第二节液液相平衡.................................................................. 第三节萃取过程的计算............................................................ 四、多级错流萃取的图解计算................................................10 五、多级逆流萃取的图解计算................................................ 12 第四节 萃取设备...................................................................... 13 一、主要萃取设备..................................................................... 13 二、液泛与两相的极限速度.................................................... 14 三、萃取设备的选择................................................................ 15 萃取方法：加入第三组分，使之能选择性的溶解混合物中的一种组分，并能与原液相实现有效的分离。 有选择性溶解能力；与原液相混合物仅能部分互溶或完全不互溶； 专用名词：萃取剂（S）--- 指加入的第三组分溶剂； 原料液（F）--- 指原液相混合物，由A（溶质）和B（稀释剂）组成； 萃取相（E）--- 经萃取分层后，主要由萃取剂S 和溶质A 组成的液相； 经萃取分层后，主要由稀释剂B和溶质A 组成的液相； kg，加入的萃取剂的量为S kg ，所得到的液相混合 物的总量为M kg，则有：M＝F＋S＝V＋L； 设混合后的总组成为MA、MB、MS，原料液的组成为 XfA、XfB（以上均为 质量分数），则有： MA＝FXfA/M，MB＝FXfB/M ，MS＝S/M 组分在平衡两相中的组成比。在萃取操作中分配系数一般不是常数，随两相组成的改变而改变。但两 相组成的改变对于一定的物系满足一定的函数关系。液液萃取平衡中的分 配系数与气液平衡中的平衡常数相类似。 定义： KA＝YA/XA 选择性系数β---组分的分配系数之比。 即：β＝KA/KB ，这与气液平衡中的相对挥发度α相类似。 槽式萃取流程塔式萃取流程 单元名称 实施方法操作原理 平衡系统 物系特征 两相组成 吸收 气液分离 加溶剂 溶解度不同 气液平衡 两相Δρ大 两元 萃取 液液分离 加溶剂 溶解度不同 液液平衡 两相Δρ小 三元 萃取操作的基本特点：常温操作，能耗低；投资大，消耗高；溶剂难选择，难取得纯组分。 用途：i.一般精馏难以实现的液相混合物的分离； ii. 高价值，低浓度组分的分离； iii.热敏性物系的分离； iv.溶剂价廉易得的物系分离； 真实组成（质量分数）萃取相（轻相）： YA、YB、YS； 萃余相（重相）：XA、XB、XS； 2．脱溶剂组成 萃取相（轻相）： YA’、YB’； 萃余相（重相）：XA’、XB’； 组成换算： YA’＝ YA/( YA＋YB) ；XA’＝ XA/( XA＋XB) 边线---两元系组成线，任意一点均表示相应的两元组成； 一点均表示所对顶点组分的组成相等，且越靠近顶点，表示 所对顶点组分的含量越高； 任意顶点到对边的连线---等比例组成线，在该线上任意一点所表示的相连边的端点组分的组成之 比总是相等的。 2．三角相图的应用 联线规则：在三角相图内将三元组成点R、E所表示的物料R 混合在一起所得的混合物的组成点M，必落在R、E 点的联线上。 杠杆规则：在三角相图上任意在同一条直线上的三点均满足杠杆规则。如图所示，从而有： E/R＝RM/ME＝（XR，B－XM，B）/（XM，B－XE，B）＝（XM，S－XR，S）/（XE，S－XM，B） ＝（XE，A－XM，A）/（XM，A－XR，A） 溶解度曲线：由互相平衡的两相组成点连成的曲线称为 。其位置和形状均随温度而变。 溶解度曲线 两元组成点，平衡分离后的两液相组成分别为 E1、R1，加入组分A 后的混合物总 组成为 M2，平衡分离后的两液相组成分 别为E2、R2，直至Mi、Ei 与Ri，若加入 组分足够多，将会得到混溶点P。此时系统不再分层，成为单一液相。 ---由平衡组成点连接的线称为联结线。联结线一般为 倾斜的，互不平行。联结线的应用： 确定两相组成；计算两相量； 绘制辅助线； ---过联结线的端点， 作侧边的平行线所得的交点的连线。任意两条边均可绘制辅助线。 辅助线．三角相图的分区：由溶解度曲线和底边围成的区域为两相区，两相区之外为单相区。 1．液液相平衡的分类： AB、AS 完全互溶 AS、BS 均部分互溶 AB、AS完全互溶， BS 完全不互溶； BS 部分互溶； 2．液液相平衡的相图表示： 落在两相区内的三元组成点都可以自动的分为互相平衡的两相； 三元组成点的读数：过三元组成点作各边的平行线，各 平行线所对顶点组分的组成即该点 的三元组成坐标值。 ii．X－Y 图上的表示： 将一系列平衡两相的组成值 Xi 和Yi 统一标绘在X－Y 图上， 分配曲线，图中分配曲线与对角线的交点P即临界混溶点。 通过分配曲线可以很方便的确定相应的平衡两相组成。 iii．三角相图的形式： 常用的三角形相图 有直角三角形相图 和等边三角形相图。 前者的绘制比较方 便，后者的坐标值 表达要清楚些。 1．萃取过程在三角相图上的表示 料液组成点---F不含溶剂S 时，为AB 边上的两元组成点， 若含有溶剂S，则会落在相图之内，为三元 组成，且落在等比例组成线FS 萃取剂S的加入与分层区 在料液中加入萃取剂S 时，随着 溶剂S 的增加，相应的三元组成点将 沿着等比例组成线FS移动。只有 当三元组成点落在分层区之内时 三元混合物才有可能分层，也才有可能分离为平衡的两相。 等比例组成线FS即为料液组成点为F，溶剂为S 的萃取线。 平衡分离线 联结线RE即为混合物组成为M 的平衡分离线，所得萃 连接SE，延长后与 AB 边相交于 连接SR，延长 后与AB 边相交于R’，E’与R’即为萃取相E 的脱溶剂组成。萃取率---取相中获得的溶质量和料液中的溶质量的比值。 即：η＝EYA/ FXfA， 理想萃取线由三角相图可知，溶质A在萃取相中的浓度与溶剂S的加入量有关，且 有最大值Emax .过S点作溶解度曲线的切线，与溶解度曲线相切于E 然，通过切点的联结线所对应的萃取相中溶质A的浓度应当是最高的，溶剂的萃取率也是最高的。E ，多于或少于这一量，萃取率都将下降，在萃取相中的溶质浓度也会下降。因此，根据这一原理可确定一个 溶剂的加入量的控制范围，以保证在萃取相中的溶质浓度不低于某一控制 指标。 选择性系数对萃取操作的影响由选择性系数的定义可知，β＝KA/KB，和相对挥发度一样，对于完全 理想的液液平衡系统也可以表示为： βXA 1＋(β-1)XA 时，联结线将与萃取线重合，即联结线的延长线经过S点。β是随着稀释剂B与溶剂S的互溶度的下降而增加的，β值越大，萃取分离的效果就越 好，当两者的互溶度等于零时，即完全不互溶时，β ，理论上可实现 完全的分离。β还与操作温度有关，因为温度下降，B与S的互溶度也会下 降，所以随着操作温度的下降β会升高，两相区会增大，对萃取是有利的。 但随着温度的下降，A与S的互溶度也会下降，由完全互溶变为部分互溶而 使分离效果受到影响。同时，温度的改变还会影响到物料的黏度和表面张 力，这对萃取实际上也是有影响的。 总物料衡算：Rm-1＋Em＋1＝Rm＋Em 理论级---若料液经萃取分离后的两相Rm-1，Xm-1，A Rm ，Xm，A 是互相平衡的，该萃取级就称为一个理论萃取级。 级效率---萃取级的实际分离能力与理 Em ，Ym，A Em＋1，Ym＋1，A 论分离能力的比值。可仿照精馏的单板效率表示为： Ym，A－Ym＋1，A ηEm＝------------- m，A－Ym＋1，A1．物料衡算 对于单级萃取的物料衡算可将（6）（7）（8）式简化为： 如果加入纯溶剂则有：FXfA＝RXA＋EYA 2．平衡关系式液液萃取的平衡关系式常表示为：YA＝f（XA）；或通过（5）式来计算。 而溶剂的两相组成也以相应的溶质组成来估算：YS＝φ（YA），XS＝φ（XA）； 3．萃取过程计算 设计型计算：已知F、XfA、YA＝f（XA），以及XA（或YA）；确定：溶剂加入量 S，萃取相的量 的及组成。操作型计算：已知F、XfA、YA＝f（XA），以及溶剂的加入量S 和相应组成XA， 确定：萃取相的量E 及组成，以及萃余相的量R 的及组成。 4．萃取过程的图解计算 利用三角形相图对萃取过程求解比解析法要简捷得多，其步骤如下： 在三角相图上标绘出溶解度曲线和辅助线； 确定料液的组成点F，连接FS； 由（2）式确定 通过杠杆规则求取S的加入量： 取辅助线上的任意点M’，作相应两边的平行线与溶解度曲线相交于R’、E’点， 得联结线 再用杠杆规则确定平衡两相E的量和组成，以及相应的R 的量和组成； 两相组成可由相图直接读出，两相量则可由下式求取： E＝M（MR/RE） ；R＝M－E 5．单级萃取的分离范围溶剂S 的加入量等于最佳用量时，可获得单级萃取操作的最大极限浓度 Emax 和YA’，max，若S 的加入量使M 点落在溶解度曲线上时，则获得单级萃取操 作的最小极限浓度Rmin 和XA’，min 。相应的分离区间即为单级萃取的分离范围。 现有100kg 料液，其中A 的含量为30％，B 为70％ 。若加入溶剂S 用萃取操作分离出 组分。其脱溶剂浓度最高浓度可达到多少？相应的溶剂消耗量又为多少？（溶解度曲线如图所示）。 在三角形相图上过S点作溶解度曲线 的切线与曲线相切于 点，与AB边相交 点，此即可得最佳的萃取相组成点。从相图上可直接读得溶质的最高脱溶剂浓度 为0.765。再过切点 作AB 20行线ET 与辅助线相交于T 与FS相交于M点。40 最佳溶剂用量可有下式求得： S＝F（FM/MS）＝100（30/45） 所以 S＝66.7 kg 经平衡分离后的两相组成、选择性系数为多少？经平衡分离后的两相组成也可直接从相图上读得，相应坐标值为： XEA＝0.277，XEB＝0.067 ，XES＝0.656 XRA＝0.212，XRB＝0.632 ，XRS＝0.156 该物料采用萃取操作的分离范围是多少？设FS 与溶解度曲线的交点为K，过该点的联结线为K ，相应的萃余相 的脱溶剂浓度 即该物料采用萃取操作溶质可能得到的最低浓度，其值 为：0.059。从而可得其萃取操作脱溶剂浓度的分离范围为：0.059～0.765。 若要求萃取分离后溶质的脱溶剂浓度不低于最大值的 90％，溶剂加入量 的范围是多少？ 因工艺要求溶质的脱溶剂浓度范围的最大值为：0.765，最低控制值为： 76590％＝0.6885，则可连接AB 解度曲线点作联结线 根据杠杆规则可求得：S1＝F（FM1/M1S）＝100（17/60）＝28.3 kg S2＝F（FM2/M2S）＝100（41/21）＝195.2kg 所以溶剂的加入量范围是：28.3～195.2kg 作业：（1）增加：系统的最佳溶剂加入量为多少？相应的萃取率为多少？若要求溶质的脱溶剂浓度不低于70％，求溶剂加入量的范围； 若要求萃余相中获得最低溶质浓度，应加入多少溶剂？ R3R2 R1 E3E2 E1 将萃余相取出再加入新鲜溶剂萃取，R1 E1 重复多次即为 ，其过程 R2 E2 如图所示。计算可参考下例。 R3 E3 ：已知：F＝100 kg ,XfA＝30％， XfB＝70％，（1）求用100kg 溶剂S 的量，相应组成和萃取率；（2）若用100kg溶剂S 次，每次50kg作错流萃取时的R、E 的量，相应组成和萃取率； 10 解：（1）因已知F＝100kg 又因S＝100kg,所以 ：M＝F＋S＝100＋100＝200kg