第七章-液液萃取

第7章液液萃取重点掌握：（1）萃取原理；（2）部分互溶物系的相平衡、分配系数、选择性系数的定义及物理意义。7.1概述一、液液萃取原理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液体溶剂，经过充分混合，利用混合液中各组分在溶剂中溶解度的差异而实现分离的一种单元操作。溶质A：混合液中欲分离的组分稀释剂（原溶剂）B：混合液中的溶剂萃取剂S：所选用的溶剂1、基本过程描述混合液A+B萃取剂(溶剂S)萃取相(S+A+B)萃余相(B+A+S)搅拌•加料•混合•分相•排除•纯化和回收2、分离对象——液液混合物1）相对挥发度等于或者接近1(烷烃/芳烃)2）重组分含量少，轻组分含量多(水-HAc)(含酚废水处理)3）混合液含热敏性物质（药物）3、萃取操作的特点•选择适宜的溶剂是一个关键问题•两个液相应具有一定的密度差•溶质与萃取剂的沸点差大有利二、液液萃取在工业上的应用1、液液萃取在石油化工中的应用•分离轻油裂解和铂重整产生的芳烃和非芳烃混合物•用酯类溶剂萃取乙酸，用丙烷萃取润滑油中的石蜡•以HF-BF3作萃取剂，从C8馏分中分离二甲苯及其同分异构体2、在生物化工和精细化工中的应用•以醋酸丁酯为溶剂萃取含青霉素的发酵液•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TBP从发酵液中萃取柠檬酸3、湿法冶金中的应用用溶剂LIX63-65等螯合萃取剂从铜的浸取液中提取铜三、液液萃取的基本流程萃取单组分萃取双组分萃取（回流萃取）单级萃取或并流接触萃取多级错流萃取多级逆流萃取连续逆流萃取三元物系溶质A可溶于稀释剂B及萃取剂S中，但萃取剂S与稀释剂B不互溶溶质A可溶于稀释剂B及萃取剂S中，稀释剂B与萃取剂S也可部分互溶三元混合液中有两对组分可部分互溶，即溶质A与萃取剂S部分互溶，稀释剂B与萃取剂S也部分互溶7.2液液萃取相平衡一、三角坐标图及杠杆定律1、三角坐标图三个顶点：纯物质三条边上的点：二元混合物的组成ABS·H7.0BHxA3.0AHxBPDCGEFH点的组成为：三角形内的任一点：一定组成的三元混合物P点的组成为：0.40.30.3ABSxBCxSGxAF0.13.03.04.0SBAxxx直角三角形相图P点的横坐标表示萃取剂S的质量百分数3.0Sx纵坐标表示溶质A的质量百分数4.0Ax3.03.04.011SABxxx2、杠杆法则●•三点共线M点：合点D、E：差点●D●E•线段成比例MDMEEDEDDMMEEDEMMD——萃取物料衡算的依据例7-1二、三角形相图1、溶解度曲线与联结线（共轭线）1）溶解度曲线单相区两相区FMRE共轭相：R相和E相联结线（共轭线）：RE2）溶解度曲线的实验方法R2E2M2R1E1M1R3E3M3J混溶点2、辅助曲线和临界混溶点辅助线的作法C1C2C3K辅助线的作用：求任一平衡液相的共轭相REK点：临界混熔点或褶点—特征是什么？•2.临界混溶点plaitpoint•当三元混和液中溶质A的含量逐渐增加时，联结线长度逐渐缩短，当联结线无限短，即当两个组成点重合时，溶液变成均一相，相当于该系统的临界状态，称此点为临界混溶点。•作法：•延长辅助曲线，与平衡曲线交点P即为临界混溶点。•〖说明〗•由于联结线通常都有一定的斜率，因而临界混溶点一般并不在溶解度曲线的顶点。•P点将溶解度曲线分为两部分：靠原溶剂B一侧为萃余相部分，靠溶剂S一侧为萃取相部分。•临界混溶点由实验测得，但仅当已知的联结线很短即共轭相接近临界混溶点时，才可用外延辅助曲线的方法确定临界混溶点。3、分配曲线和分配系数1）分配系数相中的组成在组分相中的组成在组分RAEAkAAAxyBBBxyk分配系数表达了某一组分在两个平衡液相中的分配关系。kA值与联结线的斜率有关。联结线的斜率＞0kA＞1，yA＞xA联结线的斜率为0kA=1，yA=xA联结线的斜率＜0kA＜1，yA＜xAkA值愈大，萃取分离的效果愈好。2）分配曲线)(AAxfy——分配曲线的数学表达式KA完全溶于B及S中，而B、S不互溶或B、S部分互溶（第1类物系）A与B互溶，A与S及B与S部分互溶（第II类物系）有两对组分部分互溶时的分配曲线采用同样方法可作出有两对组分部分互溶时的分配曲线，如上图所示。4、温度对相平衡关系的影响物系的温度升高，溶质在溶剂中的溶解度加大温度升高，分层区面积缩小T1＜T2＜T3相图上两相区面积的大小，不仅取决于物系本身的性质，而且与操作温度有关。一般情况下，温度升高溶解度增大，温度降低溶解度减小。如图9-7所示，两相区的面积随温度升高而缩小。若温度继续上升，两相区就会完全消失，成为一个完全互溶的均相三元物系。此时萃取操作便无法进行。对同一物系，当温度降低时，两相区增加，对萃取有利。但温度降低会使溶液黏度增加，不利于两相间的分散、混合和分离，因此萃取操作温度应作适当的选择。三、萃取剂的选择1、萃取剂的选择性1）萃取剂的选择性在萃余相中的质量分率在萃余相中的质量分率在萃取相中的质量分率在萃取相中的质量分率BABABABAxxyyBBAAxyxyBAkkβ=1，BABAxxyyA、B两组分用萃取分离不适宜；β1，萃取时组分A可以在萃取相中浓集，β越大，组分A与B萃取分离的效果越好。2）选择性系数和分配系数的关系kA愈大，kB愈小，选择性系数愈大选择性系数表示萃取剂对组分A，B溶解能力差别的大小maxEmaxEB、S互溶度小，分层区面积大，可能得到的萃取液的最高浓度ymax’较高。B、S互溶度愈小，愈有利于萃取分离。2、萃取剂与原溶剂的互溶度组分B与S的互溶度影响溶解度曲线的形状和分层面积。3、萃取剂的可回收性被分离体系相对挥发度α大，用蒸馏方法分离；如果α接近1，可用反萃取，结晶分离等方法。4、萃取剂的物理性质1）萃取剂的密度萃取剂与被分离混合物应有较大的密度差2）界面张力界面张力较大时，有利于分层；界面张力过大，难以使两相混合良好；界面张力较小时，两相难以分离。首要考虑的还是满足分层的要求。一般不选界面张力过小的萃取剂。3）粘度粘度小对萃取剂有利5、一般工业要求化学稳定性、不易聚合、分解，有阻垢的热稳定性，抗氧化的稳定性，对设备的腐蚀性小，无毒，来源容易，价格便宜等三、萃取过程在三角形相图上的表示单级萃取过程：通过相图确定组成点及相应物料量；组成点的确定：如纯溶剂与非纯溶剂。溶剂量SR或SE时，MR或ME在平衡线上，不分相，相组成达极值。则SRSSE；②萃取率与萃余率：BABABABAxxyyxxyy''''1.混合－澄清槽●操作方式：a.连续操作，如厢式混合－澄清槽b.间歇操作，混合器与澄清槽分开●搅拌方式：a.机械搅拌，采用蜗轮式搅拌器b.压缩空气搅拌一.逐级接触式萃取设备液液萃取装置混合—澄清槽（1）结构混合－澄清器轻相重相重相轻相优点①处理量大，级效率高；②结构简单，容易放大和操作；③两相流量比范围大，运转稳定可靠，易于开、停工；对物系的适应性好，对含有少量悬浮固体的物料也能处理；④易实现多级连续操作，便于调节级数。不需高大的厂房和复杂的辅助设备。缺点①占地大，溶剂储量大。②需要动力搅拌和级间物流输送设备，设备费和操作费较高。Elgin型喷淋萃取塔轻相重相轻相重相Elgin型喷淋萃取塔塔式萃取设备（1）喷洒塔（喷淋塔）特点：无塔内件，阻力小，结构简单，投资少易维护。但两相很难均匀分布，轴向反混严重，理论级数不超过1~2级，传质系数小。轻相重相轻相重相（2）筛板萃取塔萃取过程中的筛板塔轻液轻液重液重液筛板轻液分散在重液内的混合液分散相聚集界面溢流管塔板上两相流动情况：为保证筛板塔正常操作，应考虑以下几点：①分散相应均匀地通过全部筛孔，防止连续相短路而降低分离效率；②两相在板间分层明显，而且要有一定高度的分散相累积层。轻液分散的筛板萃取塔轻液向上流相界面轻液筛板降液管重液向下流挡板分散的轻液轻液向上流相界面重相液滴筛板升液管重液向下流挡板重液重液分散的筛板萃取塔（3）填料萃取塔特点：填料萃取塔结构简单，造价低廉，操作方便，级效率较低，在工艺要求的理论级小于3，处理量较小时可考虑采用。填料萃取塔轻液轻液重液重液液－液相界面填料（4）转盘萃取塔特点：结构简单，造价低廉，维修方便，操作弹性和通量较大，应用较广。轻液轻液重液重液界面格栅定环转盘转盘萃取塔（5）搅拌填料塔重液出轻液出重液入轻液入1.转轴2.搅拌器3.丝网填料123离心萃取器优点：处理量大，效率较高，提供较多理论级，结构紧凑，占地面积小，应用广泛。缺点：能耗大，结构复杂，设备及维修费用高。应用：适用于要求接触时间短，物流滞留量低，易乳化，难分相的物系。重相进波式离心萃取器示意图驱动槽轮轻相进重相出转鼓清洗通道栓塞轻相出机械密封萃取设备的选择选择原则：（1）稳定性及停留时间稳定性差—停留时间尽可能短—离心萃取器；伴有较慢的化学反应时—停留时间长—混合-澄清槽。（2）所需理论级数需理论级数少（2~3级）—各种萃取设备；需理论级数4~5级—转盘塔、脉冲塔和振动筛板塔；需理论级更多—离心萃取器或多级混合-澄清槽。（3）物系的分散与凝聚特性物系易乳化，不易分相—离心萃取器；物系界面张力较小，或两相密度差较大—重力流动式。（4）生产能力生产处理量小—填料塔或脉冲塔；生产处理量大—筛板塔，转盘塔，混合-澄清槽等。（5）防腐蚀及防污染要求具有腐蚀性—结构简单的填料塔；具有污染性—屏蔽性能良好的脉冲塔。（6）建筑物场地要求空间高度有限—混合-澄清槽；占地面积有限—塔式萃取设备。1、萃取的基本依据是（）。2、在B与S部分互溶体系中加入A，一般会使B与S的互溶度变（），降低操作温度，B与S的互溶度变（）。练习题3、用纯溶剂S作单级萃取，B与S不互溶，xF、xR一定，若溶液分配系数kA越大，所需的溶剂比S/B越（）。4、一般情况下，原溶剂B的分配系数kB值（）。A.大于1B.小于1C.等于1D.难以判断5、萃取剂的加入量应使原料与萃取剂的和点M位于（）。A.溶解度曲线的上方区B.溶解度曲线上C.溶解度曲线的下方区D.坐标线上6、进行萃取操作时应使（）。A.分配系数大于1B.分配系数小于1C.选择性系数大于1D.选择性系数小于11、B与S部分互溶时的单级萃取中，如加入的纯萃取剂量增加，其它操作条件不变，则萃取相溶质含量变小。（）2、萃取过程是溶质A从原溶剂B中转移到萃取剂S中的传质过程。（）1、某二元混合物含溶质A为40kg，组分B为60kg，加纯溶剂S进行单级萃取，萃取相中yAyB=3（质量比），kA=6，kB=1/2，则脱除溶剂后可得萃取液量为多少kg？计算题2、某二元混合物含溶质A为40kg，组分B为60kg，加纯溶剂S进行单级萃取，萃余液中xA0=0.3（质量分率），=8，则萃取液量E0为多少kg？3、用纯溶剂作单级萃取，已知萃取相中浓度比yAyB=7/3，萃余相中浓度比xAxB=1/4，原料液浓度xF=0.4，原料液量为100kg，分配系数kA1，求：–萃取液与萃余液的量；–选择性系数。4、在具有两个理论级的逆流萃取设备中，用纯溶剂S萃取料液中的溶质A，萃取剂用量40kg/h，料液F=100kg/h，xF=0.2（摩尔分率），B与S完全不互溶，分配系数kA=Y/X=1（X，Y均为质量比）。试求：–最终萃余液中A的浓度（kgA/kgB）；–若将萃取剂用量减少为30kg/h，其余条件不变，则萃取相、萃余相浓度为多少？（用质量比表示）