萃取

3.1萃取工艺条件的确定和萃取设备的选择3.2萃取工业案例分析与讨论具体任务•1、确定丙酮-水体系中丙酮的分离方案；•2、确定萃取剂用量及相关工艺参数；•3、确定萃取操作设备；•4、分析萃取操作的影响因素，确定工艺控制方案萃取的基本概念•“萃取”就是在液体混合物（原料液）中加入一个与其基本不相混溶的液体作为溶剂，造成第二相，利用原料液中各组分在两个液相中的溶解度不同而使原料液混合物得意分离的单元操作，亦称溶剂萃取，简称萃取或抽提。•萃取包括双水相萃取、反胶束萃取、超临界萃取、固相萃取工业常见的萃取操作流程萃取概述原料A+B萃取剂S萃取相E萃余相R萃取剂S萃取液E萃余液R萃取剂S图12-1（a)常见的萃取操作流程•原料液，用F表示•原混合物中与萃取剂不互溶或仅部分互溶的组分称为原溶剂，用B表示•用于从原溶剂中萃取一种或多种溶质的不互溶的液体称为萃取剂，用S表示•混合物中被分离出的组分是溶质，用A表示•萃取相，用E表示•萃余相，用R表示•萃取液，用E'表示•萃余液，用R'表示在本题中：丙酮物理性质：无色液体，气味（辛辣甜易挥发。能与水、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、氯仿、乙醚及大多数油类混溶。相对密度0.7845•三氯乙烷物理性质：外观与性状：无色透明易流动液体，有芳香气味，极易挥发。•相对密度（水=1）：0.80•有芳香气味，不溶于水，能与醇、醚、苯、氯仿、丙酮、乙酸乙酯、四氯化碳等有机溶剂互溶，能溶解油脂、润滑油、蜡。有硫酸存在时，在加压升温条件下会水解。不燃，化学稳定性好，耐压性高,电导率低。清洗效果良好，可用于超声波机器清洗和手工清洗•结论：三氯乙烷能做到丙酮与水分离且不溶于水，用它做萃取剂，以此来分离丙酮和水。萃取操作应用场合（1）溶质A的浓度很稀，且B是易挥发组分，此时以蒸馏法回收A的单位能耗大如：从稀苯酚水溶液中回收苯酚；（2）当溶液是恒沸物或分离组分的沸点很接近时；（3）热敏性物质如：生化药物、食品、香料等；（4）湿法冶金、环境治理等。萃取概述液液萃取在工业上的应用1、在石油化工中的应用随着石油化工的发展，液液萃取已广泛应用于分离各种有机物质。轻油裂解和铂重整产生的芳烃混合物的分离是重要的一例。该混合物中各组分的沸点非常接近，用一般的分离方法很不经济。工业上采用Udex、Shell、Formex等萃取流程，分别用环丁砜、四甘醇、N-甲基吡咯烷酮为溶剂，从裂解汽油的重整油中萃取芳烃。对于难分离的乙苯体系，组分之间的相对挥发度接近于1，用精馏方法不仅回流比大，塔板还高达300多块，操作费用极大。可采用萃取操作以HF-BF3作萃取剂，从C8馏分中分离二甲苯及其同分异构体。萃取概述2、在生物化工和精细化工中的应用在生化药物制备过程中，生成很复杂的有机液体混合物。这些物质大多为热敏性物质。若选择适当的溶剂进行萃取，可以避免受热损坏，提高有效物质的收率。例如青霉素的生产，用玉米发酵得到含青霉素的发酵液，以醋酸丁酯为溶剂，经过多次萃取可得到青霉素的浓溶液。此外，象链霉素、复方新诺明等药物的生产采用萃取操作也得到较好的效果。香料工业中用正丙醇从亚硫酸纸浆废水中提取香兰素，食品工业中用TBP从发酵液中萃取柠檬酸也得到了广泛应用。可以说，萃取操作已在制药工业、精细化工中占有重要的地位。液液萃取在工业上的应用3、在湿法冶金中的应用20世纪40年代以来，由于原子能工业的发展，大量的研究工作集中于铀、钍、钚等金属提炼，结果使萃取法几乎完全代替了传统的化学沉淀法。近20年来，由于有色金属使用量剧增，而开采的矿石中的品位又逐年降低，促使萃取法在这一领域迅速发展起来。例如用溶剂LIX63-65等螯合萃取剂从铜的浸取液中提取铜是20世纪70年代以来湿法液化金的重要成就之一。目前一般认为只要价格与铜相当或超过铜的有色金属如钴、镍、锆等等，都应当优先考虑用溶剂萃取法进行提取。有色金属冶炼、已逐渐成为溶剂萃取应用的重要领域。液液萃取在工业上的应用•萃取与其他分离溶液组分的方法相比，优点在于常温操作，节省能源，不涉及固体、气体，操作方便。萃取在如下几种情况下应用，通常是有利的：•①料液各组分的沸点相近，甚至形成共沸物，为精馏所不易奏效的场合，如石油馏分中烷烃与芳烃的分离，煤焦油的脱酚；•②低浓度高沸组分的分离，用精馏能耗很大，如稀醋酸的脱水；•③多种离子的分离，如矿物浸取液的分离和净制，若加入化学品作分部沉淀，不但分离质量差，又有过滤操作，损耗也大；•④不稳定物质（如热敏性物质）的分离，如从发酵液制取青霉素。萃取的应用，目前仍在发展中。元素周期表中绝大多数的元素，都可用萃取法提取和分离。液液萃取的基本流程根据混合液中欲分离组分在萃取剂中溶解度差别的大小和要求分离程度的高低，萃取过程可以分为单组分萃取（简单萃取）与双组分萃取（回流萃取）两种类型。1、单组分萃取（1）单级萃取或并流接触萃取（2）多级错流萃取（3）多级逆流萃取（4）连续逆流萃取2、双组分萃取分离——回流萃取三角形相图萃取过程牵涉到两相间物质传递，故需讨论两相间的相平衡关系。若萃取剂S与稀释剂B完全不互溶或溶解度在操作范围内可忽略不计，那么萃取相只有A+S，萃余相只有A+B，其平衡关系与吸收类似，可以用直角坐标表示；然而常见的是S与B属于部分互溶，此时萃取相有A+S+B，萃余相有A+B+S，故每相都含三个组分，其平衡关系要用三角形相图(triangulardiagram)来表示。三角形相图分为正三角形和直角三角形，各组分在相图上坐标组成用质量百分率(massfraction)表示。三元组成的表示法三角形相图A：溶质B：稀释剂S：萃取剂BSA2040608020204040606080HB，%EPUZVFGQS%A%B%图12-2（a）正三角形相图SG+GH+HB=SB%B+%A+%S=100%点P组成按上述长度为A：30%B：50%S：20%1、正三角形相图三元组成的表示法A：溶质B：稀释剂S：萃取剂BASP2020404060608010080A，%S，%HQUVZE图12-2（b）直角三角形相图边BA与边BS垂直、萃取剂S的标尺改在底边、原稀释剂B标尺改在与斜边平行的各条线上。由两坐标上查得%S和%A后，按下式计算B：%B=100%-%A-%S同样点P组成为：A：30%B：50%S：20%2、直角三角形相图三元组成的表示法BSA2040608020204040606080HB，%EPUZVFGQS%A%B%BASP2020404060608010080A，%S，%HQUVZE三角形相图中的杠杆定律（比例定律）三角形相图A：溶质B：稀释剂S：萃取剂BSA2040608020204040606080HB，%EPUZVFGQS%A%B%图12-2（a）正三角形相图U、V——混合液U及V的量，kgZU、ZV——线段ZU、ZV的长度杠杆定律指在U的液体中加入另一组成的V液体，混合液组成点Z必然落在UV上，点Z满足以下关系：ZU/ZV=V/U（12-1）三角形相图中的杠杆定律（比例定律）三角形相图中的杠杆定律应用举例：如图所示，一组A、B二元溶液组成以F点表示，加入溶剂S，根据杠杆定律那么所得三元混合液总组成将位于FS连线上P点，且各点间满足以下关系：PF/PS=S/FS加入越多，P点朝顶点S移动ABFPS图12-3杠杆定律示例QX1X2X3SXQXSXPXSXFXB%A%332211A、B的比例不因S的加入而变化三角形相图中的相平衡关系（温度一定）三角形相图ABSPMQR1R2R3E1E2E3M1M2M3J溶解度曲线，实验测定联结线或共轭线PQR1E1R2E2…均相区两相区图12-4三角形相图上的联结线和溶解度曲线1、共轭线与溶解度曲线2、三角形相图中辅助线的作法及应用:R1E1、R2E2、R3E3连线都有一定斜率，故K点一般不是溶解度曲线顶点。三角形相图中的相平衡关系（温度一定）S临界混溶点或褶点ABPQR1R2R3E1E2E3KB%ERC1C2C3C图12-5辅助线的作法及应用分配系数kAxyk）中的组成在萃余相（溶质）中的组成在萃取相（溶质RAEAAy---质量分率或质量浓度（kg/m3）x---质量分率或质量浓度（kg/m3）掌握：分配系数值对分离效果影响kA=1,y=x，联结线与底边平行kA1,yx，联结线斜率大于零kA1,yx，联结线斜率小于零kA绝对值越大越有利于萃取分离三角形相图SABPQR1R2R3E1E2E3KB%ERC1C2C3CkA1，说明水不是一个优良的萃取剂，但价廉易得。平衡组成：酯相：30%A，59%B，11%S；水相：24%A，13%B，63%S。A(丙酮)B(醋酸乙酯)S(水)101010202020303030404040505050606060707070808080909090B%三角形相图原料F萃取剂S萃取相EM萃余相R萃余液R萃取液ESSR、E组成计算：R+E=F+SR/E=ME/MRR’、E’组成计算：E’+R’=FE’/R’=FR’/FE’三角形相图在单级萃取中的应用SABRR’FE’EMEmE’m图12-8单级萃取的正三角形图解萃取剂的选择1、选择性yA/yB——萃取相中A、B的组成之比xA/xB——萃余相中A、B的组成之比β——选择性系数若β=1，则yA/yB=xA/xB，萃取相和萃余相在脱除溶剂后的萃取液和萃余液具有同样的组成，也与原料相同，故无分离作用。β愈大愈有利于萃取分离。ABBABBAABABA////xyxyxyxyxxyy（12-5）BABBA/kkxykBBB/xyk（12-6）B在萃取相与萃余相间的分配比例，即B的分配系数萃取剂的选择对于S与B部分互溶的体系，β的大小反映互溶度的大小。互溶度越小，β越大，对萃取有利。ASBEmEmax（a）SABE’mE’max（b）2、影响分层的因素（萃取剂的物理性质）（1）密度（2）界面张力（3）粘度4、萃取剂回收的难易常用精馏方法分离萃取相及萃余相的溶剂S，要求S与其他组分的相对挥发度大，不形成恒沸物。若S为易挥发组分，或因溶质几乎不挥发，则采用蒸发法分离，希望S的汽化潜热小。萃取剂的选择3、萃取剂的化学性质具有良好的化学稳定性，不易分解、聚合，并应有足够的热稳定性和抗氧化稳定性，对设备腐蚀性要小。5、其他萃取剂的价格、来源、毒性以及是否易燃易爆等，蒸汽压低，减少汽化损失。萃取剂的选择6、温度对萃取剂性能的影响温度升高，溶解度增加图12-8温度对两相区大小的影响萃取操作的流程和计算若要对原料液进行较完全的分离，单级萃取往往达不到要求，需用多级萃取。多级萃取的每一级中都应满足以下要求：（1）为萃取剂与原料液提供密切接触的机会，以利于两相间的传质。（2）使混合后的两液相较完全地分为轻重两个液层，以便于进一步处理。（3）需要溶剂回收设备，以得到所需的分离产品，并使萃取溶剂能循环使用。原料A+B萃取剂S萃取相E萃余相R1、原溶剂和萃取剂部分互溶的体系单级萃取SABRR’FE’EMEmE’m图12-8单级萃取的正三角形图解R、E的计算：R+E=F+SR/E=ME/MRR’、E’组成计算：E’+R’=FE’/R’=FR’/FE’S用量的计算：S=F（MF/MS）原料A+B萃取剂S萃取相E萃余相R单级萃取SABRR’FE’EMEmE’m图12-8单级萃取的正三角形图解物料衡算：MERSFMxEyRxSyFxMERSFREMERERMSMMF)()()(xyxyMRxyxxMEyxxxFS原料A+B萃取剂S萃取相E萃余相R单级萃取SABRR’FE’EMEmE’m图12-8单级萃取的正三角形图解同理可得萃取液和萃余液的量REFERERF)()(xyxyFRxyxxFE单级萃取SABRFEM单级萃取的最小与最大萃取剂用量DGGSFGFSDSFDFSmaxmin单级萃取的最小与最大萃取剂用量MRESFN1S=F(MF/MS)E1/RN=MRN/ME1R’、E’计算：E’+R’=