液液萃取下册

（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。液-液萃取在工业中的应用在石油化工中的应用：如用酯类溶剂萃取乙酸，用丙烷萃取润滑油中的石蜡。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，不能采用一般的蒸馏方法。若进行萃取操作，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。香料工业中用正丙醇从亚硫酸纸浆废水中提取香兰素（精细化工方面）1．有关萃取几个基本概念:•(1)萃取剂(溶剂)：所用的溶剂。(S)•(2)溶质：原料液中易溶于溶剂的组分。(A)•(3)原溶剂：原料液中较难溶于溶剂的组分（稀释剂）。(B)2．对萃取剂的基本要求:（1）溶剂不能与被分离混合物完全互溶，只能部分互溶；（2）溶剂具有选择性，即溶剂对A、B两组分具有不同的溶解度；（3）溶剂与被分离混合物有一定的密度差；（4）溶剂应易于回收，且价格低廉。•3.萃取过程的简单流程:•混合过程:F（A+B）及S充分接触,组分转移；•澄清过程:形成两相,由于密度差而分层。两相萃取相E,y——溶剂相中出现(S+A+B)萃余相R,x——原料液中出现溶剂(B+S+A)脱除溶剂使萃取相脱除溶剂得萃取液E’,y’萃余相脱除溶剂得萃余液R’,x’4.萃取后组成之间的变化:萃取后:BABAxxyy,,AAxy结果,使组分得到一定程度的分离。4.2.1三元体系的液-液相平衡由于液-液萃取两相通常为三元混合物，故其组成和相平衡关系常用三角形坐标图来表示。4-2-1组成在三角形相图上的表示方法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)。等边三角形；直角三角形等；等腰直角三角形（常用）习惯表示法：（1）各顶点表示纯组分；（2）每条边上的点为两组分混合物；（3）三角形内的各点代表不同组成的三元混合物。K点：5.0Ax5.0BxP点：3.0Ax2.0Bx5.0Sx1ix组成符合归一性4.2.2液-液相平衡关系根据萃取操作中各组分的互溶性，可将三元物系分为以下三种情况。（1）溶质A完全溶于溶剂S和原溶剂B，但B与S不互溶；（2）溶质A完全溶于溶剂S和原溶剂B，但B与S为部分互溶；（3）溶质A完全溶于原溶剂B，但A与S及B与S为部分互溶。习惯上，将溶质A可完全溶于B及S，但B与S为部分互溶或完全不互溶的三元混合物系即（1）、（2）称之为第一类物系。而将形成两对部分互溶组分的三元混合物系即（3）称之为第二类物系。第一类物系在萃取操作中较为常见。1溶解度曲线和联结线设溶质A完全溶于溶剂S和原溶剂B，但B与S为部分互溶。溶解度曲线将混合物的整个组成范围分成两个区域，曲线内是两相区，曲线外是单相区或均相区。当达到平衡时，两个液层称为共轭相，联结共轭液相组成坐标的直线称为联结线。2、辅助曲线和临界混溶点由于实验数据有限，三角形相图中的有限条联结线不能满足萃取操作的需要时，可借助辅助曲线确定任一点的平衡关系。辅助曲线也可称为共轭曲线。辅助曲线和溶解度曲线的交点K就是临界混溶点。K点将溶解度曲线分为两部分，靠近溶剂S一侧为萃取相部分，靠近原溶剂B一侧为萃余相部分。利用辅助曲线就可以从已知的液相组成确定与其呈平衡的另一液相组成。在一定温度下，三元物系的溶解度曲线、联结线、辅助曲线及临界混溶点的数据都是由实验测得，也可从手册或文献中查得。3、分配系数和分配曲线1)分配系数分配系数是指在一定温度下，某组分在互相平衡的E相与R相中的组成之比。AAAxykBBBxykAyBy——萃取相E中组分A、B的质量分数；AxBx——萃余相R中组分A、B的质量分数。kA值越大，萃取分离的效果越好。不同物系具有不同的分配系数kA值；同一物系，kA值随温度而变，在恒定温度下，kA值随溶质A的组成而变。只有在温度变化不大或恒温条件下kA值才可近似看作常数。2)分配曲线将共轭相中溶质A的平衡组成直接标绘在直角坐标中，或将三角形相图中溶质A的平衡组成转换到直角坐标中，就能获得分配曲线。分配曲线实际上表达了溶质A在两相的平衡关系。由于分配系数大于1，故分配曲线位于对角线的上侧。4、温度对相平衡关系的影响通常物系的温度升高，各组分的溶解度增大，两液相的互溶度增大，单相区扩大，两相区缩小，溶解度曲线的形状和联结线斜率都发生改变，不利于萃取操作。4.2.3、杠杆规则质量分别为R和E的两种三元混合物两者混合后形成的新的混合物MM点称为R、E点的和点。R点称为M、E点的差点。E点称为M、R点的差点。MERMRERMRMEEERMRME注意：图中R、E代表液相组成的坐标，而杠杆规则中的R、E代表液相的质量或质量流量。若于A、B二元料液F中加入纯溶剂S，则混合液总组成的坐标点M点沿SF线而变，具体位置有杠杆规则确定。FSMSMFMSFSMFSFMASFMERE’R’萃取过程在三角相图上的表示EFRFRE4.2.4萃取剂的选择萃取剂的性质直接影响萃取操作的经济性，因此选择适宜的萃取剂是萃取操作的关键。1、萃取剂的选择性和选择性系数萃取操作中要求萃取剂对溶质具有较大的溶解度，对其它组分具有较小的溶解度。这种选择性的大小或选择性的优劣通常用选择性系数衡量。BBABABAyxkxxyy//,,,,//BABAxxyy（脱除溶剂后，A，B组分含量比不变。）或选择性系数类似于蒸馏过程的相对挥发度，反映了A、B组分溶解于溶剂S的能力差异。对于萃取操作，越大，分离效果越好，应选择远大于1的溶剂。若=1BBAAxyxyBAkk或即萃取后脱除溶剂的萃取液和萃余液具有相同的组成，且等于原料液的组成，说明原料液经过萃取操作组成未发生变化，因此该萃取过程没有分离效果。所以接近于1，萃取操作的分离能力很差，此类溶剂不宜选择用于萃取操作。2、萃取剂S与原溶剂B的互溶度萃取剂与原溶剂的互溶度越小，两相区越大，萃取操作的范围越大。3、萃取剂回收难易与经济性萃取过程萃取剂的回收费用是整个操作的一项关键经济指标。因此有些溶剂尽管其它性能良好，但由于较难回收而被弃用。溶剂的回收一般采用蒸馏的方法。若溶质组分不宜挥发或挥发度较低，常采用蒸发、闪蒸等方法。4、萃取剂的其他物性影响萃取过程的主要物理性质有液-液两相的密度差、界面张力和液体粘度等。两相密度差大，有利于两相的分散和凝聚，促进两相相对运动。若界面张力较小，有利于分散，不利于凝聚，表面张力过小，液体易乳化，不宜两相分离。界面张力较大，有利于凝聚，不利于分散，相际接触面减少。粘度较低时，有利于两相的混合和传质，还能降低能耗。此外，萃取剂应具有良好的稳定性，不宜分解、聚合或和其它组分发生化学反应。P202例4-1（重点）4.3萃取过程的计算液-液萃取操作设备分级接触式萃取中连续接触式分级接触式多级逆流萃取多级错流萃取多级萃取单级萃取理论级：如果单级萃取操作能使两相达到相平衡，形成互呈平衡的液-液两相，这样的萃取接触设备称为一个理论级。（类似蒸馏中的理论板）注意：实际接触级的分离能力很难达到理论级的分离能力，因此理论级是一种理想状态，实际需要的级数等于理论级数除以级效率。（级效率目前尚无准确的理论计算方法，一般通过实验测定）萃取过程计算（已知平衡关系、原料液的处理量及组成)设计型计算:规定了各级溶剂的用量及组成，要求计算达到一定分离程度所需的理论级数。操作型计算：已知萃取设备的理论级数，要求估算经该设备萃取后所能达到的分离程度。4-3-1单级萃取计算单级萃取是指原料液F和溶剂S只进行一次混合、传质，具有一个理论级的萃取分离过程。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。计算步骤如下：（1）由已知的相平衡数据在等腰直角三角形坐标图中作出溶解度曲线和辅助线；（2）根据原料液的组成确定F点，根据萃取剂的组成确定S点（若为纯溶剂，则是顶点），连结点F、S，则原料液与萃取剂之混合液的组成点M必在FS联线上。（3）由已知的萃余相组成，在图上确定出R点，再利用辅助线求得与之平衡的E点，作R与E的连结线，RE线与FS线的交点即为混合液的组成点M。（4）由物料衡算和杠杆定律求出各流股的量。MRESFMSMFFSERMRMEEMR（重点）'''REFRFEEFR（重点）注意：上述诸式中各线段的长度及各股物流的组成均可由三角形相图中读出。在单级萃取操作中，对应一定的原料液量，存在两个极限萃取剂用量，在此二极限用量下，原料液与萃取剂的混合液组成点恰好落在溶解度曲线上。最小溶剂用量（G点对应的萃取剂用量）最大溶剂用量（H点对应的萃取剂用量）minSmaxSGSFGFSminHSFHFSmax单级萃取的萃取剂用量范围：maxminSSS例某A、B、S三元体系的溶解度曲线如附图所示。用纯溶剂S对A、B两组分混合液进行单级萃取。原料液中溶质A的质量分数为0.3，处理量为100kg，要求萃余液中溶质A的质量分数不大于0.1。在操作范围内分配系数kA为1.8，试求：（1）纯溶剂S的用量；（2）组分A的萃取率。A4-2-2多级错流萃取多级错流萃取实际上就是多个单级萃取的组合。一、流程溶剂S分别从各级加入，原料液F依次通过各级和溶剂接触，经多次萃取，原料液作为萃余相从末级排出，各级排出的萃取相收集在一起进行脱溶剂操作，回收的溶剂可循环使用。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。设计型计算（图解法）求达到一定的分离要求所需的理论级数Ｎ注意：各级溶剂用量可以相等也可以不相等。但可以证明，当各级溶剂用量相等时，达到一定分离程度所需的总溶剂用量最少。P208例4-3是操作型问题，求经过三级萃取所达到的分离效果。四、直角坐标图解法在操作条件下，若萃取剂S与稀释剂B互不相溶，用直角坐标图更为方便。萃取相中只有A、S两组分，质量比Y(KgA/KgS)萃余相中只有A、B两组分，质量比X(KgA/KgB)设每一级溶剂加入量S相等，则每一级溶剂量S和稀释剂量B均可视为常数。对第一萃取级作溶质A的物料衡算11SYBXSYBXSF整理可得：)(11SFYXSBXSBY同理，对第n级物料衡算)(1SnnnYXSBXSBY操作线方程根据理论级的假设，离开任一级的Yn与Xn处于平衡状态故（Xn、Yn）点位于分配曲线上，即操作线与分配曲线交点。可以图解计算P210XY0XFYSX1X2X4X3Y1Y2Y3Y4斜率=-B/S分配曲线4-3-2多级逆流接触萃取的流程和计算一、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。二、特点连续逆流操作，混合物可分离程度较高。三计算设计型问题已知所用溶剂的组成S0、原料液量F和组成Xf,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。组分B和S部分互溶时的图解计算法步骤（1）根据操作条件下的平衡数据在三角形坐标图上绘出溶解度曲线和辅助曲线；（2）根据原料液和萃取剂的组成，在图上定出F、S（图中是采用纯溶剂），再由溶剂比S/F按杠杆定律在FS联线上定出和点M的位置；（3）由规定的最终萃余相组成在图上定出点RN，连接RN、M并延长与溶解度曲线相交于E1点，此点是最终萃取相的组成点。根据杠杆定律可求出E1和R