化工原理(下)第4章液液萃取

第4章液－液萃取通过本章学习，应掌握液－液相平衡在三角形相图上的表示方法，能用三角形相图对单级萃取过程进行分析和计算。了解多级萃取过程的流程与计算方法；萃取设备的类型及结构特点。学习目的与要求液-液萃取简介20世纪30年代用于工业生产的新的液体混合物分离技术发展：回流萃取、双溶剂萃取、反应萃取、超临界萃取、液膜分离技术萃取成为分离液体混合物很有生命力的操作单元之一原理：利用原料液中组分在适当溶剂中溶解度的差异萃取剂：萃取所用的溶剂应对溶质具有较大的溶解能力与稀释剂应不互溶或部分互溶溶质：混合液中欲分离的组分稀释剂：混合液中的溶剂萃取操作萃取相——萃取剂提取了溶质萃取相为混合物，需要用精馏、蒸发或反萃取等方法进行分离，得到溶质产品和溶剂，萃取剂供循环使用萃余相——分离出溶质的混合液与精馏比较：当用于分离挥发性混合物时，萃取过程比较复杂，萃取相中萃取剂的回收往往还要应用精馏操作萃取过程：常温操作、无相变、选择适当溶剂可以获得较高分离系数等优点技术经济上的优势萃取分离有利的情形⑴溶液中各组分的沸点非常接近，或者说组分之间的相对挥发度接近于1⑵混合液中的组成能形成恒沸物，用一般的精馏不能得到所需的纯度⑶混合液重要回收的组分是热敏性物质，受热易于分解、聚合或发生其它化学变化⑷需分离的组分浓度很低且沸点比稀释剂高，用精馏方法需蒸馏出大量稀释剂，耗能量很多液－液萃取在工业上的应用液－液萃取在石油化工中的应用液液萃取已广泛应用于分离和提纯各种有机物质如：轻油裂解和铂重整产生的芳烃混合物的分离用脂类溶剂萃取乙酸用丙烷萃取润滑油中的石蜡在生物化工中和精细化工中的应用热敏性混合物，选择适当的溶剂，避免受热所损坏如：青霉素的生产用玉米发酵得到的含青霉素的发酵液，一醋酸丁脂为溶剂，经过多次萃取得到青霉素的浓溶液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湿法冶金中的应用20世纪40年代，原子能工业，铀、钍、镮等金属提炼近20年来，低品位有色金属的提取目前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，都应优先考虑溶剂萃取法有色金属已逐渐成为溶剂萃取应用的领域（1）从矿石的浸出液中提取、富集有价金属。如低品位氧化铜矿石的生物浸出-萃取-电积工艺。（2）分离化学性质相近的金属离子。如分离铌钽、分离锆铪、分离钴镍，以及分离稀土金属元素等。（3）核工业材料的提取。如铀的分离、富集与提取。（4）净化溶液。如从镍电解液中净化除去铜、铁等杂质离子。萃取在有色金属主要应用目前冶金中常用的萃取剂可分为含氧萃取剂（包括醚、醇、酮、酸、酯等）、含磷萃取剂、含氮萃取剂（包括胺、酰胺、羟肟与异羟肟酸、羟基喹啉等）、含硫萃取剂（包括硫醚类R2S和、亚砜类R2S=O等）。二（2-乙基已基）磷酸钠盐萃取钴的过程示意图4.1液－液萃取概述4.1.1萃取的原理与流程第4章液－液萃取一、萃取过程的原理形成两相体系的方法引入一液相（萃取剂）分离物系液体混合物萃取原理液体混合物(A+B)引入另一液相（萃取剂S）各组分在萃取剂中溶解度不同液相E(萃取相)(S+A+微量B)液相R(萃余相)(B+微量A、S)示例用苯萃取分离醋酸和水混合物二、萃取操作流程萃取操作示意图4.1.1萃取的原理与流程4章液－液萃取和液－固浸取4.1.2萃取的分类与应用4.1液－液萃取概述一、萃取过程的分类按有无化学反应分类萃取化学萃取物理萃取√按萃取级数分类多级逆流萃取萃取多级萃取单级萃取√多级并流萃取按萃取技术分类双溶剂萃取单溶剂萃取√膜萃取凝胶萃取超临界萃取一、萃取过程的分类萃取反向胶团萃取按萃取组分数目分类萃取多组分萃取单组分萃取√单组分萃取混合液中只有一种欲分离的溶质被溶剂萃取或者其他组分虽然同时萃取,但不影响欲分离的溶质的质量要求单组分萃取的基本原理、操作流程与设计计算的基本关系式与吸收的基本类似，基本流程：※单级萃取和并流接触萃取：溶质在萃取剂中的溶解度很大或溶质萃取要求不高的场合※多级错流萃取：萃取率高、操作简单，萃取剂用量大※多级逆流萃取：小萃取剂用量获得较高萃取率※连续逆流萃取：工业上常用的流程二、萃取操作的应用萃取操作应用场合溶质浓度很低,且为难挥发组分物系的分离热敏性物系的分离相对挥发度物系的分离1第4章液－液萃取4.2液－液相平衡关系4.2.1液－液平衡相图4.1液－液萃取概述一、组成在三角形相图上的表示方法萃取为三元物系的分离过程溶质A原溶剂B萃取剂S三角形坐标图等边三角形坐标图等腰三角形坐标图非等腰三角形坐标图√组成的表示方法液－液萃取过程也是以相际的平衡为极限三元体系难以用直角坐标系来表示三元体系的相平衡关系用三角坐标图来表示在三角形坐标图中常用质量百分率或质量分率表示混合物的组成少数采用体积分率或摩尔分率表示的本教程中均采用质量百分率或质量分率等边三角形——组成的表示方法三个顶点表示纯物质A代表溶质A的组成为100%，其它两组分的组成为零B点和S点分别代表纯的稀释剂和萃取剂任一边上的任一点代表二元混和物，第三组分的组成为零图中AB边上的E点，代表A、B二元混合物,其中A的组成为40%，B的组成为60%，S的组成为零等边三角形——组成的表示方法习惯上，在三角形坐标图中，AB边以A的质量分率作为标度，BS边以B的质量分率作为标度，SA边以S的质量分率作为标度。等边三角形——组成的表示方法M代表有A,B,S三个组分组成的混合物过M点分别作三个边的平行线ED,HG与KF线段BE(SD)代表A的组成线段AK(BF)代表S的组成线段AH(SG)代表B的组成三元混合物的组成为:XA=BE=0.40XB=AH=0.30XS=AK=0.30三者之和等于1等边三角形——组成的表示方法也可过M点分别作三个边的垂直线MN、ML及MJ垂直线段ML、MJ和MN的长度比分别代表A、B、S的组成右图可知，M点的组成为40%A、30%B和30%S组成在等腰直角三角形坐标图上的表示方法M点40.0Ax30.0Bx30.0SxD点40.0Ax60.0SxABSDM二、各组分量之间的关系－杠杆规则杠杆规则M=BAMMMMAMMBO和点A差点B差点MAMBMMA+MBOAOBABOBABOA杠杆规则的应用ABSMREAxSxBxAyBySyAzSzBz液相RrkgxA、xS、xB液相EekgyA、yS、yB液相MmkgzA、zS、zBermEMRMreAAAAyzzxERRMmeAAAAyxzx三、液－液平衡相图(溶解度曲线)根据萃取操作中各组分的互溶性，三元物系分为以下情况，即Ⅰ类物系Ⅱ类物系√1.溶解度曲线的两种形式①A完全溶于B及S，B与S不互溶②A完全溶于B及S，B与S部分互溶③A完全溶于B，A与S部分互溶B与S部分互溶溶解度曲线和联结线A完全溶于B、S,而B与S部分互溶T一定,B与S任意混合→两个互不相溶的液层(点L、J)总组成为C的二元混合液中逐渐加入组分A成为三元混合液B与S质量比为常数，故三元混合液的组成将沿AC线变化溶解度曲线和联结线若加入A的量恰好是混合液由两个液相变成一个液相时,相应组成坐标如图C‘——混溶点或分层点总组成为D、F、G、H等二元混合液按上述方法作实验,分别得到混溶点D‘、F‘、G'及H‘联L、C‘、D‘、F‘、G‘、H’及J诸点的曲线为在实验温度下的三元混合物的溶解度曲线若组分B与S完全不互溶,则点L与J分别与三角形的顶点B与S相重合溶解度曲线(1)－已知联结线共轭相均相区两相区溶解度曲线临界混溶点联结线溶解度曲线(2)－已知辅助曲线辅助曲线溶解度曲线辅助曲线和临界混溶点若要求与已知相成-平衡的另一相的数据,常借助辅助曲线(也称共轭曲线)求得若干联结线数据－辅助曲线通过点R1、R2...等分别作底边BS的平行线通过相应联结线另一端点E1、E2...等分别作侧直角边AS的平行线诸线相交于点J、K、...联结这些交点所得平滑曲线即为辅助曲线利用辅助曲线便可从已知相R(或E)与之平衡的另一相组成E(或R)辅助曲线和临界混溶点辅助曲线与溶解度曲线的交点P通过该点的联结线为无限短,相当于这一系统的临界状态——临界混溶点(平衡液相没有共轭相)联结线具一定的斜率——临界混溶点一般不在溶解度曲线的顶点临界混溶点由实验测得当已知的联结线很短(即很接近于临界混溶点)时,才可用外延辅助曲线的方法求出临界混溶点三元物系的溶解度曲线、联结线、辅助曲线、临界混溶点的数据实验测得，也可从手册或有关专著中查得P两种溶解度曲线的互换由联结线求辅助曲线两种溶解度曲线的互换1E2E1R2R由辅助曲线求联结线2.温度对溶解度曲线的影响温度T溶解度两相区～～不利于萃取操作三、液－液平衡相图(溶解度曲线)第4章液－液萃取4.2液－液相平衡关系4.2.1液－液平衡相图4.1液－液萃取概述4.2.2液－液平衡方程与分配曲线一、以质量分数表示的平衡方程气液平衡方程AAAxky液液平衡方程AAAxky萃取相中溶质分数萃余相中溶质分数分配系数AAAxykBBBxyk若S与B完全不互溶萃取相中不含B，S的量不变萃余相中不含S，B的量不变用质量比计算方便液液平衡方程AAAXKY二、以质量比表示的平衡方程萃取相中溶质的质量比分配系数萃余相中溶质的质量比三、分配曲线以xA为横坐标，yA为纵坐标，在直角坐标图上，每一对共轭相可得一个点，将这些点联结起来，得到曲线称为分配曲线。溶解度曲线分配曲线分配曲线的作法PPxyxy第4章液－液萃取4.2液－液相平衡关系4.2.1液－液平衡相图4.1液－液萃取概述4.2.2液－液平衡方程与分配曲线4.2.3萃取剂的选择一、萃取剂的选择性与选择性系数萃取剂的选择性是指萃取剂S对原料液中两个组分溶解能力的差异。选择性系数萃余相中B的质量分数萃余相中A的质量分数萃取相中B的质量分数萃取相中A的质量分数BBAABABAxyxyxxyyAAAxky因为所以BBAyxkBAkk萃取效果β萃取操作1BByx1β＝1不能实现萃取分离一、萃取剂的选择性与选择性系数～二、萃取剂的选择萃取剂选择考虑的主要因素选择性系数β原溶剂B与萃取剂S的互溶度萃取剂回收的难易萃取剂的其他物性密度表面张力黏度萃取剂的稳定性、安全性、经济性萃取剂回收的难易与经济性萃取后的E相和R相，通常以蒸馏的方法进行分离萃取剂回收的难易直接影响萃取操作的费用，在很大程度上决定萃取过程的经济性要求溶剂S与原料液组分的相对挥发度要大,不应形成恒沸物，并且最好是组成低的组分为易挥发组分若被萃取的溶质不挥发或挥发度很低，而S为易挥发组分时，而S的气化热要小，以节省能耗溶剂的萃取能力大，可减少溶剂的循环量，降低E相溶剂回收费用溶剂在被分离混合物中的溶解度小，也可减少R相中溶剂回收的费用萃取剂的其它物性为实现两相快速分离，要求萃取剂与被分离混合物有较大的的浓度差，以提高设备的生产能力两液相间的张力对分离效果也有重要影响。物系界面张力较大，分散相液滴易聚结，有利于分层，但界面张力太大，液体不易分散，接触不良，降低分离效果；若界面张力过小，易产生乳化现象，使两相难以分层。界面张力要适中其它因素：萃取剂应具有较低的粘度凝固点、化学稳定性、热稳定性、腐蚀性小、来源充分、价格低廉等一般来说，很难找到满足上述所有要求的溶剂，选用萃取剂时要根据实际情况加以权衡，以满足要求4.1萃取过程概述第4章液－液萃取4.2液－液相平衡关系4.3液－液萃取过程的计算4.3.1单级萃取的计算一、B与S部分互溶物系已知：原料量F、原料组成xF溶剂组成yS规定：萃余相组成xR计算：萃取剂量S萃取相量E、组成yE萃余相量R萃取液量、组成萃余液量、组成EEyRxR单级萃取图解xF纯溶剂FxRREMyEEyRxER萃取过程的表示若从E相和R相中脱除全部溶剂，所得到的液体分别称为