化工原理(下)萃取

第十一章液—液萃取对单级萃取进行简单计算本章学习安排萃取过程的简单介绍讨论相平衡及基本原理介绍萃取设备1234介绍超临界萃取5液液萃取石油化工中广泛应用是利用各种物质在适当溶剂中溶解度的差别来分离混合物的单元操作萃取液-液萃取:如用苯分离煤焦油中的酚稀醋酸水溶液的提浓等固-液萃取:也叫浸取如用水浸取甜菜中的糖类；用酒精浸取黄豆中的豆油以提高油产量等生活中洗衣服只给一盆水怎样能使衣服洗的更干净？多级萃取单级萃取第一节、概述一、定义：液—液萃取是分离液体混合物的重要单元操作之一，又称溶剂萃取。该方法是利用原料液中组分在适当溶剂中溶解度的差异而实现分离的单元操作。（或在欲分离的液体混合物中加入一种与其不溶或部分互溶的溶剂，形成两相系统，利用混合液中各组分在两相中分配性的差异，易溶组分较多地进入溶剂相,从而实现混合液的分离。）可见，在液—液萃取中至少涉及三个组分本章只讨论三元物系的液-液萃取以A表示在萃取剂中溶解度大的组分。以B表示原溶剂，在萃取剂中不溶解或部分溶解的组分溶质稀释剂萃取剂以S表示所选用的外加溶剂（或称之为溶剂）应对原料液中一个组分有较大的溶解能力以R表示沉降、分层后，含稀释剂（B）多的一相萃余相萃取相以E表示加入萃取剂后使混合物混合均匀，沉降、分层其中含萃取剂（S）多的一相以R’表示用精馏等方法从萃余相中脱除萃取剂后的液体萃余液萃取液以E’表示用精馏等方法从萃取相中脱除萃取剂后的液体用溶剂从液体混合物中提取其中某种组分的操作称为液/液萃取。萃取是利用溶液中各组分在所选用的溶剂中溶解度的差异，使溶质进行液液传质，以达到分离均相液体混合物的操作。萃取操作全过程可包括：1．原料液与萃取剂充分混合接触，完成溶质传质过程；2．萃取相和萃余相的分离过程；3．从萃取相和萃余相中回收萃取剂的过程。通常用蒸馏方法回收。二、萃取与精馏比较：相同：都是分离液态混合物的单元操作不同：精馏是利用组分挥发度的差异完成混合物分离,萃取是利用溶解度差异没完成混合物分离，只是将难分的转为易分的。三、萃取操作应用的场合：1、稀溶液且溶质为难挥发组分：此时用精馏耗能量大（∵大量溶剂从塔顶蒸出），用萃取则降低能耗（尽管萃取后还要分离）。如：稀醋酸水溶液加醋酸乙酯制无水醋酸。2、混合液中各组分的相对挥发度接近“1”，或形成恒沸物：此时用精馏难分，即使能分所需NT也很大，不经济，用萃取有利。如：分离石油裂解气（苯、甲苯、二甲苯等）3、热敏性物系：采用精馏要减压操作，不经济，用萃取可避免物料受热破坏。如：制药工业中青霉素等的制备。4、其他：稀有金属的提炼、环境污染的治理等。四、三元液—液萃取分类（A与B是互溶的均相物系）第Ⅰ类：A与B、S完全互溶，B、S为一对部分互溶组分：（此类物系的萃取相和萃余相一般均为三组分溶液）第Ⅱ类：A、B完全互溶，B、S及A、S为两对部分互溶组分以下主要讨论第Ⅰ类物系五、两相的接触方式微分接触：级式接触：作业：1、2第二节、液—液相平衡与萃取操作原理组分在液—液相之间的平衡关系是萃取过程的热力学基础，它决定过程的方向、推动力和过程的极限。因此了解混合物的液液平衡关系,是理解与掌握萃取过程的最基本条件。由相律（F=C-P+2=3-2+2=3）可知：三组分液—液萃取体系平衡时的自由度数为3。这就是说，平衡时有三个可以自由变化的参数。所以相平衡关系只能用三角形相图来表示。一、组成在三角形相图上的表示方法：三角形相图可用等边、等腰直角和非等腰直角三角形表示，其中等腰直角较方便，若线条较密时，可采用非等腰直角将一边放大。各组分的浓度本章均以质量%表示。（也可用摩尔%）三角形的三个顶点分别代表纯组分A、B、S（100%）；三角形的三条边分别代表一个二元物系，每边等分100份；即：xA+xB=1或xA+xS=1或xB+xS=1三角形内任意一点代表一个三元混合物过M点做三条边的平行线二、三角形相图中的平衡关系：1、溶解度曲线和连接线：（1）溶解度曲线：（类似于精馏中的t-x-y图）在一定温度下由实验测得，有多种方法。介绍两种（教材上为另一种）：1、因为A与B、S完全互溶，而B、S部分互溶，所以当B、S以任意比例混合时，必然得到两个互不相溶的液层，各层的坐标分别为图中的点L、J。若在B、S混合物组成为C的溶液中逐渐加入组分A，体系成为三元混合液，但其中B、S质量比为常数，则三元混合液的组成点将沿AC线变化。若加入A的量恰好使混合液由两个液相变为均一相时，相应组成坐标如C‘点所示，点C’称为混溶点或分层点。再于总组成为D、F、G等二元混合液中按上述方法做实验可分别得到混溶点D‘、F’、G‘，连接L、C‘、D‘、F’、G‘及J诸点的曲线为在实验温度下该三元物系的溶解度曲线。2、结论：1*B、S物系一定，两相组成一定，即：L、J点位置一定；B、S混合物的比例不同，混溶点位置不同。2*若B、S完全不互溶，则点L、J分别与三角形的顶点B、S重合。3*溶解度曲线的“口”在哪条边上，哪条边上的两组分就为部分互溶或完全不互溶。（2）连接线溶解度曲线将三角形分为两个区，曲线以内为两相区，以外为均相区。两相区内的混合液分为两个液相，平衡时两液层称为共轭相（萃取相E和萃余相R，类似于t-x-y图中等温线上的组成x，y），连接共轭液相组成坐标的直线称为连接线。讨论：1*萃取操作只能在两相区内进行。2*一定温度下，同一物系的连接线方向一般是一致的，但随溶质组成而变，即各连接线互不平行。（少数物系连接线的倾斜方向也会改变，如：吡啶—氯苯—水系统）2、辅助曲线和临界混溶点（1）辅助曲线：连接线是有限的（因为要通过实验），在萃取过程中往往要知道任意一对共轭相的组成，即已知一相，求与其平衡的另一相的组成，这时需借助辅助曲线。根据已知的萃取相E和萃余相R的平衡数据，分别做AB边和BS边的平行线，诸线分别相交，连接交点的曲线即为辅助曲线。（如果无辅助曲线只好用内差法求x，y）（2）临界混溶点：将辅助曲线延长外推与溶解度曲线相交于P点，则P点为临界互溶点。（清华大学教材）（在B、S混合物中加入A至某一浓度，使共轭两相的组成无限趋近而变为一相，表示这一组成的P点为临界混溶点？）该点一般不在溶解度曲线的最高点。P点将溶解度曲线分为两半，右侧代表平衡状态下萃取相组成，yA与yS满足某种函数关系,即yS=f（yA）；（E相）左侧代表平衡状态下萃余相组成，xA与xS也满足某种函数关系，即xS=f（xA）。（R相）而：yB=1-yA-yS；xB=1-xA-xS在一定温度下，三元物系的溶解度曲线、连接线、辅助曲线及临界互溶点的数据可由实验测得，也可从有关专著中查得。3、物料衡算与杠杆定律：（1）在两相区内任取一点M（代表一三元混合液）必分成平衡的两相E、R反之，将E、R两相混合，则总组成必是M点∴称M为和点，E、R为差点，M、E、R必在一条直线上，其数量关系满足杠杆定律：E（质量）/R（质量）=MR（长度）/ME（长度）（2）若一三元混合物是由F（A+B）+S构成则M点必在FS连线上，且随S加量的增加向S点靠拢，而其余A、B两组成的相对比值不变，同样有：S/F=FM/MS4、分配系数与分配曲线（1）分配系数：kA(kB)在一定温度下，当三元混合液的两个液相达到平衡时，溶质在E相与R相的组成之比称为分配系数以kA表示。类似吸收的相平衡常数：m=yA/xA精馏的挥发度：VA=PA/xA当kA＞1时:连接线方向当kA＜1时:连接线方向当kA=1时:连接线平行于BS边，表示溶质A在E、R相中浓度相等（三种情况下均可萃取）kA与连接线斜率有关kA越大对萃取越有利不同物系有不同的kA值，kA一般不是常数，其值随温度、组成而异。∴影响kA的因素有：物性、温度、溶质浓度（2）分配曲线：(类似于精馏中x-y图）将三角形相图中各平衡相对应的溶质浓度x、y转移到直角坐标上所得到的曲线称分配曲线。分配曲线上任意一点的坐标x，y为一对平衡组成，满足某种函数关系yA=f（xA）。分配曲线上任意一点切线的斜率就是y、x浓度下的k值。若随溶质A浓度的变化，连接线发生倾斜方向改变，则分配曲线将与对角线出现交点。这种体系称为等溶度体系。相当于精馏的恒沸体系5、温度对相平衡关系的影响通常温度降低，S与B的互溶度减小，对萃取过程有利。温度变化不仅明显地影响溶解度曲线的形状、连接线的斜率和两相区面积和分配曲线的形状，也同时改变萃取操作的有关其他物理性质，如粘度、表面张力等。萃取操作选什么温度应仔细考虑。第二次课提问：1、溶解度曲线和连接线2、辅助曲线和临界混溶点P3、物料衡算和杠杆原理4、分配系数K和分配曲线第一次课小结：1、溶解度曲线——t-x-y图中的露点线、泡点线以P点（临界混熔点）将曲线分成两半：右ys=φ(yA)----萃取相（露点线）左xs=φ(xA)----萃余相（泡点线）2、连接线——t-x-y图中的等温线连接线端点的组成——yA、xA等温线两端点组成——yA、xA（但连接线不一定平行、水平等温线水平）3、辅助曲线：求共轭组成4、分配系数：KA=yA/xA精馏中的挥发度VA=PA/xA吸收中的平衡常数m=yA/xA反映连接线斜率5、分配曲线——x-y图中的平衡曲线2、单级萃取分离效果：过S点做溶解度曲线的切线，交AB边得E0max，是单级萃取可能得到的最大浓度萃取液，其浓度为y0max而萃余相中萃余液的浓度取决k，k大则x0小。y0max和x0的数值取决于以下因素：连接线斜率和分层区范围，这与操作温度和萃取剂的性质有关第三节萃取剂的选择从以上分析可见，萃取剂的性质和选择很重要。对萃取剂要求：既要分散好，又要分层快；与B互溶度要小；回收要方便。这些性质决定了该萃取剂能否工业化。从以下几方面讨论：一、选择性系数β：（萃取剂选择性）如前述，当kA＞1、＜1、＝1三种情况下均可萃取，但并没表明S与B的互溶情况对萃取的影响，我们希望萃取剂能尽可能多地溶解A，尽可能少地溶解B，认为这样的溶剂选择性好，引入选择性系数β：表示溶质A在两相中的浓度差异类似于精馏中的α但β关系式中涉及的是三元混合物的浓度，为了更接近α，将x、y的关系改成x0、y0的关系。若将E、R相分别脱除萃取剂S，则两相中A、B的相对比值不变，即：萃取液中两组分浓度比=萃取相中两组分浓度比（yA0/yB0）=（yA/yB）萃余液中两组分浓度比=萃余相中两组分浓度比（xA0/xB0）=（xA/xB）∴β=（yA0/yB0）/（xA0/xB0）又∵xA0+xB0=1，yA0+yB0=1∴yA0=βxA0/[1+（β-1）]xA0（类似于相平衡方程）β＞1，（yA/yB）＞（xA/xB）有利于萃取Aβ＜1，（yA/yB）＜（xA/xB）有利于萃取Bβ＝1，（yA/yB）=（xA/xB）萃取相中A、B浓度之比和萃余相中A、B浓度之比相等（类似于精馏中的恒沸物）平衡连接线的延长线过S点，不能萃取分离。β值→∞,B与S互不相溶β值与kA有直接关系，kA越大，β也越大。凡影响kA的因素（如温度、浓度）也同样影响β。一般情况下B在萃余相中的浓度总是比萃取相中高，所以萃取操作中，β值均应大于1。β越大，越有利于组分的分离。例11-1，P159三、萃取剂物性的影响：1、萃取剂与被分离物密度差：密度差越大，分层越快，设备的生产能力越强（特别是对没有外加能量的萃取设备，即靠密度差分层）。2、两液面间的界面张力：物系界面张力大，分散相液滴易聚结，有利于分