化工原理萃取

第四章液-液萃取Extraction0、概述（1）液-液萃取的基本原理（2）液-液萃取过程的分类（3）液-液萃取的应用（4）萃取操作的基本流程（5）萃取操作的适用范围1、液-液相平衡2、萃取过程的计算3、超临界萃取介绍4、常见工业萃取设备0、概述（Introduction）（1）液-液萃取的基本原理在液体混合物中加入与其不完全混溶的液体溶剂（萃取剂），形成液-液两相，利用液体混合物中各组分在两液相中溶解度的差异而达到分离的目的。也称溶剂萃取，简称萃取。溶质：混合液中被分离出的物质，以A表示；稀释剂（原溶剂）：混合液中的其余部分，以B表示；萃取剂：萃取过程中加入的溶剂，以S表示。萃取剂对溶质应有较大的溶解能力，对于稀释剂则不互溶或仅部分互溶。（2）液-液萃取过程的分类按性质可分为物理萃取和化学萃取；按萃取对象可分为有机物萃取和无机物萃取。（3）液-液萃取的应用石油化工：链烷烃与芳香烃共沸物的分离。例如用二甘醇从石脑油裂解副产汽油或重整油中萃取芳烃（尤狄克斯法—Udexprocess），如苯、甲苯和二甲苯。工业废水处理：用二烷基乙酰胺脱除染料厂、炼油厂、焦化厂废水中的苯酚，分离因数高，操作简单，一般仅经过2－3级接触即可使残液含酚小于0.5ppm。有色金属冶炼：湿法冶金中溶液分离、浓缩和净化的有效方法。焙烧—浸出—萃取—电积工艺处理硫化铜矿；浸出—萃取—电积流程处理硫化镍矿；从锌冶炼烟尘的酸浸出液中萃取鉈、铟、镓、锗，以及铌-钽、镍-钴、铀-钒体系的分离，以及核燃料的制备。制药工业：从复杂的有机液体混合物中分离青霉素、链霉素以及维生素等。（4）萃取操作的基本流程分级接触式单级多级错流多级逆流按溶液与萃取剂的接触方式a.单级萃取微分接触式(连续接触式)单级萃取最多为一次平衡，故分离程度不高，只适用于溶质在萃取剂中的溶解度很大或溶质萃取率要求不高的场合。萃取相Extract萃余相Raffinate料液A+BFeed萃取剂Solvent混合澄清槽Mixer-settlerE≈S+AR≈B+S萃取液E’萃余液R’萃取剂S蒸馏、蒸发、结晶、化学方法b.多级错流萃取萃取剂Solvent原料液依次通过各级，新鲜溶剂则分别加入各级的混合槽中，萃取相和最后一级的萃余相分别进入溶剂回收设备，回收溶剂后的萃取相称为萃取液（用E’表示），回收溶剂后的萃余相称为萃余液（用R’表示）。特点：萃取率比较高，但萃取剂用量较大，溶剂回收处理量大，能耗较大。料液Feed萃取相Extract萃余相Raffinate123Nc.多级逆流萃取萃取剂Solvent原料液和萃取剂依次按反方向通过各级，最终萃取相从加料一端排出，并引入溶剂回收设备中，最终萃余相从加入萃取剂的一端排出，引入溶剂回收设备中。特点：可用较少的萃取剂获得比较高的萃取率，工业上广泛采用。料液Feed萃取相Extract萃余相Raffinate123N一液相为连续相，另一液相为分散相，分散相和连续相呈逆流流动；两相在流动过程中进行质量传递，其浓度沿塔高呈连续微分变化；两相的分离在塔的上下两端进行。d.微分接触式（连续接触式）一般为塔式设备（喷淋塔、填料塔、转盘塔、振动筛板塔等）。轻液出口LightLiquidoutlet轻液进口Lightliquidinlet重液出口Heavyliquidoutlet重液进口Heavyliquidinlet（5）萃取操作的适用范围萃取过程本身并未完全完成分离任务，而只是将难于分离的混合物转变成易于分离的混合物，要得到纯产品并回收溶剂，必须辅以精馏（或蒸发）等操作。萃取操作是两相间的传质过程，需要研究两液相间的平衡关系和相际间的传质速率问题。萃取操作一般用于：(a)混合液中各组分的沸点很接近或形成恒沸混合物，用一般精馏方法不经济或不能分离；(b)混合液中含热敏性物质，受热易分解、聚合或发生其它化学变化；(c)混合液中需分离的组分浓度很低，采用精馏方法须将大量的稀释剂汽化，能耗太大。第四章液-液萃取Extraction0、概述1、液-液相平衡1、1三角形坐标图1、2直角坐标系表示的相平衡关系1、3萃取在三角形坐标图上的表示法1、4液-液萃取的动力学特性1、5萃取分离效果及其主要影响因素2、萃取过程的计算3、常见工业萃取设备1、液-液相平衡工业萃取过程中萃取剂与稀释剂一般为部分互溶，涉及到的是三元混合物的平衡关系，一般采用三角形坐标图来表示。（1）组成表示法1、1三角形坐标图可用等腰直角三角形、等边三角形、不等腰直角三角形坐标图。组分的浓度以摩尔分率，质量分率表示均可。本章中xA、xB、xS分别表示A、B、S的质量分率。（1）组成表示法ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8三角形的三个顶点分别表示A、B、S三个纯组分。三条边上的任一点代表某二元混合物的组成，不含第三组分。E点：xA=0.4，xB=0.6三角形内任一点代表某三元混合物的组成。M点：xA=0.4，xB=0.3，xS=0.3EEMMxA数据顺时针xB（2）物料衡算与杠杆规则描述两个液相C和D形成一个新的混合物M时，或者一个混合物M分离为C和D两个液相时，其质量之间的关系。(1)M点为C与D点的和点，C点为M点与D点的差点，D点为M点与C点的差点。分点与和点在同一条直线上，分点位于和点的两边；xACABSDCMxAMxADxSCxSMxSD(2)分量与合量的质量与直线上相应线段的长度成比例，即：CDMDCMCDMMCDDCMMCDCD线上不同的点代表C、D以不同质量比进行混合所得的混合物；混合物M可分解成任意两个分量，只要这两个分量位于通过M点的直线上，在M点的两边即可。,,/CDMkgkgs——各相的质量，或CMDMCD，，——各线段的长度（3）三角形相图(三元体系的液-液平衡关系)按组分间互溶度的不同，可将三元混合液分为：(1')溶质A可完全溶解于B及S中，而B、S不互溶；(1)溶质A可完全溶解于B及S中，而B、S只能部分互溶；(2)溶质A与B完全互溶，B与S和A与S部分互溶。萃取中(1)类物系较普遍，故主要讨论该类物系的液-液相平衡。连接所有的E、R点即得溶解度曲线。恒温条件下，在实验瓶中加入恰当的B与S，使混合物的浓度位于RE之间（d点），滴加少许溶质A至M1点，充分混合后静置分层，取两相试样分析，得共轭相E1和R1的组成，联结R1E1线即为平衡联结线。双结点溶解度曲线（Binodalsolubilitycurve）ABS恒温条件下，在有纯组分B的实验瓶中逐渐滴加溶剂S并不断摇动使其溶解，由于B、S仅部分互溶，S滴加到一定数量后，混合液开始发生混浊，即出现了溶剂相，得到的浓度即S在B中的饱和溶解度（图中R点）。用类似的方法可得E点。B、S完全不互溶时？R1E1M1ERdABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8双结点溶解度曲线（Binodalsolubilitycurve）REM单相区两相区组成落在单相区的三元混合物形成一个均匀的液相；联结线(Tieline)：联结E、R两点的直线。共轭相(Conjugatephase)：组成落在双相区的三元混合物所形成的两互成平衡的液相，其组成分别由R和E点表示；P点将溶解度曲线分为萃取相区域与萃余相区域。一般临界混溶点并不是溶解度曲线的最高点，其准确位置的实验测定也很困难。通常联结线不互相平行，其斜率随混合液的组成而异，一般是按同一方向缓慢地改变。有些物系在不同浓度范围内联结线斜率方向不同，如吡啶－氯苯－水体系。临界混溶点P（Plaitpoint）ABSR1E1M1ERd两个共轭相组成相同时的混溶点——临界混溶点P。P已知共轭相中任一相的组成，可利用辅助线得出另一相的组成。辅助曲线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点P；辅助曲线（Auxiliarycurve）ABSR1E1实验测得的平衡联结线（即共轭相的组成数据）是有限的，对其它组成的液-液平衡数据，可以采用辅助曲线的方法获得。P方法一：已知联结线E1R1、E2R2、E3R3、E4R4，分别从E1、E2、E3、E4点作AB平行线，与由R1、R2、R3、R4点分别作的BS平行线相交，连结各交点即得辅助曲线；R2E2E3E4R3R4辅助曲线延长线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点P；借助辅助曲线可求出任何一对共轭相的对应点，即可由一平衡液相的组成找出对应共轭相的组成。辅助曲线（Auxiliarycurve）ABSR1E1P方法二：分别从E1、E2、E3、E4点引AB平行线，与分别从R1、R2、R3、R4点引出的AS平行线相交，连结各交点即得辅助曲线；R2E2E3E4R3R4③第2类物系(具有两对部分互溶物的物系，A、B完全互溶，A、S，B、S部分互溶)两相区单相区溶解度曲线联结线RnEn第2类物系三角形相图单相区溶解度曲线ASB1.01.001、2直角坐标系表示的相平衡关系(1)E和R的两相平衡关系也可由直角坐标系表示，用yA表示A组分在萃取相的浓度，xA表示A组分在萃余相的浓度。)(AAxfy溶质在平衡两液相间的平衡关系为：xAyA0分配曲线PABSR1E1PR2E2E3E4R3R4利用分配曲线求得三角形相图中的任一联结线ER第一类物系：第一类物系的分配曲线ABKEROGDxAyAy=xSB第二类物系的分配曲线AKERODxAyAy=xS第二类物系(2)对于完全不互溶物系，浓度常用比质量分数X、Y表示。BAAmmXRSAAmmYEB、S完全不互溶物系的分配曲线YAXAYA=KAXAO在只含有组分A与B的原料液F中加入一定量的萃取剂S后，得到新的混合液M，由杠杆规则知F、S和M之间的关系为M静置分层得萃取相E和萃余相R，其质量关系为1、3萃取在三角形坐标图上的表示法ABSREME’R’FE’maxMSFMFS/EMRMRE/从萃取相E中除去萃取剂S后得萃取液E’（S=0）；EmaxAE'AFAR'xxx从萃余相R中除去萃取剂S后得萃余液R’（S=0），F为E’、R’的和点；单级萃取中，萃取相能达到的最大A组分含量为Emax点的组成，对应的萃取液组成点为E’max。（3）脱溶剂基分配曲线将R，E两相脱去溶剂S，得萃余液R’及萃取液E’。'''AAAxyk脱溶剂基分配曲线与三角形相图的转换ABKSy’=x’x’Ay’A1、4萃取分离效果及其主要影响因素萃取率（提取率）E：（1）萃取剂（Extractant）的选择系数1：分配系数（Distributioncoefficient）)kg(A)kg(A的质量原料液中溶质的质量萃取液中被提取的溶质EAAAxyk组分在萃余相中的浓度组分在萃取相中的浓度ＡＡBBBxyk一般kA不为常数，而随温度、溶质A的浓度变化。在A浓度变化不大和恒温条件下，kA可视为常数（平衡常数m），其值由实验测得。一定温度下，A组分在互成平衡的两液相中的浓度比注意：kA只反映S对A的溶解能力，不反映A、B的分离程度。联结线斜率对分配系数的影响：（1）萃取剂的选择系数2：选择性系数（Selectivitycoefficient）kA，kB，。表示S对A、B组分溶解能力差别，即A、B的分离程度。kB一定：kA，。kA一定：kB，。两相平衡时，萃取相E中A、B组成之比与萃余相R中A、B组组成之比的比值。BABA//xxyyAAAxykBAkkBBBxyk选择与稀释剂互溶度小的溶剂，可增加分离效果。（1）萃取剂的选择化学稳定性(a)溶解度：萃取剂在料液相中的溶解度要小。(b)密度：密度差大，有利于分层，不易产生第三相和乳化现象，两液相可采用较高的相对速度逆流。(c)界面张力：界面张力大，有利于液滴的聚结和两相的分离；另一方面，两相难以分散混合，需要更多外加能量。由于液滴的聚结更重要，故一般选用使界面张力较大的萃取剂。(d)粘度：低粘度有利于两相的混合与分层，流动与传质，对萃取有利。对大