分离工程_朱家文_第四章萃取.ppt

1、第七节复杂精馏塔的计算，华东理工大学化工学院分离工程教学组，2007年11月，分离工程，第四章液-液萃取，内容，4.1简介4.2萃取设备4.3萃取过程的基本原理4.4萃取设备的设计4.5应用实例，液-液萃取又称溶剂萃取。这是一个重要的传质和分离过程。在液-液萃取过程中，含有待分离组分(溶质A)的液相(进料液体F，其为溶质A溶解在载体C中并在萃取后变成萃余相的溶液)与另一种与其不混溶或部分混溶的液相(溶剂S)接触。由于溶剂S也能溶解溶质A，但不能或很少溶解C，溶质A通过相间传质进入溶剂S，成为萃取相E，从而实现这是一个含有A、C和S的三元体系的萃取过程。如果料液中有多种溶质，它们可以因溶剂S的溶

2、解度不同而被分离，4.1引言， 由于两个液相中溶质分布平衡的限制，通过一次液-液平衡接触通常不可能完全满足分离或萃取速率的要求。 在这种情况下，需要多级逆流接触来满足要求。根据德里和威廉姆斯的说法，最早的液-液萃取实践开始于罗马时代，当时熔融的铅被用作从熔融的铜中分离金和银的溶剂，然后硫被用来选择性地溶解银以分别获得金和银。萃取的第一次大规模工业应用是在20世纪30年代。当时，在低温下用液态二氧化硫作为溶剂从煤油中提取芳烃和含硫化合物，以生产清洁的液体燃料。萃取技术的大规模研究和开发始于第二次世界大战期间。当时，由于原子能研究和应用的需要，对铀、钍、钚等放射性元素的萃取分离进行了研究，开发了分

3、离性能良好的萃取剂(溶剂)，并开发了相应的萃取设备如脉冲塔和混合澄清器，使萃取技术迅速走向大规模工业应用。当时，提取技术应用的另一个重要进展是青霉素的提取，它与青霉素的深层发酵技术一起，使得青霉素的大规模低成本生产成为20世纪制药业的重要技术进步之一。目前萃取技术已广泛应用于各个方面：(1)炼油和石化工业中石油馏分的分离和精制，如烷烃和芳烃的分离、润滑油的精制等。湿法冶金，分离和提取放射性元素，如铀、钍和钚，有色金属，如稀土和铜，以及贵金属，如金；磷、硼等无机资源的提取和提纯；制药工业中各种抗生素和生物碱的分离提取；食品工业中有机酸的分离与纯化：环境保护治理中有害物质的去除。通常，在下列情况下

4、，萃取比蒸馏更有效或更有利：(1)分离有机或水溶液中的无机物；分离物质的浓度非常低(如油脂中的色素和激素)；回收高沸点和低含量的物质；热敏物质的回收；在根据混合物体系的化学性质而不是挥发性进行分离的情况下；非常接近冰点或沸点的液体的分离(此时可以利用溶解度差异的增加)；共沸体系的分离。4.2萃取设备、混合澄清器、非机械搅拌塔、机械搅拌塔、离心萃取器的物理性质(粘度、密度差和界面张力等)。)的不同提取系统差别很大，并且分离要求也不同。因此，有许多种提取设备来满足各种要求。一些萃取设备类似于气液接触设备(蒸馏、吸收、汽提等)。)，如喷淋塔、填料塔、筛板塔、混合澄清器，混合澄清器是较早开发和使用的萃

5、取设备。在混合澄清器中，轻相和重相首先被引入混合罐，通过机械搅拌使两相紧密接触，然后流入澄清器进行重力相分离。设计合理的混合罐具有较高的传质效率，可以达到接近单一理论平衡阶段的效果(80%-90%甚至更高)。混合槽和搅拌桨、澄清槽中的液相主要靠重力分离。因此，必须有足够的停留时间来充分澄清这两个阶段。如果仅靠重力不足以澄清两相，如产生乳化现象，可考虑辅助助凝措施，如在澄清池中放置金属丝网以助凝、电破乳和使用破乳剂。澄清池、箱式混合澄清池和混合澄清池。1.当提取阶段较少时，如单级操作，简单可行。2.当有许多级、几十级甚至几百级时，分离要求非常精细，并且需要确保稳定的级效率。缺点：1 .大面积；2

6、.功耗大(电机传输电阻)；3.气密性差：萃取剂挥发损失和环境污染。箱式混合澄清池用于稀土萃取、喷淋塔、填料塔和筛板塔，是由普通气液接触设备发展而来。一个液相(分散相)在另一个液相(连续相)中的分散是通过喷嘴实现的，逆流是通过两相的密度差实现的。这种塔的传质效率不是很高。在机械搅拌塔中，如果界面张力大，两相之间的密度差小，液体粘度大，仅靠重力不足以使一个液相很好地分散到另一个液相中，从而产生足够的传质相界面和湍流。这些条件在液-液萃取中是常见的。此时，有必要施加机械能以促进液-液分散和流体湍流，增加传质相界面并降低传质阻力。对于填料塔和筛板塔，搅拌可以通过脉动流体进行。脉动塔已广泛应用于核工业。

7、然而，更常见的方法是采用某种形式的旋转搅拌(转盘塔)或振动搅拌(振动板式塔)。1947年以前，如果提取过程需要许多平衡阶段，可以选择的设备主要是混合澄清池，它需要大量的电机、泵和复杂的管道。各种搅拌塔的发明使得采用结构简单、效率高、成本低的萃取设备成为可能。转盘塔，转盘塔(RDC)是一种常用的搅拌萃取塔。它的搅拌组件由一系列安装在中心轴上的圆盘组成，这些圆盘在旋转时通过圆盘对流体的剪切力来分散液滴。安装在塔壁上的一系列固定环起到限制返混的作用。转盘塔因其运行稳定、流量大而在工业生产中得到广泛应用。这是最常用的提取设备之一。开式涡轮转盘塔，是转盘塔的改进。主要是在转盘面向分散相流动方向的一侧增加

8、了三个窄的泵叶片，导致同一隔间上下部分的搅拌强度不同。总体效果是在整个塔中形成更均匀的液滴分布(更大的传质表面积)、更强的液体湍流和更少的返混。因此，与转盘塔相比，传质效率大大提高。比较开式涡轮转盘塔与转盘塔、吉田振动筛板塔、离心萃取器、青霉素萃取离心萃取器的传质性能，根据系统物理性质和分离要求选择萃取设备，4.3萃取单元操作的基本理论，液-液平衡萃取平衡理论级数和液-液两相萃取工艺流程特性的计算，液-液传质轴向混合(返混)萃取设备的设计，萃取工艺条件和设备设计的选择，根据给定的分离目标，选择合适的萃取剂，得到液相平衡数据萃取过程、影响萃取过程的因素、进料液体流速、组成、温度和压力、流动排列、

9、溶质萃取速率、分离度、所选溶剂(萃取剂)、操作温度和操作压力(大于系统的泡点)、最小溶剂流速、操作比、回流比等。乳化和界面污染的趋势、两相之间的密度差、流体的粘度、是否存在表面活性物质、提取设备的类型、提取设备的几何尺寸和搅拌能力等。溶剂的选择：理想萃取溶剂的特点，与萃取相不混溶或互溶性小，对萃取组分(溶质)有较大的饱和溶解度，为了对萃取相中的溶质和其它组分有较高的选择性，必须考虑萃取后萃取相中回收溶质的困难，如两相密度差大，界面张力适中，粘度小，操作条件下稳定性好，无毒， 不易燃或无腐蚀性，成本低，分配系数和选择性系数，分配系数(分配比)，选择性系数(分离系数)，相反，液-液三元体系的等温相

10、图，(a) (b)两对部分互溶组分(溶质和溶剂部分互溶)，如正庚烷-苯胺-甲基环己烷，苯乙烯-乙苯-二甘醇，氯苯-水-甲基乙基酮等。 三角相图、共轭曲线的解释：平衡连接线的图形关联，逆流萃取过程中平衡级数的计算，F=进料液体的质量流速S=溶剂的质量流速En=萃取相离开第n级的流速Rn=萃余相离开第n级的流速(yi)n=组分I离开第n级的质量分数(xi)n=组分I离开第n级的质量分数， 亨特和纳什图解法，乙二醇(A)-糠醛(S)-水(C)，硫/氟=0.4，对于(xA)Rn=0.025，操作点和操作线，平衡顺序的确定，对于硫/氟=0.4，和(xA)RN=0.025，它需要大约2.8个平衡顺序。直角

11、三角形图解法，多级逆流萃取的实验模拟，以四级模拟为例，研究液-液两相接触的流动特性和传质，在液-液两相接触过程中，一个液相是连续相，另一个液相是分散相，分散成液滴并与连续相接触。因此，液-液两相的流动特性与液滴(或液滴群)的运动密切相关；相间传质是液滴和连续相之间的传质。平均液滴直径和界面比表面积。分散相被分散成一组不同大小的液滴。为方便起见，平均液滴直径由以下公式定义：因此，每单位液体体积的界面比表面积为，其中d为所有液体中分散相的体积比，这称为分散相滞留量。特征速度、连续相和分散相在萃取设备中产生反向相对运动。假设连续相重而分散相轻，连续相向下流动，而分散相作为液滴向上移动。单个液滴的自由

12、运动(漂浮或沉降)速度称为终端速度ut，但液滴群的运动不同于单个液滴的运动。我们使用特征速度uo来表征设备(萃取塔)中两相的运动特性。滑移速度是两相的相对速度：UD和UC分别是分散相和连续相的表观速度。假设连续相相对静止，ur为分散相液滴相对于流动相的移动速度，驱动力为液滴密度与混合液密度之差，即ur=k (m-d) g=k (c-d) (1-d) g。另一方面，在相同的设备和搅拌强度下，单个液滴以均匀的连续相上浮，速度为uo，uo=K(C-D)g，可视为ur=uo(1-D)。考虑到液滴间的相互作用对流量的影响，Gyler和Pratt提出了特征速度uo的概念。他们通过实验数据发现，对于给定的液

13、-液系统，滑移速度可以表示为：ur=uo(1-D) uo取决于物理参数因此，两相流量不能随意增加。当它超过极限时，分散相将在塔中聚集和聚结，并阻止连续相流动，这被称为溢流。当洪水发生时，塔的正常运行被破坏。洪水有两种：1 .流量过大；2.搅拌强度太高。应控制流速和搅拌强度。此时，分散相在萃取塔中的保留率分布是不均匀的，因此在萃取塔的某一部分往往首先发生溢流。在大多数情况下，如果d没有达到(d) f，将会发生溢流。此时，塔的通量(UD UC)f通常小于由上述公式计算的通量。例如，对于转盘塔和吉田塔，溢流流量通常仅为计算值的50%。在界面没有传质阻力的情况下，移动液滴和连续相流体之间的传质过程包括

14、液滴内和液滴外的传质。液滴内部是液体。由于相对于它运动的外部流体的剪切力的影响，液滴的内部流体可能产生循环流动和湍流，这大大提高了传质速率。液滴的形状、摆动和振动也会发生变化，这将影响萃取过程中的传质行为。液滴的传质过程贯穿于液滴的形成阶段、自由运动阶段和聚结阶段，但通常考虑自由运动阶段的传质。在界面张力和摩擦力的作用下，液滴产生内循环，液滴中的传质，停滞液滴(刚性液滴):液滴中的层流内循环： (Krong-Brink)，液滴中的湍流内循环：(Handros-Baron)，液滴中的层流内循环kD比刚性液滴增加了2.7倍。在湍流循环中，kD与扩散无关。(理论解)，液滴传质，停滞液滴，循环液滴，振

15、荡液滴，传质系数和阻力，连续传质系数：分散传质系数：考虑界面阻力：当萃取相为连续相时，理论等效高度法：传质单元法3360，计算有效塔高：传质单元数和传质单元高度(塞流)根据实验数据，得到相应的传质单元高度HTU，可用于工业设计。轴向混合，即萃取塔中的流体运动偏离活塞流假设，统称为轴向混合。轴向混合可由以下因素形成：连续相中浓度梯度引起的分子扩散和涡旋扩散；由液滴运动引起的连续相循环；分散相液滴尾流引起的连续相夹带：机械搅拌引起的连续相和分散相的循环流动；两相流和通道流速度梯度引起的停留时间分布。轴向混合降低了设备内传质的平均浓度梯度，对传质有明显影响。轴向混合降低了传质的驱动力。描述了轴向混合

16、的扩散模型。扩散模型中的简化假设如下：(1)连续相和分散相的轴向扩散用轴向扩散系数定量表示；两相的表观速度是恒定的，并且均匀分布在每个横截面上。溶质的体积传质系数是常数；只有溶质在两相之间转移；萃取溶质在两相之间的分配比是恒定的。扩散模型的数学表达式、无量纲化、假设、准则和边界条件，由于计算数学的发展，扩散模型的微分方程不再注重模型的简化和解析解。扩散模型能很好地描述连续相的轴向混合。然而，分散相实际上是由一组不同尺寸的液滴组成的，但扩散模型将其视为准均匀的，这与实际情况有很大不同。因此，许多学者专门研究了分散相的返混。例如，预混模型和预混回流模型可以在一定程度上描述分散相的轴向混合。扩散模型的近似解(宫口和维穆伦):以便利用扩散方便地解决工程计算问题他们称根据活塞流假设计算的传质单元高度为表观传质单元高度，HTUOXP=H/NTOXP，扣除轴向混