第七章萃取

第六章萃取第一节概述第二节三元体系的液液平衡关系第三节萃取过程计算第四节液液萃取设备及其选择本章重点：萃取过程的计算本章的难点：三元体系的液-液平衡关系在萃取过程计算中的应用溶剂S必须满足两个要求:(1)溶剂不能与被分离混合物完全互溶，只能部分互溶；(2)溶剂对A、B两组分有不同的溶解能力，或者说溶剂具有选择性：BAyy/BABAxxyy＞即萃取相内A、B两组分浓度之比大于萃余相内A、B两组分浓度之比。BAxx/第一节概述一、液液萃取简介：1、液液萃取原理：采用液液混合物各组分在另一溶剂中溶解度的差异而实现分离。2、液液萃取简介：溶质A+稀释剂B溶剂S萃取相E+A(B)萃取余相R+B(A)溶质A:稀释剂B:溶剂S:萃取相E:萃取余相R:溶剂的选择性：即萃取相内A、B两组分的浓度之比大于萃取余相内A、B两组分浓度之比。3、萃取过程的适用性和经济性主要由以下两个方面决定：（1）过程的萃取相和萃余相的分离难易程度；（2）萃取剂性质和优劣程度。无水醋酸萃取塔恒沸精馏塔萃取相溶剂稀醋酸精馏塔废水分层器萃余相萃取及恒沸精馏提浓醋酸流程4、萃取基本流程萃取操作流程单级萃取多级萃取多级错流萃取多级逆流萃取混合器分离器溶剂再生器两种操作（1）、单级萃取（2）、多级错流萃取（3）、多级逆流萃取最终萃余相R3萃取剂S萃余液R，回收的溶剂S图6-3多级逆流萃取流程示意图1级2级R1E1回收的溶剂SE原料液F3级R2E2E3第二节三元体系的液-液平衡关系一、三角形坐标1、每1个顶点表示一种纯组分：A——纯溶质B——纯原溶剂S——纯萃取剂2、每一条边表示一个二元混合物系的组成（质量分数）关系，边上每一点确立了二个的组成，如：等腰直角三角形中BA边上的F点A——50%，B——50%3、三角形中的任意一点表示三元混合物的组成例如：等边三角形中的M点：A——30%，B——50%，C——20%2.0:5.0:3.0::::::BGAFSDMKMJMIxxxSBA※可见三组分溶液的组成包括两个自由度，若用平面坐标上的点（R）表示，点的纵坐标为溶质A的质量分数，横坐标为溶剂S的质量分数，根据三组分的质量分数之和为1，故图所示的三角形范围内可表示任何三元溶液的组成。三个顶点分别表示纯组分，而三条边上的任何一点则表示相应的双组分溶液。AxBxSABxxx1※在双组分溶液的萃取分中，萃取相和萃余相一般为三组分溶液，若各组分均以质量分数表示，为确定某一组分的质量分数，而第三组分的质量分数可由归一条件决定：即※最常用的坐标为等腰直角三角形坐标:采用直角三角形便于标绘、读取数据，或进行计算。如M点：5.0)(13.0,2.0BABASxxxxx二、杠杆规则1、当两个三元物系R和E形成一个新的三元混合物M由物理学杠杆规则得到：两混合物R和E的质量之比与线段和之比相等：MERMMERMREMEERMR··MERMRE即：▲RMERMME2、由物料衡算得到：混合物E的组成为:混合物R的组成为:混合物M的组成为:R、E和M分别表示各混合物的质量ESEBEAxxx,,,、、RSRBRAxxx,,,、、MSMBMAxxx,,,、、ABEAx,MAx,RAx,SRxSMxSEx图6-5杠杆规则ESRSMSRAMAMAEAEARAMAExRxMxxxRxxEExRxMxERM,,,,,,,,,,)()((6-2)(6-3)(6-4)(6-5)由式(6-2)和式(6-3)得：由式(6-2)和式(6-5)得：)()(,,,,RSMSMSESxxRxxE(6-6)EMRMRE由（6-4）和（6-6）得：表示混合物组成的M点的位置必在R点E点的连线上。物料衡算的简捷图示方法，称为杠杆定律)()(,,,,,,,,MRtgEMtgRSMSRAMAMSESMAEAxxxxxxxxRSMSRAMAxxxxRE,,,,故：从上图中M可表示溶液R和溶液E混合之后的数量和组成，则称M为R和E的和点；反之当从M点中移去一定量与组成的液体E液体，表示余下的溶液组成的点R必在EM联线的延长线上，其具体位置同样可由杠杆定律确定：REMRME三、三角形相图萃取操作按混合液中的A、B、S各组分互溶度的不同将混合液分成三类：Ⅰ溶质A可完全溶解于B及S中，而B、S为一对部分互溶的组分；Ⅱ溶质A可完全溶解于B及S中，而B、S为一对完全不互溶的组分；Ⅲ组分A、B可完全互溶，而B、S及A、S只能部分互溶。本节主要讨论Ⅰ类物系的液液平衡1.溶解度曲线2.平衡联结线3.临界混溶点4.相平衡关系的数学描述说明：1.R为分层点；2.滴加少量的溶质A后B与S的互溶性增加，此时混合液组分在AR连线上的H点；3.若再滴加数滴S，溶液再次呈混浊，此时新的混合点一定在SH的联线上；4.若在溶液中交替滴加A和S，重复上述实验，可得到若干分层点…….等；5.将所有分层点联成一条光滑的曲线，该曲线成为溶解度曲线。1R32,RRS1、溶解度曲线，平衡联结线和临界混溶点溶解度曲线萃取相溶解度曲线（右边一支）iE萃取余相溶解度曲线（左边一支）iR平衡联结线——与之间的联线，表示两溶剂相平衡时的液相量与组成的关系，服从杠杆规则。iEiR临界混溶点——两支溶解度曲线的连接点P，一般并不在溶解度曲线的最高点。（当加入的溶质A至某一浓度，共轭相的组成无限趋近而变为一相，表示这一组的点称为临界混溶点。）1R1EPii※现取组分B与溶剂S的双组分溶液，其组成以表示，该溶液必分两层，其组成分别为※若在此混合液中滴加少量溶质A，混合液的组成将沿AM移动到。充分摇动，使溶质A在两相中的组成达到平衡，静置分层后，取两相试样进行分析，其组成分别在点。互成平衡的共轭相，的联线称为平衡连结线，点必在此平衡联结线上。1M。、11RE2M22RE、22RE、2M溶解度曲线与联结线1M2M说明：（1）若在上述两相混合液中滴加溶质A，重复上述实验，可得若干条平衡联结线，每一条平衡联结线的两端为互为平衡的共轭相。（2）溶解度曲线将三角形相图分成两个区，即溶解度曲线与所围的区域为分相区或两相区，曲线以外是均相区。（3）溶解度曲线以内的区域为萃取过程的可操作区。2、辅助曲线作法1：过Ri点作RiCi线平行于AS，过Ei点作EiCi线平行于AB；两线交于Ci，连接PCi的线即辅助线。意义：由确立的E点找到对应的R点，或由确立的R点找到对应的E点，从而读出相应的平衡组成。过Ri点作RiCi线平行于BS，过Ei点作EiCi线平行于AB；两线交于Ci，连接PCi的线即辅助线。作法2：3、分配曲线和分配关系当组分A的浓度较低时，近似常数，相应的分配曲线接近直线。AkAAAxkyBBBxky分配曲线：平衡联结线的两个端点表示液液平衡两相之间的组成关系。表示被萃物A在原溶剂B（萃取余相R）中的浓度；表示A在萃取剂（萃取相）中的浓度；均为质量分数，P点为临界共溶点，故AxAyAAyx、BAxx组分A的分配系数AAxyARAEAk的质量分数中萃取余相的质量分数中萃取相组分B的分配系数BBxyBkBABABAkkxxyy//※因为萃取相中的A、B之量数之比（）与萃取液中Ａ、Ｂ之量数之比（）相等所以有：BAyy/00/BAyy0000//BABAxxyy※又因所以：ABABxxyy1,1AAxxAy)1(1β——选择性系数说明：（１）β相当于精馏操作的相对挥发度α，其值与平衡联结线的斜率有关。（２）某一平衡联结线延长通过Ｓ点时，此时β＝１，这对共轭相不能进行萃取分离。第三节萃取过程的计算萃取操作的自由度在萃取过程的计算中,无论采用单级或多级萃取操作，离开萃取器的两相互呈平衡。萃取器的实际级数：/TPNNη——总的级效率，实验确定。一、单级萃取的计算1、工艺流程与相图SS2、图解法求解已知：求解：)(,,,,RRAAASFxxxkyyxF，或EyRES,,,步骤：（1）根据体系的相平衡数据，在直角三角形坐标图中绘出溶解度曲线及辅助线；（2）设加入的为纯溶剂S（），则S点落在三角形右侧顶点上，再根据已知原料液组成在AB边上定出F点，连接SF，则代表原料液与萃取剂的混合液组成点M必在SF连线上。（3）由已知的在图上定出R点（或由在AB边上定出点，连接，与溶解度曲线相交于R点），再由R点利用辅助曲线求出E点，连接ER线，则ER与FS线的交点即为混合液的组成点0SyFxRxRx,,SRM，根据杠杆规则可求出萃取剂S的用量，即MSFMMSFMFSFS·则：萃取相E和萃余相R的量均可根据物料衡算和杠杆规则求得：MERSFEMMRRE系统的总物料衡算：（6-11）（6-12）求出R和E，读出Ey溶质A的物料衡算：MERSFMxEyRxSyFx（6-13）联立（6-12）和（6-13），得萃取相E的量为RERMxyxxMRME)(同理可得萃取液的量，即,ERERFxyxxFRFE,,,)(,,求出了E和的值，即可求得萃余相R和萃余液的值。,E,R单级萃取的分离范围yy二、多级错流萃取的计算三级错流萃取流程示意图1、工艺流程图2、计算前规定已知：，，，，或，NRFSSSxxFyyyS)00(,相平衡数据。3、解题步骤①绘三角形相图，溶解度曲线和辅助曲线；②作FS线（或）；③在FS线上找到点；④过点借助辅助线，用试差法作联结线；⑤联接，在上找到0FS1M11RE1M2M1SR1SR过点借助辅助线，用试差法作联结线；⑥重复以上步骤，即可作得N级萃取效果。2M22ER例6-1：单级萃取与多级错流萃取的比较:含醋酸质量分数30%的醋酸-水溶液，在25℃下用异丙醚为溶剂进行萃取，料液的处理量为100kg/h，试求：（1）用100kg/h纯溶剂作单级萃取，所得的萃余相和萃取相的流量与醋酸质量分数；（2）每次用50kg/h纯溶剂作两级错流萃取，萃取相的最终流量与醋酸质量分数；（3）比较两种操作所得的萃余相中醋酸的残余量和原料中醋酸量之比（萃余百分数）；已知物系在20℃时的平衡数据见表：醋酸-水异丙醇液液平衡数据萃余相组成（质量分数）萃取相组成（质量分数）醋酸A水B异丙醇S醋酸A水B异丙醇S0.00690.01410.02890.06420.1330.2550.3670.4430.4640.9810.9710.9550.9170.8440.711.5890.4510.3710.0120.0150.0160.0190.0230.0340.0440.1060.1650.00180.00370.00790.01930.04820.1140.2160.3110.3620.0050.0070.0080.0100.0190.0390.0690.1080.1510.9930.9890.9840.9710.9330.8470.7150.5810.487解：（1）单级萃取：由表中数据在在三角形相图上作出溶解度曲线和若干条平衡联结线。原料液中含醋酸质量分数0.35，可在图上找出F点。联结FS，因物料量F与溶剂量S相等，混合点M位于FS线的中点。总物料流量M=F+S=100+100=200kg/h用内插法过M点作一条联结线，找出单级萃取的萃取相E与萃余相R的组成点。从图上量出线段RE、ME的长度，可得hkgMRREME/1.88200425.18萃取相流量E=M-R=200-88.1=111.9kg/h从图a读得萃取相的醋酸质量分数y=0.11，萃余相的醋酸质量分数。25.0Ax（2）两级错流萃取：进入第一级萃取器的总物料量为hkgFSM/1501005011表示混合物组成的和点M1的位置（参见图b）是365415010011FSSMMF用内插法过M1点作一条平衡联结线，找出离开第一级粗区器的萃余相组成R1与萃取相组成E1。萃余相流量hkgMREREM/4.90150395.23111111进入第二级萃取器的总物料流量hkgSRM/4.140504.902