化工原理第十一章液液萃取

石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 第十一章第十一章 液液萃取（抽提）液液萃取（抽提）Liquid ExtractionLiquid Extraction石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 11.1 概述概述 液液-液萃取（抽提）：液萃取（抽提）：在液体混合物中加入一种在液体混合物中加入一种与其不溶或部分互溶的液体溶剂，经过充分混与其不溶或部分互溶的液体溶剂，经过充分混合，分相，利用混合液中各组分在溶剂中合，分相，利用混合液中各组分在溶剂中溶解溶解度的差异度的差异而实现分离的一种单元操作。又称溶而实现分离的一种单元操作。又称溶剂萃取。剂萃取。目的目的:分离液分离液-液混合物。液混合物。操作依据操作依据:利用混合物中各组分在某一溶剂中利用混合物中各组分在某一溶剂中的溶解度之间的差异。的溶解度之间的差异。石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 常见的萃取操作流程常见的萃取操作流程原料原料 A+B萃取剂萃取剂 S萃取相萃取相 E萃余相萃余相 R萃取剂萃取剂S 萃取液萃取液E 萃余液萃余液R萃取剂萃取剂S 常见的萃取操作流程常见的萃取操作流程石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 平衡平衡两相两相 萃取相萃取相 E,y溶剂相中出现溶剂相中出现(S+A+B)萃余相萃余相 R,x原溶剂相中出现原溶剂相中出现(B+S+A)萃余相脱除溶剂得萃余液萃余相脱除溶剂得萃余液 R,x萃取相脱除溶剂得萃取液萃取相脱除溶剂得萃取液 E,y萃余相脱除溶剂得萃余液萃余相脱除溶剂得萃余液 R,x萃取相脱除溶剂得萃取液萃取相脱除溶剂得萃取液 E,y脱除溶剂脱除溶剂石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 实现萃取操作的基本要求实现萃取操作的基本要求 选择适宜的溶剂。溶剂能选择性地溶解各组分，选择适宜的溶剂。溶剂能选择性地溶解各组分，即对溶质具有显著的溶解能力，而对其他组分和原即对溶质具有显著的溶解能力，而对其他组分和原溶剂完全不溶或部分互溶。溶剂完全不溶或部分互溶。原料液与溶剂充分混合、分相，形成的液原料液与溶剂充分混合、分相，形成的液-液两相液两相较易分层。较易分层。脱溶剂得到溶质，回收溶剂。溶剂易于回收且价脱溶剂得到溶质，回收溶剂。溶剂易于回收且价格低廉。格低廉。石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 萃取的分类萃取的分类（1 1）按组分数目分：）按组分数目分：多多元元体体系系：原原料料液液中中有有两两个个以以上上组组分分或或溶溶剂剂为为两两种种不互溶的溶剂不互溶的溶剂 三元体系：三元体系：原料液中含有两个组分，溶剂为单溶剂原料液中含有两个组分，溶剂为单溶剂（2 2）按有无化学反应分：）按有无化学反应分：物物理理萃萃取取：萃萃取取过过程程中中，萃萃取取剂剂与与原原料料液液中中的的有有关关组分不发生化学反应组分不发生化学反应 化学萃取化学萃取w本章主要本章主要讨论三元体系的物理萃取讨论三元体系的物理萃取。石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 一般地，在下列情况下采用萃取方法更为有利。一般地，在下列情况下采用萃取方法更为有利。（1）原料液中各组分间的相对挥发度接近于原料液中各组分间的相对挥发度接近于1或形成恒沸物，或形成恒沸物，若采用蒸馏方法不能分离或很不经济；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）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；用蒸馏方法须将大量稀释剂汽化，能耗较大；（3）原料液中需分离的组分是热敏性物质，蒸馏时易于分原料液中需分离的组分是热敏性物质，蒸馏时易于分解、聚合或发生其它变化。解、聚合或发生其它变化。（4）其它，如多种金属物质的分离，核工业材料的制取，治）其它，如多种金属物质的分离，核工业材料的制取，治理环境污染等。理环境污染等。对于一种液体混合物，究竟是对于一种液体混合物，究竟是采用蒸馏还是萃取采用蒸馏还是萃取加以加以分离，主要取决于技术上的可行性和经济上的合理性。分离，主要取决于技术上的可行性和经济上的合理性。萃取操作的应用萃取操作的应用石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 液液萃取的应用液液萃取的应用 1、在石油化工中的应用、在石油化工中的应用 随随着着石石油油化化工工的的发发展展，液液液液萃萃取取已已广广泛泛应应用用于于分分离离各各种种有有机机物物质质。轻轻油油裂裂解解和和铂铂重重整整产产生生的的芳芳烃烃混混合合物物的的分分离离是是重重要要的的一一例例。该该混混合合物物中中各各组组分分的的沸沸点点非非常常接接近近，用用一一般般的的分分离离方方法法很很不不经经济济。工工业业上上采采用用Udex、Shell、Formex等等萃萃取取流流程程，分分别别用用环环丁丁砜砜、四四甘甘醇醇、N-甲甲基基吡吡咯咯烷烷酮酮为为溶溶剂剂，从从裂裂解解汽汽油油的的重重整整油油中中萃萃取取芳芳烃烃。对对于于难难分分离离的的乙乙苯苯体体系系，组组分分之之间间的的相相对对挥挥发发度度接接近近于于1，用用精精馏馏方方法法不不仅仅回回流流比比大大，塔塔板板还还高高达达300多多块块，操操作作费费用用极极大大。可可采采用用萃萃取取操操作作以以HF-BF3作萃取剂，从作萃取剂，从C8馏分中分离二甲苯及其同分异构体。馏分中分离二甲苯及其同分异构体。石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 2、在生物化工和精细化工中的应用、在生物化工和精细化工中的应用 在在生生化化药药物物制制备备过过程程中中，生生成成很很复复杂杂的的有有机机液液体体混混合合物物。这这些些物物质质大大多多为为热热敏敏性性物物质质。若若选选择择适适当当的的溶溶剂剂进进行行萃萃取取，可可以以避避免免受受热热损损坏坏，提提高高有有效效物物质质的的收收率率。例例如如青青霉霉素素的的生生产产，用用玉玉米米发发酵酵得得到到含含青青霉霉素素的的发发酵酵液液，以以醋醋酸酸丁丁酯酯为为溶溶剂剂，经经过过多多次次萃萃取取可可得得到到青青霉霉素素的的浓浓溶溶液液。此此外外，像像链链霉霉素素、复复方方新新诺诺明明等等药药物物的的生生产产采采用用萃萃取取操操作作也也得得到到较较好好的的效效果果。香香料料工工业业中中用用正正丙丙醇醇从从亚亚硫硫酸酸纸纸浆浆废废水水中中提提取取香香兰兰素素，食食品品工工业业中中用用TBP从从发发酵酵液液中中萃萃取取柠柠檬檬酸酸也也得得到到了了广广泛泛应应用用。可可以以说，萃取操作已在制药工业、精细化工中占有重要的地位。说，萃取操作已在制药工业、精细化工中占有重要的地位。石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 3、在湿法冶金中的应用、在湿法冶金中的应用 20世纪世纪40年代以来，由于原子能工业的发展，大量的研年代以来，由于原子能工业的发展，大量的研究工作集中于铀、钍、钚等金属提炼，结果使萃取法几乎完究工作集中于铀、钍、钚等金属提炼，结果使萃取法几乎完全代替了传统的化学沉淀法。近全代替了传统的化学沉淀法。近20年来，由于有色金属使用年来，由于有色金属使用量剧增，而开采的矿石中的品位又逐年降低，促使萃取法在量剧增，而开采的矿石中的品位又逐年降低，促使萃取法在这一领域迅速发展起来。例如用溶剂这一领域迅速发展起来。例如用溶剂LIX63-65等螯合萃取剂等螯合萃取剂从铜的浸取液中提取铜是从铜的浸取液中提取铜是20世纪世纪70年代以来湿法液化金的重年代以来湿法液化金的重要成就之一。目前一般认为只要价格与铜相当或超过铜的有要成就之一。目前一般认为只要价格与铜相当或超过铜的有色金属如钴、镍、锆等等，都应当优先考虑用溶剂萃取法进色金属如钴、镍、锆等等，都应当优先考虑用溶剂萃取法进行提取。有色金属冶炼、已逐渐成为溶剂萃取应用的重要领行提取。有色金属冶炼、已逐渐成为溶剂萃取应用的重要领域。域。石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 两相接触方式两相接触方式微微分分接接触触石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 级级式式接接触触石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 11.2 液液-液相平衡关系液相平衡关系11.2.1 三角形坐标及杠杆定律三角形坐标及杠杆定律11.2.1.1 11.2.1.1 三角形坐标三角形坐标 三元混合液的表示方法三元混合液的表示方法：等边三角形等边三角形直角三角形（等腰直角三角形和不等腰直角三角形）直角三角形（等腰直角三角形和不等腰直角三角形）三角形坐标 表示方法表示方法 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。石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering A点：xA=1.0K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，即注意：组成的归一性，即1.0S00.20.40.60.80.20.40.60.81.0ABPDCFEHGK 三角形坐标石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering A：溶质：溶质 B：稀释剂：稀释剂 S：萃取剂：萃取剂BSA2040608020204040606080H B，%S，%A，%EPUZVFGQS%A%B%正三角形相图正三角形相图SG+GH+HB=SB%B+%A+%S=100%点点P组成按上述长度为组成按上述长度为A：30%B：50%S：20%正三角形相图正三角形相图石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 11.2.1.2 三角形相图中的杠杆定律（比例定律）三角形相图中的杠杆定律（比例定律）A：溶质：溶质 B：稀释剂：稀释剂 S：萃取剂：萃取剂BSA2040608020204040606080H B，%S，%A，%EPUZVFGQS%A%B%U、V混合液混合液U及及V的量，的量，kgZU、ZV线段线段ZU、ZV的长度的长度掌握：和点、差点掌握：和点、差点杠杆定律杠杆定律指在指在U的液体中加入的液体中加入另一组成的另一组成的V液体，混合液组液体，混合液组成点成点Z必然落在必然落在UV上，点上，点Z满满足以下关系：足以下关系：ZU/ZV=V/U（12-1）石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 三角形相图中的杠杆定律应用举例：三角形相图中的杠杆定律应用举例：如图所示，一组如图所示，一组A、B二元溶液二元溶液组成以组成以F点表示，加入溶剂点表示，加入溶剂S，根据，根据杠杆定律那么所得三元混合液总组杠杆定律那么所得三元混合液总组成将位于成将位于FS连线上连线上P点，且各点间满点，且各点间满足以下关系：足以下关系：PF/PS=S/FS加入越多，加入越多，P点朝顶点点朝顶点S移动移动ABFPS 杠杆定律示例杠杆定律示例QX1X2X3A、B的比例不因的比例不因S的加入而变化的加入而变化石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering ABS石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 11.2.1.3 三角形相图中的相平衡关系（温度一定）三角形相图中的相平衡关系（温度一定）ABSPMQR1R2R3E1E2E3M1M2M3J溶解度曲线溶解度曲线，实验测定实验测定联结线或共轭线联结线或共轭线PQR1E1R2E2均相区均相区两相区两相区 三角形相图上的联结线和溶解度曲线三角形相图上的联结线和溶解度曲线1、共轭线与溶解度曲线、共轭线与溶解度曲线石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 单项区两项区Rn B、S部分互溶三角形相图En联结线溶解度曲线SABMKMn石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 数据标绘及各区的状态数据标绘及各区的状态 溶解度曲线溶解度曲线:各平衡组成点连成一条曲线，称为溶解度曲线；联结线联结线:各对共轭相组成点之间的联线，称为联结线；混溶点混溶点:曲线内为两相区，曲线外为单相区，曲线上的点称 为混溶点；临界混溶点临界混溶点(褶点褶点):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。石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 部分互溶物系，部分互溶物系，A、B，A、S 完全互溶，而完全互溶，而B、S部分互部分互 溶；溶；三角形相图溶解度曲线联结线两相区单相区RnEnSB1.01.00石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 第二类物系第二类物系 (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温度较低时第二类物系三角形相图单 相区溶解度曲线ASB1.01.00石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 温度、压力对相平衡的影响温度、压力对相平衡的影响 压力的影响压力的影响：压力的影响较小，可忽略；根据相律：温度的影响：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。石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 2、三角形相图中辅助线的作法及应用、三角形相图中辅助线的作法及应用:R1E1、R2E2、R3E3连连 线线都都有有一一定定斜斜率率，故故K点点一一般不是溶解度曲线顶点。般不是溶解度曲线顶点。S临界混溶点或褶点临界混溶点或褶点ABPQR1R2R3E1E2E3KB%ERS%A%C1C2C3C 辅助线的作法及应用辅助线的作法及应用石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 辅助曲线作法：石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 利用辅助曲线求取共轭相组成石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 三角形相图中辅助线的其它作法三角形相图中辅助线的其它作法BASPDEHGF 辅助线的其他作法辅助线的其他作法SABPQR1R2R3E1E2E3KB%ERS%A%C1C2C3C石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 11.2.1.4 分配系数分配系数 kAy-质量分率或质量浓度（质量分率或质量浓度（kg/m3）x-质量分率或质量浓度（质量分率或质量浓度（kg/m3）掌握：分配系数值对分离效果影响掌握：分配系数值对分离效果影响kA=1,y=x，联结线与底边平行联结线与底边平行kA1,y x，联结线斜率大于零联结线斜率大于零kA 1,y T2 T1化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 已已知知条条件件：所所要要求求原原料料液液的的处处理理量量和和组组成成（F，xF），萃萃取取剂剂的的组成，体系的相平衡数据，萃余相（或萃余液）的组成。组成，体系的相平衡数据，萃余相（或萃余液）的组成。计算：所需萃取剂的量、萃取相和萃余相的量，萃取相的组成。计算：所需萃取剂的量、萃取相和萃余相的量，萃取相的组成。11.3.1 单级萃取单级萃取原料原料 A+B萃取剂萃取剂 S萃取相萃取相 E萃余相萃余相 R11.3 液-液萃取过程的计算化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 原料原料 A+B萃取剂萃取剂 S萃取相萃取相 E萃余相萃余相 R1、原溶剂和萃取剂部分互溶的体系、原溶剂和萃取剂部分互溶的体系SABRRFEEMEmEm 单级萃取的正三角形图解单级萃取的正三角形图解R、E的计算：的计算：R+E=F+SR/E=ME/MRR、E组成计算：组成计算：E+R=F E/R=FR/FES用量的计算：用量的计算：S=F（MF/MS）化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 原料原料 A+B萃取剂萃取剂 S萃取相萃取相 E萃余相萃余相 RSABRRFEEMEmEm 单级萃取的正三角形图解单级萃取的正三角形图解物料衡算：物料衡算：化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 原料原料 A+B萃取剂萃取剂 S萃取相萃取相 E萃余相萃余相 RSABRRFEEMEmEm 单级萃取的正三角形图解单级萃取的正三角形图解同理可得萃取液和萃余液的量同理可得萃取液和萃余液的量化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering SABRFEM单级萃取的最小与最大萃取剂用量单级萃取的最小与最大萃取剂用量DG单级萃取的最小与最大萃取剂用量单级萃取的最小与最大萃取剂用量石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 最大溶剂用量及最小溶剂用量最大溶剂用量及最小溶剂用量减小减小S，则靠近 F，当达到R2时混溶，故位于R2时的溶剂用量为 mS min。当 mS=mSmax 时当 mS=mSmin时单级萃取的溶剂范围：单级萃取的溶剂范围：mSmin mS mSmax增加增加S，则靠近 S，当M点达到1时混溶，故位于1时的溶剂用量为 mS max。溶剂用量对单级萃取的影响ABESRE1MFxE2R2R1石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering S、B萃萃取取剂剂的的用用量量、原原料料液液中中的的原原溶溶剂剂量量，kg(间间歇歇)；kg/s或或kg/h(连连续续)。XF、X原原料料液液、萃萃余余相相中中A的的组组成成，质量比，质量比，kg(A)/kg(B)。Y萃取相中萃取相中A的组成，的组成，(A)/(S)质量质量比，比，kg/kg。原料原料 A+B萃取剂萃取剂 S萃取相萃取相 E萃余相萃余相 R2、原溶剂和萃取剂在操作范围内不互溶的体系、原溶剂和萃取剂在操作范围内不互溶的体系相平衡线相平衡线YY1E1X1EOXFX操作线操作线斜率为斜率为-B/S 溶剂不互溶时单级萃取图解溶剂不互溶时单级萃取图解化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 11.3.2 多级错流萃取多级错流萃取12NSSSSSFE1E2ENR1R2RNER 多级错流萃取流程多级错流萃取流程萃取剂回萃取剂回收设备收设备 已知物系的相平衡关系数据，原料液的量已知物系的相平衡关系数据，原料液的量F及其组成及其组成xF，最终萃，最终萃余相组成余相组成x和萃取剂组成和萃取剂组成yS，选择萃取剂的用量，选择萃取剂的用量S，求所需的理论级，求所需的理论级数数N。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 1、萃取剂与原溶剂在操作范围内不互溶的体系、萃取剂与原溶剂在操作范围内不互溶的体系12NS1S1S1SFE1,Y1E2,Y2EN,YNR1X1R2X2RNXNER化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering （1）图解法）图解法Y1Y2Y3Y4X4X3X2X1XFXYE1E2E3E4E0第一级操作线第一级操作线第二级第二级第三级第三级第四级第四级 溶剂互不相溶时多级错流萃取溶剂互不相溶时多级错流萃取流程流程11.3.2 多级错流萃取多级错流萃取化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 令令 b1=mS1/B,则则X1=XF/(b1+1)平衡线 Y=mXY1Y2Y3Y4X4X3X2X1XFXYE1E2E3E4E0（2）解析法）解析法萃取因数萃取因数同理同理化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 直到萃余相的组成直到萃余相的组成xN小于或等小于或等于指定值于指定值xk，共，共N级。级。2、萃取剂与原溶剂部分互溶、萃取剂与原溶剂部分互溶 SSSSSFE1 y1E2 y1EN yNR1x1R2x2RNxN12NERABSR1R2R3E1E2E3EM1M2M3REF 溶剂部分互溶时溶剂部分互溶时 多级错流萃取的图解多级错流萃取的图解化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 9.3.3多级逆流萃取多级逆流萃取12NFXFX1X2XiRiEi+1iXi-1Ri-1EiE3E2E1R1R2RN-1RNENXN-1XNSSSERY1Y2Y3YiYi+1YNYS 多级逆流萃取流程多级逆流萃取流程 已知物系的相平衡关系数据，原料液的两已知物系的相平衡关系数据，原料液的两F及其组成及其组成xF，最终萃，最终萃余相组成余相组成x和萃取相组成和萃取相组成y（或萃余液组成（或萃余液组成x和萃取液组成和萃取液组成y），求），求萃取剂的用量萃取剂的用量S，所需的理论级数，所需的理论级数N等。等。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 1、萃取剂与原溶剂在操作范围内互不相溶、萃取剂与原溶剂在操作范围内互不相溶12NFXFX1X2XiRiEi+1iXi-1Ri-1EiE3E2E1R1R2RN-1RNENXN-1XNSSSERY1Y2Y3YiYi+1YNYS 化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering XNXFY1YEP1S0X12NFXFX1X2XiRiEi+1iXi-1Ri-1EiE3E2E1R1R2RN-1RNENXN-1XNSSSERY1Y2Y3YiYi+1YNYS 化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 掌握：掌握：(1)作图方法作图方法 (2)停止作图依据停止作图依据 （1）图解法）图解法12NFXFX1X2XiRiEi+1iXi-1Ri-1EiE3E2E1R1R2RN-1RNENXN-1XNSSSERY1Y2Y3YiYi+1YNYS EXNX1XFY1Y2YE1E2P1P2S0X 溶剂互不相溶时溶剂互不相溶时 多级逆流萃取图解多级逆流萃取图解化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering（2）解析法）解析法 若平衡线为若平衡线为Y=mX，则依，则依据据第九章第九章式（式（9-75）同样方法）同样方法可推导得到：可推导得到：YEP1S0Xb=mS/B（12-15）化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 2、萃取剂与原溶剂部分互溶、萃取剂与原溶剂部分互溶12NFxFx1x2xiRiEi+1ixi-1Ri-1EiE3E2E1R1R2RN-1RNENxN-1xNSSSE,yRy1y2y3yiyi+1yNyS 多级逆流萃取流程多级逆流萃取流程 已知物系的相平衡关系数据，原料液的两已知物系的相平衡关系数据，原料液的两F及其组成及其组成xF，最终萃，最终萃余相组成余相组成x和萃取相组成和萃取相组成y（或萃余液组成（或萃余液组成x和萃取液组成和萃取液组成y），求），求萃取剂的用量萃取剂的用量S，所需的理论级数，所需的理论级数N等。等。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering S=F(MF/MS)E1/RN=MRN/ME1R、E 计算：计算：E+R=F E/R=FR/FE图解法步骤及原理：图解法步骤及原理：图图12-18 溶剂部分互溶时多级逆流萃取图解溶剂部分互溶时多级逆流萃取图解ABSFEME1RNR化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 12NFxFx1x2xiRiEi+1ixi-1Ri-1EiE3E2E1R1R2RN-1RNENxN-1xNSSSE,yRy1y2y3yiyi+1yNyS 第第1级级 即即 第第2级级 第第3级级 第第N级级 化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering D点为点为F与与E1、R1与与E2、R2与与E3RN与与S的差点的差点掌握：掌握：D点作法点作法操作点操作点ABSR1FEDME1E2E3R2R3R图图12-18 溶剂部分互溶时多级逆流萃取图解溶剂部分互溶时多级逆流萃取图解（12-18）化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 11.3.4 连续接触逆流萃取连续接触逆流萃取分散相：分散相：（1）不不宜宜与与填填料料或或塔塔壁壁材材料料相相润润湿湿，以以免免液液滴滴在在壁壁面面上上并并聚聚，形成膜状流动，减小传质面积。形成膜状流动，减小传质面积。（2）分分散散相相在在塔塔内内体体积积小小，选昂贵或易燃液体作分散相。选昂贵或易燃液体作分散相。重液（萃余相重液（萃余相x）轻液（萃取相轻液（萃取相y）重液重液(原料液原料液xF）轻液（萃取剂）轻液（萃取剂）轻液层轻液层填料层填料层重液层重液层轻液液滴轻液液滴并聚层并聚层喷洒器喷洒器 填料萃取塔填料萃取塔化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 1、等级高度法、等级高度法he(HETS)Height Equivalent of a Theoretical StageNNumber of Theoretical StageHETS=f(物性、浓度、流量、塔结构物性、浓度、流量、塔结构)重液（萃余相重液（萃余相x）轻液（萃取相轻液（萃取相y）重液重液(原料液原料液xF）轻液（萃取剂）轻液（萃取剂）轻液层轻液层填料层填料层重液层重液层轻液液滴轻液液滴并聚层并聚层喷洒器喷洒器 填料萃取塔填料萃取塔化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 2、传质速率方程法、传质速率方程法（12-19）xE+dEy+dyE,ydhNA溶质溶质A由萃余相向萃取相传由萃余相向萃取相传 递的速率，递的速率，kg(A)/(m2.h);y 萃取相中溶质组成，质量分率；萃取相中溶质组成，质量分率；y*与萃余相平衡的萃取相溶质与萃余相平衡的萃取相溶质 组成，质量分率；组成，质量分率；Ky 以萃取相溶质浓度差为推动力的以萃取相溶质浓度差为推动力的 总传质系数。总传质系数。（12-20）a 单位塔体积中的相界面面积，单位塔体积中的相界面面积，m2/m3;塔截面积，塔截面积，m2；E 萃取相的流量，萃取相的流量，kg/h。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering （1）萃取相溶质浓度低时且两溶萃取相溶质浓度低时且两溶剂不互溶时剂不互溶时重液（萃余相重液（萃余相x）轻液（萃取相轻液（萃取相y）重液重液(原料液原料液xF）轻液（萃取剂）轻液（萃取剂）轻液层轻液层填料层填料层重液层重液层轻液液滴轻液液滴并聚层并聚层喷洒器喷洒器 填料萃取塔填料萃取塔（2）萃取相溶质浓度高时萃取相溶质浓度高时（12-22）（12-21）ya,yb萃取相入塔、出塔的溶质组萃取相入塔、出塔的溶质组 成，质量分率；成，质量分率；NOE萃取相为稀溶液时总传质单萃取相为稀溶液时总传质单 元数；元数；HOE萃取相为稀溶液时总传质单萃取相为稀溶液时总传质单 元高度，元高度，m。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 11.3.5 回流萃取，双溶质的萃取回流萃取，双溶质的萃取回流萃取流程回流萃取流程目的：得到高浓目的：得到高浓度度A A的的萃取液萃取液萃取剂萃取剂萃取液萃取液最终萃取相最终萃取相回流回流萃取产物萃取产物萃取剂萃取剂最终萃余相最终萃余相原料液原料液萃取相萃取相增浓段增浓段萃余相萃余相提浓段提浓段 回流萃取流程回流萃取流程石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 11.4 11.4 萃取设备萃取设备 要要求求：提提供供适适宜宜的的传传质质条条件件，使使两两相相充充分分有有效效地地接接触触并并伴伴有有较较高高程程度度的的湍湍流流，保保证证两两相相之之间间迅迅速速有有效效地地进进行行传传质质，并并使使两两相相得到及时、完善的分离。得到及时、完善的分离。分类：分类：（1 1）按两相接触方式划分）按两相接触方式划分 逐级接触逐级接触浓度呈阶跃式变化，浓度呈阶跃式变化，微分接触式微分接触式浓度连续变化。浓度连续变化。（2 2）按外界是否输入机械能划分）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。重力流动设备、外加能量的设备。（3 3）按设备结构特点和形状划分）按设备结构特点和形状划分 组件式组件式由单级萃取设备组合；由单级萃取设备组合；塔式塔式板式塔、喷洒塔、填料塔。板式塔、喷洒塔、填料塔。石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 11.4.1 混合混合 澄清槽澄清槽（1）结构）结构混合澄清器轻相重相重相轻相石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 轻相重相轻相重相 11.4.2 11.4.2 塔式萃取设备塔式萃取设备（1 1）喷洒塔（喷淋塔）喷洒塔（喷淋塔）特点：无塔内件，阻力小，特点：无塔内件，阻力小，结构简单，投资少易维护。结构简单，投资少易维护。但两相很难均匀分布，轴向但两相很难均匀分布，轴向反混严重，理论级数不超过反混严重，理论级数不超过1212级，传质系数小。级，传质系数小。轻相重相轻相重相石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering（2 2）筛板萃取塔）筛板萃取塔 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石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 塔板上两相流动情况：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：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；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石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering（3 3）填料萃取塔）填料萃取塔特点：填料萃取塔结构简单，造价特点：填料萃取塔结构简单，造价低廉，操作方便，级效率较低，在低廉，操作方便，级效率较低，在工艺要求的理论级小于工艺要求的理论级小于3 3，处理量，处理量较小时可考虑采用。较小时可考虑采用。填料萃取塔轻液轻液重液重液液液相界面填料石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering（4 4）转盘萃取塔）转盘萃取塔特点：结构简单，造价低廉，特点：结构简单，造价低廉，维修方便，操作弹性和通量较维修方便，操作弹性和通量较大，应用较广。大，应用较广。轻液轻液重液重液界面格栅定环转盘 转盘萃取塔石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering（5 5）搅拌填料塔）搅拌填料塔重液出轻液出重液入轻液入1.转轴 2.搅拌器 3.丝网填料123石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 11.4.3 11.4.3 离心萃取器离心萃取器优点：处理量大，效率较高，优点：处理量大，效率较高，提供较多理论级，结构紧凑，提供较多理论级，结构紧凑，占地面积小，应用广泛。占地面积小，应用广泛。缺点：能耗大，结构复杂，缺点：能耗大，结构复杂，设备及维修费用高。设备及维修费用高。应用：适用于要求接触时间应用：适用于要求接触时间短，物流滞留量低，易乳化，短，物流滞留量低，易乳化，难分相的物系。难分相的物系。驱动槽轮轻相进重相出转鼓清洗通道栓塞轻相出重相进机械密封 波式离心萃取器示意图石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 11.5 11.5 浸取与超临界萃取浸取与超临界萃取 11.5.1 浸取浸取定义定义：指应用有机或无机溶剂将固体原料中的可溶性组分溶解，将溶质组分和不溶性固体分离的单元操作，为固-液之间的萃取。名词：名词：可溶组分 溶质溶质 固体不溶组分载体载体 溶剂 浸取剂浸取剂 浸取后的溶液浸出液浸出液 浸取后的固体和残留的溶液残渣残渣 过程：过程：（1）混合接触；（2）浸出液和残渣分离；（3）浸出液中溶质和溶剂分离。应用：应用：湿法冶金工业、油脂、制糖等轻工、食品工业 如：用硫酸溶液从氧化铜矿浸取铜；动植物油的有机溶剂浸取。石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 11.5.2 11.5.2 超临界萃取超临界萃取定义：定义：利用超过临界温度、临界压力状态下的气体具有的特异溶解能力，选择性地溶解混合液体或固体中的溶质，分离液体或固体混合物的单元操作。（1）超临界萃取基本原理）超临界萃取基本原理C点：体系的界面消失，成为均相体系，称为临界点临界点对应的温度临界温度临界温度对应的压力临界压力临界压力石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 超临界状态下体系的特点：超临界状态下体系的特点：既非气体，亦非液体，却既具有近似气体的粘度和渗透能力，又具有接近液体的密度和溶解能力。常用的超临界萃取溶剂 CO20-60201000530201040 纯CO2温度、压力和密度关系B=120011001000900800200100700600500400300超临界超临界流体流体温度/压力/MPa二氧化碳乙醇水体系相平衡图 CO2H2OC2H5OHT=308.15Kp=10.1MPa石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering（2）超临界萃取的原则流程）超临界萃取的原则流程流程主要分为两部分：在超临界状态下，溶剂气体与原料接触进行萃取获得萃取相；将萃取相进行分离，脱除溶质，再生溶剂。改变压力或温度的超临界萃取流程改变压力或温度的超临界萃取流程加热器原料萃取相溶剂萃取产物萃余相萃取器分离器减压阀压缩机原料萃取相溶剂萃取产物萃余相萃取器分离器阀门泵冷却器 改变压力和温度的超临界萃取流程石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 采用吸附分离的超临界萃取流程：采用吸附分离的超临界萃取流程：采用吸附分离的超临界萃取流程阀门原料萃取相溶剂吸附剂萃余相萃取器吸附器泵石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 超临界萃取的特点：超临界萃取的特点：操作温度一般较低，接近室温；操作温度一般较低，接近室温；过程易于调节；过程易于调节；分离工艺流程简单；分离工艺流程简单；萃取效率一般高于液体萃取，不会引起被萃取物质的污染且萃取效率一般高于液体萃取，不会引起被萃取物质的污染且不进行溶剂蒸馏；不进行溶剂蒸馏；体系的沸点和溶解度与溶剂和溶质的种类有关；体系的沸点和溶解度与溶剂和溶质的种类有关；萃取过程在高压下进行，设备及工艺技术要求较高，投资大萃取过程在高压下进行，设备及工艺技术要求较高，投资大.间歇操作，无法连续操作。间歇操作，无法连续操作。（3 3）超临界流体萃取的应用）超临界流体萃取的应用化学工业：废水中微量有机物的去除、共沸物的分离等；化学工业：废水中微量有机物的去除、共沸物的分离等；医药工业：药品有效成分的萃取、脂肪质的分离精制等；医药工业：药品有效成分的萃取、脂肪质的分离精制等；食品工业：植物油的萃取、咖啡和茶的脱咖啡因等。食品工业：植物油的萃取、咖啡和茶的脱咖啡因等。石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 超超临临界界萃萃取取技技术术的的应应用用医药工业医药工业化学工业化学工业食品工业食品工业化妆品香料化妆品香料中草药提取中草药提取酶，纤维素精制酶，纤维素精制金属离子萃取金属离子萃取烃类分离烃类分离共沸物分离共沸物分离高分子化合物分离高分子化合物分离植物油脂萃取植物油脂萃取酒花萃取酒花萃取植物色素提取植物色素提取天然香料萃取天然香料萃取化妆品原料提取精制化妆品原料提取精制石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 压缩机压缩机 萃取釜萃取釜 制冷MVC-760L 二氧化碳循环泵 石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 例题：例题：由溶质由溶质A、原溶剂、原溶剂B、萃取剂、萃取剂S构成的三元系统的构成的三元系统的溶解度曲线如图所示。原溶液含溶解度曲线如图所示。原溶液含A35%、B65%，采用单，采用单级萃取。所用萃取剂为含级萃取。所用萃取剂为含A5%、S95%的的 回收溶剂。求回收溶剂。求:（1）当萃取相中当萃取相中A的浓度为的浓度为30%时，每处理时，每处理100kg原料原料液需用多少液需用多少kg 回收溶剂？回收溶剂？(2)在此原料条件下，单级萃取能达到的萃余相中在此原料条件下，单级萃取能达到的萃余相中A的最的最低浓度为多少？低浓度为多少？石油化工学院石油化工学院-Department of Petroleum chemical Engineering 解：(1)由含A5%、S95%条件可在AS边上定出点S；由yA=0.3得点E，(2)FS 与溶解度曲线的右交点与溶解度曲线的右交点为为M，过，过M 作平衡联结线，作平衡联结线，由图读得：由图读得：XAmin=0.06