8第八章萃取讲解课件

第八章 萃取本章内容：液-液平衡关系的表示方法；萃取溶剂的选择；几种重要的萃取流程的工作原理；单级、多级错流、多级逆流萃取计算；萃取设备的类型及选择；重点提示：三元混合物组成的表示方法；单级萃取的计算。8-0 概述概述 萃取：是指利用原料液中组分在适当溶剂中溶解度的差异而实 现分离的单元操作。对于一个三元体系，一般将原料液中一个组分有较大溶解度的称为溶质，以A表示；对另一组分完全不溶解或部分溶解的称为原溶剂(或称稀释剂)，以B表示；选用的溶剂又称为萃取剂，以S表示。萃取过程中将含萃取剂多的一相称为萃取相，以E表示；含原溶剂多的一相称为萃余相，以R表示；萃取相和萃余相脱除溶剂后分别得萃取液和萃余液，以E 和R 表示。1.混合液中组分的相对挥发度接近“1”或者形成恒沸 2.溶质在混合液中浓度很低且为难挥发组分。3.混合液中有热敏性重要组分。原料液 F萃取剂 S混合 沉降分层 脱除溶剂图8-1 单级萃取操作示意图萃取相萃余相ERxAyA萃取液 E萃余液 RS 对于一种液体混合物，是直接采用蒸馏方法还是萃取方法加以分离，主要取决于技术上的可行性和经济上的合理性。一般在下列情况下采用萃取方法更加经济合理。萃取操作的基本过程如图8-1所示。分为三个步骤：混合混合沉降分层沉降分层溶剂脱除溶剂脱除8-0 概述三元物系 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8-1-1 三角形坐标 三角形坐标是指利用等边三角形、等腰直角三角形或任意直角三角形表示一个三元混合物体系的组成及平衡关系。三角形的三条边均各自表示某一种组成，三角形坐标内点的读取方法是：过三角形内的任意一点分别做三边的平行线，然后从与各边的交点上可读取每一种组成的多少，且最后三种组成之和为1。如右图所示：8-1 液-液平衡关系图中 xA=0.3 xB=0.3 xS=0.40.2-0.4-0.6-0.8-1.0-0.2.0.4 0.6 0.81.0 SAB P.0.4.0.6.0.8.0.2 1.0.图中 xA=0.3 xB=0.3 xS=0.40.2-0.4-0.6-0.8-1.0-0.2.0.4 0.6 0.81.0 SAB P.0.4.0.6.0.8.0.2 1.0.三角形坐标的简化直读直读 xA=0.3 xS=0.4 计算计算 xB=1(xA+xS)=0.30.2-0.4-0.6-0.8-1.0-0.6 0.4 0.2SAB P.0.8 1.0 8-1 液-液平衡关系 液-液萃取过程的相平衡关系比较复杂,在这里主要讨论溶质A可完全溶解于稀释剂B 和萃取剂S 中,但B与S不完全互溶。一.溶解度曲线和联结线 设溶质A完全溶于稀释剂B和溶剂S中，而B与S 部分互溶。在一定温度下，组分B与组分S以任意数量相混合，必然得到两个互不相溶的液层，各层的组成分别为图中的L点与J点坐标所示。(即在L与J之间B和S不能互溶)8-1-2 液-液相平衡关系在三角形相图上的表示.L JABS8-1 液-液平衡关系L C D F G H JABS CDFGHER均相区溶解度曲线互溶点两相区联结线 在总组成为C的两元混合液中逐渐加入组分A，成为三元混合液，其中组分B与S质量比为常数，故三元混合液的组成点将沿AC 线而变化。若加入A的量恰好使混合液由两个液相变为均一相时，相应组成坐标如点 C 所示，点C称 为 互 溶 点 或 分 层 点。分别得到混溶点D、F、G及H，连L、C、D、F、G、H及J 诸点的曲线为实验温度下该三元物系的溶解度曲线。再对总组成为D、F、G、H等二元混合液按上述方法做实验，8-1-2 液-液平衡的相图表示 若组分B与S完全不相溶，则点L与J分别与三角形顶点B与S相重合，整个组成为两相区。溶解度曲线将三角形分为两个区域，曲线以内的区域为两相 区，曲线以外的为均 相 区。两相区内的混合物分为两个液相，当达到平衡时，两个液层称为共轭相，联结共轭液相组成坐标的直线称为联结线，萃取操作只能在两相区内进行。L C D F G H JABS CDFGHER均相区溶解度曲线互溶点两相区联结线8-1-2 液-液平衡的相图表示 二.辅助曲线和临界混溶点ABSR1R2E2E1R3R4E3E4P临界混溶点图8-6a 一定温度下，三元物系的溶解度曲线和联结线是根据实验数据而标绘的，使用时若要求与已知相成平衡的另一相的数据，常借助辅助曲线(也称共轭曲线)求得。只要有若干组联结线数据即可作出辅助曲线。通过已知点R1、R2等分别作底边BS的平行线，再通过相应联结线另一端点E1、E2等分别作与侧直角边AB的平行线，诸线分别相交于点J、K、，联结这些点所得平滑曲线即为辅助曲线。利用辅助曲 线 便 可 从 已 知 某 相R(或 E)确 定与之平衡的另一相组成E(或R)。8-1-2 液-液平衡的相图表示 辅助曲线与溶解度曲线的交点P，表明通过该点的联结线为无限短，相当于这一系统的临界状态，故称点P为临界混溶点。由于联结线通常都具有一定的斜率，因而临界混溶点一般不在溶解度曲线的最高点。临界混溶点由实验测得，只有当已知的联结线很短时，才可用外延辅 助 曲 线 的 方 法 求 出 临 界混溶点。ABSR1R2E2E1R3R4E3E4P临界混溶点 图8-6b8-1-2 液-液平衡的相图表示 三.分配系数和分配曲线 1.分配系数 在一定温度下，当三元混合液的两个液相达到平衡时，溶质在E相与R相中的组成之比称为分配系数，以kA表示，即同样，对组分B，其表达式为式中 yA，yB分别为组分A、B在萃取相E中的质量分率；xA，xB分别为组分A、B在萃余相R中的质量分率8-1-2 液-液平衡的相图表示 联结线的斜率0 kA1，yAxA 联结线的斜率为0 kA=1，yA=xA 联结线的斜率0 kA1，yAxA kA值愈大，萃取分离的效果愈好。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值愈大，萃取分离的效果愈好。kA值与联结线的斜率有关。不同物系具有不同的分配系数kA值；同一物系，kA值随温度而变，在恒定温度下，kA值随溶质A的组成而变。只有在一定溶质A的组成范围内温度变化不大或恒温条件下的kA值才可近似视作常数。2.分配曲线 溶质A在三元物系互成平衡的两个液层中的组成，也可像蒸馏和吸收一样，在x-y直角坐标图中用曲线表示。以萃余相R中溶质A的组成 xA为横标，以萃取相E中溶质A的组成 yA为纵标，互成平衡的E相和R相中组分A的组成在直角坐标图上以N点表示，如图所示。若将诸联结线两端点相对应组分A的组成均标于x-y图上，得到的曲线称为分配曲线。8-1-2 液-液平衡的相图表示 图示条件下,在分层区浓度范围内,E相内溶质A的组成yA均大于R相内溶质A的组成,即分配系数 kA 1,故分配曲线位于y=x线上侧。若随溶质A浓度的变化,联结线发生倾斜,方向改变,则分配曲线将与对角线出现交点。这种物系称为等溶度体系。y=xyAxAOABSERLKyAPyAExAR分配曲线PPxAP图4-7 有一对组分部分互溶时的分配曲线8-1-2 液-液平衡的相图表示 四.温度对相平衡关系的影响 通常，物系的温度升高，溶质在溶剂中的溶解度加大，反之减小。因而，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的面积，从而也影响分配曲线形状。右图表示了有一对组分部分互溶物系，在T1、T2及T3(T1 T2 T3)三个温度下的溶解度曲线和联结线。显而易见，温度升高，分层区面积缩小。图8-9 温度对互溶度的影响(类物系)P1P2P3T1T3T2（T1 T2 T3）BSA8-1-2 液-液平衡的相图表示 图8-11 杠杆规则的应用ABSRE M.F 如图所示,将R kg的R相与E kg的E相相混合，即得到总组成为M kg的混合液。反之，在分层区内，任一点M所表示的混合液可分为两个液层R、E。M点称为和点，R点和E点称为差点。混合物M与两个液相E、R之间的关系可用杠杆规则描述，即8-1-2 液-液平衡的相图表示 五.杠杆规则 式中 E,R E相和R相的质量(kg)或质量流量(kg/s)；,线段ME与MR的长度。2.E相与R相的量与线段长成反比：图8-11 杠杆规则的应用A BSRE M.F1.代表混合液总组成的M点和代 表两液层组成的E点及R点应处 于同一直线上。8-1-2 液-液平衡的相图表示 如：和点M离E点越近，则E相的质量越大。若在A、B二元料液F中加入纯溶剂S，则形成的三元混合液总组成的坐标M点沿SF线而变，具体位置由杠杆规则确定，即 杠杆规则是物料衡算的图解表示方法，是萃取操作过程中物料衡算的基础。8-1-3 萃取过程在三角形相图上的表示 对单级萃取过程，若所用的萃取溶剂为纯组分，则组分坐标位置为三角形顶点S，有时溶剂是循环使用的，其中可能含有少量组分A和B，这时溶剂的组成坐标位置在三角形均相区内。后续讨论中，若不作特别说明，溶剂都是指纯组分。8-1-2 液-液平衡的相图表示 若将定量的纯溶剂S加入到A、B两组分的原料液F中，如前所述，混合液的组成点M应在FS连线上，M点的位置可由杠杆规则确定。当溶剂用量为SR(或SE)时，和点MR(或ME)正好落在溶解度曲线上，这时混合液只有一个相，两种情况下料液均不能被分离。因此，适宜的溶剂用量应在SR 及 SE 之 间，使 混 合 液 组 成点M位于两相区内。EmaxABSMEME.FMRR图8-12 单级萃取在相图上的表达8-1-2 萃取过程的相图表示 当F、S经充分混合后，混合液沉降分层得到两个平衡的E相和R相。利用共轭曲线(假定为已知)用试差作图法作过M点的联结线E R，得到E点及R点。E相和R相的数量关系可用杠杆规则求算。EmaxABSMEME.FMRR图8-12 单级萃取在相图上的表达 若从E相和R相中脱除全部溶剂，则得到萃取液和萃余液。延长SE和SR线，分别与AB边交于点 及 ，即为该两液体组成的坐标位置。和 的数量关系仍可用杠杆规则确定。即8-1-2 萃取过程的相图表示 萃取操作温度应选择适当 由于温度升高一般使分层区面积缩小，故萃取操作不宜在高温下进行。若温度过低，又会使液体粘度过大，界面张力增加，扩散系数减小。因而，萃取操作温度应作适当选择。由图8-12知，单级萃取效果决定于R及E的位置。若从顶点S作溶解度曲线的切线S Emax，延长与AB边交于 ，该点代表在该温度下可能得到的最高浓度的 萃取液。与组分B、S之间的互溶度密切相关，互溶度越小，萃取操作的范围越大，可得到的 便越高。8-1-2 萃取过程的相图表示 8-2 萃取过程的计算一.单级萃取的计算 A.操作流程8-2 萃取过程的计算 原料液FxF萃余相RxR萃取相EyE 萃取剂SyS原料液 F萃取剂 S混合 沉降分层 脱除溶剂图8-1 单级萃取流程萃取相萃余相ERxAyA萃取液 E萃余液 RSxF B.条件与任务 已知条件：原料液流量F,组成xF 萃取剂种类,组成yS 操作条件下的A,B,S相平衡关系 目标任务：确定萃取剂用量S,并保证萃余相 中溶质组成 xA 符合规定要求 确定R,E及 yA 确定脱除溶剂后萃取液、萃余 液的量以及组成E(yE),R(xR)C.任务分类：组成类 yA,yE,xR 流量类 S,R,E 及 E,RD.计算过程 1)组成计算图解法 依据：三角形相图及溶解度曲线；射线规则；8-2 萃取过程的计算 思考：图中E及R点即为从E相及R 相中脱除全部溶剂后的萃取液及萃余液组成坐标点。由xF 和 xR可确定点 F 及点R；过点 R 作联结线与FS线交于M点,与溶解度曲线交于E 点(yA)；延长SE、SR分别交AB于E(yE)和R(xR)ABSMEFR图8-15(a)单级萃取图解xRxF8-2 萃取过程的计算 图8-15(b)单级萃取计算ABSMEFR2)流量计算杠杆规则/加和规则 F+S=M=E+R E+R=F (8-6)E：R：E：R：S：R=ME=F+SE (89)式8-8 还可以写成以组成表达的形式：同理，8-2 萃取过程的计算 当组分B、S可视作完全不互溶时，则式8-10可改写成以质量比表示的物料衡算式，即 B(XF X1)=S(Y1 YS )(8-10a)式中 B 原料液中稀释剂的量，kg或kg/h；S 萃取剂的用量，kg或kg/h；XF 原料液中组分的质量比组成，kgA/kgB；X1 单级萃取后萃余相中组分的质量比组成，kgA/kgB；Y1 单级萃取后萃取相中组分的质量比组成，kgA/kgS；YS 萃取剂中组分的质量比组成，kgA/kgS。联立YKX 及式8-10a,便求得单级萃取的有关参数。(课后)组分B、S完全不互溶时的萃取计算8-2 萃取过程的计算 【例题】以100kg纯溶剂与100kg含A、B的混合液进行单级萃取，从中抽提溶质组分A。原料混合物中含A的质量分率为0.4，其操作条件下的物系平衡关系如图所示。试求：1)萃取相及萃余相的量和组成；2)为使萃余相中的溶质A组成降至 最小所需的溶剂用量及 ；3)为获得萃取液溶质A最大组成所 需的溶剂量；4)单级萃取溶剂用量的范围。解：1)由进料组成xF确定F点，由杠杆定律确定和点M在连线上的位置。S A1.0B -0.8-0.6-0.2-F -0.4 0.6 0.8 0.2 E1E0E2ERR1R0R2P.M.M08-2 萃取过程的计算 M=F+S=100+100=200 kg由题给条件，易知混合液的总组成为：zA=0.20 zB=0.30 zS=0.50 借助图中辅助曲线图解，求得过M点的连线。由其两端点E、R读得两相的组成：萃取相E：yA=0.22 yB=0.12 yS=0.66萃余相R：xA=0.13 xB=0.84 xS=0.03 E=200-66.7=133.3 kg8-2 萃取过程的计算 2)由 与溶解度曲线交点E1可得萃取相的yA最小值。与之成 平衡的共轭相R1所含溶质的组成 xA，即为本过程所能达到 的xAmin。通过辅助曲线求连线 ，由图上R1点读得：xAmin=0.03对应溶剂用量为最大值Smax：8-2 萃取过程的计算 3)为获得最大的萃取液浓度，可过S点作溶解度曲线的切线 交于 。由点 可读得：4)溶剂用量的上限Smax已在第2问中求得。溶剂用量的下限Smin，由连线 与溶解度曲线的另一各交点R2求得，即：所以，溶剂用量范围是：10 kg S 1时，必有1。分配系数kA愈大，则愈大，分离效果愈好。当kA 1时，则可能大于1，也可能 接 近 于1。显 然 接近1 时，采 用 萃 取 方法难以实现分离，故不宜选作萃取的溶剂。原则上应选择远大于1的液体作为溶剂。2.溶剂与原溶剂的互溶度 溶剂与原溶剂的互溶度愈小，则两相区愈大，萃取操作范围随之扩大，当两者完全不互溶时，则选择系数达到无穷大，此时选择性最好。8-3-1 溶剂的选择 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也较高。3.溶剂的可回收性 在萃取过程中，溶剂回收的费用常常是萃取过程的一项关键的经济指标。所以，在实际应用中多选择萃取效果好、回收效果也好的溶剂。对于溶剂的回收多采用蒸馏的方法。4.溶剂的物理性质 由于溶剂的物性如两相密度差的大小，界面张力及粘度的大小直接影响两相接触状态、分相的难易以及两相的流动的速度，从而限制了过程及设备的分离效率和生产能力。因此，在选用溶剂时需考虑其物理性质对萃取效果的影响.8-3-1 溶剂的选择8-3-2 其它萃取方法简介回流萃取 所谓回流萃取，即在常规逆流萃取塔上增加一个塔段，并在塔顶引入部分含溶质A组成更高，且与萃取相不完全互溶的萃取液作为回流，使萃取相进一步增浓的萃取过程，如图所示。图中进料口以下的塔段称为提浓段。进料口以上的塔段称之为增浓段。8-4 萃取设备8-4-1 萃取设备的分类萃取设备的分类方法一般分为：1.按两相的接触方式，可分为逐级接触式和微分接触式两 类。逐级接触式操作中两相组成发生阶跃式的变化，微 分接触式中两相组分发生连续的变化。2.按外界是否有外功输入来划分，一般可分为外加能量设 备和无外加能力设备。3.根据设备结构的特点和形状进行分类，可分为组件式和 塔式的。8-4-2 混合-澄清槽（1）结构）结构混合澄清器轻相重相重相轻相2 混合-澄清槽优缺点 混合澄清槽由混合器及澄清槽两部分组成。它具有处理量大，级效率高；结构简单适用范围广，可进行多级连续操作等优点。同时它也具有设备占地面积大，溶剂贮量大；设备费和操作费较高的缺点。8-4-3 塔式萃取设备一.喷洒塔 喷洒塔或称喷淋塔，属于微分接触式。它具有结构简单、投资费用少、易维护的优点。同时它具有轴向返混严重，传质效率极差，理论级数一般不超过1-2的缺点。8-4 萃取设备轻相重相轻相重相二筛板萃取塔二筛板萃取塔 萃取过程中的筛板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。筛板萃取塔是逐级接触式萃取塔。由于受到多层筛板的作用，使得分散相多次分散及凝聚，表面得以多次的更新，同时也限制了轴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向的返混，有助于提高萃取效率，所以筛板塔在工业中得到广泛应用。三.填料萃取塔 填料萃取塔的塔内充填适宜的填料，塔两端装有两相进出口管。该塔具有结构简单、造价低廉、操作方便的优点。但同时由于受到返混作用，其级效率较低。8-4-3 塔式萃取设备 填料萃取塔轻液轻液重液重液液液相界面填料四.转盘萃取塔 转盘萃取塔是由定环、转盘等构成。该塔结构简单、造价低廉、操作弹性及通量较大，同时由于在操作过程中抑制了轴向返混作用，其传质效率高。8-4-3 塔式萃取设备轻液轻液重液重液界面格栅定环转盘 转盘萃取塔五.搅拌填料塔 搅拌填料塔内装有多段的丝网填料层，每两段填料层之间装有一固定在中心轴上的涡轮式搅拌器，在塔的两端留有空间作为澄清室。在操作过程中，搅拌区起到了混合器作用，而填料段则起到了澄清槽的作用，所以，搅拌填料塔可视为混合区与分相区交替排列的逐级萃取设备。重液出轻液出重液入轻液入1.转轴 2.搅拌器 3.丝网填料123六.脉冲萃取塔 脉冲萃取塔是指向萃取塔内输入一种脉冲，使塔内液体在流动中伴随上下脉动的一类塔。该塔分离效果好，但生产能力有所下降，功耗有所增加。由于它的结构简单，防护屏蔽性能良好，无转动设备，便于实现远距离的控制。七.往复筛板萃取塔 对于塔径较大的萃取塔，使液体产生脉冲较为困难，则可将筛板固定在上、下运动的中心轴上，在电机的驱动下，筛板作上、下的运动，产生筛板与液体的相对运动，以代替液体的上、下脉冲运动，同时可取得上述脉冲塔的效果，此塔称为往复筛板萃取塔。8-4-3 塔式萃取设备8-4-4 离心萃取器 离心萃取器是利用离心力的作用使两相快速充分混合、快速分相的一种萃取装置。特别适用于要求接触时间短，物流滞流量低，易乳化、难分相的物系。离心萃取器有多种分类方法，按两相接触方式可分为微分接触式和逐级接触式。一.波德式离心萃取器 波德式离心萃取器也称离心薄膜萃取器，简称POD离心萃取器，是卧式微分接触离心萃取器。它适宜于处理两相密度差很小或易产生乳化的物系。二.芦威式离心萃取器 芦威式离心萃取器是立式逐级接触离心萃取器。结构紧凑，生产强度高，物料停留时间短，分离效果好，主要用于制药工业。但离心萃取器结构复杂、制造困难、操作费用高，应用受到一定限制。8-4 萃取设备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8.7.4 萃取设备的选择萃取设备的选择选择原则：（1）稳定性及停留时间 稳定性差 停留时间尽可能短离心萃取器；伴有较慢的化学反应时停留时间长混合-澄清槽。（2）所需理论级数 需理论级数少（23级）各种萃取设备；需理论级数45级 转盘塔、脉冲塔和振动筛板塔；需理论级更多 离心萃取器或多级混合-澄清槽。（3）物系的分散与凝聚特性 物系易乳化，不易分相 离心萃取器；物系界面张力较小，或两相密度差较大 重力流动式。（4）生产能力 生产处理量小 填料塔或脉冲塔；生产处理量大 筛板塔，转盘塔，混合-澄清槽等。（5）防腐蚀及防污染要求 具有腐蚀性 结构简单的填料塔；具有污染性 屏蔽性能良好的脉冲塔。（6）建筑物场地要求 空间高度有限 混合-澄清槽；占地面积有限 塔式萃取设备。8-4-5 液-液传质设备的流动和传质特性一.萃取设备的流动特性和液泛 在萃取过程中，由于流速的增大引起的两种液体互相夹带的现象称为液泛。液泛速度可通过查液泛速度Ucf关联图而得。而塔径可按下式计算：式中，D塔径，m；VC,VD 分别为连续相和分散相的体积流量，m3/s UC,UD 分别为连续相和分散相的空塔速度，m/s 8-4 萃取设备二.萃取塔的传质特性1.单位体积混合液体的相际接触面积 式中 单位体积混合液体的相际接触面积，m2/m3；vD分散相的滞流率（体积分率）；dm液滴的平均直径，m。8-4-5 液液传质设备的流动与传质特点2.相内传质和通过两相界面的传质 液-液两相的密度差很小，两相的传质系数都很小。通常，液滴内传质分系数比连续相的更小。在有外加能量的萃取装置内，外加能量主要改变液滴外连续相的流动条件，而不能造成液滴内的湍动。但是，液滴在流动过程中所受到的摩擦力以及液滴外的湍动引起的界面张力变化均影响到液滴内的传质分系数。3.传质推动力 在萃取过程中由于不作理想的柱塞流，总存在返混或轴向混合。这种返混作用减小了传质推动力，从而降低了传质速率和萃取设备的生产能力。8-4-5 液液传质设备的流动与传质特点