第五章 其他分离技术和分离过程

1第五章其他分离技术和分离过程5.1概述5.3萃取过程的计算5.2三元体系液液相平衡2一、液液萃取简介1、萃取原理在欲分离的液体混合物中加入一种与其不溶或部分互溶的液体溶剂，经过充分混合，利用混合液中各组分在溶剂中溶解度的差异而实现分离的一种单元操作。溶质A：混合液中欲分离的组分稀释剂（原溶剂）B：混合液中的溶剂萃取剂S：所选用的溶剂32、基本过程描述混合液A+B萃取剂(溶剂S)萃取相(S+A+B)萃余相(B+A+S)搅拌•加料•混合•分相•排除•纯化和回收43、分离对象——液液混合物1）相对挥发度等于或者接近1(烷烃/芳烃)2）重组分含量少，轻组分含量多(水-HAc)(含酚废水处理)3）混合液含热敏性物质（药物）4、萃取操作的特点•选择适宜的溶剂是一个关键问题•两个液相应具有一定的密度差•溶质与萃取剂的沸点差大有利5二、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•分离轻油裂解和铂重整产生的芳烃和非芳烃混合物•用酯类溶剂萃取乙酸，用丙烷萃取润滑油中的石蜡•以HF-BF3作萃取剂，从C8馏分中分离二甲苯及其同分异构体2、在生物化工和精细化工中的应用•以醋酸丁酯为溶剂萃取含青霉素的发酵液•香料工业中用正丙醇从亚硫酸纸浆废水中提取香兰素•食品工业中TBP从发酵液中萃取柠檬酸3、湿法冶金中的应用用溶剂LIX63-65等螯合萃取剂从铜的浸取液中提取铜6三、液液萃取的基本流程萃取单组分萃取双组分萃取（回流萃取）单级萃取或并流接触萃取多级错流萃取多级逆流萃取连续逆流萃取7三元物系溶质A可溶于稀释剂B及萃取剂S中，但萃取剂S与稀释剂B不互溶溶质A可溶于稀释剂B及萃取剂S中，稀释剂B与萃取剂S也可部分互溶三元混合液中有两对组分可部分互溶，即溶质A与萃取剂S部分互溶，稀释剂B与萃取剂S也部分互溶81、三元组成在三角形相图中的表示法三个顶点：纯物质三条边上的点：二元混合物的组成ABS·H7.0BHxA3.0AHxBMDEGFKH点的组成为：5.2三元体系液液相平衡9三角形内的任一点：一定组成的三元混合物M点的组成为：3.03.04.0AKxSGxBExSBA0.13.03.04.0SBAxxx直角三角形相图M点的横坐标表示萃取剂S的质量百分数3.0Sx纵坐标表示溶质A的质量百分数4.0Ax3.03.04.011SABxxx102、杠杆法则●•三点共线M点：合点D、E：差点●D●E•线段成比例MDMCCDCDDMMCCDCMMD——萃取物料衡算的依据11二、液-液平衡关系在三角形相图上的表示法1、溶解度曲线与联结线（共轭线）1）溶解度曲线单相区两相区FMRE共轭相：R相和E相联结线（共轭线）：RE122）溶解度曲线的实验方法R2E2M2R1E1M1R3E3M3J混溶点132、辅助曲线和临界混溶点辅助线的作法C1C2C3P辅助线的作用：求任一平衡液相的共轭相REP点：临界混熔点或褶点—特征是什么？143、分配系数和分配曲线1）分配系数相中的组成在组分相中的组成在组分RAEAkAAAxyBBBxyk分配系数表达了某一组分在两个平衡液相中的分配关系。kA值与联结线的斜率有关。15联结线的斜率＞0kA＞1，yA＞xA联结线的斜率为0kA=1，yA=xA联结线的斜率＜0kA＜1，yA＜xAkA值愈大，萃取分离的效果愈好。162）分配曲线)(AAxfy——分配曲线的数学表达式174、温度对相平衡关系的影响物系的温度升高，溶质在溶剂中的溶解度加大温度升高，分层区面积缩小T1＜T2＜T318●FMMSMFFSREMEMRREERFREFEFRREmaxE5.3萃取过程的计算19四、萃取剂的选择1、萃取剂的选择性和选择性系数1）萃取剂的选择性在萃余相中的质量分率在萃余相中的质量分率在萃取相中的质量分率在萃取相中的质量分率BABABABAxxyyBBAAxyxyBAkk20β=1，BABAxxyyA、B两组分用萃取分离不适宜；β1，萃取时组分A可以在萃取相中浓集，β越大，组分A与B萃取分离的效果越好。2）选择性系数和分配系数的关系kA愈大，kB愈小，选择性系数愈大选择性系数表示萃取剂对组分A，B溶解能力差别的大小2、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面积。21maxEmaxEB、S互溶度小，分层区面积大，可能得到的萃取液的最高浓度ymax’较高。B、S互溶度愈小，愈有利于萃取分离。223、萃取剂回收的难易被分离体系相对挥发度α大，用蒸馏方法分离；如果α接近1，可用反萃取，结晶分离等方法。4、萃取剂的其它性质1）萃取剂的密度萃取剂与被分离混合物应有较大的密度差2）界面张力界面张力较大时，有利于分层；界面张力过大，难以使两相混合良好；23界面张力较小时，两相难以分离。首要考虑的还是满足分层的要求。一般不选界面张力过小的萃取剂。3）粘度粘度小对萃取剂有利5、一般工业要求化学稳定性、不易聚合、分解，有阻垢的热稳定性，抗氧化的稳定性，对设备的腐蚀性小，无毒，来源容易，价格便宜等24一、单级萃取的流程与计算1、单级萃取的流程原料液FFx萃取剂Ssy萃余相RRx萃取相EEy2、单级萃取的计算1）萃取剂与稀释剂部分互溶的体系25●F●REMFMSMFSMRMEERMERSFE’R’''''FEFRREFRE''DDSFDFSminGGSGFFSmax262）萃取剂与稀释剂不互溶的体系萃取相中溶质A的浓度)()(SkgAkgY萃余相中溶质A的浓度)()(BkgAkgXREFBXSYSYBX0)()(0FREXXBYYS0)(YXXSBYRFE)(0FRXXSBY27当萃取剂为纯溶剂时，Y0=0)(FREXXSBY——单级萃取的操作线方程XYXFSBE1X1Y128二、多级错流接触萃取的流程与计算1、多级错流接触萃取的流程292、多级错流萃取的计算1）萃取剂和稀释剂部分互溶的体系M1010FSMSMFR1E1M2R2E2M3E3R3302）萃取剂和稀释剂不互溶的体系对第一级：)(1101FXXSBYY第2到N级：..............................................................................)(12202XXSBYY)(1NNNonXXSBYY——错流萃取每一级的操作线方程a）直角坐标图解法31OEY0XFV-B/S1E1X1Y1U-B/S2E2X2Y2-B/S332b）解析法KXY分配曲线：设：BKSAm——萃取因子)ln()1ln(1KYXKYXAnSnsFm33三、多级逆流萃取的流程与计算1、多级逆流萃取的流程342、多级逆流萃取的计算1）萃取剂与稀释剂部分互溶的体系FRNME1△R1E2R2E335NREMSF1对第一级作总物料衡算211112EREFEREF或对第二级作总物料衡算32212231ERERREER或依此类推，对第n级作总物料衡算SRERERSRNNNNNN11或36NNiiEREREREREF1132211SRN——操作点2）萃取剂与稀释剂不互溶的体系a）直角坐标图解法在第一级与第N级间作溶质A的物料衡算SYBXSYBXNF0)()(01NFFNXXSBXXSBYY——逆流萃取的操作线方程37XYOEXFY1P1XNSE1P238b）解析法]1)11ln[(ln1mSnSFmmAKYXKYXAAn3）多级逆流萃取的最小溶剂用量XYOEXRXFk1k2kminMminminmin/kBS39四、连续逆流萃取的流程与计算1、连续逆流萃取的流程402、连续逆流萃取的计算1）理论级当量高度法)(HETSnh2）传质单元法FnXXXXXdXaKBhORORNHh当分配曲线为直线时，萃余相总传质单元数的解析计算式为：mSnsFmmORAKYXKYXAAN1)11(ln111