第4章液液萃取课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第4章液液萃取课件,什么是液液萃取,与吸收相似,利用,液体混合物,中各组分在,外加,溶剂中,溶解度的差异,而分离该混合物的操作。,(,抽提）,4.1,概 述,本章主要讨论双组分均相液体混合物（,A+B,）的萃取过程。,选用,溶剂,，,萃取剂,S,，,混合液中被分离出的组分，,溶质,A,，,混合液中与萃取剂不互溶或仅部分互溶的组分称为,原溶剂或稀释剂,B,。,2,什么是液液萃取与吸收相似 利用液体混合物中,充分接触,相界面,(extract phase),(raffinate phase),1,萃取操作的基本原理和过程,原料液,萃取剂,S,A+B,萃取液,E,萃取相,E,（,A,大量，,B,少量,),S,+A+,B,萃余相,R,B,+A+S,萃余液,R,（,B,大量，,A,少量,),S,一次相平衡,一个理论级,脱除溶剂,溶质扩散,沉降分层,3,充分接触相界面(extract phase)(raffin,讨论,：,（,1,）完整的萃取过程包括：萃取与反萃取（溶剂回收）。,（,2,）溶剂循环使用，,即脱溶剂过程才是经济性的体现。,（,3,）,萃取中相互接触的均为液相，因此必须两相有密度差,。,2.,萃取分离的适用场合,思考：,分离液相均相混合物，什么场合用精馏或用萃取？,4,稀溶液：,溶质是易挥发组分,溶质是难挥发组分,1,或,1,的体系,热敏性溶液：,其他,-,精馏或萃取,-,萃取,-,萃取或特殊精馏,-,萃取,-,精馏,精馏,-,需汽化,萃取,-,常温操作,讨论：（1）完整的萃取过程包括：萃取与反萃取（溶剂回收）。,3.,萃取操作的特点：, 萃取剂与原溶剂只能部分互溶或完全不溶； 萃取剂选择性好。, 不能直接得到纯产品,过渡操作；, 三元或多元体系，通常需在三角形相图上表示。,5,4,、萃取分离技术的发展,液,-,液萃取技术有着广泛的前景。,萃取与蒸馏两种分离方法可以互相补充。实践证明，适当选用蒸馏或萃取，几乎所有液体混合物都能有效而经济的实现组分间的完全分离。,3. 萃取操作的特点：54、萃取分离技术的发展,（,1,）,A,完全溶于,B,及,S,中，但,S,与,B,完全不互溶；,（,2,）,S,与,B,部分互溶，与,A,完全互溶；,4.2,三元体系的液,液相平衡,相平衡的应用：与吸收相同,类物系,我们重点讨论的是前两种情况。,（,3,）,S,不仅与,B,部分互溶，而且与,A,也部分互溶。,类物系,液,-,液萃取形成的三组分物系有,三,种类型。,6,（1）A完全溶于B及S中，但S与B完全不互溶；4.2三元体,4.2.1,组成在,三角形相图上的表示方法,液液萃取过程涉及三元体系的相平衡，此时用直角坐标系就不方便了，因此要用到三角形相图。,常用的三角形相图有如下几种，原理均相同。,考虑到混合液组成用,质量分数,表示的方便简明，萃取计算中常采用,等腰直角三角形,坐标图。,7,4.2.1 组成在三角形相图上的表示方法 液液萃取过程,溶质,原溶剂,萃取剂,每条边代表二元溶液,顶点代表纯组分,相图中的点代表三元溶液,表示方法,A,x,B,x,8,溶质原溶剂萃取剂每条边代表二元溶液 顶点代表纯组分相图,原料中加入适量的,S,，充分接触和静置后，形成两个液层,萃取相,E,、,萃余相,R,，,相平衡,（,共轭相,）,。改变,S,量，得到,不同,的共轭相组成。,在三角形,相,图上，将各个共轭相组成坐标点联结起来的曲线称为,溶解度曲线,。,溶解度曲线数据由实验测得。,4.2.2,液,液相平衡关系,1.,溶解度曲线和联接线,9,原料中加入适量的S，充分接触和静置后，形成两个液层,B,，,S,混合液中加入,A,，随着,A,的增加，混合点沿,AM,线变化，在两相区内可以对应平衡的,n,个,R,和,E,，联接各个,R,点和,E,点，得曲线。,B,，,S,部分互溶时溶解度曲线的绘制（一）,（一定温度下）,M,R,E,两相区,均相区,P,A,B,S,溶解度曲线,10,B，S混合液中加入A，随着A的增加，混合点沿,L,，,J,表示两相组成，,C,表示总浓度，与,B,，,S,的质量有关。,B,，,S,的质量改变，不影响相互的溶解度，但影响总浓度，所以有,CF,各点。,B,，,S,部分互溶时溶解度曲线的绘制（二）,由实验得,混溶点,CF,等，联接各混溶点，得曲线。,E,两相区,均相区,A,B,S,溶解度曲线,C,C,D,D,F,E,F,L,J,11,L，J表示两相组成，C表示总浓度，与B，S的质量有关。B，S,思考：,若,B,与,S,完全不互溶，则在三角形相图中溶解度曲线如何画？,点,L,，,J,分别于点,B,和,S,相重合，,R,与,E,分别在,AB,线和,AS,线上，三角形内部均为两相区。,B,、,S,完全不互溶时,二元溶液,萃取液,E,萃取相,E,（纯,A,）,S,+A,萃余相,R,B,+A,12,思考：若B与S完全不互溶，则在三角形相图中溶解度曲线如何画？,点,R,及,E,表示相平衡时的萃余相及萃取相的组成，两点的联线称为,联结线,。,一定温度下，联结线有无穷多条，由实验测定。,13,其他两种情况,M,R,E,两相区,均相区,A,B,S,联结线,Tie line,点R及E表示相平衡时的萃余相及萃取相的组成，两点的联线称为,2,辅助曲线和临界混溶点,已知四对相平衡坐标位置，即,R,1,、,E,1,R,4,、,E,4,各点。,从点,E,1,作边,AB,的平行线，从点,R,1,作,BS,边的平行线,，两线相交于点,F,。同样方法得交点,G,、,H,和,J,，联各交点的曲线,FGHJ,即为,辅助曲线,，又称,共轭曲线。,（用于,R , E,互求）,辅助线,14,褶点,辅助曲线与溶解度曲线的交点即为,临界混溶点,。又称,褶点,(,plait point),，此点处,R,和,E,两相组成相同。,P,点并不一定处于曲线最高点,2辅助曲线和临界混溶点辅助线14褶点 辅助曲线,若已测出的某条联结线位置,接近,临界混溶点，则可将辅助线外推求出,P,，若距离较远，用外延辅助曲线方法不准确。临界混溶点数据应由实验测定出。,M,R,E,两相区,均相区,P,15,相平衡关系包含：,溶解度曲线，,共轭线，,辅助线,若已测出的某条联结线位置接近临界混溶点，则可将辅助线外推求出,辅助线,作法及,E,、,R,点的确定,临界混溶点,由两辅助曲线确定,16,辅助线作法及E、R点的确定临界混溶点由两辅助曲线确定16,B,、,S,部分互溶，且,A,、,S,部分互溶时的溶解度曲线,17,B、S部分互溶，且A、S部分互溶时的溶解度曲线17,思考：,1,、加入溶质,A,后，,B,、,S,互溶度如何变化？,2,、,B,、,S,互溶度变大，则两相区范围如何变化？,B,、,S,互溶度变大,M,R,E,B,、,S,部分互溶时,P,两相区范围变小,18,思考：2、B、S互溶度变大，则两相区范围如何变化？B、S互溶,3.,分配系数与分配曲线,-,分配系数,distribution coefficient,1,） 分配系数：,在一定温度下，相平衡时，溶质组分,A,在两个液层（,E,相和,R,相）中的浓度之比称为分配系数。,19,3. 分配系数与分配曲线-分配系数 1） 分配系数,分配系数表达了某一组分在两个平衡液相中的分配关系。,A,y,原料液,萃取剂,S,A+B,萃取液,E,萃取相,E,A,大量，,B,少量,S,+A+,B,萃余相,R,B,+A+S,萃余液,R,B,大量，,A,少量,20,分配系数表达了某一组分在两个平衡液相中的分配,k,A,1,k,A,=1,k,A,1,联接线斜率越大，,k,A,越大，越易分离。,21,不同物系具有不同的分配系数k,A,值。,同一物系k,A,值随温度及溶质浓度而变化。,在恒定温度下， k,A,值只随溶质A的组成而变。,恒温，恒压，低浓度时，k,A,可视为常数。,kA1kA=1kA1联接线斜率越大，kA越大，越易分离。,P,不在溶解度曲线最高点,2,）分配曲线,-,相平衡关系曲线,B,、,S,部分互溶时,对角线,22,k,A,1,，分配曲线位于,y=x,线上侧。,P不在溶解度曲线最高点2）分配曲线-相平衡关系曲线B,B,、,S,完全不互溶时,以质量比表示的分配系数,K,，有,其中，,Y,，,X,为质量比,其中，,y,，,x,为质量分数,此时，分配曲线多为,K,为常数时的直线。,23,B、S完全不互溶时以质量比表示的分配系数K，有其中，Y，X为,4.,温度对相平衡关系的影响,TB,及,S,中，,A,溶解,，两相区缩小；不利于,萃取分离。,T,影响曲线形状、联结线斜率及两相区的,面积，从而影响分配曲线形状；,24,4. 温度对相平衡关系的影响 TB及S中，A溶解,温度，,类物系,类物系。,对同一物系，当温度降低时，两相区增加，对萃取有利。但温度降低会使溶液黏度增加，不利于两相间的分散、混合和分离，因此萃取操作温度应作适当的选择。,25, 温度，对同一物系，当温度降低时，两相区增加，对萃取有利,4.2.3,杠杆规则,三角形相图的应用：,表示混合、分离等过程,1,）两液相混合总组成,在相图上的点，必落在,两液相点的连线上,2,）若某差点流量越大，,和点就越靠近该点。,杠杆,R,E,F,M,A,B,S,26,4.2.3 杠杆规则三角形相图的应用：表示混合、分离等过,则,S,、,F,分别代表纯溶剂和进料的质量，,kg,；,E,、,R,分别代表萃取相和萃余相的质量，,kg,MR,、,ME,分别代表线段,MR,和,ME,的长度。,MF,、,MS,分别代表线段,MF,和,MS,的长度,杠杆,R,E,F,M,A,B,S,或,27,则 S、F分别代表纯溶剂和进料的质量，kg；E、R ,杠杆,R,E,R,E,F,M,M,E,和,R,的相图表示方法：,E,和,S,为差点，,E,为和点,R,和,S,为差点，,R,为和点,E,和,R,为差点，,F,为和点,28,杠杆R E REF M ME和R的相图表示方法：28,如何证明上述杠杆原理成立？,物料衡算：,-,本质上就是物料衡算关系,杠杆,差点,和点,差点,29,如何证明上述杠杆原理成立？物料衡算：-本质上就是物料衡,4.2.4,萃取剂的选择,1,、萃取剂的选择性和选择性系数,选择性是指,S,对,A,、,B,两个组分溶解能力的差别。若,S,对溶质,A,的溶解能力比对,B,的溶解能力大得多，那么这种萃取剂的选择性就好。萃取剂的选择性可用选择性系数,来衡量。,30,-,选择性系数,relative selectivity,意义相似,对照：,4.2.4 萃取剂的选择1、萃取剂的选择性和选择性系数,如,=1,，则萃取液与萃余液有同样的组成，并与料液的组成一样，,不可用萃取分离,。如,1，则萃取能够实现。越大，分离越易，,k,A,越大越好，k,B,越小越好,。的大小可判断所选择萃取剂是否适宜和分离的难易。,萃取剂的选择性好，对一定的分离任务，可减少萃取剂用量，降低回收溶剂操作的能量消耗，并且可获得纯度较高的产品。,组分B，S完全不互溶时，y,B,=0，趋近于无穷大。,31,如=1，则萃取液与萃余液有同样的组成，并与料液的组成一样，,A,y,原料液,萃取剂,S,A+B,萃取液,E,萃取相,E,S,+A+,B,萃余相,R,B,+A+S,萃余液,R,拓展,32,Ay原料液 萃取剂S A+B,2,、萃取剂与原溶剂的互溶度,相同温度下，同一种含,A,、,B,组分的原料液与不同,S,1,、,S,2,所构成的相平衡关系图。,图（,a,）表明,B,、,S,1,互溶度小，两相区面积大，,E,中组分,A,的,极限浓度,y,max,（相图表示法）,较大。图（,b,）表明选用,S,2,时，其极限浓度较小。显然,S,与,B,的互溶度越小，越有利于萃取。,33,2、萃取剂与原溶剂的互溶度相同温度下，同一种含A、B组分的原,萃取剂需循环使用，回收的难易直接影响操作费用。回收所用的方法主要是蒸馏。若被萃取的溶质是不挥发的，而物系中各组分的热稳定性又较好，可采用蒸发操作回收萃取剂。,在一般萃取操作中，回收萃取剂往往是费用最多的环节，有时某种萃取剂具有许多良好的性能，仅由于回收困难而不能选用。,3,、萃取剂回收的难易与经济性,34,萃取剂需循环使用，回收的难易直接影响操作费用,密度：萃余相与萃取相之间应有一定的密度差，以利于两个液相在充分接触以后能较快地分层，提高设备的生产能力。,界面张力：物系的界面张力较大时，细小的液滴比较容易聚结，使两相易于分层，但分散程度较差。界面张力过小时，易产生乳化现象，使两相较难分层。在实际操作中，液滴的聚集更为重要，故一般多选用界面张力较大的萃取剂。有人建议，将萃取剂和原料液加入分液漏斗中，经充分激烈摇动后，以两液相在五分钟以内能够分层的，作为萃取剂界面张力适当与否的大致判别标准。,4,萃取剂的其他性质,35,密度：萃余相与萃取相之间应有一定的密度差，以利于两个液相在,其他：为了便于操作、输送及贮存，萃取剂的黏度与凝固点应较低，并应具有不易燃、毒性小等优点。,此外，萃取剂还应具有化学稳定性、热稳定性以及抗氧化稳定性，对设备的腐蚀性也应较小。,萃取剂的选择,1,、对溶质,溶解性,大,2,、,选择性,好,3,、,B,与,S,互溶度,越小越好,4,、萃取剂,易于回收,5,、萃取相与萃余相,密度差异大,36,其他：为了便于操作、输送及贮存，萃取剂的黏度与凝固点应较低,4.3,萃取过程的计算,本节要讨论的,37,4.3 萃取过程的计算本节要讨论的37,计算前提,-,理论级假定,离开的两相,R,i,、,E,i,呈相平衡关系,38,计算前提-理论级假定38,M,R,M,E,4.3.1,单级萃取的计算,1.,萃取过程在三角形相图上的表示（,B,、,S,部分互溶）,-,图解法,（,1,）混合,设,S,是纯态的，由已知原料液组成（假定只含有,A,和,B,），在三角形的边,AB,上确定,F,点，联,SF,线，代表原料液与萃取剂的混合液的组成点,M,必在线,SF,上。,39,最小萃取剂用量,S,min,M,溶剂量,S,R,或,S,E,时，和点,M,R,或,M,E,在溶解度线上，不分层，不能分离。则适宜的溶剂量为,S,R,S,S,E,；,MRME4.3.1 单级萃取的计算1. 萃取过程在三角形,（,2,）分层,M,分层为,E,和,R,，通过辅助线,和杠杆规则，画出,E,和,R,点。,确定,E,和,R,的质量。,（,3,）脱溶剂,由,S,和,E,，,R,，画出,E,和,R,点。,确定,E,和,R,质量。,40,（2）分层（3）脱溶剂40,y,max,与组分,B,，,S,之间的互溶度和温度有关，即与两相区的面积有关。,两相区面积越大，,y,max,越大。,B,，,S,完全不互溶时，,则,y,max,=1,41,最大萃取液浓度,y,max,ymax与组分B，S之间的互溶度和温度有关，即与两相区的面,2,单级萃取的计算,已知：,F,、,x,F,、,y,S,、,x,R,（或,x,R,）,、相平衡关系。,求：,S,（或,S,0,）、,R,、,E,、,y,E,。,F,，,x,F,R,，,x,R,，,x,R,E,，,y,E,S,，,y,S,R,，,y,E,S,S,E,42,2 单级萃取的计算已知：F、xF、yS、xR（或xR ）,R,根据,已知条件,确定线,FS,（或,FS,0,，,S,指纯溶剂，,S,0,指再生后，含有少量,A,的溶剂）、,点,R,（或,R,，再绘出,R,）,，通过相平衡关系作联结线，,找到点,E,，再作图得到,和点,M,。然后，利用杠杆原理求S等各量。,B,、,S,部分互溶时,M,E,F,S,0,43,R根据已知条件确定线FS（或FS0，S指纯溶剂，S0指再生后,R,R,求得,S,或,S,0,求得,E,或,R,求得,E,或,R,或,E,M,E,F,S,0,44,RR求得S或S0求得E或R求得E或R或E,也可进行解析计算,由,F + S = R + E,Fx,F,+ Sy,s,= Rx,R,+ Ey,E,=Mx,M,得,同理,萃取（出）率：,萃余率：,45,也可进行解析计算由 F + S = R + E同理萃取（出,B,、,S,完全不互溶时,-,解析法,物料衡算：,相平衡关系：,解两个未知数,与吸收类似，浓度用质量比更方便。,46,B、S完全不互溶时-解析法 物料衡算：相平衡关系：解两个,用相图表示：,为过点（,X,F,，,Y,S,），斜率为,-B/S,的直线与相平衡线的交点为（,X,1,，,Y,1,),如果B, S完全不互溶，萃取率等公式如何表达？,萃取（出）率：,萃余率：,47,用相图表示：如果B, S完全不互溶，萃取率等公式如何表达？萃,流程及特点,特点：每一级均用新鲜萃取剂，故传质推动力较大；,萃取剂用量大，操作费用高。,多个单级萃取串联使用,4.3.2,多级错流萃取流程（多级分离）,48,流程及特点 特点：每一级均用新鲜萃取剂，故传质推动力较大；,计算,-,求级数,N,49,计算 -求级数N49,1.,组分,B,、,S,部分互溶时的图解法,作图步骤：,连点,F,、,S,，由,F,、,S,1,值,和杠杆原理确定和点,M,1,；,由,M,1,，确定点,R,1,、,E,1,及其值；,R,1,E,1,M,1,50,1. 组分B、S部分互溶时的图解法作图步骤：R1E1M15,连点,R,1,、,S,，由,R,1,、,S,2,大小和杠杆原理确定和点,M,2,；,由,M,2,，确定点,R,2,、,E,2,及其大小；,R,1,M,2,R,2,E,2,E,1,M,1,51,连点R1、S，由R1、S2大小和杠杆原理确定和点M2；R1,如此反复，直至,x,N,x,R,（指定）为止，线的个数即为理论级数。,计算可知，,对于指定的分离程度，各级溶剂用量相等时，溶剂总用量最少,。,52,如此反复，直至xN xR （指定）为止，线的个数即为理,2. B,、,S,完全不互溶时理论级数的计算,1,） 直角坐标图解法,取每一级,S,相等，则,B,，,S,值为常数。,E,中只有（,S,，,A,），,R,中只有（,B,，,A,）。,53,2. B、S完全不互溶时理论级数的计算1） 直角坐标图解,必过点,(,X,n-1,，,Y,S,）,必过点,(X,F,，,Y,S,),则对于第一级有：,-,操作线方程,整理得,同理，对于第,n,级，有,54,必过点(Xn-1，YS）必过点(XF，YS)则对于第一级有：,步骤：（与计算匹配）,1.,做分配曲线（相平衡线）,2.,确定起始位置,L,（,X,F,，,Y,S,）点，做操作线，交分配曲线,与,E,1,点。,3.,过,E,1,点做垂线，交,Y=Y,S,线与点,V,，做,LE,1,的平行线，依次类推。直至,X,N,低于指定值为止。,操作线的数目就是理论级数。,55,步骤：（与计算匹配）操作线的数目就是理论级数。55,若,Y,S,=0,，则,相图解法为：,56,若YS=0，则相图解法为：56,2,） 解析法,平衡关系 ：,Y,i,=KX,i,，其中，,K,视为常数时，由,则,令,则,萃取因子,57,2） 解析法平衡关系 ： Yi=KXi，其中，K视为常数时，,依次类推，得,所需理论级数为,常用：,Y,S,=0,时的简化版,可用曲线表示,58,依次类推，得所需理论级数为常用：YS=0时的简化版可用曲线表,59,59,传质推动力较为均匀,流程及特点：,S,在最后一级加入，逐次通过各级，萃取相由第,1,级排出。,F,从第,1,级加入，逐次通过各级，萃余相,R,N,由末一级排出。萃余相,R,N,与萃取相,E,1,分别回收萃取剂循环使用。与多级错流相比，,S,耗用量大为减少，因而在工业上应用广泛。,4.3.3,多级逆流接触萃取的流程和计算,60,传质推动力较为均匀 流程及特点：S在最后一级加入，逐次通过各,计算级数,比较,：,相当于精馏中,y,1,与,x,1,是平衡关系，,y,2,与,x,1,是操作关系,。,平衡关系,，,为,操作关系,。,注意,：,61,计算级数 比较： 相当于精馏中y1与x1是平衡关系，y2与x,1,、组分,B,、,S,部分互溶时的理论级数,1,）三角形坐标图上的逐级图解法,绘出溶解度曲线和辅助曲线,由,F,、,S,值确定和点,M,，连结,R,N,、,M,，并延长得点,E,1,(,由物料衡算得）；,步骤：,62,1、组分B、S部分互溶时的理论级数 1）三角形坐标图上的逐,连点,F,、,E,1,和,R,N,、,S,，并延长交与点,。,过,E,1,作共轭线,E,1,R,1,，得,R,1,点，连结,R,1,，交溶解度曲线于点,E,2,；,R,1,E,2,63,连点F、E1 和RN、S，并延长交与点。过E1作共轭,R,1,E,2,过,E,2,作共轭线得,R,2,，连结,R,2,，交溶解度曲线于点,E,3,，,过,E,3,作共轭线得,R,3,；如此反复，直至小于指定,R,N,为止，共轭线的个数即为理论级数。,R,2,E,3,相当于交替使用相平衡和操作线关系,64,R1E2过E2作共轭线得R2，连结R2，交溶解度曲线于点,由总物料衡算：,第,1,级：,第,2,级：,第,N,级：,净流量,逐级法原理,65,由总物料衡算： 第1级： 第2级： 第N级： 净流量 逐级,和点,差点,差点,-,操作线方程,R,1,E,2,R,2,E,3,操作点,F,A,S,B,E,1,M,R,N,66,和点差点差点-操作线方程 R1E2R2E3操作点 FA,E,1,R,N,F,M,S,R,1,E,2,R,2,注意，,也,可能在图的右侧，这与,y,1,与,x,F,的大小有关（从组成角度判断），但图解法步骤不变。,67,E1RNFMSR1E2R2注意，也可能在图的右侧，这与y1,对指定的,x,N,，,S/F,大小影响,的位置（质量的角度）,。,溶剂比,S/F,对多级逆流萃取的影响：,当,S/F,较大时，点,在右侧，此时,E,为和点，,S,的用量越小，,越远离,S,；,68,对指定的xN，S/F大小影响的位置（质量的角度）。 溶剂比,当,S/F,较小时，,在左侧，此时,R,为和点，,S,用量越小，,越靠近,S,。,F,A,R,N,B,S,69,当S/F较小时，在左侧，此时R为和点，S用量越小，越靠近,理论级数较多，在三角相图上作图求解，结果不够清晰。可用直角坐标画出分配曲线与操作线，仿照精馏作图求解。,2),在,x-y,直角坐标上求解理论级数,步骤：,（,1,）绘分配曲线,（,2,）作操作线,（,3,）交替使用操作线与分配曲线，作梯级，数目即理论级数。,70,理论级数较多，在三角相图上作图求解，结果不,作分配曲线方法,（,1,）绘分配曲线,（相当于平衡线，共轭相中,R,E,关系曲线）,71,作分配曲线方法（1）绘分配曲线（相当于平衡线，共轭相中RE,（,2,）作操作线,过,点任意作若干连线，交溶解度曲线两臂，这两点坐标,y,A,与,x,A,，在直角坐标上可获得一个操作点。,72,（2）作操作线过点任意作若干连线，交溶解度曲线两臂，这两,（,3,）以,H,（,y,1,、,x,F,）为起点交替使用操作线与分配曲线依次作梯级，直至终点（,x,N,，,y,S,），梯级数目即理论级数,x,F,x,N,y,1,y,S,分配曲线,操作线,73,（3）以H（y1、xF）为起点交替使用操作线与分配曲线依次作,以萃取设备整体为控制体,总物料衡算式,F + S = R,n,+ E,1,溶质,A,衡算式,Fx,FA,+ Sy,0A,= R,n,x,nA,+ E,1,y,1A,溶剂,S,衡算式,Fx,FS,+ Sy,0A,= R,n,x,nS,+ E,1,y,1S,相平衡关系式,x,nS,=,（,x,NA,）,y,1S,=,（,y,1A,）,y,1A,=F(x,1A,),联立求解,6,个方程可以求出,6,个未知数,3),组分,B,、,S,部分互溶时的解析计算,74,以萃取设备整体为控制体总物料衡算式,同样，对于每一个理论级，列出相应的物料衡算式及对应的平衡关系式，可逐级计算求出理论级数。,75,同样，对于每一个理论级，列出相应的物料衡算式及对应的平衡关系,2.,组分,B,和,S,完全不互溶时理论级数的计算,1),在,X-Y,直角坐标图中的图解法,对第,i,级作物料衡算，得：,即,-,操作线方程， 过点（,X,n,，,Y,S,）（,X,F,，,Y,1,）,76,2. 组分B和S完全不互溶时理论级数的计算1) 在X-Y,B,x,F,B, x,n,S, Y,S,S, y,1,1,2,3,4,P,2,P,3,类似于解吸计算,77,B xFB, xnS, YSS, y11234P2P3类似于,若平衡线为通过原点的直线，则解吸，萃取均可使用同一式子计算理论级（板）数。,平衡线斜率,与,操作线斜率,之比,2),解析法求理论级数,对萃取,为萃取因数,对解吸,：,为解吸因数,78,此时,A,m,1,。,若,A,m,=1,若平衡线为通过原点的直线，则解吸，萃取均可使用同一式,3,、溶剂比和萃取剂的最小用量,（,1,）,（,2,）,吸收,精馏,萃取,但回收溶剂所需能量增加,（,3,）,79,3、溶剂比和萃取剂的最小用量 （1） （2）吸收 精馏萃取但,S,用量越小，操作线斜率与联结线斜率越接近，每个理论级的分离程度越小。（与精馏、吸收相似）,达到指定分离要求，,所需理论级数无穷多,时,的溶剂用量。,最小溶剂比,80,S用量越小，操作线斜率与联结线斜率越接近，每个理论级的分离程,连接线如图时，,在右侧，延长所有的联结线与,SR,N,相交，得,1,、 ,2,、 ,3,，取最靠近,S,点的为,min,。即此时，由杠杆规则，系列中值最大，和点的,S,相对最大。类似于多股进料中多个,R,min,的选择方法。,作图法求,E,1,F,R,1,1,R,N,A,B,S,81,连接线如图时，在右侧，延长所有的联结,连接线如图时，,在左侧，延长所有的联结线与,R,N,S,相交，得,1,、 ,2,、 ,3,.,，取最远离,S,点的为,min,。即此时，由杠杆规则，系列中值最小，另一差点,S,相对最大。,作图法求,F,A,E,1,R,1,B,S,R,N,82,连接线如图时，在左侧，延长所有的联结线与RNS,最小溶剂比,直角坐标上，类似于夹紧点,若令：,则,Y,F,*,Y,Y,1,Y,S,X,n,X,F,X,83,最小溶剂比直角坐标上，类似于夹紧点若令：则YF* Y Y1,4.3.4,微分接触逆流萃取,h =n,（,HETS,）,1,、理论级当量高度法（,HETS,）,（指萃取效果相当于一个理论级的塔高,),塔高的计算,h = H,OE,N,OE,= H,OR,N,OR,2,、传质单元法（类似吸收塔的推导过程）,84,4.3.4 微分接触逆流萃取h =n（HETS）1、理论,相平衡曲线（与精馏类似）,4.4.1,带回流的逆流萃取,实现高纯度分离,A,、,B,（类同精馏塔）,E,= E,0,+ R,o,= E,0,（,r+1,）,E,1,= E,+ S,4.4,其他萃取分离技术,F,R,n,S,0,E,回流,R,0,=rE,0,S,E,1,E,0,85,相平衡曲线（与精馏类似）4.4.1 带回流的逆流萃取实现,4.4.2,伴有化学反应的萃取,主要用于金属的提取和分离,溶质与萃取剂之间的化学反应,（,1,）络合反应,分离极性有机稀溶液,（,2,）阳离子交换反应,（,3,）离子缔合反应,86,2.,化学反应萃取过程的控制步骤,化学反应控制,扩散速率控制,判别方法：,（,1,）搅拌强度判别法,（,2,）温度判别法,（,3,）界面判别法,严格，可靠,4.4.2 伴有化学反应的萃取主要用于金属的提取和分离溶,4.4.3,超临界流体萃取,1.,基本原理,用超过,临界温度，临界压力,状态下的气体作为溶剂，萃取待分离混合物中的溶质，然后用等温变压或等压变温等方法将溶剂与溶质分离的单元操作,超临界萃取。,87,与传统的液,液萃取比较，在脱溶剂操作中更加容易，可降低能耗及投资费用，如,CO,2,的临界温度为,31,，不用加热就可将溶质与溶剂,CO,2,分离，其等同一般萃取。,4.4.3 超临界流体萃取 1.基本原理 用超过临界温,2.,超临界流体的特性,88,超临界流体,兼有液体和气体的某些特性,常用的超临界流体：,CO,2,、,CH,2,=CH,2,、,CH,3,CH,3,、,CH,2,=CHCH,3,、,NH,3,2.超临界流体的特性88超临界流体兼有液体和气体的某些,3.,典型流程及应用,等温变压法,等压变温法,吸附吸收法,添加惰性气体的等压法,例：等温降压法（,CO,2,）,CO,2,与溶质的混合物减压后,进入分离器，在较低压强下，,溶质在,CO,2,中的溶解度大大降,低，被分离出来，,CO,2,经压缩,后循环使用,89,3.典型流程及应用 等温变压法 等压变温法 吸附吸收法,工业应用,液,气,从发酵液中萃取乙醇，乙酸,从工业废水中萃取其他有机物,从木浆氧化废液中萃取香兰素,从柠檬皮油、大豆油中萃取有效成分,固液浸取,咖啡豆中咖啡因,烟草中的尼古丁,植物中调味品，,药物等,90,工业应用 液气 从发酵液中萃取乙醇，乙酸 从工业废水中萃取,4.5.,液,液萃取设备,液液传质的特点：,(1),液液两相密度差异小；,(2),液体表面张力较大，液滴易于合并而难于破裂；靠自身的重力来分散液滴往往不够，还常需外界提供能量以分散液滴，如加搅拌、振动脉冲等。,(3),易于产生返混现象，而使传质推动力下降。,91,4.5. 液液萃取设备 液液传质的特点：91,在萃取设备中有两个液相，连续相和分散相，传质发生在液滴群（分散相）与连续相之间。液滴在生成，运动和聚集时均发生传质。液滴的大小对萃取有重要影响，如液滴过大，则传质表面积减少，对传质不力；但如液滴过小，虽然传质面积增加，但分散液滴的凝集速度随之下降，有时甚至会发生乳化，同时液相间的密度差较气液相间的密度差要小得多，这会使混合后的重新分层发生困难。因此要根据物系性质选择适宜的萃取设备。,92,在萃取设备中有两个液相，连续相和分散相，传质发生,混合,-,澄清槽,筛板塔,逐级接触式萃取设备,喷洒塔,填料塔,微分接触式液液传质设备,脉冲填料塔,脉冲筛板塔,振动筛板塔,转盘塔,离心式液液传质设备,分类,93,混合-澄清槽筛板塔逐级接触式萃取设备喷洒塔填料塔微分接触式液,4.5.1,混合,-,澄清槽,带有搅拌器的混合槽和分离槽组合成的萃取设备，称为混合,-,澄清萃取器。操作时，原料液和萃取剂加入混合槽中经一定时间,“,激烈,”,的搅拌后，再进入分离槽内澄清分层。密度较小的液相在上层，较大的在下层。,可以将多个混合,-,澄清槽串联操作，这样便构成了多级混合,-,澄清槽。,94,4.5.1混合-澄清槽94,4.5.2,塔式萃取设备,用于萃取的塔设备有填料塔、筛板塔、转盘塔等。塔式液,-,液萃取设备适宜于连续逆流操作。,原料液、萃取剂两液体中的重液由塔顶部进入，轻液由塔底部进入，在塔内两液相呈逆流接触进行萃取。,95,4.5.2 塔式萃取设备95,单位时间内通过萃取塔的原料与萃取剂的流量不能过大。一方面：通入液体量过大，则接触时间减少，会使萃取效果差。另外：两相逆流，随着流速的加大，流动的阻力加大。当流速增大到某一定值时，一相会因流体阻力加大而被另一相夹带流出塔外，此种两个液体相互夹带的现象称为萃取塔的,“,液泛,”,，它是萃取操作中流量达到了负荷的最大极限值的标志。,96,单位时间内通过萃取塔的原料与萃取剂的流量不能过大。一,1,填料萃取塔和脉动填料萃取塔,填料萃取塔与用于吸收的填料塔基本相同，即在塔体内支承板上充填一定高度的填料层，塔内填料的作用，除可使分散相的液滴不断破裂与再生，以使液滴表面不断更新外，还可减少连续相在塔内的,轴向混合,。轴向混合会降低传质的推动力。,97,1 填料萃取塔和脉动填料萃取塔97,98,98,填料材质的选择：考虑溶液的腐蚀性外，还应考虑填料是否易为连续相所润湿。一般，陶瓷填料易为水溶液润湿；炭质或塑料填料易为有机溶液所润湿；金属填料对水溶液与有机溶液的润湿性能无显著差异，一般均可为二者润湿。如果所确定的分散相很易于润湿填料，则分散相将在填料表面形成小的流股，从而减少了相际接触面积，降低了萃取速率。,99,填料材质的选择：考虑溶液的腐蚀性外，还应考虑填料是否,作为分散相的条件,：,流量较大的一相作为分散相，可获得较大的相际接触表面。,不易润湿填料表面的液相作为分散相，可保持分散相更好地形成液滴状而分散于连续相之中，以增大相际接触面积。,100,作为分散相的条件：100,普通填料萃取塔内，两相依靠密度差逆流流动，相对速度小，界面湍动程度低，限制了传质速率的提高。为防止分散相液滴过多聚结，可向填料提供外加脉动能量，造成液滴脉动，即,脉冲填料萃取塔,。,脉动的产生，通常采用往复泵，有时也采用压缩空气来实现。但需注意，向填料塔加入脉冲会使乱堆填料趋向定向排列，导致沟流，因而使脉冲填料塔的应用受到限制。,101,普通填料萃取塔内，两相依靠密度差逆流流动，相对速度小,（,2,）筛板萃取塔,筛板萃取塔与用于蒸馏的设备是同样构造的设备。塔内有若干层开有小孔的筛板。,若,轻液相,为分散相，操作时轻相通过板上筛孔分成细滴向上流，然后又聚结于上,一层筛板的下面,。连续相由溢流管流至下层，横向流过筛板并与分散相接触。,102,（2）筛板萃取塔102,若以重液相为分散相，则重液相的液滴聚结于筛板上面，然后穿过板上小孔分散成液滴。当以重液相为分散相时，则应将降液管的位置改装与筛板的上方，即升液管。,筛板塔内一般应选取不易润湿塔板的一相作为分散相。由于液滴的分散与聚结在每一塔板上反复进行，筛板萃取塔的萃取效果比填料萃取塔有所提高。,103,若以重液相为分散相，则重液相的液滴聚结于筛板上面，然,104,104,105,105,106,106,（,3,）转盘萃取塔,塔体内装有多层固定在塔体上的环形挡板，挡板称为固定环，它使塔内形成许多分隔开的空间。在每一个分割空间的中央位置处均有一层固定在中央转轴上的水平圆盘，圆盘称为转盘。操作时水平圆盘随中心轴而高速旋转，促进了液滴的分散，因而加大了相际接触面积。,转盘萃取塔的萃取效果较好，设备也可以小型化，近年来应用于各种萃取场合。,107,（3）转盘萃取塔107,4.5.3,离心式萃取器,离心萃取机由一个高速旋转的螺旋转子，装在固定的外壳中组成。螺旋转子的旋转速度为,2000,5000,。操作时，轻液被送至螺旋的外圈，而重液则由螺旋中心引入。在离心力场的作用下，重液相由螺旋的中部向外流，轻液相由外圈向中部流动，于是两相在相互逆流过程中，于螺旋形通道内密切接触。重液相从螺旋的最外层经出口通道而流到器外，轻液相则由萃取器中部经出口通道流到器外。,108,4.5.3离心式萃取器108,离心萃取机的特点在于高速度旋转时，能产生,500,5000,倍于重力的离心力来完成两相的分离，所以使密度差很小、容易乳化的液体，都可以在离心萃取机内进行高效率的萃取。,离心萃取机的结构紧凑，可以节省时间，降低机内储液量，流速高，使得料液在机内的停留时间很短，这在处理热敏性物料时，显得很有成效。但它的构造复杂，制造较困难，投资也较高，加之能量消耗又大，使其推广应用受到一定限制。,109,离心萃取机的特点在于高速度旋转时，能产生50050,4.5.4,液,-,液传质设备的流体流动和传质特性,流动特性和液泛,传质特性,4.5.5,萃取设备的选择,考虑因素,理论级数 ；,2.,生产能力 ；,3.,物系的物性 ；,4.,物系的稳定性和液体在设备内的停留时间；,5.,能耗，占地等,110,4.5.4液-液传质设备的流体流动和传质特性110,