化工原理(下)萃取

1、第十一章 液液萃取,对单级萃取进行简单计算,本章学习安排,萃取过程的简单介绍,讨论相平衡及基本原理,介绍萃取设备,1,2,3,4,介绍超临界萃取,5,液液萃取石油化工中广泛应用,是利用各种物质在适当溶剂中溶解度的差别来分离混合物的单元操作,液-液萃取,固-液萃取,萃取,液-液萃取:,如用苯分离煤焦油中的酚 稀醋酸水溶液的提浓等,固-液萃取:也叫浸取 如用水浸取甜菜中的糖类；用酒精浸取黄豆中的豆油以提高油产量等,生活中洗衣服,只给一盆水怎样能使衣服洗的 更干净？,多级萃取,单级萃取,第一节、概述 一、定义： 液液萃取是分离液体混合物的 重要单元操作之一，又称溶剂萃取。 该方法是利用原料液中组分在

2、适当 溶剂中溶解度的差异而实现分离的 单元操作。,（或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溶剂， 形成两相系统，利用混合液中 各组分在两相中分配性的差异， 易溶组分较多地进入溶剂相, 从而实现混合液的分离。）可见， 在液液萃取中至少涉及三个组分,本章只讨论三元物系的液-液萃取,以A表示 在萃取剂中溶解度大的组分,。,以B表示 原溶剂，在萃取剂中不溶解或部分溶解的组分,溶 质,稀释剂,萃取剂,以S表示 所选用的外加溶剂（或称之为溶剂）应对原料液中一个组分有较大的溶解能力,以R表示 沉降、 分层后， 含稀释剂（B） 多的一相,萃余相,萃取相,以E表示 加入萃取剂后使混合物混合均匀，

3、沉降、分层 其中含萃取剂（S）多的一相,以R表示 用精馏等方法从萃余相中脱除萃取剂后的液体,萃余液,萃取液,以E表示 用精馏等方法从萃取相中脱除萃取剂后的液体,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所选用 的溶剂中溶解度的差异，使溶质进 行液液传质，以达到分离均相液体 混合物的操作。 萃取操作全过程可包括：,1原料液与萃取剂充分混合接触， 完成溶质传质过程； 2萃取相和萃余相的分离过程； 3从萃取相和萃余相中回收萃取剂 的过程。通常用蒸馏方法回收。,二、 萃取与精馏比较： 相同：都是分离液态混合物的 单元操作 不同：精馏是利用组分挥发度 的差异完

4、成混合物分离, 萃取是利用溶解度差异 没完成混合物分离， 只是将难分的转为易分的。,三、 萃取操作应用的场合： 1、稀溶液且溶质为难挥发组分： 此时用精馏耗能量大（大量溶剂从塔顶蒸出），用萃取则降低能耗（尽管萃取后还要分离）。 如：稀醋酸水溶液加醋酸乙酯 制无水醋酸。,2、混合液中各组分的相对挥发度接 近“1”，或形成恒沸物： 此时用精馏难分，即使能分所需NT也很大，不经济，用萃取有利。 如：分离石油裂解气 （苯、甲苯、二甲苯等） 3、热敏性物系： 采用精馏要减压操作，不经济，用萃取可避免物料受热破坏。,如：制药工业中青霉素等的制备。 4、其他：稀有金属的提炼、环境 污染的治理等。,四、三元液

5、液萃取分类 （A与B是互溶的均相物系） 第类： A与B、S完全互溶， B、S为一对部分互溶组分： （ 此类物系的萃取相和萃余相 一般均为三组分溶液）,第类： A、B完全互溶， B、S及A、S为两对部分互溶组分 以下主要讨论第类物系,五、两相的接触方式 微分接触：,级式接触：,作业：1、2,第二节、液液相平衡 与萃取操作原理 组分在液液相之间的平衡关系是萃取过程的热力学基础，它决定过程的方向、推动力和过程的极限。因此了解混合物的液液平衡关系,是理解与掌握萃取过程的最基本条件。,由相律 （F = C-P+2 = 3-2+2 = 3） 可知：三组分液液萃取体系平衡时的自由度数为3。这就是说，平衡时有

6、三个可以自由变化的参数。所以相平衡关系只能用三角形相图来表示。,一、组成在三角形相图上 的表示方法： 三角形相图可用等边、等腰直角和非等腰直角三角形表示，其中等腰直角较方便，若线条较密时，可采用非等腰直角将一边放大。,各组分的浓度本章均以质量%表示。（也可用摩尔%） 三角形的三个顶点分别代表纯组分A、B、S（100%）； 三角形的三条边分别代表一个二元物系，每边等分100份；,即： xA+xB=1 或 xA+xS=1 或 xB+xS=1 三角形内任意一点代表一个三元混合物 过M点做三条边的平行线,二、三角形相图中的平衡关系： 1、溶解度曲线和连接线： （1）溶解度曲线： （类似于精馏中的t-x

7、-y图） 在一定温度下由实验测得， 有多种方法。,介绍两种（教材上为另一种）： 1、因为A与B、S完全互溶， 而B、S部分互溶， 所以当B、S以任意比例混合时， 必然得到两个互不相溶的液层， 各层的坐标分别为图中的点L、J。,若在B、S混合物组成为C的溶液中逐渐加入组分A，体系成为三元混合液，但其中B、S质量比为常数，则三元混合液的组成点将沿AC线变化。若加入A的量恰好使混合液由两个液相变为均一相时，相应组成坐标如C点所示，点C 称为混溶点或分层点。,再于总组成为D、F、G等二元混合液中按上述方法做实验可分别得到混溶点D、F、G，连接L、C、D、F、G及J诸点的曲线为在实验温度下该三元物系的溶

8、解度曲线。,2、,结论： 1* B、S物系一定，两相组成 一定，即：L、J点位置一定； B、S混合物的比例不同， 混溶点位置不同。 2* 若B、S完全不互溶， 则点L、J分别与三角形 的顶点B、S重合。,3* 溶解度曲线的“口”在哪条 边上，哪条边上的两组分 就为部分互溶 或完全不互溶。,（2）连接线 溶解度曲线将三角形分为两个区，曲线以内为两相区，以外为均相区。两相区内的混合液分为两个液相，平衡时两液层称为共轭相（萃取相E和萃余相R，类似于t-x-y图中等温线上的组成x，y），连接共轭液相组成坐标的直线称为连接线。,讨论： 1* 萃取操作只能在两相区 内进行。 2* 一定温度下，同一物系的

9、连接线方向一般是一致的， 但随溶质组成而变， 即各连接线互不平行。,（少数物系连接线 的倾斜方向也会改变， 如：吡啶氯苯水系统）,2、辅助曲线和临界混溶点 （1）辅助曲线： 连接线是有限的（因为要通过实验），在萃取过程中往往要知道任意一对共轭相的组成，即已知一相，求与其平衡的另一相的组成，这时需借助辅助曲线。,根据已知的萃取相E和萃余相R 的平衡数据，分别做AB边和BS边 的平行线，诸线分别相交，连接交点的曲线即为辅助曲线。 （如果无辅助曲线只好用内差法求x，y）,（2）临界混溶点： 将辅助曲线延长外推与溶解度曲线相交于P点， 则P点为临界互溶点。（清华大学教材） （在B、S混合物中加入A 至

10、某一浓度，使共轭两相的组成无限趋近而变为一相，表示这一组成的P点为临界混溶点？）,该点一般不在溶解度曲线的最高点。P点将溶解度曲线分为两半，右侧代表平衡状态下萃取相组成，yA与yS 满足某种函数关系, 即yS= f（yA）；（E相） 左侧代表平衡状态下萃余相组成 ，xA与xS 也满足某种函数关系，即xS= f（xA）。（R相）,而：yB = 1-yA- yS ； xB = 1-xA- xS 在一定温度下，三元物系的溶解度曲线、连接线、辅助曲线及临界互溶点的数据可由实验测得，也可从有关专著中查得。,3、物料衡算与杠杆定律： （1）在两相区内任取一点M （代表一三元混合液） 必分成平衡的两相E、R

11、 反之，将E、R两相混合， 则总组成必是M点, 称M为和点，E、R为差 点，M、E、R必在一条直线 上，其数量关系满足杠杆定 律： E（质量）/R（质量） = MR（长度）/ME（长度）,（2）若一三元混合物是由 F（A+B）+ S构成 则M点必在FS连线上，且随S 加量的增加向S点靠拢， 而其余A、B两组成的相对比 值不变，同样有： S / F = FM / MS,4、分配系数与分配曲线 （1）分配系数：kA(kB) 在一定温度下，当三元混合液 的两个液相达到平衡时，溶质在E相 与R相的组成之比称为分配系数 以kA表示。,类似吸收的相平衡常数：m=yA/xA 精馏的挥发度：VA=PA/xA,

12、当kA1时: 连接线方向 当kA1时: 连接线方向 当kA = 1时: 连接线平行于BS边， 表示溶质A在E、R相中浓度相等,（三种情况下均可萃取） kA与连接线斜率有关 kA越大对萃取越有利 不同物系有不同的kA值， kA一般不是常数， 其值随温度、组成而异。 影响kA的因素有： 物性、温度、溶质浓度,（2）分配曲线： (类似于精馏中x-y图） 将三角形相图中各平衡相对应的溶质浓度x、y转移到直角坐标上所得到的曲线称分配曲线。,分配曲线上任意一点的坐标x，y为一对平衡组成，满足某种函数关系yA=f（xA）。 分配曲线上任意一点切线的斜率就是y、x浓度下的k值。 若随溶质A浓度的变化，连接线发

13、生倾斜方向改变，则分配曲线将与对角线出现交点。这种体系称为等溶度体系。,相当于精馏的恒沸体系,5、温度对相平衡关系的影响 通常温度降低，S与B的互溶度减小，对萃取过程有利。 温度变化不仅明显地影响溶解度曲线的形状、连接线的斜率和两相区面积和分配曲线的形状，也同时改变萃取操作的有关其他物理性质，如粘度、表面张力等。 萃取操作选什么温度应仔细考虑。,第二次课提问： 1、溶解度曲线和连接线 2、辅助曲线和临界混溶点P 3、物料衡算和杠杆原理 4、分配系数K和分配曲线,第一次课小结： 1、溶解度曲线 t-x-y图中的露点线、泡点线 以P点（临界混熔点）将曲线分成两半： 右 ys=(yA) -萃取相（露

14、点线） 左 xs=(xA) -萃余相（泡点线）,2、连接线 t-x-y图中的等温线 连接线端点的组成yA、 xA 等温线两端点组成yA、 xA （但连接线不一定平行、水平 等温线水平） 3、辅助曲线：求共轭组成,4、分配系数： KA=yA/xA 精馏中的挥发度 VA=PA/xA 吸收中的平衡常数 m=yA/xA 反映连接线斜率 5、分配曲线 x-y图中的平衡曲线,2、单级萃取分离效果： 过S点做溶解度曲线的切线，交AB边得E0max ，是单级萃取可能得到的最大浓度萃取液，其浓度为y0max 而萃余相中萃余液的浓度取决k，k大则x0小。 y0max和x0的数值取决于以下因素：,连接线斜率和分层区

15、范围， 这与操作温度和萃取剂的性质有关,第三节 萃取剂的选择 从以上分析可见，萃取剂的性质和选择很重要。 对萃取剂要求： 既要分散好，又要分层快；与B互溶度要小；回收要方便。这些性质决定了该萃取剂能否工业化。,从以下几方面讨论： 一、选择性系数： （萃取剂选择性） 如前述，当kA1、1、1 三种情况下均可萃取，但并没表明S与B的互溶情况对萃取的影响，我们希望萃取剂能尽可能多地溶解A，尽可能少地溶解B，,认为这样的溶剂选择性好， 引入选择性系数： 表示溶质A在两相中的浓度差异 类似于精馏中的,但关系式中涉及的是三元 混合物的浓度，为了更接近 ，将x、y的关系改成x0、 y0的关系。若将E、R相分

16、别 脱除萃取剂S，则两相中A、B 的相对比值不变，,即：萃取液中两组分浓度比 =萃取相中两组分浓度比 （yA0/ yB0）=（yA/ yB） 萃余液中两组分浓度比 =萃余相中两组分浓度比 （xA0/ xB0）=（xA/ xB）,=（yA0/ yB0）/（xA0/ xB0） 又 xA0+ xB0= 1 ， yA0+ yB0= 1 yA0 =xA0/1+（-1）xA0 （类似于相平衡方程）,1，（yA/ yB）（xA/ xB） 有利于萃取A 1，（yA/ yB）（xA/ xB） 有利于萃取B 1，（yA/ yB）=（xA/ xB） 萃取相中A、B浓度之比和萃余相中A、B浓度之比相等 （类似于精馏中

17、的恒沸物）,平衡连接线的延长线过S点，不 能萃取分离。 值 ,B与S互不相溶 值与kA有直接关系，kA越大， 也越大。凡影响kA的因素（如 温度、浓度）也同样影响。,一般情况下B在萃余相中的浓度 总是比萃取相中高，所以萃取 操作中，值均应大于1。 越大，越有利于组分的分离。 例11-1，P159,三、萃取剂物性的影响： 1、萃取剂与被分离物密度差： 密度差越大，分层越快， 设备的生产能力越强（特别是 对没有外加能量的萃取设备， 即靠密度差分层）。,2、两液面间的界面张力： 物系界面张力大，分散相液滴易聚结，有利于分层，但不利于分散，影响传质。若物系界面张力太小，易产生乳化(乳化剂的作用即如此)

18、使两相难于分层，所以物系界面张力要适中。一般以萃取剂与料液混合在5分钟内能分层为标准。,四、萃取剂回收难易程度： 因为萃取后的E、R相通常以蒸馏方法回收S，所以萃取剂回收的难易直接影响萃取操作费用,要求S与原料液中组分的相对挥发度要大. 当S为易挥发组分时，希望S加量尽量少，且S的汽化热要小（因S要从塔顶出）,当S加量必须很大时，则希望S为难挥发组分，从塔低流出。 五、其他： 如萃取剂应具有粘度低、凝固点低、化学稳定、热稳定、腐蚀小、无毒、来源充分、廉价等特点。当然，这些特性很难同时满足，在选用萃取剂时应根据实际情况加以权衡。,第二次课小结 1、选择性系数：=KA/KB 精馏中的相对挥发度=V

19、A/VB =1 不能萃取， = B和S完全不互溶，yB=0,第四节 萃取过程计算 一、萃取流程： 单级、多级错流、多级逆流、 二、萃取理论级概念： 萃取操作设备可分为： 分级接触式和连续接触式两类。 本节主要讨论分级接触式.,在分级接触式萃取过程计算中，无论单级、多级，进入该级的是不平衡的两股物流，在设备内充分混合后，使离开该级的E、R两相达到平衡，这就是一个理论级（与精馏中的理论板相当）同样实际生产中有效率问题。级效率：实际萃取级与理论级分离能力的差异。,目前，关于级效率的资料不多，一般需结合具体的设备形式通过实验测定,间歇萃取： E、R、F、S 的单位为kg ； 连续萃取： E、R、F、S

20、 的单位为kg/h； y0、x0、y、x、xf、yS 的单位为 w % 。,设计型计算： 已知：相平衡数据，F、xf ，萃取剂组成yS 及规定达到的分离要求（萃余相或萃余液组成x或x0） 求：所需萃取剂用量（S）， 萃取相和萃余相的量（E、R）， 萃取相的组成（y）等。,通常根据三角形相图 用图解法计算。,说明： 1* 单级萃取的分离范围： S，M点向S点移，Smax= C， 与C点成平衡的R相的浓度是单 级萃取的最小值； 2* 过S点做溶解度曲线的切线， 得到的是萃取液浓度的最大值 y 0max,四、多级错流萃取： 为使萃余相中A尽可能脱除，采用多级错流萃取：,五、多级逆流萃取： 当A、B要

21、较完善分离时，一般采用此方案，连续操作。 优点：在S较少情况下，获得较大分离程度，即整个过程推动力大。,最后的萃取相E1与新鲜料液 接触，最后的萃余相Rn与新鲜S 接触，所以E1的最大浓度受xf的 平衡条件限制，即E1的（y1）max 与xf成平衡。同理，Rn的浓度 （xn）min受S的yS限制， 即（xn）min与yS成平衡。,1、萃取剂的加入量应使原料和萃取剂的和点M位于（ C ） A：溶解度曲线上方区 B：溶解度曲线上 C：溶解度曲线下方区 D：坐标线上,2、进行萃取操作时应（ C ） A： kA1 ； B： kA1 C： 1 ； D：1,3、已知：XF=0.3 ， XA0 = 0.1

22、， kA= 1 纯 S ，单级萃取 求：=？； M点的位置？； yAmax0 = ？,4、以纯溶剂做单级萃取，已知萃取相中浓度比yA/yB= 7/3 ，萃余相中浓度比xA/xB= 1/4 ，原料液量为100 kg ，含溶质40% 操作条件下 kA1，求： A：萃取液与萃余液的量； （E0；R0） B：； C： S/F,解： yA/yB = 7/3 即： yA0/yB0 =7/3 又 yA0+yB0 = 1 ， 解得：yA0 =0.7 ，yB0 = 0.3 同理解得：xA0 =0.2 ，xB0 =0.8 E0/R0 =（xF -xA0）/（ yA0- xF） =（0.4-0.2）/（0.7-0.

23、4） = 2/3,E0 + R0 = F = 100 kg 解得： E0= 40 kg ； R0 = 60 kg =（yA/yB ）/（ xA/xB ） = （ 7/3 ）/（ 1/4 ） = 9.33 S/F （读图）,5、若B-S部分互溶物系中，临界互溶点P不在平衡曲线（溶解度曲线）的最高点，且分配系数kA1，则A组分的分配曲线图形应为：（C）,解：kA1 则yA xA ， 数据点在对角线的下方。 P点为yA = xA 的点， 必在对角线上， 但不是yA 、xA最高点， 选C,第五节 超临界萃取 超临界萃取:是用超过临界温度、压力状态下的超临界流体作为溶剂，萃取待分离混合物中的溶质，然后采

24、用等温变压或等压变温等方法，将溶剂与溶质分离的单元操作。,超临界流体： 处于临界温度、压力以上的流体。 是介于气液之间的一种既非气态又非液态的物态. 该流体兼有流体和气体的某些特性。 既具有接近气体的粘度和渗透力，又具有接近液体的密度和溶解能力 是一种十分理想的萃取剂。,超临界流体常具有较强的溶解能 力。萃取效果好，且后面的分离 更容易，节能，减少设备投资。,超临界状态： 物质是以气、液和固3种形式存在，在不同的压力和温度下可以相互转换。在温度高于某一数值时，任何大的压力均不能使该纯物质由气相转化为液相，此时的温度即被称之为临界温度Tc；而在临界温度下，气体能被液化的最低压力称为临界压力Pc。当物质所处的温度高于临界温度，压力大于临界压力时，该物质处于超临界状态