（精选幻灯片）化工原理第四章 萃取.ppt

1、第四章萃取，4.1液-液平衡4.2萃取操作原理，1，4.1液-液平衡，4.1.1三角坐标图和杠杆法则(1)三角坐标图通常包括等边三角形坐标图、等腰直角三角形坐标图和非等腰直角三角形坐标图，如图4-1所示，其中最常用的是等腰直角三角形坐标图。图4-1三角形相图，2、4.1液-液平衡。一般来说，在萃取过程中很少遇到恒摩尔流量的简化，因此混合物的组成通常用三角形坐标图中的质量分数来表示。传统上，在三角图中，AB侧以A的质量分数为标度，BS侧以B的质量分数为标度，SA侧以S的质量分数为标度。三角形图的每个顶点代表一个纯组分，即顶点A代表纯溶质A，顶点B代表纯原始溶剂(稀释剂)B，顶点S代表纯萃取剂S。

2、三角形图三条边上的任意一点代表一个二元混合体系，第三个组分的组成为零。例如，AB边上的点E代表由A和B组成的二元混合系统。从图中可以看出，A的组成为0.40，那么B的组成为(1.00.40)=0.60，S的组成为零。3、4.1液-液平衡，三角图中的任何一点代表一个三元混合物系统。例如，m点表示由a、b和s三个部分组成的混合系统。其组成可根据以下方法确定：如果通过系统的m点是平行线ed、HG和KF，则a、b和s的组成可直接从e、g和k点读取：分别=0.4、=0.3和=0.3；它也可以由点d、h和f组成，这些点可以理解为a、b和S.在三角形坐标图中，等腰直角三角形坐标图可以直接绘制在普通直角坐标纸

3、上，阅读方便，所以目前大多使用等腰直角三角形坐标图。在实际应用中，A和S的合成和求和通常是从两个直角的标度中读出，然后根据归一化条件得到。如图4-2所示，质量为m kg、组成为，的新混合体系m是通过混合质量为kg、组成为、的混合体系r而获得的，其分别由三角形图中的点r、e和m表示。m点称为R点和E点的和点，R点和E点称为概点。如图4-2，4.1液-液平衡，(2)杠杆法则，5，4.1液-液平衡，m点与差点e和r之间的关系可以用杠杆法则来描述，即(I)几何关系：与m点共线，差点e和r，即和点在两点的连线上；一个几乎在延长线上，另一个几乎与和点相连。(二)数量关系：和点与障碍的数量m、r、e与线段的

4、长度b之间的关系符合杠杆原理，即m与e之间的关系可以以r为支点得到，(4-1)m与e之间的关系，(4-2)m与e之间的关系。如果和点与一个障碍已知，则可以确定另一个障碍。6、4.1.2。根据萃取操作中各组分的互溶性，三元体系可分为以下三种情况：溶质甲可完全溶解于乙和硫中，但乙和硫不互溶；溶质a可以完全溶解在b和s中，但b和s是部分混溶的；溶质甲完全溶于乙，但甲和硫以及乙和硫部分溶于对方。传统上，两个案件的制度被称为第一类制度，而案件的制度被称为第一类制度。常见的工业类别有丙酮(a)、水(b)、甲基异丁基酮(s)、乙酸(a)、水(b)、苯(s)、丙酮(a)、氯仿(b)、水(s)等。第一类是甲基环

5、己烷(a)、正庚烷(b)、苯胺(s)、苯乙烯(a)、乙苯(b)、二甘醇(s)等。在萃取操作中，第一类体系比较常见，下面主要讨论这类体系的相平衡关系。7、4.1.2三角相图，假设溶质甲可以完全溶解在乙和硫中，但乙和硫部分互溶，其平衡相图如图4-3所示。该图是在一定温度下绘制的，曲线位于两相区的混合物被分成两个相互平衡的液相，称为共轭相，连接两个共轭液相相点的直线称为连接线，如图4-3中的RiEi线(i=0，1，2，n)所示。显然，萃取操作只能在两相区进行。图4-3溶解度曲线，8，4.1.2三角形相图，溶解度曲线可通过以下实验方法得到：在一定温度下，将组分b和组分s按适当比例混合，使总组成位于两相

6、区，并将其设为m，达到平衡后将得到两个不互溶的液体层，相点为R0和E0。在恒温下，向该二元混合溶液中加入适量的溶质A，并充分混合以达到新的平衡。静置分层后，得到一对共轭相，其相点为R1和E1。然后继续加入溶质A，重复上述操作，得到n 1对共轭相的相点Ri和Ei (i=0，1，2，n)。当A的加入量使混合溶液由两相变为一相时，各共轭相的相点与K点的曲线即为三元体系在实验温度下的溶解度曲线。9、4.1.2。如果组分b和组分s完全不混溶，则点R0和E0分别与三角形的顶点b和顶点s重合。第一类体系在一定温度下的溶解度曲线和连线见图4-4。通常，连接线的斜率随着混合溶液的组成而变化，但是相同系统的连接线

7、的倾斜方向通常是相同的。对于一些系统，如吡啶氯苯水，当混合溶液的组成发生变化时，连接线的斜率将发生很大变化，如图4-5所示。图4-4二级体系溶解度曲线和连接线，图4-5连接线斜率变化，10，4.1.2三角相图，(2)辅助曲线和临界混溶点。当在一定温度下测量系统的溶解度曲线时，通过实验测量的连接线的数量(即共轭相的对数)总是有限的。此时，为了获得已知平衡液相的任何共轭相，图4-6辅助曲线，11，4.1.2三角形相图，辅助曲线的方法如图4-6所示，通过已知点R1和R2，它们是BS侧的平行线，然后通过相应连接线的其他端点E1和E2，它们是AB侧的平行线，并且每条线分别与点f、g和相交，并且通过连接这

8、些交点获得的平滑曲线是辅助曲线。任何已知平衡液相的共轭相都可以用辅助曲线得到。如图4-6所示，设r为已知的平衡液相，r点作为BS侧的平行线与j点的辅助曲线相交，j点作为AB侧的平行线与e点的溶解度曲线相交，则e点为r的共轭相点，图4-6辅助曲线，12，4.1.2三角形相图，辅助曲线与溶解度曲线的交点为p， 显然，通过p点的连线是无限短的，也就是说，该点所代表的平衡液相没有共轭相，这相当于系统的临界状态，所以它被称为临界混溶点。 在点P，溶解度曲线分为两部分：萃余相在原溶剂B侧，萃取相在溶剂S侧.因为连接线通常有一定的斜率，临界混溶点一般不在溶解度曲线的顶部。临界混相点通过实验测定，但只有当已知

9、的连线较短，即共轭相接近临界混相点时，才能用外延辅助曲线法确定临界混相点。通常情况下，三元体系在一定温度下的溶解度曲线、连接线、辅助曲线和临界混溶点等数据都是通过实验测定的，有时也可以从手册或相关专著中找到。13，4.1.3分配系数和分配曲线，(1)分配系数，在一定温度下，组分在相互平衡的E相和R相中的组成比例称为组分的分配系数，表示为溶质A，4-3A)，原溶剂B，(4-3b)，(，和组分A和B在萃取相E中的质量分数对于萃取剂S和原溶剂B不互溶的体系，溶质在两个液相中的分布关系与吸收相似，即(4-4)，其中溶质A在萃取相E中的质量比组成；萃余相中溶质a的质量比组成；用质量比表示相组成时的分布系

10、数。15、4.1.3分布系数和分布曲线，(2)分布曲线。根据相律，当温度和压力恒定，三组分体系的两个液相平衡时，自由度为1。因此，只要任何平衡液相中任何组分的组成是已知的，其它组分的组成和它们的共轭相的组成都是确定的值。换句话说，当温度和压力不变时，两个平衡液相之间的溶质平衡关系可以表示为：(4-5)，萃取相E中组分A的质量分数；萃余相中组分a的质量分数.这是分布曲线的数学表达式。16、4.1.3分布系数和分布曲线，图4-7有一对组分部分溶解时的分布曲线，图4-7显示17、4.1.3分布系数和分布曲线，如图4-7所示。如果横坐标作为纵坐标，则在直角坐标图上可以得到代表这对共轭相的组成的点。每对

11、共轭相位可以得到一个点，通过连接这些点可以得到ONP曲线，称为分布曲线。曲线上的p点是临界混溶点。分配曲线表示溶质A在平衡E相和R相中的分配关系。如果某一液相的组成是已知的，它的共轭相的组成可以由分配曲线计算出来。如果y大于x，即分布系数为1，则分布曲线位于直线上方，否则位于直线下方。如果连线的倾斜方向随溶质A组成的变化而变化，就会出现分布曲线与对角线的交点，称为等溶解度体系。18、4.1.3分布系数和分布曲线。图4-8显示了两对组分部分混溶时的分布曲线。两对组分部分混溶时的分布曲线可用同样的方法绘制，如图4-8所示。19、4.1.4温度对相平衡的影响通常，溶质在溶剂中的溶解度随着系统温度的升

12、高而增加，反之则降低。因此，温度明显影响溶解度曲线的形状、连线的斜率和两相区的面积，从而也影响分布曲线的形状。图4-9显示了温度对第一类体系的溶解度曲线和连接线的影响。显然，随着温度的升高，分层面积减小，不利于萃取分离。图4-9温度对互溶性的影响(一类体系)，20、4.1.4温度对相平衡的影响。对于某些系统，温度的变化不仅会引起分层面积和连线斜率的变化，还会导致系统类型的变化。如图4-10所示，当温度为0时，它成为第一类，当温度上升到0时，它成为第一类。图4-10温度对互溶性的影响(二类体系)，21，4.2萃取操作原理4.2.1萃取操作过程和术语，对于液体混合物的分离，除了蒸馏外，还可以采用萃

13、取方法，即将基本上与其不混溶的液体加入到液体混合物(原料液)中作为溶剂，产生第二相，使用原料液，液-液萃取，也称为溶剂萃取，简称为萃取或萃取。所选的溶剂称为萃取剂，用S表示；原料液体中易溶于s的成分称为溶质，表示为a；不溶于硫的成分称为原始溶剂(或稀释剂)，用硼表示.如果萃取剂在萃取过程中不与原料液中的相关成分发生反应，则称之为物理萃取，否则称之为化学萃取。22，4.2.1提取操作流程和术语，图4-4 Schem停止搅拌后，两液相因密度不同而分层：一层主要为溶剂S，含有较多溶质，称为萃取相，用E表示；另一层主要是原溶剂(稀释剂)B，含有未完全萃取的溶质，称为萃余相，用R表示.如果溶剂S和B是部

14、分可混溶的，萃取相也含有少量的B，萃余相也含有少量的S、24、4.2.1萃取操作过程和术语。从上面可以看出，萃取操作没有获得纯组分，而是获得了新的混合溶液：萃取相E和萃余相R。为了获得产物A并回收溶剂以循环使用，需要将两相分开。通常，使用蒸馏或蒸发，有时也可以使用其他方法，如结晶。除去溶剂后的萃取相和萃余相分别称为萃取相和萃余相，用总和表示。液体混合物是通过蒸馏还是萃取进行分离，主要取决于技术可行性和经济合理性。25、4.2.1提取操作过程和术语，一般来说，在下列情况下采用提取方法更为有利。(1)原料液中各组分的沸点非常接近，即各组分的相对挥发度接近1，因此采用蒸馏法不经济；(2)当进料液体被

15、蒸馏时，它形成共沸物，并且通过普通蒸馏方法不能获得所需的纯度；(3)原料液中待分离组分的含量很低，难以挥发。如果采用蒸馏法，必须蒸发大量的稀释剂，能耗大；(4)原料液中待分离的成分为热敏性物质，在蒸馏过程中易分解、聚结或发生其他变化。26、4.2.2萃取剂的选择，选择合适的萃取剂是保证萃取操作能够正常、经济、合理进行的关键。萃取剂的选择主要考虑以下因素。(1)萃取剂的选择性和选择性系数，萃取剂的选择性是指萃取剂s在原料液中对两种组分的溶解度之差。如果硫对溶质甲的溶解度比原溶剂乙大得多，即萃取相中的比例大得多，萃余相中的比例大得多，则该萃取剂的选择性好。萃取剂的选择性可用选择性系数表示，其定义式为，27，4.2.2萃取剂的选择，(4-7)是将式4-3代入上式得到的。从的定义可以看出，选择性系数是组分A和B的分配系数之比，其物理意义类似于蒸馏中的相对挥发度。如果为1，萃取相中组分甲的相对含量高于萃余相中的相对含量，即组分甲和组分乙有一定程度的分离。显然，值越大，值越小，选择性系数越大，组分甲和组分乙越容易分离，相应萃取剂的选择性越高。如果=1，从公式4-6可以看出，除去溶剂后，萃取相和萃余相的组成相同，与原料液的组成相同，表明该萃取剂不能分离甲组分和乙组分，换句话说，选择的萃取剂不合适。萃取剂的选择性越高，完成一定的分离任务