化工原理-第十二章-萃取

第十二章

萃取

SolventExtraction12.1

萃取的基本概念12.2

萃取過程的流程和計算12.3

萃取設(shè)備.2024/4/2第十二章

萃取

SolventExtractio1第一節(jié)

萃取的基本概念12.1.1萃取操作過程及應(yīng)用12.1.2三角形相圖及杠桿規(guī)則12.1.3三角形相圖中的相平衡關(guān)系12.1.4分配系數(shù)與分配曲線12.1.5溫度對相平衡的影響12.1.6萃取劑的選擇.2024/4/2第一節(jié)

萃取的基本概念12.1.1萃取操作過程及應(yīng)用.212.1萃取的基本概念12.1.1萃取操作過程及應(yīng)用

在液體混合物（原料液）中加入一個與其基本不相混溶的液體作為溶劑，造成第二相，利用原料液中各組分在兩個液相中的溶解度不同而使原料液混合物得以分離的操作稱為萃取。選用的溶劑稱為萃取劑，以S表示；原料液中易溶于S的組分，稱為溶質(zhì)，以A表示；難溶于S的組分稱為原溶劑（或稀釋劑），以B表示。.2024/4/212.1萃取的基本概念12.1.1萃取操作過程及應(yīng)用3

圖12-1萃取操作示意圖.2024/4/2圖12-1萃取操作示意圖.2024/4/14根據(jù)萃取操作中各組分的互溶性，可將三元物系分為以下三種情況，即①溶質(zhì)A可完全溶于B及S，但B與S不互溶；②溶質(zhì)A可完全溶于B及S，但B與S部分互溶；③溶質(zhì)A可完全溶于B，但A與S及B與S部分互溶。習(xí)慣上，將①、②兩種情況的物系稱為第Ⅰ類物系，而將③情況的物系稱為第Ⅱ類物系。工業(yè)上常見的第Ⅰ類物系有丙酮(A)–水(B)–甲基異丁基酮(S)、醋酸(A)–水(B)–苯(S)等；第Ⅱ類物系有苯乙烯(A)–乙苯(B)–二甘醇(S)等。在萃取操作中，第Ⅰ類物系較為常見，本章主要討論第Ⅰ類物系物系的相平衡關(guān)系。.2024/4/2根據(jù)萃取操作中各組分的互溶性，可將三元物5一般地，在下列情況下采用萃取方法更為有利。

（1）原料液中各組分間的沸點非常接近，也即組分間的相對揮發(fā)度接近于1，若采用蒸餾方法很不經(jīng)濟；（2）料液在蒸餾時形成恒沸物，用普通蒸餾方法不能達到所需的純度；（3）原料液中需分離的組分含量很低且為難揮發(fā)組分，若采用蒸餾方法須將大量稀釋劑汽化，能耗較大；（4）原料液中需分離的組分是熱敏性物質(zhì)，蒸餾時易于分解、聚合或發(fā)生其它變化。.2024/4/2一般地，在下列情況下采用萃取方法更為有利。.2024/6萃取在工業(yè)中的應(yīng)用：(1)液液萃取在石油化工中的應(yīng)用eg.用酯類溶劑萃取乙酸，用丙烷萃取潤滑油中的石蠟(2)在生物化工和精細化工中的應(yīng)用eg.以醋酸丁酯為溶劑萃取含青霉素的發(fā)酵液香料工業(yè)中用正丙醇從亞硫酸紙漿廢水中提取香蘭素(3)濕法冶金中的應(yīng)用eg.用螯合萃取劑從銅的浸取液中提取銅.2024/4/2萃取在工業(yè)中的應(yīng)用：.2024/4/1712.1.2三角形相圖及杠桿規(guī)則

1三角形相圖

三角形相圖通常有正三角形相圖、直角三角形相圖，如圖所示。

圖12-2三角形相圖

.2024/4/212.1.2三角形相圖及杠桿規(guī)則.2024/4/18

如圖所示，將質(zhì)量為rkg、組成為、、的混合物系R與質(zhì)量為e

kg、組成為、、，的混合物系E相混合，得到一個質(zhì)量為mkg、組成為、、的新混合物系M，其在三角形坐標圖中分別以點R、E和M表示。M點稱為R點與E點的和點，R點與E點稱為差點。

圖12-32杠桿規(guī)則.2024/4/2如圖所示，將質(zhì)量為rkg、組成9

和點M與差點E、R之間的關(guān)系可用杠桿規(guī)則描述，即

（1）幾何關(guān)系：和點M與差點E、R共線。即：和點在兩差點的連線上；一個差點在另一差點與和點連線的延長線上。（2）數(shù)量關(guān)系：E相與R相的量與線段長a、b

之間的關(guān)系符合杠桿原理，即，

根據(jù)杠桿規(guī)則，若已知兩個差點，則可確定和點；若已知和點和一個差點，則可確定另一個差點。

.2024/4/2和點M與差點E、R之間的關(guān)系可用杠桿規(guī)則描述1012.1.3三角形相圖中的相平衡關(guān)系

1溶解度曲線、聯(lián)結(jié)線、臨界混溶點

圖12-4

溶解度曲線.2024/4/212.1.3三角形相圖中的相平衡關(guān)系11溶解度曲線將三角形相圖分為兩個區(qū)域：曲線以內(nèi)的區(qū)域為兩相區(qū)，以外的區(qū)域為均相區(qū)。顯然萃取操作只能在兩相區(qū)內(nèi)進行。位于兩相區(qū)內(nèi)的混合物分成兩個互相平衡的液相，稱為共軛相，聯(lián)結(jié)兩共軛液相相點的直線稱為聯(lián)結(jié)線，

臨界混溶點是在一定溶質(zhì)含量下兩共軛相變?yōu)橐幌嗟呐R界點，其位置一般并不在溶解度曲線的最高點，常偏于曲線的一側(cè)，將溶解度曲線分為左右兩支。.2024/4/2溶解度曲線將三角形相圖分為兩個區(qū)域：曲線以內(nèi)的區(qū)域122輔助曲線—平衡聯(lián)結(jié)線的內(nèi)插

一定溫度下，三元物系的溶解度曲線和聯(lián)結(jié)線是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)而標繪的，使用時若要求與已知相成平衡的另一相的數(shù)據(jù)，常借助輔助曲線求得。圖12-5

輔助曲線.2024/4/22輔助曲線—平衡聯(lián)結(jié)線的內(nèi)插一定溫度下，三元物13

輔助曲線的作法：通過已知點R1、R2、…分別作BS邊的平行線，再通過相應(yīng)聯(lián)結(jié)線的另一端點E1、E2分別作AB邊的平行線，各線分別相交于點F、G、…，聯(lián)接這些交點所得的平滑曲線即為輔助曲線。

利用輔助曲線可求任何已知平衡液相的共軛相。設(shè)R為已知平衡液相，自點R作BS邊的平行線交輔助曲線于點J，自點J作AB邊的平行線，交溶解度曲線于點E，則點E即為R的共軛相點。

.2024/4/2輔助曲線的作法：通過已知點R1、R2、…1412.1.4分配系數(shù)和分配曲線

1分配系數(shù)

一定溫度下，某組分在互相平衡的E相與R相中的組成之比稱為該組分的分配系數(shù)，以表示，即溶質(zhì)A組分B

、——萃取相E中組分A、B的質(zhì)量分數(shù)

、——萃余相R中組分A、B的質(zhì)量分數(shù)式中.2024/4/212.1.4分配系數(shù)和分配曲線一定溫度下，15

分配系數(shù)kA表達了溶質(zhì)在兩個平衡液相中的分配關(guān)系。顯然，kA值愈大，萃取分離的效果愈好。不同物系具有不同的kA值；同一物系，其值隨溫度和組成而變。如第Ⅰ類物系，一般kA值隨溫度的升高或溶質(zhì)組成的增大而降低。一定溫度下，僅當溶質(zhì)組成范圍變化不大時，kA值才可視為常數(shù)。對于S與B部分互溶的物系，kA值隨著聯(lián)結(jié)線的斜率而變化。對于萃取劑S與原溶劑B互不相溶的物系，溶質(zhì)在兩液相中的分配關(guān)系與吸收中的類似。.2024/4/2分配系數(shù)kA表達了溶質(zhì)在兩個平衡液相中的16聯(lián)結(jié)線的斜率＞0kA＞1，yA＞xA

聯(lián)結(jié)線的斜率為0kA=1，yA=xA

聯(lián)結(jié)線的斜率＜0kA＜1，yA＜xA

kA值愈大，萃取分離的效果愈好。.2024/4/2聯(lián)結(jié)線的斜率＞0聯(lián)結(jié)線的斜率為0聯(lián)結(jié)線的斜率＜0kA值172分配曲線

由相律可知，溫度、壓力一定時，三組分體系兩液相呈平衡時，自由度為1。故只要已知任一平衡液相中的任一組分的組成，則其它組分的組成及其共軛相的組成就為確定值。換言之，溫度、壓力一定時，溶質(zhì)在兩平衡液相間的平衡關(guān)系可表示為

——萃取相E中組分A的質(zhì)量分數(shù)；

——萃余相R中組分A的質(zhì)量分數(shù)。

此即分配曲線的數(shù)學(xué)表達式。

.2024/4/22分配曲線由相律可知，溫度、壓力一定時，三組分體18B、S部分互溶時的分配曲線.2024/4/2B、S部分互溶時的分配曲線.2024/4/119

對同一物系，當溫度降低時，S與B的互溶度減小，即兩相區(qū)增加，對萃取有利，如右圖所示；但另一方面，溫度降低時會使溶液的粘度增加，不利于兩相間的分散混合和分離，因此萃取操作溫度應(yīng)作適當?shù)倪x擇。

12.1.5溫度對相平衡的影響.2024/4/212.1.5溫度對相平衡的影響.2024/4/12012.1.6萃取劑的選擇

選擇合適的萃取劑是保證萃取操作能夠正常進行且經(jīng)濟合理的關(guān)鍵。萃取劑的選擇主要考慮以下因素。1萃取劑的選擇性及選擇性系數(shù)

萃取劑的選擇性是指萃取劑S對原料液中兩個組分溶解能力的差異。若S對溶質(zhì)A的溶解能力比對原溶劑B的溶解能力大得多，即萃取相中比大得多，萃余相中比大得多，那么這種萃取劑的選擇性就好。

萃取劑的選擇性可用選擇性系數(shù)表示，其定義式為

.2024/4/212.1.6萃取劑的選擇選擇合適的萃取劑是保證212影響分層的因素為使兩相在萃取器中能較快的分層，要求萃取劑與被分離混合物有較大的密度差，特別是對沒有外加能量的設(shè)備，較大的密度差可加速分層，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。兩液相間的界面張力對萃取操作具有重要影響。萃取物系的界面張力較大時，分散相液滴易聚結(jié)，有利于分層，但界面張力過大，則液體不易分散，難以使兩相充分混合，反而使萃取效果降低。界面張力過小，雖然液體容易分散，但易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，使兩相較難分離，因之，界面張力要適中。.2024/4/22影響分層的因素.2024/4/1223萃取劑回收的難易萃取后的E相和R相，通常以蒸餾的方法進行分離。萃取劑回收的難易直接影響萃取操作的費用，從而在很大程度上決定萃取過程的經(jīng)濟性。因此，要求萃取劑S與原料液中的組分的相對揮發(fā)度要大，不應(yīng)形成恒沸物，并且最好是組成低的組分為易揮發(fā)組分。若被萃取的溶質(zhì)不揮發(fā)或揮發(fā)度很低時，則要求S的汽化熱要小，以節(jié)省能耗。4萃取劑的其它物性萃取劑應(yīng)具有的一般工業(yè)要求：化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，對設(shè)備的腐蝕性要小，黏度小，蒸汽壓低，無毒，不易燃易爆，來源充分，價格低廉等。通常，很難找到能同時滿足上述所有要求的萃取劑，這就需要根據(jù)實際情況加以權(quán)衡，以保證滿足主要要求。.2024/4/23萃取劑回收的難易.2024/4/123第二節(jié)

萃取過程的流程與計算12.2.1單級萃取12.2.2多級錯流萃取12.2.3多級逆流萃取12.2.4連續(xù)接觸逆流萃取.2024/4/2第二節(jié)

萃取過程的流程與計算12.2.1單級萃取.2024

萃取理論級：原料液與萃取劑在混合器中經(jīng)充分的液液相際接觸傳質(zhì)，然后在澄清器中分層得到相互平衡的萃取相E和萃余相R的過程?！绢愃评碚摪濉繎?yīng)用理論級的概念是為了便于對過程的分析。設(shè)計時，先求出所需的理論級數(shù)，再根據(jù)經(jīng)驗得出的級效率求實際的萃取級數(shù)。.2024/4/2萃取理論級：原料液與萃取劑在混合器中經(jīng)充分2512.2.1單極萃取一、單極萃取的流程二、單級萃取的計算1、萃取劑與原溶劑部分互溶的體系

原料液F萃取劑S萃余相R萃取相E.2024/4/212.2.1單極萃取一、單極萃取的流程原料液F萃取劑S萃余26●F●REME’R’DG（1）圖解計算法

.2024/4/2●F●REME’R’DG（1）圖解計算法.2024/4/127（2）解析計算法

.2024/4/2（2）解析計算法.2024/4/1282、萃取劑與原溶劑不互溶的體系

萃取相中溶質(zhì)A的濃度

萃余相中溶質(zhì)A的濃度

.2024/4/22、萃取劑與原溶劑不互溶的體系萃取相中溶質(zhì)A的濃度萃余相29當萃取劑為純?nèi)軇r，Y0=0

單級萃取的操作線方程

XFE1X1Y1.2024/4/2當萃取劑為純?nèi)軇r，Y0=0單級萃取的操作線方程XFE13012.2.2多級錯流萃取一、多級錯流接觸萃取的流程

.2024/4/212.2.2多級錯流萃取一、多級錯流接觸萃取的流程.2031圖中每個圓圈代表一個理論級，主要包括以下兩個部分：（1）原料液與萃取劑進行充分接觸傳質(zhì)的混合器；（2）混合液進行機械分離的分層器。

多級錯流萃取流程既可用于間歇操作，也可用于連續(xù)操作。.2024/4/2圖中每個圓圈代表一個理論級，主要包括以下32多級錯流萃取的特點：萃取操作中，每一級都加入新鮮的萃取劑，前一級的萃余相為后級的原料液，這種方式傳質(zhì)推動力大，可得到溶質(zhì)組成很低的萃余相，但是溶劑的用量較大。適用于分配系數(shù)較大或萃取劑為水無需回收等情況。

實驗表明，相同總量的萃取劑以每級加入的量相等時萃取效果最好。后續(xù)的加料方式均為等量加入。.2024/4/2多級錯流萃取的特點：.2024/4/133二、多級錯流萃取的計算1、萃取劑和原溶劑部分互溶的體系采用三角形相圖求解.2024/4/2二、多級錯流萃取的計算.2024/4/134(1)按第1級原料液萃取劑得量和組成，確定第1級混合也得量和組成，得點M1(2)過點M1作聯(lián)結(jié)線得經(jīng)第一級萃取后得萃取相E1和萃余相R;(3)按第2級進了R1及萃取劑得量和組成確定第2級混合液得梁河組成，得點M2；(4)重復(fù)2和3得方法的方法，直至第N級萃余相RN濃度符合要求。.2024/4/2(1)按第1級原料液萃取劑得量和組成，確定第1級混合也得量352、萃取劑和原溶劑不互溶的體系

對第1級：第2到N級：(1)直角坐標圖解法（分配曲線為曲線的情況）每一個萃取級中溶質(zhì)物料衡算.2024/4/22、萃取劑和原溶劑不互溶的體系對第1級：第2到N級：(36Y0Y3Y2Y1XFX1X2X3平衡線-B/S1-B/S2-B/S3.2024/4/2Y0Y3Y2Y1XFX1X2X3平衡線-B/S1-B/S2-37第一級平衡為Y1=mX1

代入操作線得：則有：依次有：(2)解析法分配曲線近似為過原點的直線：設(shè)：稱為萃取因數(shù).2024/4/2第一級平衡為Y1=mX1(2)解析法分配曲線近似為過3812.2.3多級逆流萃取一、多級逆流萃取的流程

.2024/4/212.2.3多級逆流萃取一、多級逆流萃取的流程.202439二、多級逆流萃取的計算1、萃取劑與稀釋劑部分互溶的體系

FRNME1△R1E2R2E3.2024/4/2二、多級逆流萃取的計算FRNME1△R1E2R2E3.20240對第一級作總物料衡算對第二級作總物料衡算依此類推，對第n級作總物料衡算對第一級與第N級之間作總物料衡算.2024/4/2對第一級作總物料衡算對第二級作總物料衡算依此類推，對第n41——操作點2、萃取劑與稀釋劑不互溶的體系（1）直角坐標圖解法在任一級與第N級間作溶質(zhì)A的物料衡算——逆流萃取的操作線方程.2024/4/2——操作點2、萃取劑與稀釋劑不互溶的體系——逆流萃取的操作42XYOEXFY1P1XNSE1P2.2024/4/2XYOEXFY1P1XNSE1P2.2024/4/143（2）解析法3、多級逆流萃取的最小溶劑用量XYOEXRXFk1k2kmaxMmax.2024/4/2（2）解析法3、多級逆流萃取的最小溶劑用量XYOEXRXF4412.2.4連續(xù)接觸逆流萃取一、連續(xù)逆流萃取的流程

.2024/4/212.2.4連續(xù)接觸逆流萃取一、連續(xù)逆流萃取的流程.2045二、連續(xù)逆流萃取的計算1）理論級當量高度法

2）傳質(zhì)單元法當分配曲線為直線時，萃余相總傳質(zhì)單元數(shù)的解析計算式為：.2024/4/2二、連續(xù)逆流萃取的計算2）傳質(zhì)單元法當分配曲線為直線時，萃余46例、每小時用45kg的純?nèi)軇㏒對A、B兩組分混合液進行萃取分離。已知稀釋劑B的流量為30kg/h，原料液中溶質(zhì)A的質(zhì)量比組成為0.3，操作條件下組分B、S可視作不互溶，且相平衡關(guān)系為Y=1.5X。試比較如下三種萃取操作溶質(zhì)A的回收率φA。⑴單級平衡萃??；⑵將45kg/h的萃取劑分成兩等份進行兩級錯流萃取；⑶兩級逆流萃取。.2024/4/2例、每小時用45kg的純?nèi)軇㏒對A、B兩組分混合液進行萃取分47解：由于在操作條件下，組分B、S可視作互不相溶，且分配系數(shù)K取作常數(shù)1.5，故可用解析法求解最終萃余液組成Xn，則溶質(zhì)回收率可用下式計算：.2024/4/2解：由于在操作條件下，組分B、S可視作互不相溶，且分配系數(shù)K48⑴單級平衡萃取對溶質(zhì)A作物料衡算得：B(XF-X1)=S(Y1-YS)→30(0.3-X1)=45Y1另外有

Y1=mX1=1.5X1聯(lián)解上兩式可得：

X1=0.0923.2024/4/2⑴單級平衡萃取對溶質(zhì)A作物料衡算得：.2024/4/149所以⑵將45kg/h的萃取劑分成兩等份進行兩級錯流萃取每級萃取劑加入量為：.2024/4/2所以⑵將45kg/h的萃取劑分成兩等份進行兩級錯流萃取每50將有關(guān)數(shù)據(jù)代入下式，可解出X2.2024/4/2將有關(guān)數(shù)據(jù)代入下式，可解出X2.2024/4/151⑶兩級逆流萃取將有關(guān)數(shù)據(jù)代入下式，可求得X3.2024/4/2⑶兩級逆流萃取將有關(guān)數(shù)據(jù)代入下式，可求得X3.2024/452故得:.2024/4/2故得:.2024/4/153第三節(jié)

萃取設(shè)備12.3.1常見的液液萃取設(shè)備12.3.2影響萃取操作的主要因素.2024/4/2第三節(jié)

萃取設(shè)備12.3.1常見的液液萃取設(shè)備.2054一、常見的液-液萃取設(shè)備1．混合—澄清槽（1）優(yōu)點①處理量大，級效率高。②結(jié)構(gòu)簡單，容易放大和操作。③兩相流量比范圍大，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，易于開、停工。對物系適應(yīng)性強，對含有少量懸浮固體的物料也能處理。④易實現(xiàn)多級連續(xù)操作，便于調(diào)節(jié)級數(shù)。裝置不需要高大廠房和復(fù)雜的輔助設(shè)備。（2）缺點：由于需要動力攪拌裝置和級間的物流輸送設(shè)備，因此設(shè)備費和操作費較高。.2024/4/2一、常見的液-液萃取設(shè)備.2024/4/1552．噴灑塔（1）優(yōu)點：無任何內(nèi)件，阻力小，結(jié)構(gòu)簡單，投資費用少，易維護。（2）缺點：兩相很難均勻分布，軸向返混嚴重。分散相在塔內(nèi)只有一次分散，提供的理論級數(shù)不超過1～2級，傳質(zhì)系數(shù)小。.2024/4/22．噴灑塔.2024/4/1563．篩板塔特點：篩板塔結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，盡管級效率較低，在許多工業(yè)萃取中得到了應(yīng)用。特別是對于所需理論級數(shù)少，處理量大，且物系具有腐蝕性的萃取過程較為適宜。.2024/4/23．篩板塔.2024/4/1574．填料塔

特點：塔結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，操作方便，盡管級效率較低，在工業(yè)上仍有一定應(yīng)用。一般在工藝要求的理論級小3、處理量較小時，可考慮采用填料萃取塔。.2024/4/24．填料塔.2024/4/1585．輸入機械能量的萃取塔對于兩液相界面張力較大的物系，為改善塔內(nèi)的傳質(zhì)狀況，需要從外部輸入機械能量來產(chǎn)生較大的傳質(zhì)面積，并進行表面更新。輸入能量的常用方式有轉(zhuǎn)動式和脈沖（或振動）式兩種，現(xiàn)分述如下：(1)

轉(zhuǎn)盤塔

轉(zhuǎn)盤萃取塔在其內(nèi)壁從上到下裝設(shè)一組等距離的固定環(huán)，塔的軸線上裝有中心轉(zhuǎn)軸，軸上固定著一組水平圓形轉(zhuǎn)盤，每個轉(zhuǎn)盤都位于兩相鄰固定環(huán)的正中間。操作時，轉(zhuǎn)軸由電動機驅(qū)動，連帶轉(zhuǎn)盤一起旋轉(zhuǎn)，使兩液相也隨著轉(zhuǎn)動。.2024/4/25．輸入機械能量的萃取塔.2024/4/159兩液相流因具有相當大的速度梯度和剪切力，一方面使連續(xù)相產(chǎn)生旋渦運動，另一方面也促使分散相的液滴變形、破裂及合并，故能提高傳質(zhì)系數(shù)、更新及增大相界面積。固定環(huán)的作用是抑制軸向反混，使旋渦運動大致被限制在兩固定環(huán)之間。轉(zhuǎn)盤和固定環(huán)都較簿而滑，可防止乳化現(xiàn)象，有利于輕重液的分離。.2024/4/2兩液相流因具有相當大的速度梯度和剪切力，一方面使連續(xù)相60由于轉(zhuǎn)盤能分散液體，故塔內(nèi)無需另設(shè)噴灑器。只是對于大直徑的塔，液體可采用順轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向從切線方向進入，以免沖擊塔內(nèi)已建立的流動體系。塔的頂層和底層各裝有一層?xùn)虐澹允顾斉c底的澄清區(qū)避免轉(zhuǎn)軸的影響。最重要的操作和設(shè)計參數(shù)是轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速偏低，輸入的機械能不足以克服界面張力，傳質(zhì)性能得不到明顯改善；轉(zhuǎn)速偏高，不僅消耗的機械能量大，而且由于分散相的液滴很細，澄清很慢，使塔的生產(chǎn)能力明顯下降；轉(zhuǎn)速過高，分散相將過于細化而乳化，