液－液萃取 第一节概述 利用原料液中各组分在适当溶剂中溶解度的差异而实现混合液中组分分离的过程称为液－液萃取，又称溶剂萃取。液-液萃取,它是30年代用于工业生产的新的液体混合物分离技术。随着萃取应用领域的扩展,回流萃取,双溶剂萃取,反应萃取,超临界萃取及液膜分离技术相继问世,使得萃取成为分离液体混合物很有生命力的操作单元之一。 一.萃取操作原理 萃取是向液体混合物中加入某种适当溶剂，利用组分溶解度的差异使溶质A由原溶液转移到萃取剂的过程。在萃取过程中,所用的溶剂称为萃取剂。混合液中欲分离的组分称为溶质。混合液中的溶剂称稀释剂，萃取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。 原料液 原料液 图4-1萃取操作示意图 右图是萃取操作的基本流程图。将一定的溶剂加到被分离的混合物中，采取措施（如搅拌）使原料液和萃取剂充分混合混合，因溶质在两相间不呈平衡，溶质在萃取相中的平衡浓度高于实际浓度，溶质乃从混合液相萃取集中扩散，使溶质与混合中的其它组分分离，所以萃取是液、液相间的传质过程。 通常,萃取过程在高温下进行,萃取的结果是萃剂提取了溶质成为萃取相，分离出溶质的混合液成为萃余相。萃取相时混合物，需要用精馏或取等方法进行分离，得到溶质产品和溶剂，萃取剂供循环使用。萃取相通常含有少量萃取剂，也需应用适当的分离方法回收其中的萃取剂，然后排放。 用萃取法分离液体混合物时，混合液中的溶质既可以是挥发性物质，也可以是非挥发性物质，（如无机盐类）。 当用于分离挥发性混合物时，与精馏比较，整个萃取过程比较复杂，譬如萃取相中萃取剂的回收往往还要应用精馏操作。但萃取过程本身具有常温操作，无相变以及选择适当溶剂可以获得较高分离系数等优点，在很多的情况下，仍显示出技术经济上的优势。一般来说，在以下几种情况下采取萃取过程较为有利： 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一。 ⑵混合液中的组成能形成恒沸物酸，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。 当分离溶液中的非挥发性物质时，与吸附离子交换等方法比较，萃取过程处理的是两流体，操作比较方便，常常是优先考虑的方法。 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 一般石油化工工业萃取过程分为如下三个阶段: （Ⅰ）混合过程将一定量的溶剂加入到原料液中,采取措施使之充分混合,以实现溶质由原料向溶剂的转移过〕程. （Ⅱ）沉降分层分离出萃取相E和萃余相R; （Ⅲ）脱除溶剂获得萃取液E和萃余液R`,回收的萃取剂循环使用。 随着石油工业的发展，液液萃取已广泛应用于分离和提纯各种有机物质。轻油裂解和铂重整产生的芳烃混合物的分离就是其中的一例。 此外用脂类溶剂萃取乙酸，用丙烷萃取润滑油中的石蜡等也得到了广泛的应用。 ２．在生物化工中和精细化工中的应用 在生化制药的过程中，生成很复杂的有机液体混合物。这些物质大多为热敏性混合物。若选择适当的溶剂进行萃取，可以避免受热所损坏，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。可以说，萃取操作已在制药工业，精细化工中占有重要的地位。 ３．湿法冶金中的应用 20世纪40年代以来,由于原子能工业的广泛的发展,大量的研究工作集中于铀、钍,镮等金属提炼,结果是萃取几乎完全代替了传统的化学沉淀法.近20年来,由于有色金属使用量的剧增，而开采的矿石的品位的逐年降低，促使萃取法在这一领域迅速发展起来。目前认为只要价格与铜相当或超过通的有色金属如钴，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。 第二节三元体系的液－液平衡相 液－液萃取过程也是以相际的平衡为极限。三元体系的相平衡关系用三角坐标图来表示。 第一小节组成在三角形相图上表示方法 混合液的组成以在等腰三角形坐标图上表示最方便，因此萃取计算中常采用等腰直角三角形坐标图。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。间或有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。 （见化工原理下册P140页图4－2）三角形的三个顶点分别表示纯物质,如图中A代表溶质A的组成为100%,其它两组分的组成为零。同理,B点和S点分别代表纯的稀释剂和萃取剂。三角形的任一边上的任一点代表二元混和物,第三组分的组成为零。同理,B点和S点分别表示纯的稀释剂和萃取剂。 三角形任一点代表二元混合物,第三组分的组成为零。如图中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。 图中的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,则线段BE(或SD)代表A的组成,线段AK(或BF)及AH(或SD)则代表S及B的组成。由图度读的该三元混合物的组成为: X A=BE=0.40 X B=AH=0.30X S=AK=0.30 三者之和等于1,即: X A+X B+X S=0.40+0.30+0.30=1.00 此外，也可过M点分别作三个边的垂直线MN、ML及MJ，则垂直线段ML、MJ和MN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。 第二小节液-液相平衡关系在三角相图上的表示 根据萃取操作中各组分的互溶性,可分以下三种情况，即: 溶质A可完全溶于稀释剂B和萃取剂S中,但B与S不互溶. 溶质A可完全溶于组分B及S中,但B与S为一对部分互溶组分. 组分A,B可完全互溶,但B,S及A,S为两对部分互溶组分. 通常，将第1和第2项种只有一对部分互溶组分的三元物系称第Ⅰ类物系，而将具有两对部分互溶组分的三元混合物系称为第Ⅱ类物系，第Ⅰ类物系在萃取操作中较为常见，以下主要讨论这些平衡关系。 一.溶解度曲线和联结线 设溶质A完全溶于稀释剂B溶剂S中,而B与S部分互溶,如右图所示。在一定温度,组分B与组分S以任意数量相混合,必然得到两个互不相溶的液层,个层的坐标分别为图中的点L和点J.若与总组成为C的二元混合液中逐渐加入组分A成为三元混合液,但其中组分B与S质量比为常数,故三元混合液的组成将沿AC线变化.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所示,点C称之为混溶点或分层点。在于总组成为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三角形相图上的溶解度曲线有两对组分部分互溶的溶解度曲线与联结线 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。 溶解度曲线将三角形分为两个区域,曲线以内为两相区,以外的为均相区。两个液层称之为共轭相,连结共轭相组成坐标的直线中RE线。萃取操作只能在两相区内进行。 一定温度下第Ⅱ类物系的溶解度曲线。 一定温度下，同一物系的联结线倾斜方向一般是一致的，但随溶质组成而改变，即联结线互不平衡，但少数物系联结线的倾斜方向也会改变。 二,辅助曲线和临界混溶点（又称褶点） 一定温度下,三元物系的溶解度曲线和联结线由实验测得。使用时若要求与已知相成-平衡的另一相的数据,常借助辅助曲线(也称共轭曲线)求得。只要有若干联结线数据即可辅助曲线,可参考化工原理下册P142图4-6通过已知点R1,R2...等分别作底边BS的平行线,再通过相应联结线...等分别作侧直角边BS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. 辅助曲线与溶解度曲线的交点P,表示通过该点的联结线为无限短,相当于这一系统的临界状态,故称点P为临界混溶点.由于联结线通常都具有一定的斜率.因而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,只有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。 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,也可从手册或有关专著中查得。 三.分配系数和分配曲线.分配系数 在一定温度下,当三元混合液的两个液相达平衡时,溶质在E相于R相中的组成之比称为分配系数,以kA表示,即:同样,对于组分B也可写出相应的表达式,即: （4-1） （4-1a） 式中分配系数表达了贸易组分在两个平衡液相中的分配关系.显然,kA愈大,萃取分离的效果愈2.kA值与联结线的斜率有关.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的kA值才可近似视为常数. 2.分配曲线 溶质A在三元物系互成平衡的;两个液层中的组成,也可象蒸馏和吸收一样,在y-x直角坐标图中用曲线表示.以萃余相R中溶质A的组成xA为横标,以萃取相E中溶质A的组成yA为纵标,互成平衡的E相和R相中组分A组成均标于y-x图上,得到曲线ONP,称为分配曲线.图示条件下,在分层区浓度范围内,E相内溶质A的组成yA均大于R相内溶质A的组成,即分配系数kA1,故分配曲线位于y=x线上侧.若随溶质A浓度的变化,联结线发生倾斜方向改变,则分配曲线将与对角线出现交点.这种物系称为等溶度体系。 图4-7由一对组分部分互溶时的分配曲线 由于分配曲线表达了萃取操作中互成平衡的两个液层E相与R相中溶质A的分配关系,故也可利用分配曲线求得三角形相图中的任一联结线ER。 同样方法可作出有两对组分部分互溶时的分配曲线有两对组分部分互溶时的分配曲线 四、杠杆规则 见化工原理下册P143页图4-8所示,将Rkg的R相与Ekg的E相相混合,即得到总组成为Mkg的混合液.反之,在分层区内,任一点M所代表混合液可分为两个液层R,E.M点称为和点,R点和E点称为差点.混合物M与两液相E,R之间的关系可用杠杆规则描述,即: (1)代表混合液总组成的M点及R点,应处于同一直线)E相与R相的量和线段MR与ME成比例: （4-2） 式中E、R--E相和R相的质量,kg或kg/s; MR,ME--线段MR与ME的长度。 应注意,图中点E代表相应液相组成的坐标,而式中的R及E代表相应液相的质量或质量流量,以后的内容均此规定进行。 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M点沿SF线而变,具体位置由杠杆规则确定,即: （4-3） 杠杆规则是物料衡算的图解表示方法,是以后将要讨论的萃取操作中物料衡算的基础。 第三小节萃取剂的选择 萃取剂的选择是萃取操作分离效果和经济性的关键。萃取剂的性能主要有以下几个方面衡量： 一、萃取剂的选择和选择性系数 选择性是指萃取剂S对原料液中两组分溶解能力的差异。若S对溶质A的溶解能力比对稀释剂B的溶解能力大得多,即萃取相中yA比yB大得多,萃余相中xB比xA大得多,那么这种萃取剂的选择性就好。 萃取剂的选择性可用选择性系数表示,即: （4-4） 将式4-1代入上式得: （4-4a） 或β=kA/kB（4-4b） 式中β--选择性系数 y--组分在萃余相E总的质量分率； x--组分在萃余相R总的质量分率； k--组分的分配系数。 （下标A组分A，B示组分B） β值直接与kA有关,kA值愈大,β值也愈大。凡是影响kA的因素(如温度、浓度)也同样影响β值。 一般情况下,B在萃余相中总是比萃取相中高,所以萃取操作中,β值均应大于1。β值越大,越有利于组分的分离;若β=1,由式4-4可知kA=kB,萃取相和萃余相在脱溶剂S后,将具有相同的组成,并且等于原料液组成,故;无分离能力,说明所选择的溶剂是不适宜的.萃取剂的选择性高,对溶质的溶解能力大,对于一定的分离任务,可减少萃取剂用量,降低回收溶剂操作的能量消耗,并且可获得高纯度的产品A。 选择性系数β类似于蒸馏中的相对挥发度a.所以溶质A在萃取液与萃余液中的组成关系也可类似于蒸馏中的气-液平衡方程来表示,即: 二.萃取剂S与稀释剂B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区面积。P145图4-11表示了在相同温度下,同一种A,B二元料液与不同性能萃取剂S1,S2所构成的相平衡关系图.图4-11表明B,S1互溶度小,分层区面积大,可能得到的萃取液的最高浓度y`max较高。所以说,B,S互溶度愈小,愈有利于萃取分离。 三.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.因此,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. 四.萃取剂的其它物性 为使E相和R相能较快的分层以从速分离,要求萃取剂与被分离混合物有较大的的浓度差,特别是对没有外加能量的萃取设备较大的浓度差可加速分层,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.所以,界面张力要适中。 此外,选择萃取剂时还应考虑其它一些因素,诸如:萃取剂应具有比较低的粘度凝固点,具有化学稳定性和热稳定性,对设备腐蚀性小,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.在选用萃取剂时要根据实际情况加以权衡,以满足要求。 第三节萃取过程的计算 萃取操作可在分级接触式或连续接触式设备中进行。在级式接触萃取过程计算中，无论是单级还是多级萃取操作，均假设各级为理论级，级离开每级的Ｅ相和Ｒ相互为平衡。萃取操作中的理论级概念和蒸馏中的理论板相当。一个实际萃取级的分离能力达不到一个理论级，两者的差异用级效率校正。目前，关于级效率的资料还不多，一般需结合具体的设备型式通过实验测定。 本节重点讨论级式萃取过程的计算，对连续接触萃取过程仅作简要介绍。 第一小节单级萃取的计算 单级萃取流程如前面的图4-1所示,操作可以连续,也可以间歇,间歇操作时,各股物料的量以kg表示,连续操作时,用kg/h表示.为了简便起见,萃取相组成y及萃余相组成x的下标只标注了相应流股的符号,而不注明组分符,以后不再说明. 在单级萃取操作中,一般需要将组成为xF的定量原料液F进行分离,规定萃余相组成为XR,要求计算溶剂用量、萃余相及萃取相的量以及萃取相组成。单级萃取操作在三角形形相图上的表达已于4-1-3项中介绍过，即根据XF及XR在化工原理P148图4-15（b）上确定点F及R点，过R作连结线与与FS线交于M点，与溶解度曲线交于E点。图中E`及R`点为从E相及R相中脱除全部溶剂后的萃取液及萃余液组成坐标点.各流股组成可从相应点直接读出。先对图4-15(a)作总物料平衡得: F+S=E+R=M（4－5） 各股流量由杠杆定律求得: （4－6） （4－7） （4－8） 此外,也可随同物料横算进行上述计算。 对式4-5作溶质A的衡算得： FXF+SyS=EyE+RXR=MXM（4-9） 联立式4-5、式4-9及式4-7并整理得： M（xM-xR） E=——————（4-10） yE-xR 同理，可得到E`和R`的量，即： F（xF-xR`） E=——————（4-11） yE`-xR` R`=F-E`（4-12） 第二小节多级错流萃取的计算 多级错流接触萃取流程示意图如图4-13所示。 图4-13多级错流萃取示意图 多级错流接触萃取操作中,每级都加入新鲜溶剂,前级的萃余相为后级的原料,这种操作方式的传质推动力大,只要级数足够多,最终可得到溶质组成很低的萃余相,但溶剂的用量很多。 多级错流萃取计算中,通常已知F,XF及各级溶剂的用量Si,规定最终萃余相组成Xn,要求计算理论级数。 一.B、S部分互溶时理论级数 对于组成B,S部分互溶物系，求算多级错流接触萃取的理论级数，其解法是单级萃取图解的多次重复。 原料液为A,B二元溶液,各级均用纯溶剂进行萃取(即ys1=ys2=....=0),由原料液流量F和第一级的溶剂用量si确定第一级混合液的组成点M1,通过M1作联结线,且由第一级物料衡算可求得R1。在第二级中,依R1与S2的量确定混合液的组成点M2,过M2作联结线.如此重复,直到得到的Xn达到或低于指定值时为止.所作联结线的数目即所需的理论级数。 溶剂总用量为各级溶剂用量之和,各级溶剂用量可以相等,也可以不等.但根据计算可知,只有在各级溶剂用量相等,时达到一定的分离程度,;溶剂的总用量为最小。 二.B、S完全不互溶时的理论级数 在操作条件下,若萃取剂S与稀释剂B互不相溶,此时采用直角坐标图计算更为方便.设每一级的溶剂加入量相等,则各级萃取相中的溶剂S的量和萃余相中的稀释剂B的量均可视为常数,萃取相中只有A,S两组分,萃余相中只有B,A两组分.这样可以仿效吸收中组成的表示法,即溶质在萃取相和萃余相中的组成分别用质量比Y(kgA/kgS)和X(kgA/kgB)表示,并可在X-Y坐标图上用图解法求解理论级数。 （一）图解法求理论级数 对图4-13中第一萃取级作溶质A的衡算: BXF+SYS=BX1+SY1 整理上式得: （4－13） 式中B--原料液中组分B的含量,kg或kg/h; S--加入每级的萃取剂S的量,kg或kg/h; YS--萃取剂中溶质A的质量比组成,kgA/kgS; Y1--第一级萃取相中溶质A的质量比组成,kgA/kgS; XF--原料液中溶质A的质量比组成,kgA/kgB; X1--第一级萃余相中溶质A的质量比组成,kgA/kgB; 同理,对第n级作溶质A的衡算得: （4－14） 上式表示了离开任意级的萃取相组成Yn与萃余相组成Xn之间的关系,称作操作相方程,斜率-B/S为常数,故上式为通过点(Xn-1,YS)的直线方程式。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-1，YS）点比位于分配曲线上，即操作相与分配曲线的交点。其步骤如下： （1）在直角坐标上作分配曲线）依XF和YS确定L点，以-B/S为斜率通过L点作操作相与分配曲线。此点坐标即表示离开第一级的萃取相E1与萃与相R1的组成Y1及X1。 （3）过E1作垂直线于Y=YS相交与V（X1，Ys），因各级萃取剂用量相等，通过V点作LE1平行线，此点坐标即表示离开第二级的萃取相E2与萃余相R2的组成（X2，Y2）。 以此类推，直至萃余相组成Xn等于或低于指定值为止。重复做操作线的数目即为所需的理论级数n。 若各级萃取剂用量不相等,则诸操作线不相平行。如果溶剂中不含溶质，YS=0，则L、V等点都落在X轴上。 （二）解析法求理论级数 若在操作条件下分配系数可视为常数，即分配曲线为通过原点的直线，则分配曲线可用下式表示: Y=K X（4－15） 式中K--以质量表示相组成的分配系数。此时,就可用解析法求解理论级数。 图4-17中第一级的相平衡关系为： Y1=KX1 将上时代入式4-13消去Y1可解得： （4-16） 令KS/B=Am，则上式变为： （4-16a） 式中Am--萃取因子，对应于吸收中的脱吸因子。 同样，对第二级作溶质A的衡算得： BX1+SYS=BX2+SY2 将式4-15、式4-16及Am=KS/B的关系代入上式并整理得： 依此类推，对第n级则有： （4-17） 整理式4-17移相并取对数得： （4-18） 式4-18的关系可用地（P154）图4-15所示的线图表示。 第三小节多级逆流接触萃取的计算 多级逆流接触萃取操作一般是连续的,其分离效率高,溶剂用量少,故在工业中得到广泛的应用。图4-16(a)为多级逆流萃取操作流程示意图。萃取剂一般是循环使用的,其中常含有少量的组分A和B,故最终萃余相中可达到的溶质最低组成受溶剂中溶质组成限制,最终萃取相中溶质的最高组成受原料液中溶质组成的制约。 图4－16（a） 在多级逆流萃取操作中,原料液的流量F和组成XF,最终萃余相溶质组成Xn均由工艺条件规定,萃取剂用量S和组成ys由经济权衡而选定,要求萃取所需的理论级和离开任一级各股物料的量和组成.。 一.组分B和S部分互溶时的图解计算法 (一)在三角形坐标图上的逐级图解法 对于组分B和S部分互溶的物系,多级逆流萃取操作的理论级数常在三角形相图上用图解法计算.图解计算步骤如下参见P156图(4-16b): (1)根据工艺要求选择合适的萃取剂,确定适宜的操作条件。根据操作条件的平衡数据在三角形坐标图上绘出溶解度曲线)根据原料液和萃取剂的组成在图上定出F和S两点的位置(图中采用的是),纯溶剂再由溶剂比S/F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Xn在相图上确定Rn点,联点Rn,M并延长RnM与溶解度曲线点,此点即为离开第一级的萃取相组成点。 根据杠杆规则,计算最终萃余相及萃取相的流量,即: (4)利用平衡关系和物料衡算,用图解法求理论级数。 在图4-20（a）所示的第一级与第n级之间作物料衡算得： F+S=Rn+E1 对第一级作总物料衡算得： F+E2=E1+R1或F-E1=R1-E2 对第二级作总物料衡算得： R1+E3=E2+R2或R1-E2=R2-E3 依此类推，对第n级作总物料衡算得： Rn-1+S=En+Rn或Rn-1-En=Rn-S 由上面各式可知： F-E1=R1-E2=R2-E3=...=Ri-Ei+1=...=Rn-1-En=Rn-S=Δ（4－19） 式4-19表明离开任一级的萃余相Ri与进入该级的萃取相Ei+1之差为常数,以Δ表示。Δ可视为通过每一级的“净流量”。Δ是虚拟量，其组成也可在三角形相图上用点Δ表示。由式4-20知，Δ点为各条操作线的共有点，称为操作点。显然，Δ点分别为F与E1、R1与E2、R2与E3...Rn-1与En、Rn与S诸流股的差点，故可任意延长两操作线，其交点即为Δ点。通常由FE1与SRn的延长线交点來确定Δ点的位置。 交替地应用操作关系和平衡关系，便可求出所需的理论级数。 （二）在x-y直角坐标上求理论级数 若萃取过程所需的理论级数较多时,在三角形坐标进行图解,由于各种关系线挤在一起,不够清晰,此时可在直角坐标上描绘分配曲线与操作线,然后利用精馏过程所用的梯形法求所需理论级数. 二.组分B和S完全不互溶时理论级数的计算 当组分B和S完全不互溶时,多级逆流萃取操作过程与脱吸过程十分相似,计算方法也大同小异.根据平衡关系情况,可用图解法或解析法求解理论级数.在操作条件下,若分配曲线不为直线,一般在X-Y直角坐标图中用图解法进行萃取计算较为方便.具体步骤如下(如P159图4-17): (1)由平衡数据在X-Y直角坐标上绘出分配曲线)在X-Y坐标上作出多级逆流萃取操作线(a)中的第一级至第i级之间对溶质作物料衡算得 (3)从J点开始,在分配曲线与操作线之间画梯级,阶梯数即为所需理论级数。 当分配曲线为通过原点的直线时，由于操作线也为直线，萃取因子Am（=KS/B）为常数，则可仿照脱吸过程的计算方式，用下式求解理论级数，即： （4-22） 三.溶剂比(S/F)和萃取剂的最小用量 萃取操作中，溶剂比是个重要参数，它表示萃取剂用量对设备费和操作费的影响.完成同样的分离任务,若加大溶剂比,则所需的理论级数可以减少,但回收溶剂所消耗的能量增加;反之.S/F愈小,所需的理论级数愈大,而回收所需的能量愈少.所以,应根据经济权衡来确定适宜的溶剂比.所谓萃取剂的最小用量Smin,是指达到规定的分离程度,萃取剂用量减少到Smin时,所需的理论级数为无穷多.实际操作中,萃取剂的用量必需大于此极限值. 由三角形相图看出,S/F值愈小,操作线和联结线的斜率愈接近,所需的理论级数愈多,当萃取剂的用量减少至Smin时,将会出现贸易操作线和联结线相重合的吸情况,此时所需的理论级数为无穷多.Smin的值可由杠杆规则求得。 在直角坐标图上,当萃取剂用量减少时,操作线向分配曲线靠拢,在操作线与分配曲线之间所画的阶梯数(即理论级数为无穷多.对于组分B和S完全不互溶的物系(如P160图4-18所示),用@代表操作线的斜率,即@=B/S,若采用不同的萃取剂用量 S1,S2,Smin(S1S2Smin)相应的操作线，由图看出,S值越小,所需的理论级数越多,S值为Smin时,理论级数为无穷多.萃取剂的最小用量可用下式计算,即: Smin=B/δmax（4-23） 第四小节微分逆流接触萃取的计算 微分接触逆流萃取过程常在塔式设备(如填料塔,脉冲筛板塔等)内进行。塔式萃取设备内两液相的流路如P162图4-19所示.原料液和溶剂在塔内作逆向流动并进行物质传递,两相中的溶质组成沿塔高而连续变化,两相的分离是在塔顶和塔底完成的。 塔式微分设备的计算的和气液传质设备一样,即要求确定塔径和塔高两个基本尺寸.塔径的尺寸取决于两液的流量及适宜的操作速度;而塔高的计算有两种方法,即理论级当量高度法及传质单元法. 一.理论级当量高度法 理论级当量高度是指相当于一个理论级萃取效果的塔段高度,用HETS表示.根据下式确定塔的萃取段有效高度,即:h=n(HETS)(4-24)式中 h--萃取段的有效高度,m; n--逆流萃取所需的理论级数;HETS--;理论级的当量高度,m. 理论级数n反应萃取分离的难易或萃取过程要求达到的分离程度.HETS是衡量传质效率的指标.若传质速率愈快,塔的效率愈高,则相应的HETS值愈小.和塔板效率一样,HETS值与设备型式,物系性质和操作条件有关,一般需要通过实验确定.对贸些物系,可以用萃取专著所推荐的经验公式估算. 二.传质单元法 与吸收操作中填料层高度计算方法相似,萃取段的有效高度可用传质单元法计算。 假设组分B与S完全不互溶,则用质量比组成进行计算比较方便.再若溶质组成较稀时,在整个萃取段内体积传质系数Kxa可视为常数,则萃取段的有效高度可用下式计算,即: 或h=HOR NOR（4-25a） 式中HOR--萃余相的总传质单元高度，m； 其中KXα--以萃余相中溶质的质量比组成为推动力的总体积传质系数（kg/m3。h。ΔX） Ω--塔的横截面积，m2； 萃取相的总传质单元高度HOR或总体积传质系数KXa由试验测定，也可从萃取专著或手册中查得。 萃余相中的传质单元数可用图解积分法求得。当分配曲线为直线时，又可用对数平均推动力或解析法求得。解析法计算式为： 同理，也可仿照上法对萃取相写出相应的计算式。 第三节液-液萃取设备 和气-液传质过程类似,在液-液萃取过程中,要求在萃取设备内能使两相密切接触并伴有较高程度的湍动,以实现两相之间的质量传递;而后,又能较快地分离.但是,由于液液萃取中两相间的密度差较小,实现两相的密切接触和快速分离.要比气液系统困难的多.为了适应这种特点,出现了多种结构型式的萃取设备。目前,为了工业所采用的各种类型设备已超过30种,而且还不断开发出新型萃取设备。根据两相的接触方式,萃取设备可分为逐级接触式和微分接触式两大类;根据有无外功输入,又可分为有外能量和无外能量两种。工业上常用萃取设备的分类情况如下表:本接简要介绍一些典型的萃取设备及其操作特性。 第一小节混合-澄清槽 混合-澄清槽是最早使用,而且目前仍广泛用于工业生产的一种典型逐级接触式萃取设备。它可单级操作,也可多级组合操作.每个萃取级均包括混合槽和澄清槽两个主要部分。为了使不互溶液体中的一相被分散成液滴而均匀分散到另一相中,以加大相际接触面积并提高传质速率,混合槽中通常安装搅拌装置.也可用脉冲或喷射器来实现两相的充分混合。 澄清器的作用是将已接近于平衡状态的两液相进行有效的分离.对于易于澄清的混合液,可以依靠两相间的密度差进行重力沉降(或升浮).由于液-液系统两相间的密度差和界面张力均较小,分散相液滴的运动速度和凝聚速率也很小,因而使两相的分离时间往往很长.对于难于分离的混合液,可采用离心式澄清器(如旋液分离器,离心分离机),加速两相的分离过程。 典型的单级混合澄清槽如图4-1和P166图4-20所示.操作时,被处理的混合液和萃取剂首先在混合槽内充分混合,再进入澄清器中进行澄清分层.为了达到萃取的工艺要求,既要使分散相液滴尽可能均匀地分散于另一相之中,又要使两相有足够的接触时间.但是,为了避免澄清设备尺寸过大,分散相的液滴不能太小,更不能生成稳定的乳状液.图4-20是将混合槽和澄清槽合并成为一个装置。 多级混合-澄清槽是由多个单级萃取单元组合而成.图4-22所示为水平排列的三级逆流混合澄清槽萃取装置示意图。 图4-22三级逆流混合——澄清萃取设备 混合-澄清槽的优点是传质效率高(一般级效率为80%以上),操作方便,运行稳定可靠,结构简单,可处理含有悬浮固体的物料,因此应用比较广泛.其缺点是水平排列的设备占地面积大,每级内都设搅拌装置液体在级间流动需要泵输送,消耗能量较多,设备费及操作费较高.为了克服水平排列多级混合-澄清槽的缺点,可采用图4-30所示的箱式和立式混合澄清萃取设备。 第二小节塔式萃取设备 习惯上,将高径比很大的萃取装置统称为塔式萃取设备.为了获得满意的萃取效果,塔设备应具有分散装置,以提供两相混合和分离所采用的措施不同,出现不同结构型式的萃取塔。 在塔式萃取设备中,喷洒塔是结构最简单的一种,塔体内除各流股物料进出的联接管和分散装置外,别无其它的构件。由于轴向返混严重,传质效率极低.喷洒塔主要用于只需一,二的场合,如用作水洗中和与处理含有固体的悬浮物系。 下面重点介绍几种工业上常用的萃取塔。 一．填料萃取塔 用于萃取的填料塔与用于气－液传质过程的填料塔结构上基本相同，即在塔体内支承板上充填一定高度的填料层。萃取操作时，连续相充满整个塔中，分散相以液滴状通过连续相。为防止液滴在填料入口处聚结和出现液泛，轻相入口管应在支承器之上25~50mm处。选择填料材质时，除考虑料液的腐蚀性外，还应使填料只能被连续相润湿而不被分散相润湿，以利于液滴的生成和稳定。一般陶瓷易被水相润湿，塑料和石墨易被有机相润湿，金属材料则需通过实验而确定。 二．筛板萃取塔 如图4-23所示： 图4-23脉冲筛板塔中液体产生脉动的方式 (a)往复活塞型;(b)脉动隔膜型;(c)风箱性;(d)脉动进料型;(e)空气脉动型 三．转盘萃取塔及偏心转盘萃取塔 如图4-24所示： 图4-24往复筛板萃取塔 图4-25转盘萃取塔(RDC) 第三小节离心萃取器 离心萃取器是利用离心力使两相快速充分混合并快速分离的萃取装置.至今,已经开发出多种类型的离心萃取器,广泛应用于制药,香料,染料,废水处理,核燃料处理领域.离心萃取器有多种分类方法,按两相接触方式可分为微分接触式和逐级接触式。 第四小节萃取设备的流体流动和传质特性 在液液萃取操作中,依靠两相的密度差,在重力或离心力场作用下,分散相和连续相产生相对运动并密切接触而进行传质.两相之间的传质与运动状况有关,而流动状况和传质速率又决定了萃取设备的尺寸,如塔式设备的直径和高度。 一．萃取设备的流动特性和液泛 关于液泛速度，许多研究者提出不少经验和半经验公式，还绘制成关联线所示为填料萃取塔的液泛速度Uef关联图： 图4-26填料萃取塔的液泛速度关联图 二．萃取塔的传质特性 传质推动力是影响萃取速度的一重要因素，如无反混现象时，传质推动力最大。 第五小节萃取设备的选择 各种不同类型的萃取设备具有不同的特性,萃取过程中物系性质对操作的影响错综复杂.对于具体的萃取过程选择适宜设备的原则是:首先满足工艺条件和要求,,然后进行经济核算,使设备费和操作费总和趋于最低.萃取设备的选择,应考虑如下的因素: 1.所需的理论级数 当所需的理论级数不大于2-3级时,各种萃取设备均可满足要求;当所需的理论级数较多(如大于4-5级)时,可选用筛板塔;当所需的理论级数再多(如10-20级)时,可选用有能量输入的设备,如脉冲塔,转盘塔,往复筛板塔,混合澄清槽等. 2.生产能力 当处理量较小时,可选用填料塔,脉冲塔.对于较大的生产能力,可选用筛板塔,转盘塔及混合-澄清槽.离心萃取器的处理能力也相当大. 3.物系的物理性质 对界面张力较小,密度差较大的物系,可选用无外加能量的设备.对密度差小,界面张力小,易乳化的难分层物系,应选用离心萃取器.]对有较强腐蚀性的物系,宜选用结构简单的填料塔或脉冲填料塔.对于放射性元素的提取,脉冲塔和混合澄清槽用得较多.若物系中有固体悬浮物或在操作过程中产生沉淀物时,需周期停工清洗,一般可采用转盘萃取塔或混合澄清槽.另外,往复筛板塔和液体脉动筛板塔有一定的资清洗能力,在贸些场合也可考虑选用. 4.物系的稳定性和液体在设备内的停留时间 对生产要考虑物料的稳定性,要求在萃取设备内停留时间短的物系,如抗菌素的生产.用离心萃取器合适;反之,若萃取物系中伴有缓慢的化学反应,要求有足够的反应时间,选用混合-澄清槽为适宜. 5.其它 在选用设备时,还需考虑其它一些因素,如:能源供应状况,在缺电的地区应尽可能选用依重力流动的设备;当厂房地面受到限制时,宜选用塔式设备,而当厂房高度受到限制时,应选用混合澄清槽。 重点回顾 液-液萃取 本章学习要求 熟练掌握萃取过程的原理；部分互溶物系的液-液相平衡关系；萃取过程（包括单级萃取、多级错流萃取和多级逆流萃取）的计算；对于组分B、S部分互溶体系，要会熟练地利用杠杆规则在三角形相图上迅速准确的进行萃取过程计算；对于组分B、S不互溶体系，则可仿照吸收的计算方法。 理解溶剂选择的原则；影响萃取操作的因素；萃取剂和操作条件的合理选择；萃取过程的强化措施。 了解萃取操作的经济性；萃取操作的工业应用；液-液萃取设备及选用。 概述 液－液萃取又称溶剂萃取，是向液体混合物中加入适当溶剂(萃取剂)，利用原混合物中各组分在溶剂中溶解度的差异，使溶质组分从原料液转换到溶剂的过程，它市三十年代用于工业生产的新的液体混合物分离技术。随着萃取应用领域的扩展，回流萃取，双溶剂萃取，反应萃取，超临界萃取以及液膜分离技术相继问世，使得萃取成为分离液体混合物很有生命力的单元操作之一。 蒸馏和萃取均属分离液体混合物的单元操作，对于一种具体的混合物，要会经济合理化的选择适宜的分离方法 一般工业萃取过程分为如下三个基本阶段： 混合过程将一定量的溶剂加入到原料液中，采取措施使之充分混合，以实现溶质由原料向溶剂的转移的过程； 沉降分层分离出萃取相与萃余相。 脱出溶剂获得萃取液与萃余液，回收的萃取剂循环使用。 萃取过程可在逐级接触式或微分接触式设备中进行，可连续操作也可分批进行。 第一节基本原理 根据组分间的互溶度，三元混合体系可分为两类： （1）Ⅰ类物系组分A、B及A、S分别完全互溶，组分B、S部分互溶或完全不互溶； （2）Ⅱ类物系组分A、S及组成B、S形成两对部分互溶体系 本章重点讨论Ⅰ类物系连续操作的逐级接触萃取过程。 三元体系的相平衡关系 萃取过程以相平衡为极限。相平衡关系是进行萃取过程计算和分析过程影响因素的基本依据之一。 对于组分B、S部分互溶物系，相的组成、相平衡关系和萃取过程的计算，采用等腰三角形相图最为方便。常用质量百分率或质量分率表示相组成。 1-1组成在三角形相图上的表示 三角形的三个顶点分别表示纯组分A、B、S。 三角形的边AB、AS和SB依次表示组分A与B、A与S以及S与B的二元混合液。 三角形内任意一点代表三元混合液的组成。 1-2相平衡关系在三角形相图上的表示 （一）溶解度曲线、联结线、辅助曲线和临界混熔点 要能够根据一定条件下测得的溶解度数据和共轭相的对应组成在三角形相图上准确作出溶解度曲线、联结线、辅助曲线（又称共轭曲线），并确定临界混溶点。 会利用辅助曲线由一已知相组成点确定与之平衡的另一相组成点的坐标位置。 溶解度曲线将三角形分成单相区（均相区）与两相区，萃取操作只能在两相区中进行。 （1）不同物系在相同温度下具有不同形状的溶解度曲线）同一物系，当温度变化时．可引起溶解度曲线和两相区面积的变化，甚至发生物系的转化。一般温度升高，组分间互溶度加大，两相区面积缩小，不利于萃取分离。 一定温度下，同一物系的联结线倾斜方向随溶质组成而变，即各联结线一般互不平行，少数物系联结线的倾斜方向也会发生改变（等溶度体系）。 （二）分配系数和分配曲线．分配系数在一定温度下，溶质A在平衡的萃取相和萃余相中组成之比称为分配系数，即 同样，对干组分B也可写出相应表达式： 在操作条件下，若组分B、S互不相溶，则以质量比表示相组成的分配系数可改写成如下式，即 2．分配曲线若主要关心溶质A在平衡的两液相中的组成关系，则可在直角坐标图上表示相组成，即在直角坐标图画出X－y关系曲线，此即分配曲线。 在操作条件下，若组分B、S不互溶，则可仿照吸收中平衡曲线的方法作出以质量比表示相组成的XY相图。再若在操作范围内，以质量比表示相组成的分配系数K为常数，平衡关系可表示为直线萃取过程在三角形相图上的表示 萃取过程的三个基本阶段 萃取过程的三个基本阶段可在三角形相图上清晰地表达出来。 1．混合将Skg的萃取剂加到F kg的料液中并混匀，即得到总量为M kg的混合液，其组成由点M的坐标位置读取。 F料液量，kg或kg／s； S萃取剂的量，kg或kg／s； M混合液的总量，kg或kg／s； xF原料液中溶质的质量分率； ys溶剂中溶质的质量分率，对于纯溶剂，ys=0 XM混合液中溶质的质量分率。 2．沉降分层混合液沉降分层后，得到平衡的两液相E、R，其组成由图上读得，各相的量由杠杆规则及总物料衡算求得，即 式中E萃取相的量，kg或kg/s； R萃余相的量，kg或kg/s 、分别代表线段的长度。 图中的M点称为和点，R、E或F、S称为差点。 3．脱除溶剂若将得到的萃取相及萃余相完全脱除溶剂，则得到萃取液和萃余液，其组成由图上读得，其量利用杠杆规则确定，即 或 杠杆规则是物料衡算过程的图解表示，萃取过程在三角形相图上的表示和计算，关键在干熟练地运用杠杆规则。 （二）萃取剂的选择 萃取剂的选择是萃取操作分离效果和是否经济的关键。选择萃取剂时时主要考虑如下因素。 1．萃取剂的选择性和选择性系数 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，可用选择性系数来表示： 对于蒸馏中的相对挥发度，统称为分离因子。萃取操作中值均应大于1。值越大，越有利于组分的分离；若=1，萃取相和萃余相脱除溶剂S后将具有相同的组成，且均等于原料液的组成，无分离能力，说明所选择的萃取剂是不适宜的。 当在操作条件下组分B、S可视作不互溶时，=0，选择性系数趋于无穷大。 2．组分B、S间的互溶度 组分B、S间的互溶度愈小愈有利萃取分离，完全不互溶为理想情况。 3．萃取剂回收的难易 易于回收可降低能量消耗。 4．其它 两相密度差要大，界面张力适中，粘度与凝固点要低，化学及热稳定，无毒不易燃，来源充，价格低廉等。

　　5.1《论语》十二章+课件(共34张PPT；+2023-2024学年统编版高中语文选择性必修上册.pptx

　　安徽省部分地区2022-2023学年第二学期高二语文期末试卷汇编：文言文阅读.docx

　　原创力文档创建于2008年，本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接分享给其他用户（可下载、阅读），本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人所有。原创力文档是网络服务平台方，若您的权利被侵害，请发链接和相关诉求至 电线) ，上传者