第十一章液液萃取

1第十一章液液萃取1概述1.1液液萃取过程1.2两相的接触方式2液液相平衡2.1三角形相图2.2部分互溶物系的相平衡2.3液液相平衡与萃取操作的关系3萃取过程计算3.1萃取级内过程的数学描述3.2单级萃取3.3多级错流萃取3.4多级逆流萃取3.5完全不互溶物系萃取过程的计算3.6回流萃取4萃取设备4.1萃取设备的主要类型4.2液泛现象4.3界面现象2第八章：萃取简介：本章应用三角形相图和分配曲线，描述了萃取操作物系的平衡关系，通过物料衡算和物系平衡关系对单级和多级萃取过程进行了计算，并介绍了其他萃取方法和萃取设备的分类和选择。本章重点：应用三角形相图和分配曲线描述萃取操作物系的平衡关系；单级萃取流程；多级错流萃取流程；多级逆流萃取流程；部分互溶物系萃取计算；完全不溶物系萃取计算；溶剂量计算.8.1萃取概述萃取：利用混合物中各组份在某一溶剂中的溶解度的差异,分离液-液混合物的单元操作。如图8.1.1所示.萃取操作包括下面三个过程：（1）混合过程:原料液和溶剂充分接触，各组分发生了不同程度的相际转移，进行了质量传递。（2）澄清过程:分散的液滴凝聚合并，形成的两相萃取相和萃余相由于密度差而分层。（3）脱除溶剂操作：萃取相脱除溶剂得到萃取液，萃余相脱除溶剂得到萃余液，脱除溶剂操作常采用精馏操作。萃取所得的萃取相和萃余相中A、B组分的组成之间的变化:萃取所得的萃取液和萃余液中A、B组分组成之间的变化:萃取操作能在一定程度上分离液体混和物。萃取操作应用范围:(1)液体混合物中各组份的挥发能力差异很小，即其相对挥发度接近1,采用精馏操作不经济。（2）液体混合物蒸馏时形成恒沸物。（3）欲回收的物质为热敏性物料，或蒸馏时易分解、聚合或发生其他变化。。（4）液体混合物中含有较多汽化潜热很大的易挥发组份,特别是该组分又不是目标组分，利用精馏操作能耗较大。萃取操作在工业上得到广泛应用，在石油化学工业尤为突出。在制药工业、食品工业、湿法冶炼工业、核工业材料提取和环境保护治理污染中均起到重要作用。38.2液-液平衡关系萃取操作混合物组成常用质量分率表示(原则上可用任意单位表示)。8.2.1三角形坐标一三角形坐标三角形坐标可用来描述三元混合物的组成，三角形坐标可以是等边三角形,任意三角形,直角三角形等等，如图8.2.1～8.2.3。等腰直角三角形更为常用。习惯表示法（见图8.2.4）(1)各顶点表示纯组份。(2)每条边上的点为两组份混合物。(3)三角形内的各点代表不同组成的三元混合物。二杠杆定律质量分别为R和E的两种三元混合物,其组成分别为xA,xB,xS和yA,yB,yS,两者混合后形成的新的混合物M，其质量由质量守恒定律求解，其组成zA,zB,zS，在工程上常用图解法,即杠杆定律确定，M点称为R、E点的和点。混合物M的量：M=R+E(8.2.1)混合物M的组成：如图8.2.4所示.在三角形坐标ABS，三个混合物组成点R、E和M在一条直线上,即M点位于R、E点的连接线上,且M点分RM和ME两线段之比与R、E两混合物质量之比存在如下关系：4两混合物质量之比存在如下关系：(8.2.2)从量为M，组成为zA,zB,zS的三元混合液M中分离出量为R，组成是xA,xB,xS的混合物R，剩余混合物E的量由质量守恒定律求解，其组成yA,yB,yS用杠杆定律确定，R点称为M、E点的差点。混合物E的量：E=M-R混合物E的组成：在三角形坐标ABS，三个混合物组成点R、E和M在一条直线上,即E点位于E、M点的延长线上,且RM和RE两线段之比与M、E两混合物质量之比存在有如下关系：(8.2.3)8.2.2三角形相图萃取操作中，若将溶质A在液-液两相之间的平衡关系，表示在三角形坐标中，就得到三角形相图。一溶解度曲线1.相平衡数据的测定:(1)混合物总组成点在两相区内。(2)能得到完整的平衡数据。2.溶解度曲线通常情况下联结线倾斜方向一致，但不平行。在三角形相图中，如图8.2.7所示。溶解度曲线将4.辅助曲线若已知若干对平衡液的组成，可以绘出辅助曲线，辅助曲线可作在三角形相图之内，亦可作在三角形相图之外。借助辅助曲线，由已知的某一相（R或E相），可求取其共轭相的组成。二温度、压力对相平衡关系的影响(1)压力的影响压力的影响较小,可忽略。(2)温度的影响温度的影响敏感。一般情况下温度升高，溶解度增大,两相区减小,不利于萃取操作。5混合物的整个组成范围划分成两个区域，溶解度曲线以内是两相区，以外是单相区，两相区是萃取过程的操作范围。3.几类物系的溶解度曲线（1）第一类物系：,A、S完全互溶，根据B、S溶解度不同，分为：a部分互溶物系，即B、S部分互溶。b完全不互溶物系,即B、S完全不互溶。（2）第二类物系：具有两对部分互溶物的物系，即A、S,B、S部分互溶。8.2.3分配曲线及分配系数三元混合物系相平衡关系的另一种表示方法，可用溶质组分在液-液两相的分配关系描述。一分配曲线将共轭相组成转换到直角坐标中得到的曲线，将三角形相图中溶质组分在共轭相萃余相R中组分xA和萃取相E中组分yA转换到直角坐标中，获得一条表示液-液两相平衡时溶质组分A的分配曲线。二分配系数溶质A的分配系数：yA=kAxA（8.2.4）溶剂B的分配系数：yB=kBxB（8.2.5）分配系数不仅和温度有关，而且与浓度有关。一般情况下，溶质浓度增加，分配系数随之降低；温度升高，分配系数亦随之降低。但溶质浓度较低时,分配系数kA被视为常数。若溶质是电离物质，溶液PH值的变化也会引起分配系数的改变。对于溶剂S和原溶剂B完全不互溶物系,浓度常用比质量分率X、Y表示,其分配系数表示如下：溶质A的分配系数：原溶剂B的分配系数：其中(8.2.6)(8.2.7)三脱溶剂基分配曲线用互成平衡的萃取相和萃余相脱去溶剂后所得到的萃余液及萃取液的组成xA′,xB′和yA′,yB′描述平衡关系，即将xA′和yA′描绘于直角坐标中，即可获得脱溶剂基的分配曲线。(8.2.8)68.3部分互溶物系的萃取计算8.3.1单级萃取一．特点：1.原料液与溶剂一次性接触。2.萃取相与萃余相相互平衡。3.生产中大多是间歇操作。二．计算：萃取操作物系的平衡关系一般难以表示为简单的函数关系，用三角形相图表示比较简便易行。基于杠杆定律的图解方法是常用的求解萃取计算的方法。萃取计算问题常分为如下两类：1.已知原料液的处理量F及组成xF（生产工艺确定）,给定溶剂用量S及组成s0，求萃取相E与萃余相R的量及组成y、x，及萃取液E′与萃余液R′的量及组成y′、x′。方法：（1）根据溶剂及原料液F的量和组成确定和点M。M=F+S=E+R（2）图解试差确定E，R点(试差依据是萃取相E与萃余相R互成平衡)，利用杠杆定律确定萃取相E与萃余相R的量，在三角形相图读出其组成。（8.3.1）（8.3.2）（3）联结SE和SR，并延长交AB边于E′和R′点，利用杠杆定律确定萃取液E′与萃余液R′的量，在三角形相图读出其组成y′、x′。（8.3.3）（8.3.4）（8.3.5）2.根据给定的原料液及规定的分离要求（一般规定萃余相R的组成x或萃余液R′的组成x′），求溶剂S用量。方法：根据分离要求确定R点，应用辅助曲线，确定E点，根据原料液组成，确定F点，连接FＳ和ER，其交点Ｍ既是F和S的和点，又是E、R的和点。利用杠杆定律求得溶剂S用量。(8.3.6)三单级萃取的溶剂用量单级萃取的溶剂用量范围：。实际溶剂比是最小溶剂比的适当倍数。1.最小溶剂用量Smin溶剂用量减少，Ｍ点沿FS向F点靠近。M点达到R2点时，液-液两相混溶，破坏了萃取操作。故Ｍ位于R2点时的溶剂用量为Smin。如图8.3.4所示。(8.3.7)当S＝Smin时，一般情况下，但萃取液的浓当S＝Smax时，一般情况下。四萃取液浓度最大时的溶剂用量由S点作溶解度曲线的切线，由切点E可确定其共轭组成R，如果RE和FS的交点M在两相区内，由M确定的溶剂用量即为萃取液浓度最大时的溶剂用量；如果RE和FS的交点不在两相区内，萃取操作的最小溶剂用量即为萃取液浓度最大时的溶剂用量。见图8.3.4。7度一般不是最大值（萃取液浓度最大时的溶剂用量求解请看下一部分）。2.最大溶剂用量Smax溶剂用量增加，Ｍ点沿FS向S靠近。M点达到E1点时，液-液两相混溶，破坏了萃取操作。故M位于Ｅ1点时的溶剂用量为Smax。如图8.3.4所示。(8.3.8)8.3.2多级错流萃取一流程多级错流萃取实际上就是多个单级萃取的组合。如图8.3.5所示。原料液F从第一级进入，依次通过各级与加入各级的溶剂Si进行萃取，获得萃余相R1，R2……。末级引出的萃余相RN进入脱溶剂塔I脱除溶剂SR，获得萃余液RN′。加入各级的溶剂S1，S2……分别与来自前一级的萃余相进行萃取，获得的萃取相E1，E2……分别从各级排出，通常汇集一起后进入脱溶剂塔II脱除溶剂SE，获得萃取液RE′。回收的溶剂SR和SE一起返回系统循环使用。系统还应适量加入新溶剂以补充系统溶剂的损失。二特点萃取相溶质的回收率较高，溶剂耗量较大，溶剂回收负荷增加,设备投资大。三计算（１）设计型计算已知原料液的处理量F及组成xF（生产工艺确定）规定各级溶剂用量Si和组成S0，求达到一定的分离要求所需的理论级数Ｎ。（２）操作型问题已知多级错流萃取设备的理论级数N，计算通过该设备的萃取操作，原料液所能达到的分离程度。以上两类问题的处理方法和单级萃取基本相同，如图8.3.6所示，是单级萃取计算方法的多次重复应用。88.3.3多级逆流萃取一流程原料液F从第一级进入，依次经过各级萃取，成为各级的萃余相，其溶质组成逐级降低，溶剂S从末级第N级进入系统，依次通过各级与萃余相逆相接触，进行萃取，使得萃取相中的溶质组成逐级提高，最终获得的萃取相E1和萃余相RN通过脱溶剂塔I、II脱除溶剂，并返回系统循环使用。见图8.3.7。二特点连续逆流操作，混合物可分离程度较高。三计算（１）设计型问题已知所用溶剂的组成S0、原料液量F和组成,在选定溶剂用量S或溶剂比S/F的条件下，规定分离要求，即最终萃余相中溶质组成xN，求所需理论级数N。多级逆流萃取过程中，离开每一级的萃取相和萃余相互成平衡，因此他们之间的关系利用平衡关系可以确定。若能通过物料衡算获得任意级萃余相Ri的组成xi和下一级萃取相Ei+1的组成yi+1之间的关系，多级逆流萃取问题可用类似精馏、吸收问题的计算方法进行求解。总物料衡算：（8.3.9）M点是F、S的和点，也是Ei、RN的和点（8.3.10）注意并不是共轭相。各级的物料衡算第一级第N级第i级（8.3.11）因此（8.3.12）i=0,1,2,……(N-1)D是系统中任一端的净流率，亦是系统中各级间的两股物流Ei+1和RN的流率之差，即其净流率，是一常数，可设想为流率为D的虚拟物流。在三角形坐标，根据杠杆定律，D是E1、F和S、RN的公共差点，因此由FE1和RNS两线的延长线交点即可确定D点。Ei+1和Ri联线的延长线亦交于D点，因此Ei+1RN线称为级联线，各条级联线必相交于同一点D，D点称为多级逆流萃取的极点。上述关系称方法：1．逐级图解过程如图8.3.8所示，在三角形相图利用溶解度曲线求解。Ri和Ei互成平衡关系，Ei+1和Ri符合操作关系。1）确定M点：由已知的F、S可确定M点。M=F+S（8.3.13）2）确定E1点：由已知的M、RN点，可确定E1点。9为多级逆流萃取的操作关系。（8.3.14）3）确定D点：由可确定D点。4）确定Ei点：由通过级联线可确定Ei+1点。由E1点通过平衡关系确定第一级萃余相组成点R1点，R1和D点联线和溶解度曲线相交于E2点,即为第二级萃取相组成点E2点，重复上述方法，交替使用平衡关系和操作关系，逐级求解，直至萃余相的组成，则N为所求的理论级数，所确定的Ri和Ei即为各级萃取相和萃余相的组成点。2．在直角坐标利用分配曲线求解1）确定平衡线：在直角坐标中画出物系的分配曲线。2）确定操作线：在三角形相图中给定的操作范围内，过极点D点画若干条级联线，与溶解度曲线相交于R1、E2；R2、