化工过程系统工程

TSHY4液液萃取4.1液液萃取过程4.2液液相平衡4.3萃取过程计算4.4萃取设备4.5萃取过程的新进展TSHY4.1液液萃取过程基本概念利用组分在两个互不相溶的液相中的溶解度差而将其从一个液相转移到另一个液相的分离过程称为液液萃取，也叫溶剂萃取，简称萃取。待分离的一相称为被萃相，萃取后成为萃余相，用做分离剂的相称为萃取相。萃取相中起萃取作用的组分称为萃取剂，起溶剂作用的组分称为稀释剂或溶剂。具有处理量大、分离效果好、回收率高、可连续操作以及自动控制等特点，因此得到了广泛的应用。TSHY4.1液液萃取过程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：铀等放射性元素、稀土、铜等有色金属、金等贵金属的分离和提取；磷和硼等无机资源的提取和净化；医药工业中的多种抗生素和生物碱的分离提取；食品工业中有机酸的分离和净化；环保处理中有害物质的脱除等。TSHY4.1.1特点和主要研究内容1.液液萃取过程的特点(1)萃取过程的传质前提是两个液相之间的相互接触；(2)两相的传质过程是分散相液滴和连续相之间相际传质过程。(3)两相间的有效分散是提高萃取效率的有效手段。(4)两相的分离需借助两相的密度差来实现。(5)液液萃取过程可以在多种形式的装置中通过连续或间歇的方式实现。TSHY4.1.1特点和主要研究内容2.液液萃取的主要研究内容(1)确定萃取体系包括被萃相体系和萃取相体系的构成，如被萃相的酸碱度、萃取相的稀释剂等。(2)测定相平衡数据分配系数和分离系数。(3)确定工艺和操作条件相比、萃取剂和稀释剂用量、被萃物浓度、萃取温度等。(4)萃取流程的建立完整的萃取和反萃流程。(5)设备的确定设备形式和结构。TSHY4.1.2萃取剂的选择和常用萃取剂1.萃取剂的选择(1)萃取剂应具备的特点①萃取剂中至少要有一个能与被萃物形成萃合物的官能团。常见的萃取官能团通常是一些包含N、O、P、S的基团。②萃取剂中还应包含具有较强亲油能力结构或基团，如长链烃、芳烃等，以利于萃取剂在稀释剂中的溶解，并防止被萃相对它的溶解夹带损失。TSHY4.1.2萃取剂的选择和常用萃取剂(2)萃取剂选择要点①选择性好表现为分离系数大。②萃取容量大表现为单位体积或单位质量溶解萃合物多。③化学稳定性强耐酸碱、抗氧化还原、耐热、无腐蚀。④易与原料液相分层不乳化、不产生第三相。⑤易于反萃或分离便于萃取剂的重复利用。⑥安全性好无毒或低毒、不易燃、难挥发、环保。⑦经济性好成本低、损耗小。TSHY4.1.2萃取剂的选择和常用萃取剂2.常用萃取剂①中性萃取剂包括含磷类、含氧类和含硫类重型萃取剂，如磷酸三丁酯(TBP)、甲基异丁基酮(MIBK)、二辛基亚砜(DOSO)等。②有机酸萃取剂包括有机磷酸、有机磺酸、羧酸等。③胺类萃取剂各种有机胺和胺盐。④螯合萃取剂各种有机螯合物、冠醚等。TSHY4.1.3萃取过程中的常用名词1.分配比达到萃取平衡时，被萃物在两相中的浓度比称为被萃物的分配比，也称为分配系数。其中，为被萃物A在萃取相（有机相）中的浓度；为被萃物A在被萃相（水相）中的浓度。分配比D的值越大，被萃物越容易进入萃取相。D通常不是常数，要受萃取体系和萃取条件的影响，应根据实验来测定；D=0，表示待萃取物完全不被萃取，D=∞，表示完全被萃取。)()(aAoAccD)(oAc)(aAcTSHY4.1.3萃取过程中的常用名词2.相比萃取体系中萃取相与被萃相的体积比。在连续萃取过程中，通常用两相的流比取代相比。为萃取相流量，为被萃相流量。)()(/aoVVR)(oV)(aVLGr/LGTSHY4.1.3萃取过程中的常用名词3.分离系数分离系数又称为分离因子，表示被萃相中两种物质可被某种萃取剂所分离的难易程度，它等于这两种物质在相同萃取条件下的分配比之比。与相对挥发度一样，分离系数值越远离1，两种物质越容易分离；反之则不容易。BADD/TSHY4.2液液相平衡略TSHY4.3萃取过程计算4.3.1萃取过程分析常用的工业萃取过程根据使用的设备通常分为逐级萃取过程和微分萃取过程。1.逐级萃取过程以多级混合澄清槽为萃取设备的连续萃取过程。特点是每一个萃取级构成一个平衡级，易实现过程分解、组合与控制。2.微分萃取过程以各种塔为萃取设备的连续萃取过程。特点是设备紧凑，操作简单，结构形式选择多；但易出现轴向返混，影响萃取效率。TSHY4.3.2逐级萃取过程1.逐级萃取过程分析(1)逆流萃取(2)错流萃取TSHY4.3.2逐级萃取过程2.逐级萃取过程的计算(1)麦克凯贝-赛尔图解法平衡线：由萃取平衡实验测得。操作线：斜率=L/G即，被萃相与萃取相的流量之比。萃取级数：阶梯作图法。TSHY4.3.2逐级萃取过程(2)逐级计算法逐级计算法是逐级萃取过程的基本计算方法，特别是各萃取级分配系数不同时，采用逐级计算法计算萃取过程所需理论级数和各级浓度分布是最常用和最稳妥的方法。在实际萃取过程中，经常会出现各级分配系数发生变化的情况，如用酸性萃取剂萃取电解质溶液中的金属离子时，随着金属离子量的增加，被萃相中的H+浓度会随之增大，导致被萃相的酸度逐级增大，因而影响到被萃离子在两相中的分配比。TSHY例4-2各级分配系数变化时的逐级计算水相料液(L)中含Cu2+为xf=2.5kg/m3，含H2SO4为Hf=1.0kg/m3；有机相为含萃取剂(LIX64)10%的煤油溶液(G)，由于是萃取反萃循环使用，其中残留Cu2+为yf=0.075kg/m3；两相体积流比为G/L=60/75；要求经多级逆流萃取后，萃余相中Cu2+的含量为x1=0.35kg/m3。计算流程所需的理论级数和逐级浓度分布。TSHY解例4-2①用LIX64萃取水相硫酸铜中的Cu2+反应式为：其中，R代表LIX64。在萃取过程中，当一个铜离子进入有机相，水相就会产生一个硫酸，因此，随着萃取过程的进行，水相的酸度会逐渐增大。②通过实验测定该萃取体系中，在不同硫酸浓度下Cu2+在水相和有机相中的平衡曲线。4224SOHCuR2HRCuSOTSHY解例4-2TSHY解例4-2③用xi、yi分别表示水相和有机相中的Cu2+浓度，Hi代表水相中硫酸的浓度。由于1molCu2+能生成1molH2SO4，根据它们的分子量比，相当于1kgCu2+可生成的H2SO4为：98/63.5=1.54kg。④对Cu2+做总物料衡算：即：LxGyLxGyffN1GLxLxGyyffN/)(160/)7535.0755.260075.0()(kg/m76.23TSHY⑤对H2SO4做总物料衡算：GyyLHLHfNf)(54.11LGyyHHfNf/)(54.1175/60)075.076.2(54.10.1)(kg/m31.43解例4-2TSHY解例4-2⑥逐级平衡计算根据萃取过程，第一级的有机相浓度应与水相浓度形成平衡，因此，由x1和H1，从平衡图上查得y1=1.11kg/m3。对第一级做物料衡算：计算x2和H2得：根据x2和H2查平衡图，得：y2=2.24kg/m3.LxGyLxGyf112)(kg/m18.175/)60075.07535.06011.1(32xGyyLHLHf)(54.1112)(kg/m04.375/60)075.011.1(54.131.432HTSHY解例4-2对第二级做物料衡算：计算x3和H3得：根据x3和H3查平衡图，得：y3=2.76kg/m3。LxGyLxGy2231)(kg/m08.275/)6011.17518.16024.2(33xGyyLHLH)(54.11223)(kg/m65.175/60)11.124.2(54.104.333HTSHY解例4-2对第三级做物料衡算：计算x4和H4得：从计算结果可知，x4=xf、H4≈Hf，因此，该萃取过程只需三级平衡萃取就能完成。LxGyLxGy3342)(kg/m50.275/)6024.27508.26076.2(34xGyyLHLH)(54.12334)(kg/m01.175/60)24.276.2(54.165.134HTSHY4.3.2逐级萃取过程(3)代数公式法假设两相不互溶，且被萃物在各平衡级的分配比D相同。对第一级作物料衡算：按平衡关系，，代入上式整理得：令，，则有：即：LxGyLxGyf21111DxyLGDxyxxf/)(121DLGLGn121xnyxxf121nyxxfTSHY4.3.2逐级萃取过程对第二级作物料衡算：按平衡关系，，代入上式整理得：即：将x1表达式代入，得：LxGyLxGy132222Dxy2312xnyxx1312nyxx2321)1(nyxxfTSHY4.3.2逐级萃取过程同样，对第三级作物料衡算可得：对第N级作物料衡算，得：322431)1(nyxxfNNffNnyxx2121)1(TSHY4.3.2逐级萃取过程用等比数列求和公式，且，则可得：对上式两边同时用xf相减：通分整理得：Dn111111NNfNffNfDyxxxx1/11NNffNfDyxxx111111111111NNfNfNNfNfNDyxnyxxTSHY将两边同时用1相减：通分整理得：于是可得到萃取所需要的理论级数为：克莱姆赛——休特（Kremser-Souder）方程式11//1NfffNDyxDyxlg111//lgDyxDyxNfNff11/111NNffNfDyxxx4.3.2逐级萃取过程TSHY4.3.2逐级萃取过程3.萃取效率的描述(1)萃余率(2)萃取率(3)平均级效率fNaxxafNfNfexxxxxx11NNEaexex1TSHY4.3.2微分逆流萃取过程采用类似于吸收原理和计算方法可得：(1)传质单元高度(2)传质单元数(3)总传质高度aAkLaxax)HTU(aAkGoyoy)HTU(12*)NTU(xxaxxxdx12*)NTU(yyoyyydyaxaxH)NTU()HTU(oyoyH)NTU()HTU(TSHY4.4萃取设备4.4.1萃取设备的分类TSHY4.4.2萃取设备的选择萃取设备的选择除技术因素外，还包括以下主要因素有：(1)系统物性(2)处理量(3)理论级数(4)设备费用(5)生产场地(6)操作者素质TSHY4.4.2萃取设备的选择TSHY4.4.5萃取流程和设备的设计1.流程的设计(1)逐级萃取与反萃流程的组合TSHY4.4.5萃取流程和设备的设计(2)微分萃取与反萃流程的组合TSHY4.4.5萃取流程和设备的设计(3)萃取与其他分离过程的结合TSHY4.4.5萃取流程和设备的设计2.设备的设计(1)两相的分散与聚并分散区：通常情况下选择被萃物浓度低的一相作为连续相先注入设备的分散区内，启动分散机制后再同时通入分散相和连续相。分散区的大小应满足两相实现要求传质量的接触时间(停留时间)。分散相分散粒径越小，传质面积越大，但聚并将越困难。聚并区：在分散区内完成传质过程的两相需要在相对平稳的区域内进行聚并分相，以便于两相分离。聚并区的大小应满足分散相完全迁移聚并的时间，并设置分散相的连续排出机制。TSHY4.4.5萃取流程和设备的设计(2)多级萃取或反萃设备——混合澄清槽TSHY4.4.5萃取流程和设备的设计设计要点①混合池容积与处理能力和相比有关，