第七章-液-液萃取技术

本章重点及难点液-液萃取分离的原理萃取相平衡单级萃取过程工艺计算萃取设备及操作原理本章难点本章重点萃取相平衡萃取过程在三角形相图上的表示第一节基本概念一、基本概念手工洗衣服为例打完肥皂、揉搓后，如何将肥皂沫去除呢？用清水多次漂洗经验表明：每盆水揉搓的时间越长（即萃取越接近平衡），拧得越干（即萃取与萃余相相分离越彻底），所用漂洗次数越少（即错流级数越少）。1、萃取：在液体混合物（原料液）中加入一个与其基本不相混溶的液体作为溶剂，造成第二相，利用原料液中各组分在两个液相中的溶解度不同而使原料液混合物得以分离的单元操作。亦称溶剂萃取，简称萃取或抽提。原料液，用F表示；选用的溶剂称为萃取剂，以S表示，要有较好的溶解选择性；原料液中易溶于S的组分，称为溶质，以A表示；难溶于S的组分称为原溶剂（或稀释剂），以B表示液液萃取是分离均相液体混合物的单元操作。例如用醋酸乙酯萃取醋酸水溶液中的醋酸2、萃取流程萃取操作的基本过程如图所示。一定量萃取剂加入原料液中，形成两液相，两液相因密度不同而分层：一层以溶剂S为主，并溶有较多的溶质，称为萃取相，以E表示；另一层以原溶剂（稀释剂）B为主，且含有未被萃取完的溶质，称为萃余相，以R表示。由上可知，萃取操作并未有得到纯净的组分，而是新的混合液：萃取相E和萃余相R。为了得到产品A，并回收溶剂以供循环使用，尚需对这两相分别进行分离。通常采用蒸馏或蒸发的方法，有时也可采用结晶等其它方法。脱除溶剂后的萃取相和萃余相分别称为萃取液和萃余液，以和表示。ER原料液萃取剂SSA+B萃取液E萃取相EA(大量),B(少量)S+A+BS萃余相RB+A+S萃余液RB(大量),A(少量)单级萃取流程萃取操作过程由混合、分层、萃取相分离、萃余相分离等一系列步骤共同完成。3、萃取剂的选择要求：1、对溶质溶解性大2、选择性好3、B与S互溶度越小越好4、萃取剂易于回收5、萃取相与萃余相密度差异大4.萃取的分类按组分数目分多组元体系：原料液中有两个以上组分或溶剂为两种不互溶的溶剂三元体系：原料液中含有两个组分，溶剂为单溶剂按有无化学反应分物理萃取：萃取过程中，萃取剂与原料液中的有关组分不发生化学反应化学萃取本章主要讨论三元体系的物理萃取。二、液－液萃取在工业上的应用３、湿法冶金中的应用1、液－液萃取在石油化工中的应用２、在生物化工中和精细化工中的应用石油化工工业萃取过程分为如下三个阶段:（Ⅰ）混合过程（Ⅱ）沉降分层（Ⅲ）脱除溶剂如青霉素的生产，用玉米发酵得到的含青霉素的发酵液，醋酸丁脂为溶剂，经过多次萃取得到青霉素的浓溶液（3）原料液中需分离的组分是热敏性物质。这种物料蒸馏时易于分解、聚合或发生其它变化。（4）高沸点有机物的分离。用萃取方法代替技术很高的真空蒸馏、分子蒸馏，可降低能量消耗。（1）原料液中各组分间的相对挥发度接近于1或形成恒沸物。若采用蒸馏方法不能分离或很不经济；（2）原料液中需分离的组分含量很低且为难挥发组分。若采用蒸馏方法须将大量稀释剂汽化，能耗较大；一般地，在下列情况下采用萃取方法更为有利。4、萃取操作的应用第二节萃取操作的基本原理一、组成的表示方法1、三角形坐标图如图所示，其中以等腰直角三角形坐标图最为常用。等边三角形坐标图非等腰直角三角形坐标图等腰直角三角形坐标图三角形坐标图通常〖说明〗在三角形坐标图中，AB边以A的质量分数作为标度，BS边以B的质量分数作为标度，SA边以S的质量分数作为标度。顶点分别代表一个纯组分，即顶点A表示纯溶质A，顶点B表示纯原溶剂（稀释剂）B，顶点S表示纯萃取剂S。任意边上的任一点代表一个二元混合物系，第三组分的组成为零。例如AB边上的E点，表示由A、B组成的二元混合物系，由图可读得：A的组成为0.40，则B的组成为（1.0–0.40）=0.60，S的组成为零。三角形坐标图内任一点代表一个三元混合物系。例如M点即表示由A、B、S三个组分组成的混合物系。其组成可按下法确定：过物系点M分别作对边的平行线ED、HG、KF，则由点E、G、K可直接读得A、B、S的组成分别为：xA=0.4、xB=0.3、xS=0.3；在诸三角形坐标图中，等腰直角三角形坐标图可直接在普通直角坐标纸上进行标绘，且读数较为方便，故目前多采用等腰直角三角形坐标图。2、杠杆原理数量关系：和点与差点的量之间的关系符合杠杆原理，即AAAAMRAAAAMEAAAAREyxyzREMEmmyxzxREMRmmyzzxMEMRmm根据杠杆规则，若已知两个差点，则可确定和点；若已知和点和一个差点，则可确定另一个差点。根据萃取操作中各组分的互溶性，可将三元物系分为以下三种情况：①溶质A可完全溶于B及S，但B与S不互溶；②溶质A可完全溶于B及S，但B与S部分互溶；③溶质A可完全溶于B，但A与S及B与S部分互溶。习惯上，将①、②两种情况的物系称为第Ⅰ类物系，而将③情况的物系称为第Ⅱ类物系。在萃取操作中，第Ⅰ类物系较为常见，以下主要讨论这类物系的相平衡关系。二、液-液相平衡关系在三角形相图上的表示（1）B与S部分互溶时溶解度曲线以内的区域为两相区，以外的区域为均相区。※萃取操作只能在两相区内进行ABSB、S部分互溶时R(B层)E(S层)B多S少S多B少P临界混溶点（褶点）两相区均相区A+A+A溶解度曲线MRE辅助线共轭线（联结线）1.萃取过程中的相平衡关系在恒温下，向此二元混合液中加入适量的溶质A并充分混合，使之达到新的平衡，静置分层后得到一对共轭相，其相点为R1、E1，然后继续加入溶质A，重复上述操作，即可以得到n+1对共轭相的相点Ri、Ei(i=0,1,2,……n)，当加入A的量使混合液恰好由两相变为一相时，其组成点用K表示，K点称为混溶点或分层点。联结各共轭相的相点及K点的曲线即为实验温度下该三元物系的溶解度曲线。溶解度曲线可通过下述实验方法得到：在一定温度下，将组分B与组分S以适当比例相混合，使其总组成位于两相区，设为M，则达平衡后必然得到两个互不相溶的液层，其相点为R、E。混溶点/分层点两相区均相区溶解度曲线联结线：位于两相区内的混合物分成两个互相平衡的液相，称为共轭相，Ei和Ri，联结两共轭液相相点的直线称为联结线，如图中的RiEi线(i=0,1,2,……n)。两相区均相区溶解度曲线联结线联结线的斜率通常联结线的斜率随混合液的组成而变，但同一物系其联结线的倾斜方向一般是一致的，有少数物系，例如吡啶–氯苯–水，当混合液组成变化时，其联结线的斜率会有较大的改变。作用：①已知E(或R)的组成，确定与之平衡的R(或E)的组成②确定临界混溶点作法：通过已知点R1、R2、…分别作BS边的平行线，再通过相应联结线的另一端点E1、E2分别作AB边的平行线，各线分别相交于点F、G、…，联接这些交点所得的平滑曲线即为辅助曲线。辅助曲线辅助曲线（共轭曲线）辅助曲线临界混溶点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。①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。②P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。③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。R(B层)E(S层)B多S少S多B少ABSB、S部分互溶时P临界混溶点（褶点）两相区均相区A+A+A溶解度曲线MRE辅助线共轭线（联结线）〖说明〗三、影响萃取操作的主要因素1、萃取剂的选择影响萃取操作的主要因素有物系的性质、设备的结构及操作条件三方面。前已介绍过操作条件及塔设备的影响，现介绍其它方面。（1）萃取剂的选择性（2）萃取剂S与稀释剂B的互溶度越大，越有利于完成分离任务，可减少萃取剂用量，降低回收溶剂操作的能耗，并可获得纯度较高的产品。互溶度小，有利于萃取分离，可能得到最高浓度的萃取液。（3）萃取剂的可回收性溶剂回收操作往往是费用最多的环节。所选萃取剂回收的难易，直接影响萃取操作的经济效益。回收方法有蒸馏和蒸发。a用蒸馏方法回收，希望萃取剂与被分离组分的相对挥发度较大，不形成衡沸物，并最好是含量低的组分易挥发，以接生能量。b蒸发方法回收（A不挥发或挥发度很低），则萃取剂的汽化潜能要小，以节约热能。（4）萃取剂的物理、化学性质a密度：所选的萃取剂应与原料液有较大的密度差，以利于两相分离。b界面张力：通常选用界面张力较大的萃取剂。c黏度：黏度低，有利于传质也有利于两相的混合与分离，也能节省操作与输送过程的能量。d化学性质与其它：应具有化学稳定性，热稳定性以及抗氧化稳定性。此外，萃取剂还应具有不易燃，无毒刑，对设备腐蚀性小等特性。2、萃取操作的温度通常物系的温度升高，溶质在溶剂中的溶解度增大，反之减小。因此，温度明显地影响溶解度曲线的形状、联结线的斜率和两相区面积，从而也影响分配曲线的形状。图示为温度对第I类物系溶解度曲线和联结线的影响。显然，温度升高，分层区面积减小，不利于萃取分离的进行。3、萃取剂的用量萃取剂用量增大，则萃取相中溶质的浓度降低，萃取效率提高。但用量太大，又会增加回收的负荷。4、萃取塔的操作在萃取操作中，两相的流速和塔内滞留量对萃取有较大影响。b塔内两相滞留量连续相在塔内的滞留量应较大，分散相滞留量应较小。在萃取塔开车时，应注意控制好两相的滞留量。首先将连续相注入塔内，然后开启分散相进口阀，逐渐加大流量至分散相在分层段聚集，两相界面至规定的高度后，才开启分散相的出口阀，并调节流量以使截面高度稳定。若以轻相为分散相，则控制塔内分层段内两相界面高度；若以重相为分散相，则控制塔低两相截面高度。a液泛：当萃取塔内两液相的速度增大至某一极限值时，会因阻力的增大而产生两个液相互相夹带的现象，就称液泛。正常操作时，两相速度必须低于液泛速度。在填料萃取塔中，连续相的适宜操作速度一般为液泛速度的50%-60%若原料液与萃取剂在混合器中充分接触进行传质，然后分层得到互成平衡的萃取相E和萃余相R，这样的过程就成为一个理论级。理论级：工业上的萃取流程有单级萃取多级逆流萃取多级错流萃取第二节单级萃取过程的图解计算一、单级萃取流程与过程计算1、单级萃取流程如图单级萃取的计算步骤如下：（1）根据已知得平衡数据在直角三角形相图中作出溶解度曲线及辅助曲线。（2）由已知原料液组成xF在边AB上确定点F，连接点S和F（萃取剂是纯溶剂时）。则三元混合液的组成点M必在FS线上。S辅助曲线单级萃取的图解计算MEFRR'BAE'通常，一定温度下的三元物系溶解度曲线、联结线、辅助曲线及临界混溶点的数据均由实验测得，有时也可从手册或有关专著中查得。2、单级萃取过程计算辅助曲线图11－6单级萃取的图解计算MEFRR'BSAE'（3）由已知的萃余相的组成xR,在相图上确定点R，再由点R利用辅助曲线求出点E，读出萃取相E的组成xE，连接点R、E、RE线与FS线的交点即为三元混合液的组成点M。（4）由物料衡算和杠杆规则求出R、E、S的量.RMEEMRRMEMRESFMFMSAyAxFPBMSxAPERB、S部分互溶时3、分配曲线AEAARwKwBEBBRwKwAAEARBBEBRKwwKwwAERBMS4、分配系数ki、选择性系数,AEBEwwABE组分、在相中的组成，质量分数；,ARBRwwAB组分、在R相中的组成，质量分数；AEBEARBR值的大小，说明溶萃取剂对原溶液中各组分的分离能力。越大，越有利于萃取分离。萃取操作中值均应大于1。=1即没有分离效果，换言之，该溶剂不能用作原料液的萃取剂。单级萃取流程例:25℃时，三氯乙烷为萃取剂，由丙酮-水溶液中萃取丙酮。若原料液总量为100kg，其中丙酮的质量分数为45％，萃取后所得萃余相中丙酮的质量分数为10％。试用图解法求以下各项。(1)所需三氯乙烷的量以及加入萃取剂后得到的三元混合液中水和