第十一章--液液萃取

利用液体混合物各组分在某溶剂中溶解度的差异而实现的分离。11.1概述11.1.1液液萃取过程一、萃取原理溶质A稀释剂B原料溶剂S萃取相E萃余相RS+A(B)B+A(S)（1）溶剂不能与被分离混合物完全互溶，只能部分互溶。BABAxxyy溶剂S必须满足两个基本要求：（2）溶剂对A、B两组分有不同的溶解能力，即具有选择性。yA、yB——萃取相中A、B两组分的质量分数xA、xB——萃余相中A、B两组分的质量分数②吸收涉及气—液系统，萃取涉及液液系统。萃取与吸收的比较：相同点：①添加组分；②对各组分的溶解度有差异不同点：①吸收有惰性组分，而萃取大多数各组分都有一定的溶解度；二、工业萃取过程③混合液含热敏性物质（如药物等），采用萃取方法精制可避免物料受热破坏。三、萃取过程的经济性：溶剂回收的难易（1）取决于后继的两个分离过程是否较原溶液的直接分离更易实现萃取过程适用场合：①混合液α小或形成恒沸物，用一般精馏方法不能分离或很不经济。②混合液的浓度很稀，采用精馏方法须将大量稀释剂B汽化，能耗过大。（2）取决于萃取剂的性质要求萃取剂：①应有较强的溶解能力：S耗量少，后继精馏能耗低。②应有较高的选择性：获高纯产品。③αAS高：S为高沸溶剂，后继精馏R较低。④S在AB中的溶解度小：减少R相中溶剂回收费用。11.1.2两相的接触方式微分接触：塔式设备级式接触：槽式设备本节均指级式萃取过程的计算单级萃取多级逆流多级错流等边三角形直角等腰三角形直角非等腰三角形SABxxx111.2液液相平衡11.2.1三角形相图一、液液组成的表示方法组成：质量分数三组分：ABS一个方程：自由度：2三组分溶液的组成用平面坐标上的一点表示——三角形相图30%A直角等腰三角形相图顶点：纯组分边：双组分图中一点：三组分如M点：•MABS00.20.40.60.81.00.20.40.60.8A%S%20%S50%B二、物料衡算与杠杆定律量（kg/h）kgA/kgkgB/kgkgS/kg混合物MzAzBzS萃取相EyAyByS萃余相RxAxBxS物料衡算:REMAAARxEyMzSSSRxEyMz（11-2）SSSSAAAAzyxzzyxzRE得:杠杆定律：EMRMRE同理:ERRMMEABS00.20.40.60.81.00.20.40.60.8E•R••MAxSxSyAySzAz混合物的质量线段的长度和点M=E+R差点E=M-RR=M-E杠杆规则表明：（1）和点M必在R、E的联线上（2）差点R（或E）必在EM（或RM）的延长线上SQ1线任一点所代表的溶液中A、B两组分含量的相对比值均相同。ABS•P1•P2•Q1•Q2在PA线任一点所代表的溶液中B、S两组分的相对比值必相同。P（B+S）+AP1（A+B+S）A↑P2（靠近A点）和点同理：Q1S(部分)Q2S(全部)Q差点应用：•PQ•Ⅱ类：A与B完全互溶，A与S、B与S部分互溶——两对部分互溶第Ⅰ类物系的相图11.2.2部分互溶物系的相平衡萃取操作：B与S部分互溶或完全不互溶部分互溶物系：Ⅰ类：A与B、A与S完全互溶，B与S部分互溶——一对部分互溶实验求取：一、溶解度曲线（双结点曲线）BSA条件：恒温Ⅰ类溶解度曲线：代表了饱和溶液的组成相图中若干分层点的联线；R•H•R1•R2•R3•H1••E二、平衡联结线和临界混溶点实验求取：恒定温度条件下、Ⅰ类R1、E1；R2、E2；……Rn、En为互成平衡的两相，称为共轭相。连接R1、E1；R2、E2；……Rn、En的线称为平衡联结线（或结线）。BSAM1•R1E1M2•E•R•Rn•R2•En•E2••Mn•M溶解度曲线将三角形相图分成两个区分层区(两相区)R1和点M必在平衡联结线上。P——临界混溶点，两共轭相的组成无限趋近而变为一相。（不一定为溶解曲线的最高点）溶解度曲线以内（或下方）是萃取过程的可操作范围。SE1E•Rn•R2•En•E2•ABR••P均相区均相区两相区•M由实验测得的平衡数据作出部分联结线和溶解度曲线后，为求出此物系的任一对平衡数据，可利用辅助线。其作法如图：平衡联结线的内插——辅助曲线•••SE2R3R2E3E1ABR1•P下面是辅助曲线的另一作法：在一定温度下，E和R成平衡时，组分A在两相中的平衡组成分别为yA和xA，则分配系数BBBxyk三、相平衡关系的数学描述1、分配系数与分配曲线分配系数：萃取相中A的质量分数AAAxyk萃余相中A的质量分数kA一般不是常数，其值随组成和温度而异同样，对组分B也可写出类似的表达式：kA↑，分离效果越好kA=1，则y=x，联结线与底边平行，其斜率=0kA1，则yx，联结线的斜率0；kA1，则yx，联结线的斜率0分配曲线：)(AAxfyOxAyAP•N(ER)ABSP•REyAPxARyAEyAExARxAP•分配曲线处于两相区的三组分溶液，虽有6个含量，却只有1个自由度。)(ASyy)(ASxx2、溶解度曲线临界混溶点右方的溶解度曲线表示平衡状态下萃取相中溶质yA与溶剂yS之间的关系，即类似地，临界混溶点左方的溶解度曲线表示为小结：处于单相区的三组分溶液，其组成包含两个自由度；一、级式萃取过程的图示),,(SBAxxx原溶液F溶剂S萃取器萃取相E萃余相R溶剂回收装置溶剂回收装置萃取液Eº回收溶剂萃余液R0),,(SBAyyy),,(SBAxxx),(00BAyy),(00BAxx11.2.3液液相平衡与萃取操作的关系MSFMFS（1）由xFA定F点，连接FS，由定点M；（3）过M点作平衡联结线RE；F•M•BSAER（2）分层后得萃取相E和萃余相R，两相成平衡；（4）两相的组成由图中E点和R点读出；（5）两相的量：SFERMRMEER（9）过S作溶解度曲线的切线，切点e，延长Se与AB交于Eºmax，即为一定（T、P）下可获得的最大含量。FEFRRE（7）联结SE并延长与AB交于Eº，联结SR并延长与AB交于Rº；（8）差点Eº=E-S为萃取液，Rº=R-S为萃余液；和点F=Eº+RºF•M•BSAERE0R0e•Eºmax二、溶剂的选择性系数000)1(1AAAxxy故定义：BAkkBABAxxyy//0000////BABABABAxxxxyyyy)1/()1/(//00000000AAAABABAxxyyxxyy（2）β=1，即某一平衡联结线延长恰好通过S点，不能用于萃取分离。（恰似精馏恒沸物）故选取萃取剂，应使β1β相当于精馏中的α，其值与平衡联结线的斜率有关。讨论：（1）一般来说，yAxA，故β1（3）B不能溶解于S时，β=（yAº=1，yBº=0）已知某三组分混合液的两条平衡联结线如图中ab、cd所示，试比较两者的选择性系数。例11-1选择性系数的比较abcdSBA01Ay02Ay01Ax02Ax解：（1）对平衡联结线ab，可作直线Sa、Sb并延长到AB边，读得y1Aº=0.77，x1Aº=0.24。于是，该线的选择性系数为)1/()1/(//11111AAAABABAxxyyxxyy1.12)11.01/(11.0)6.01/(6.0)1/()1/(22222AAAAxxyy（2）对平衡联结线cd，按同法可得选择性系数为可见β2β16.10)24.01/(24.0)77.01/(77.0互溶度越小，萃取的操作范围越大，yAº,max↑三、互溶度的影响（S与B）互溶度越小，β↑，分离效果好。t↓，互溶度，两相区，操作范围，yAº,max。但t↓过多，原来SA完全互溶部分互溶，故t↓要适当温度对互溶度的影响：↓↑↑↑试求：（1）溶解度曲线和辅助曲线；例：在一定温度下测得A、B、S三元物系两平衡液相的平衡数据如附表所示：表中的数据为质量百分率。（5）对上一问的原料液，欲得到含36%A的萃取相E，试确定萃余相的组成及混合液的总组成。（2）临界混溶点的组成；（3）当萃余相中xA=20%时的分配系数kA和选择性系数β；（4）在100kg含30%A的原料液中加入多少kgS才能使混合液开始分层？解：（1）依题给数据，作出溶解度曲线LPJ，并根据联结线数据作出辅助曲线JCP。1.000.20.40.6ABS0.80.20.40.60.8PLJC溶解度曲线辅助曲线（2）辅助曲线和溶解度曲线的交点P即为临界混溶点，由图读出该点处的组成：xB=1-0.415-0.15=43.5%xA=41.5%xS=15%根据萃余相中xA=20%，在图中定出R1点，利用辅助曲线求出与之平衡的萃取相E1点，从图读得两相的组成为：A1.00.200.40.6BS0.80.20.40.60.8LPJC萃余相：xA=20%xS=6.6%（3）分配系数和选择性系数：R1E1萃取相：yA=39%yS=41.4%yB=19.6%分配系数kA：95.120.039.0AAAxyk选择性系数:303.7196.0734.095.1//BBABABAyxkxxyy1.00.200.40.6BS0.80.20.40.60.8LPJCxB=73.4%1.00.200.40.6BS0.80.20.40.60.8LPJC在AB边上确定点F，连点F、S。混合液沿直线FS变化。当S的加入量恰好到使混合液组成落在溶解度曲线的H点时，混合液便开始分层。分层时溶剂的用量用杠杆规则求得（4）使混合液开始分层的溶剂用量：0833.0968HSHFFS所以S=0.0833F=0.0833×100=8.33kg1.000.20.40.6ABS0.80.20.40.60.8LPJCFH•zA=23.5%，zS=22.5%，（5）萃余相的组成和混合液的总组成：根据yA=36%在溶解度曲线上确定E2点，借助辅助曲线作联结线获得与E2平衡的点R2。由图读得:xA=17%，xS=6%，xB=77%R2E2线与FS线的交点M为混合液的总组成点：由图读得:zB=54%.1.000.20.40.6ABS0.80.20.40.60.8LPJCE2•R2•M•F溶剂S衡算式mmmmERER11AmmAmmAmmAmmyExRyExR,,,11,11SmmSmmSmmSmmyExRyExR,,,11,11一、单一萃取级的物料衡算第m级m、SmAmmxxR111、，，SmAmmyyE、，，、，SmAmmxxR、，、、SmAmmyyE111、，，总物料衡算式溶质A衡算式11.3萃取过程计算11.3.1萃取级内过程的数学描述二、萃取级内传质过程的简化——理论级与级效率溶解度曲线理论级——进入一个理论级的两股物流Rm-1和Em+1，无论其组成如何，经过传质之后离开该级的两股物流Rm和Em达成平衡。特征方程简化为：)(,,AmAmxfy分配曲线实际萃取级=×100%级效率理论级)(,,AmSmxx)(,,AmSmyyNA=（物性，操作条件，设备结构等）f11.3.2单级萃取0,,FSFAxxFSAxxR,,SAyyE,,SAzzS,,一、解析计算物料衡算：F+S=R+EFxFA+SzA=RxA+EyAF•0+SzS=RxS+EyS设为理论级，特征方程：)(ASyy)(ASxx)(AAxfyR=M–ESMFMFSREMRME二、图解计算（方便）xA→R→联结线RE→E确定原料F与溶剂S两点总物料的组成点M——FS和RE两联线之交点。溶剂比：萃取器内总流量：M=F+S萃取相流量：萃余相流量：E•R•M•1.000.20.40.6ABS0.80.20.40.60.8xAF例：以水为溶剂，对xF=30%的丙酮—醋酸乙酯溶液进行单级（一个理论级）间歇萃取，为使萃余液的溶质浓度x0降至15%，每kg原料液需加多少水？能得到多少萃取液？其浓度为多大？若需使x0降至5%，结果又如何？附：丙酮(A)—醋酸乙酯(B)—水(S)在30℃下的相平衡数据（