第二节萃取过程的流程和计算 本章小结 若使萃余液的溶质组成 x? 降到5%： 三、萃取剂的选择 1. 溶剂的选择性 要求溶剂具有一定的选择性，即对A的溶解度要大，对其它组分的溶解度要小。 选择性系数： 2. 影响分层的因素 B、S 互溶度越小，对萃取有利。 B、S密度差越大，对萃取有利。 表面张力。 3. 溶剂回收的难易 S与其它组分的相对挥大，可采用蒸馏，蒸发，结晶等方法分离。 4. 稳定性，腐蚀性，价格 良好的稳定性，腐蚀性小，毒性低，资源充足，价格适宜等。 例12-3：根据例12-1中各组相平衡数据，计算选择性系数。 0.762 68.0 12.2 19.8 9.0 65.0 26.0 8 0.763 67.0 11.8 21.2 10.2 62.0 27.8 9 0.781 72.3 10.2 17.5 7.6 70.0 22.4 7 0.740 75.4 9.8 14.8 7.0 73.0 20.0 6 0.771 78.0 9.2 12.8 6.2 77.2 16.6 5 0.810 58.6 15.0 26.4 13.4 54.0 32.6 10 0.704 82.2 8.3 9.5 6.0 80.5 13.5 4 0.640 86.0 8.0 6.0 5.0 85.6 9.4 3 0.667 88.5 8.3 3.2 4.2 91.0 4.8 2 92.6 7.4 0 3.5 96.5 0 1 S% B% A% S% B% A% 分配 系数 水 相（E） 乙酸乙酯相（R） 序 号 序号2 完全不互溶物系的萃取计算 B和S完全不互溶，S和B在两相中的流率不变，故定义： 为以S为基准的比质量分数； 为以B为基准的比质量分数。 1级 单级萃取物料衡算 一、单级萃取 物料衡算: —— 操作线时，操作线方程： Y X 相平衡线）给定B量、组成及分离要求X，求S用量 Y X 相平衡线 F 二、 多级错流萃取 1. 流程 多级错流萃取流程图 R? S S R4 , X4 E4 , Y4 E3, Y3 2 4 3 1 F , XF R1 , X1 R2 , X2 R3 , X3 E2 , Y2 E1 , Y1 S，Y0 S，Y0 S, Y0 S, Y0 Ⅰ Ⅱ E? S 对任意i级作物料衡算： i 级 2. 操作线方程 萃取剂与原溶剂在操作范围互不相溶各级加入等量溶剂S1 若： —— 操作线. 图解法求所需理论级数N 1级 (XF ,Y0 ), (X1,Y1 ) 2级 (X1 ,Y0 ), (X2 ,Y2 ) …… n级 (XN-1 ,Y0 ), (XN ,YN ) 注意：若要求S用量，已知N时，需试差。 E4 E3 E2 E1 －B/S1 4. 代数法求所需理论级数N X－Y相平衡关系可表示为： …… 例12-4含丙酮20%（w%）的水溶液。F＝800kg/h，按错流萃取流程，以1,1,2-三氯乙烷萃取其中的丙酮，每一级的三氯乙烷流率S1＝320kg/h，要求丙酮含量下降到5%以下，求所需的理论级数和萃取相、萃余相的流率。 33.7 8.90 57.40 3.75 50.20 46.05 7 47.53 4.26 48.21 1.60 62.67 35.73 6 58.21 2.40 39.39 1.04 71.33 27.63 5 71.01 1.33 27.66 0.79 80.16 19.05 4 78.32 0.90 20.78 0.68 85.35 13.97 3 84.40 0.60 15.00 0.60 89.40 10.0 2 90.93 0.32 8.75 0.52 93.52 5.96 1 S% B% A% S% B% A% 三氯乙烷相 水 相 序 号 F1 E1 F2 E2 E3 X3 X1 38.24 23.53 4 26.23 16.24 3 17.65 11.11 2 9.59 6.34 1 Y % X % 序号 解： 原料液中的水量B＝800×0.8＝640kg/h 操作线： 由图平衡曲线时 三、多级逆流萃取 多级逆流萃取流程 1、流程 1 2 i Yi Xi-1 对塔内任意第 i 级进行物料衡算 ： 2、理论级数的确定 忽略萃取剂中的溶质量： 是一直线）作图法求理论级数 X1 X2 X3 （2）代数法求理论级数N ……… 3. 最小溶剂比 分离要求XN一定时 注意：操作线中的三级错流萃取改为三级逆流萃取，原料液、萃余液浓度不变， XF＝0.25、 XN＝ X3 ＝0.0422。比较两种萃取流程所需的萃取剂流率，并求出逆流流程的最小萃取剂流率。 XF X3 E1 E2 E3 P1 解：先试差确定P1点 查得Y1 =0.264 错流时S＝3×320＝960kg/h 逆流萃取剂用量少，但传质推动力小，两相所需接触时间长。 四、其它萃取方法简介 （1）回流萃取 逆流萃取上部增加增浓段， 塔顶有萃取液回流。 F y 1 2 1 2 N N-1 II I x N Er SE D SR RN S R’N 回流萃取流程 （2）双溶剂萃取 新溶剂S*与S 基本不互溶，S对A溶解度较大，S*对B溶解度大。 S 2 + B F 1 2 N N-1 S 1 双溶剂萃取流程 ( B+A ) S 2 S r + A 第三节 萃取设备 要求：提供适宜的传质条件，使两相充分有效地接触并伴有较高程度的湍流，保证两相之间迅速有效地进行传质，并使两相得到及时、完善的分离。 分类： （1）按两相接触方式划分 逐级接触——浓度呈阶跃式变化， 微分接触式——浓度连续变化。 （2）按设备结构特点和形状划分 组件式——由单级萃取设备组合； 塔式——板式塔、喷洒塔、填料塔。 （3）按外界是否输入机械能划分 重力流动设备、外加能量的设备。 一、混合 — 澄清槽 1. 结构 混合－澄清器 轻相 重相 重相 轻相 2. 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。 3. 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。 4. 应用 适用于所需级数少、处理量大的场合。 Elgin 型喷淋萃取塔 轻相 重相 轻相 重相 Elgin 二、重力流动的萃取塔 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. 填料塔 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。 传质效率较喷洒塔为高。 填料萃取塔 轻液 轻液 重液 重液 液－液相界面 填料 3. 筛板塔 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 * 概 述 1. 液-液萃取（抽提）： 利用液体混合物中各组分对溶剂溶解度的差异来分离或提纯物质的传质过程。 目的: 分离液-液混合物。 依据: 利用混合物中各组分在某一溶剂中的溶解度之间的差异。 常用术语： ◇ 萃取剂S：所用的溶剂； ◇ 原料液F：所处理的混合液； ◇ 溶质A：原料液中易溶于溶剂的组分； ◇ 原溶剂B：原料液中较难溶于溶剂的组分。 2. 萃取过程的简单流程 ① 混合传质过程：F（A+B）及S 充分接触，组分发生相转移； ② 沉降分相过程： 形成两相E、R，由于密度差而分层； ③ 脱除溶剂过程 单级萃取流程示意图 原料 溶剂 混合器 澄清槽 轻相 重相 两相 萃取相 E, y——溶剂相中出现 (S+A+B) 萃余相 R, x——原溶剂相中出现 (B+S+A) 萃余相脱除溶剂得萃余液 R’, x’ 脱溶剂后 萃取相脱除溶剂得萃取液 E’, y’ 3. 实现萃取操作的基本要求 ① 选择适宜溶剂。溶剂能选择性地溶解各组分。 ② 原料液与溶剂充分混合、分相，形成的液-液两相较易分层。 ③ 脱溶剂得到溶质，回收溶剂。溶剂易于回收且价格低廉。 4. 萃取后组成之间的变化 萃取后: 5. 应用 ① 液体混合物中各组分的相对挥发度接近 1，采用精馏的办法不经济； ② 混合物蒸馏时形成恒沸物； ③ 欲回收的物质为热敏性物料； ④ 混合物中含有较多的轻组分，利用精馏的方法能耗较大； ⑤ 提取稀溶液中有价值的物质； ⑥ 分离极难分离的金属。 脱出溶剂后： 单级萃取装置示意图 萃取操作石化工业中的应用： ◇乙酸乙酯溶剂萃取石油馏分氧化所得的稀醋酸-水溶液 ◇以SO2为溶剂从煤油中除去芳香烃。 第二节 萃取的基本概念 一、 三角形坐标及杠杆定律 1. 三元组成的表示方法： 三角形坐标 等边三角形 任意三角形 直角三角形（常用等腰直角三角形） (1) 表示方法 习惯表示法： ◇ 各顶点表示纯组分； ◇ 每条边上的点为两组分混合物； ◇ 三角形内的各点代表不同组成的三元混合物。 A点 ： xA=1.0 K点 ： xA=0.6 xB=0.4 P点 ： xA =0.3 xB =0.3 xS=0.4 注意：组成的归一性，即 0.2 0.6 1.0 S 0 0.2 0.4 0.8 1.0 A B D C F E H G K 0.4 0.6 0.8 三角形坐标 P （2） 组成的单位 常用质量分率表示(原则上可用任意单位)。 任意三角形坐标 直角三角形坐标 A B S P 0.5 0.3 0.2 B S P A 0.5 0.3 0.2 S%——BH A%——GH B%——SG BH＋GH ＋SG＝ SB A E B S P 20 40 60 20 40 60 80 80 20 60 40 U Z V G H 20 60 40 80 80 40 60 20 B S A U Z V E P H G 20 40 60 80 2. 杠杆定律 三元混合物 U（xA,U, xB,U, xS,U）和V（xA,V, xB,V, xS,V ）混合 形成新的混合物Z ( xA,Z, xB,Z, xS,Z) ： 物料衡算 （1）代表混合物组成的点Z必在直线）点Z的位置可由杆杠规则确定。 20 60 40 80 80 40 60 20 B S A U Z V E P H G 20 40 60 80 B S 20 40 60 20 40 60 80 80 20 60 40 A P F 如：A、B二元混合物F，将溶剂S加入， 所得三元混合物的总组成为点P ， P的位置在FS的联线上，且符合下列比例关系。 3. 三角形相图 萃取相、萃余相的相平衡关系是萃取设计、计算的基本条件，相平衡数据来自实验或由热力学关系推算。 讨论的前提: 各组分不发生化学反应。 （1）溶解度曲线及平衡联结线 再加入一定量A，搅拌均匀,静止分层,得到互呈平衡的液-液两相(共轭相)，得到另一组平衡数据……... 实验方法：加入的B 、S适量，搅拌均匀，静止分层，得到互呈平衡的液-液两相(共轭相)，得到一组平衡数据。 B、S部分互溶三角形相图 R A% S% R1 R3 R2 E1 E3 E2 J B% B S A 单项区 Rn 联结线 溶解度曲线 S A B M Mn 两项区 En K A% S% R1 R3 R2 E1 E3 E2 K B% B S A （2）数据标绘及各区的状态 ◇ 溶解度曲线:各平衡组成点连成一条曲线，称为溶解度曲线； ◇ 联结线:各对共轭相组成点之间的联线，称为联结线； ◇ 混溶点: 曲线内为两相区，曲线外为单相区，曲线上的 J点称为混溶点； ◇ 临界混溶点(褶点) :共轭相的组成相同，其位置和物系有关； ◇ 萃取相和萃余相: 以原溶剂为主的相称为萃余相，以溶剂为 主的相称为萃取相。 溶解度曲线 Rn En K 辅助线） 辅助曲线 问题：已知一相的组成，如何求取其它共轭相的组成？ 解决办法：利用辅助曲线KS。 作图法: 过Rn点作平行与BS的RnCn线，过Cn点作平行与BA的CnEn线，可求得与Rn共轭的另一相的组成En。 1.0 三角形相图辅助曲线）温度、压力对相平衡的影响 ① 压力的影响： 压力的影响较小，可忽略； 根据相律： ② 温度的影响： 温度的影响敏感，温度升高，溶解度增大，两相区小， 不利于萃取操作。 4. 分配系数 分配系数：在平衡共存的两液相中，溶质A的分配关系。 说明： ◇kA和温度有关，温度升高，kA下降； ◇同时与浓度有关，溶质浓度升高，kA下降。 ◇ 但浓度较低时，kA可视为常数（恒温、恒压）。 即： 联结线斜率对分配系数的影响： y＜x y＞x y=x 0.762 68.0 12.2 19.8 9.0 65.0 26.0 8 0.763 67.0 11.8 21.2 10.2 62.0 27.8 9 0.781 72.3 10.2 17.5 7.6 70.0 22.4 7 0.740 75.4 9.8 14.8 7.0 73.0 20.0 6 0.771 78.0 9.2 12.8 6.2 77.2 16.6 5 0.810 58.6 15.0 26.4 13.4 54.0 32.6 10 0.704 82.2 8.3 9.5 6.0 80.5 13.5 4 0.640 86.0 8.0 6.0 5.0 85.6 9.4 3 0.667 88.5 8.3 3.2 4.2 91.0 4.8 2 92.6 7.4 0 3.5 96.5 0 1 S% B% A% S% B% A% 分配 系数 水 相（E） 乙酸乙酯相（R） 序 号 例12-1 丙酮和乙酸乙酯在30℃的相平衡数据如下，作出联结线和溶解度曲线，求相应的分配系数，酯相中x=0.3时的平衡数据。 酯相：30%A 59%B 11%S 水相：24%A 13%B 63%S 三、三角相图在单级萃取中的应用 1. 单级萃取 （1）流程 单级萃取流程示意图 F, xF 混合器 澄清槽 S M E，xE R, x （2）特点 ◇ 原料液与溶剂一次性接触。 ◇ 萃取相与萃余相达到平衡。 2. 三角形相图在萃取中的应用 （1）已知料液量 F和组成 xF 、 萃取剂量S一定时， 可确定总组成点M。 M R E B S A F （2）确定萃取相E和萃余相R的量及组成 ◇E和R应成平衡，量的关系服从杠杆定律； A B K E R S M F ◇采取图解试差法确定E，R的组成。 M R E B S A F （3）确定去溶剂后的萃取液与萃余液的量及组成 M B S A R Em E R? F E? E?m S E?与溶解度曲线相切时，萃取液中的A有最大浓度。 3. 应用举例：已知处理量F （1）规定萃余相R的组成x(或x’)，求溶剂量S和萃取相组成y(或y’) ； 溶剂用量： 进而，得到萃取液、萃余液的量和组成。 B K E R S R’ E’ M F A 解法：由R得到E， 连接F、Ｓ得交点Ｍ； （2） 最大溶剂用量及最小溶剂用量 ◇减小S，则Ｍ靠近 F，当Ｍ达到R2时混溶， 故Ｍ位于R2时的溶剂用量为 Smin。 当 S=Smax 时 当 S=Smin时 溶剂范围：Smin S Smax ◇增加S，则Ｍ靠近 S，当M点达到Ｅ1时混溶， 故Ｍ位于Ｅ1时的溶剂用量为 S max。 溶剂用量对单级萃取的影响 A B E S R E1 M F x E2 R2 R1 （4）萃取液的最大浓度 当S=Smin时，E的浓度yA最大，但y’A一般不是最大。 过S点作溶解度曲线的切线得点E， 求得R，得M点，于是得： A B E2 S F R2 M E’2 E’ y’max y’2 图解萃取液的最大组成 E1 R1 1.0 1.0 0 注意： 如果M点在两相区外相交，说明超出萃取范围，不能进行萃取操作，由R1点确定的溶剂用量为该操作条件下的最小溶剂用量Smin。 A B S E1 F E R R1 M’ y’A 例12-2 以水为溶剂，对xF＝30%的丙酮-乙酸乙酯溶液进行单级间歇萃取，为使萃余液的溶质组成 x? 降到15%，每千克原料需加水多少？能得到多少萃取液，其组成多大？若使萃余液的溶质组成 x? 降到5%，结果如何？ 解：(1)在BA边上找出点F、R?； (2)联结R?与S与溶解度曲线)过点R作联结线RE ，并与FS交点M。 由杆杠规则： F S R? R M E? 由图读得：y ? = 0.48 *

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