。*12*12第二节液－液相平衡关系一、萃取组成的表示方法(三角形相图法)二、物料衡算与杠杆规则三、三角形相图在萃取中的应用四、直角坐标系表示的相平衡关系五、萃取过程在三角形相图上的表示方法*13*13工业萃取过程中萃取剂与原溶剂一般为部分互溶，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。

三角形坐标图一、组成表示法包括等腰直角三角形、等边三角形、不等腰直角三角形坐标图。*14*14组分的浓度以摩尔分率，质量分率表示均可。本章中xA、xB、xS分别表示A、B、S的质量分率。ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8三角形的三个顶点分别表示A、B、S三个纯组分。EE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

*15*15组成表示法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

ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8MM*16*16(1)C和D形成的混合物M的组成落在C和D之间的连线上，比如M点。M点称为C和D的和点，C点称为M与D的差点；同样，D点亦为M点与C点的差点。xACABSDCMxAMxADxSCxSMxSD(2)M点所在的位置由C和D的质量所决定，可以由杠杆规则来确定。CD线上不同的点代表C、D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。二、物料衡算与杠杆规则

杠杆规则：描述两个混合物C和D形成一个新的混合物M时，或者一个混合物M分离为C和D两个混合物时，其组成与质量之间的关系的准则。*17*17二、物料衡算与杠杆规则总物料衡算：A组分的衡算：CM线斜率S组分的衡算：MD线斜率xACABSDCMxAMxADxSCxSMxSDC、M、D三点必在同一直线上4-14-1aor*18*18按组分间溶解度的不同，可将三元混合液分为：(1)溶质A可完全溶解于原溶剂B及萃取剂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为部分互溶。通常，（2）类物系比较常见，例如磷酸（A）-水（B）-正丁醇（S），甲醇（A）-水（B）-乙醚（S）因为第(2)类物系较普遍，故主要讨论第(2)类物系的液-液相平衡。三、三角形相图在萃取中的应用*19*191、双结点溶解度曲线ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8REM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；共轭相(Conjugatephase)：组成落在两相区的三元混合物由两个两互成平衡的液相所组成，其组成分别由点R（萃余相）和点E（萃取相）表示；联结线(Tieline)：联结E、R两点的直线。*20*20连接所有的E、R点即得溶解度曲线。恒温条件下，在实验瓶中加入适量的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。ABS恒温条件下，在有纯组分B的实验瓶中逐渐滴加萃取剂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，即出现了萃取相，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。R1E1M1ERd2、获取溶解度曲线的实验方法*21*21混溶点ABS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。d1d2ERd3d4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。*22*22P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。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。临界混溶点ABSR1E1M1ERd两个共轭相组成相同时的混溶点。P*23*23*24*24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；辅助线ABSR1E1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；R2E2E3E4R3R4*25*25辅助曲线延长线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点P；借助辅助曲线可由一平衡液相的组成找出对应共轭相的组成。ABSR1E1P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；R2E2E3E4R3R4*26*263、直角坐标系表示的相平衡关系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。这时溶质在液—液两液相间的平衡关系可表示为：yAxAyAxA*27*27在只含有组分A和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，其质量关系为四、萃取在三角形坐标图上的表示法ABSREME’R’FE’max从萃取相E中除去萃取剂S后得萃取液E’；Emax从萃余相R中除去萃取剂S后得萃余液R’；单级萃取中，溶质A在萃取相中的最大含量为Emax点的组成，对应的萃取液组成点为E’max。*28*28第三节液-液萃取动力学一、液滴的分散、凝聚、界面扰动二、液滴的传质特性三、萃取分离效果及萃取剂的选择

四、温度对萃取过程的影响*29*29液-液传质设备中，两相之间、分散的液滴间以及两相流体与设备间均存在着十分复杂的相互作用。影响传质效果的动力学因素：液滴的破碎；液滴间的凝聚；界面扰动；轴向混合(返混)等。在萃取设计中，需同时考虑相平衡关系和相际传质速率。传质速率取决于相际接触面积、传质系数和传质推动力。一般将一相分散成液滴与另一相接触，以增加传质面积。由于萃取设备的两相流动现象极为复杂，目前必须依靠经验和半经验的方法来处理萃取过程的设计和放大。*30*30一、液滴的分散、凝聚、界面扰动液液传质过程中，分散相既可以是重相，也可以是轻相。根据系统性质合理选择分散相，可在同样条件下获得较大的相际传质面积，强化传质过程。分散相的选择应考虑以下几方面：(1)两相体积流率相差不大时，以体积流率大的作为分散相。对同样尺寸的液滴，可以有较大的接触界面；(2)两相体积流率相差很大时，以体积流率小的作为分散相；(3)从安全方面考虑，应将易燃易爆的液相作为分散相；(4)从传质方向、表面张力和界面扰动方面考虑：对于d

/dc>0的系统，宜选择原料液作为分散相，以利于溶质从原料液向萃取相进行传质；对于d

/dc<0的系统，则宜选择萃取剂作分散相，使利于传质方向从连续相向液滴进行。(5)从设备内构件的润湿特性考虑，一般选择不润湿内部构件的那一相作为分散相。*31*31二、液滴的传质特性液-液萃取过程传质速率方程式为式中：NA－萃取通量，kg/(m2·s)；kx－以萃余相为基准的分传质系数，kg/(m2·s)；x、xi－分别为萃余相主体、界面浓度；ky－以萃取相为基准的分传质系数，kg/(m2·s)；y、yi

－分别为萃取相主体、界面浓度。式中：Ky－以萃取相为基准的总传质系数，kg/(m2·s)；

Kx－以萃余相为基准的总传质系数，kg/(m2·s)；

y*－与萃余相组成x成平衡的萃取相组成；

x*

－与萃取相组成y成平衡的萃余相组成。*32*32三、萃取分离效果及萃取剂的选择1、萃取率E：2、萃取剂的选择A、分配系数（Distributioncoefficient）一般kA

不为常数，而随温度、溶质A的浓度变化。在A浓度变化不大的情况下，kA可视为常数（平衡常数m），其值由实验测得。一定温度下，溶质A在相互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。（4-2）*33*33B、选择性系数

（Selectivitycoefficient）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

，

。两相平衡时，萃取相中A、B组成之比与萃余相中A、B组成之比的比值。选择与原溶剂互溶度小的萃取剂，可增加分离效果。（4-3）*34*34C、化学稳定性(1)溶解度：萃取剂在料液相中的溶解度要小。(2)密度：密度差大，有利于分层，不易产生第三相和乳化现象，两液相