清华大学化工原理

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/2/13,#,例,2,液 液 萃 取,Eg.,2,Liquid-liquid Extraction,液液萃取,引 言,通过产生新相实现分离,A,+B,均相混合物,（溶液）,A,B,A,B,气相,(,新相,),液相,热,通过添加新相实现分离,A,+B,均相混合物,（溶液）,A,B,A,B,液相,1,液相,2,萃取剂,S,蒸馏,液液萃取,S,S,液液萃取,第,1,节,过程简述,1.1,什么是液,-,液,萃取,1.2,液,-,液,萃取的热力学基础,1.3,分离对象,:,为什么萃取？什么时候萃取？,1.4,液,-,液,萃取典型过程,1.5,萃取剂（分离剂）,液液萃取,第,1,节,过程简述,1.1,什么是液,-,液萃取,待分离：,A,+B,混合液,A,+B,混合、传质,萃取剂,S,与（,A+B,）不,互溶或部分互溶,A,+S+B,A,+S+B,分相,萃取相,(,extract phase,),萃余相,(,raffinate phase,),稀释剂,/,原溶剂,溶质,A/,B,在,两相,中溶解度之比不同,液液萃取,第,1,节,过程简述,萃取相（,Extract phase,）,y,A,y,B,萃余相,(,Raffinate phase,),x,A,x,B,分配系数,选择性系数,(,相对挥发度,？,),一定,T,、,P(?),下，平衡态,y,A,组分,A,在萃取相中的质量分数,x,A,组分,A,在萃余相中的质量分数,（单位？,）,（影响因素？,）,萃取剂对组分,A,、,B,溶解能力差别的大小,1.2,液,-,液萃取的热力学基础,分离过程实现的热力学基础：,加入萃取剂后形成的两液相中,A,和,B,的,溶解度差异,液液萃取,第,1,节,过程简述,1.4,液,-,液萃取典型过程,1.3,分离对象,:,为什么萃取？什么时候萃取？,第,1,节,过程简述,萃取在工业,上有广泛,的,应用,石油化工,/,生化,、,医药和食品化工,/,废水处理,/,萃取,A,+B,A,+B,混合液,蒸馏,相对挥发度等于,或接近,1,需要用大量热（,Eg.,重组分少轻组多,),需要避免加热（,Eg.,热敏性,物质,）,多选择性、适应性和宽泛的操作范围,1.5,萃取剂（分离剂）,液液萃取,第,1,节,过程简述,分相,：与,混合液溶剂,B,（稀释剂）的,互溶性：,完全不互溶 部分互溶 完全互溶,萃取剂的选择,分相,分离,分离,：分配系数,K,A,大,萃取相（,Extract phase,）,y,A,y,B,萃余相,(,Raffinate phase,),x,A,x,B,萃取剂的用量小,液液萃取,第,1,节,过程简述,分离：,选择性系数,大,b,1,可分离,b, 1,无穷个理论级,b,=1,不可分离,b,1,？,1.5,萃取剂（分离剂）,萃取相（,Extract phase,）,y,A,y,B,萃余相,(,Raffinate phase,),x,A,x,B,萃取剂的选择,分相,分离,效率、成本,安全、环保,液液萃取,第,1,节,过程简述,1.5,萃取剂（分离剂）,其他物性,密度,?,粘度,?,界面张力,?,回收的难易,程度,安全（是否易燃、易爆、,有毒）,与,环保,经济性（价格、对设备的要求等）,流体力学,（分散与聚并）,分离效果和效率,第,2,节,液,-,液,平衡关系,2.1,三元体系相图,2.2,液,-,液平衡,关系,2.3,温度对平衡关系的影响,液液萃取,第,2,节,液液平衡关系,2.1,三元体系相图,规则（,Hunter-Nash,）,顶点,三条边,内部任一点,x,A,x,B,x,S,如何定,?,x,A,+,x,B,+,x,S,=1,M,M,液液萃取,第,2,节,液液平衡关系,2.1,三,元体系,相图,杠杆,法则,（物料衡算）,M,1,M,2,两股物料,M,1,和,M,2,混合：,混合后物料,M,组成在,M,1,M,2,的连线上,M,的位置（组成）取决于,M,1,和,M,2,的量比,：,M,液液萃取,第,2,节,液液平衡关系,2.2,液,-,液平衡关系,在混合液,A+B,中加入,S:,a),均相溶液,(A,、,B,、,S,均互溶,),b) B,和,S,完全不互溶,c) B,和,S,部分互溶，形成一对部分互溶的液体,d) B,和,S,部分互溶，形成,2,个或,3,个部分互溶的液体,液,-,液平衡关系,-,直角坐标,两个成平衡的液相,萃取相,E,和 萃余相,R,两组分,A+B,或,A+S,萃取,相,(,Extract phase,),y,A,y,S,萃余相,(,Raffinate phase,),x,A,x,B,两个成平衡的液相,萃取相,E,和 萃余相,R,三组分,A+B +S,萃取,相,(,Extract phase,),y,A,y,B,y,S,萃余相,(,Raffinate phase,),x,A,x,B,x,S,液,-,液平衡关系,-,三角形相图,均相区,两相区,液液萃取,第,2,节,液液平衡关系,2.2,液,-,液平衡关系,c) B,和,S,部分互溶，形成一对部分互溶的液体,一定,温度（,压力？）下,混合,BS,分相,:,E&R,加入,不同的,A,，（达到平衡后）分析,两相,组成,(E,和,R,的组成是否唯一确定？,相律,）,溶解度曲线,临界混溶点,plait point,E,R,液液萃取,第,2,节,液液平衡关系,2.2,液,-,液平衡关系,平衡,关系,一定,温度,(,压力？,),下,两个成平衡相,E,&,R,中,A/B/S,的含量,连结,线,(equilibrium tie line,),辅助,线,-,插值,规则,液液萃取,第,2,节,液液平衡关系,2.3,温度,对平衡关系的,影响,为什么讲这一点,?,除了平衡,关系,温度,还,影响,哪,些,与萃取相关的因素,?,温度升高,第,3,节,萃取流程,和计算,3.1,概述,3.2,单级萃取,3.3,多级逆流萃取,3.4,多级,错流萃取,液液萃取,第,3,节,萃取流程,和计算,已知,混合,液（流）量为,F,(kg/h,或,kg),其中,A,的,含量,为,x,F,萃取剂（,流）量为,S,(kg/h,或,kg,),及,组成（如,纯溶剂,）,3.1,概述,试求,原料,F,能被,分离到什么程度,?,（设备已有，操作型,）,分离,到,x,R,，设备情况如何？,（计算设备,参数，设计型）,三元体系,单,级,多级,错流,多级逆流,连续,逆流,流 程,平衡关系,物料衡算,热量衡算,（,热效应小,，不考虑）,理论级法,基本方法,第,3,节,萃取流程,和计算,3.2,单级萃取,液液萃取,混合得,M,分相得萃余相,R,和萃取相,E,脱除溶剂得萃余液,R,和萃取液,E,最终效果,: FR,和,E,一,个理论级,第,3,节,过程,的流程和计算,3.2,单级萃取,F,R,E,M,R,图解法,组成？各物料的量？,已知,：,F,x,F,y,0,x,R,(,x,R,),相平衡数据,求：,S,E,(,E,),R,(,R,),x,E,(,x,E,),问题,可能操作的最大和最小溶剂用量,?,进料组成？,液液萃取,第,3,节,萃取流程,和计算,3.3,多级逆流萃取,和精馏相比有何异同？,有何好处？,物料衡算,（相遇两相）和,平衡关系,（流出两相）,解方程组,: 6,N,个独立方程,图解法,: Hunter-Nash,图解法,计算,已知,：,F,x,F,y,0,相平衡数据,;,及,N,S, x,n, y,1,中任两个,液液萃取,第,3,节,萃取流程,和计算,3.3,多级逆流萃取,级间流量衡算,(,N,),对,A,的物料衡算,(,N,),对,B,的物料衡算,(,N,),平衡关系,(,x,A,-,y,A,) (,N,),溶解度曲线,(,x,A,-,x,B,) (,N,),溶解度曲线,(,y,A,-,y,B,) (,N,),级间萃余相流量,:,R,1,R,2, ,R,n,(,N,),级间萃取相流量,:,E,1,E,2, ,E,n,(,N,),每级萃,余,相组成,:,x,A1,x,A2, ,x,An,;,x,B1,x,B2, ,x,Bn,(2,N,),每级,萃取相,组成,:,y,A1,y,A2, ,y,An,;,y,B1,y,B2, ,y,Bn,(2,N,),F,x,F,y,0,，,S,N,已知,：,F,x,F,y,0,相平衡数据,;,及,N,S, x,N, y,1,中任两个,6,N,+5,个参数,6,N,个独立方程,液液萃取,第,3,节,萃取流程,和计算,3.3,多级逆流萃取,-,图解法,F,+,E,2,=,R,1,+,E,1,F,-,E,1,=,R,1,-,E,2,F,+,E,3,=,R,2,+,E,1,F,-,E,1,=,R,2,-,E,3,F,+,S,=,R,n,+,E,1,F,-,E,1,=,R,n,-,S,F,-,E,1,=,R,1,-,E,2,= =,R,i,-,E,i,+1,= =,R,n,-,S,=,任一级相遇两相的,物料满足物料衡算,操作线,在三角形相图上如何表示物料,衡算,和平衡关系,已知,：,F,x,F,y,0,相平衡数据,;,S,x,N,求,：,理论级数,N,液液萃取,第,3,节,萃取流程,和计算,F,E,1,M,R,n,D,已知,：,F,x,F,y,0,S,x,N,F, S,M,R,n, M,E,1,(E,1, F) & (S, R),n,操作线,FE,1,，,R,1,E,2,，,R,i,E,i+1,，,，,R,n,S,操作点,(,),物理意义：级间净流量为常数,F,-,E,1,=,R,1,-,E,2,= =,R,i,-,E,i,+1,= =,R,n,-,S,=,F,E,1,M,R,n,D,第,3,节,萃取流程,和计算,3.4,多级逆流萃取,E,1,R,1,E,2,R,2,E,3,E,n,R,n,平衡关系,操作线,操作线,平衡关系,平衡关系,R,1,E,2,E,3,R,2,液液萃取,第,3,节,萃取流程,和计算,3.3,多级逆流萃取,液液萃取,F,E,1,M,R,n,D,R,1,E,2,E,3,R,2,最后一级,x,n,x,R,时如何处理？,各级流量,?,萃取剂用量和,理论级,操作性问题如何计算？,第,3,节,萃取流程,和计算,液液萃取,3.3,多级逆流萃取：最小溶剂进料比,最小溶剂进料比,(S/F),min,三角相图,:,至少一条,操作线与某连接线重合（注意范围）,给定：,F,x,F,y,0,，,x,N,N,S,N,S = S,min,F,第,3,节,萃取流程,和计算,3.3,多级逆流萃取：最小溶剂进料比,D,i,D,min,F,R,n,D,i, ,S,i,S,min,= max,S,i,D,min,至少一条操作线与某连接线,重合在,由过,F,和,R,n,的两连接线围成的范围内,，延长连接线使其与,SR,n,的延长线形成一系列的交点,D,i,液液萃取,液液萃取,第,3,节,萃取流程,和计算,D,i,D,min,F,R,n,E,1,M,3.3,多级逆流萃取：最小溶剂进料比,最小溶剂进料比,(S/F),min,D,min,F,E,1,E,1,R,n, FS = M,液液萃取,第,3,节,萃取流程,和计算,3.3,多级逆流萃取：最小溶剂进料比,夹点在第,1,级：过,F,连接线延长与,SR,n,延长线的交点为,D,min,D,i,在萃取相一侧；或,D,i,在两侧均,出现，哪个,D,i,为,D,min,？,若给定,F,x,F,y,0,，,y,1,，,是否有最小,(,大,),溶剂,进料比？,F,R,n,D,i,E,1,第,3,节,萃取流程,和计算,液液萃取,3.3,多级逆流萃取：最大溶剂进料比,给定：,F,x,F,y,0,F,R,n,M,max,一个理论级，进料全部溶解在溶剂中，仅有一个液相,给定：,F,x,F,y,0,，,x,n,？,给定：,F,x,F,y,0,，,y,1,？,第,3,节,萃取流程,和计算,3.3,多级逆流萃取,单级萃取和多级逆流萃取的总物料衡算,多级逆流萃取可否得到,x,R,=0,？（,N,可无限大）,实际级数和理论级,讨论,液液萃取,液液萃取,第,3,节,萃取流程,和计算,3.4,多级错流萃取,将萃取剂分为若干份,(,每份的量为,S,i,),分别对原料和萃余相进行多次萃取,有,何好处,？,和多级逆流萃取相比,液液萃取,第,3,节,萃取流程,和计算,3.4,多级错流萃取,已知,：,F,x,F,S,i,y,0,x,R,相平衡数据,求：,理论,级数,N,逐级计算,图解法,F,x,F,S,1,y,0,R,1,x,1,R,n,x,n,S,2,y,0,F,R,n,M,1,M,2,M,3,R,1,R,2,E,1,E,2,液液萃取,第,3,节,萃取流程,和计算,3.4,多级错流萃取,思考,各级流量,?,（,E,、,R,）,E,1,和,E,2,混合后组成如何,?,与单级萃取和多级逆流萃取比,效果如何,?,如,N,可无限大，能否得到,x,R,=0,？,F,R,n,M,1,M,2,M,3,R,1,R,2,E,1,E,2,液液萃取,第,3,节,萃取流程,和计算,设计型计算（不互溶）,已知,：,F,X,F,S,i,Y,0,X,R,(,X,R,),相平衡数据,求：,理论级数,n,3.4,多级错流萃取,X,F,Y,0,V,斜率,-B/S,i,分配曲线,萃取因子,稀溶液的萃取？,第,3,节,萃取流程,和计算,液液萃取,3.5,连续逆流萃取,填料层高度,=,理论级数, 等板高度（？）,微积分法,下半学期,第,4,节 萃取设备,4.1,萃取设备的基本功能,4.2,设计思路,4.3,常用设备,液液萃取,第,4,节 萃取设备,液液萃取,4.1,萃取设备的基本功能,聚并和,分层,重新聚并为连续的两相以实现两相的分离,分 散,一个液相以液滴形式（分散相）分散在另一个连续的液相（连续相）中,连续相和分散相的界面是传质面积,矛盾？,萃取设备：,液,液分散传质设备,两股流体撞击,其他流体扰动作用,分散,如何产生液滴？,第,4,节 萃取设备,4.2,萃取设备的设计思路,喷射,搅拌,流动,机械搅拌,振动,气流搅拌,利用压力,利用重力,利用气流,液液萃取,是否自发,?,哪股液体被分散？,有哪些影响因素,？,聚并过程的实现,是否自发,?,聚并分相的基础,密度差,两液相的相对流动,如何促进,?,密度差的放大,其他,影响因素,（粘度？表面张力？温度？液滴大小？）,第,4,节 萃取设备,4.2,萃取设备的设计思路,液液萃取,混合澄清槽,塔式设备,离心设备,膜设备,第,4,节 萃取设备,4.3,常用萃取设备,液液萃取,混合器,机械搅拌,流动混合,(,内构件,),澄清器,自然分层,4.3,常用萃取设备：混合澄清槽,第,4,节 萃取设备,液液萃取,连续操作和间歇操作时的情况,?,单级、多级错流、多级逆流,第,4,节 萃取设备,4.3,常用萃取设备：混合澄清槽,Multi-,stage,Mixer-settler,液液萃取,混合澄清槽,塔式设备,:,塔体,+,扩大段,+,分散装置,填料塔,筛板塔,（基本组成和形式）,筛孔板,;,降液管,;,升液管（？）,筛板孔径：,38 mm,开孔率：,10%25%,板间距：,150600 mm,液液萃取,第,4,节 萃取设备,4.3,常用萃取设备：塔式设备,Liquid-liquid extraction trays,US Patent 6569390,4.3,常用萃取设备：塔式设备,筛板塔（基本组成和形式,）,液液萃取,第,4,节 萃取设备,轻相分散,重相分散,第,4,节 萃取设备,4.3,常用萃取设备：塔式设备,塔式设备中,分散和流动,的强化,脉冲筛板塔,:,筛板塔,+,脉冲,(,为什么,?),脉冲填料塔,？,振动筛板塔,:,筛板塔,+,振动,(,为什么,?),转盘塔,:,定环,+,动环,转筒式,单级,并流,?,混合澄清,+,离心,?,液液萃取,第,4,节 萃取设备,4.3,常用萃取设备：离心设备,固定膜和乳化液膜过程,固定膜,-,中空纤维组件,乳化液膜,-,整套系统,液液萃取,第,4,节 萃取设备,4.3,常用萃取设备：,膜,设备,第,4,节 萃取设备,4.3,常用萃取设备：乳状液膜,A/B,：,苯,/,正己烷,甲苯,/,庚烷,环己烷,/,正己烷,小 结,为什么样式比较多,?,核心是什么,?,第,4,节 萃取设备,第,4,节 萃取设备,液液萃取,4.1,萃取设备的基本功能,聚,并,和,分层,重新聚并为连续的两相以实现两相的分离,分 散,一个液相以液滴形式（分散相）分散在另一个连续的液相（连续相）中,连续相和分散相的界面是传质面积,矛盾？,Summary:,Liquid-liquid Extraction,New(?) knowledge,Phase equilibrium (Triangle diagram),Mass balance in triangle diagram,Cross current process,Known methods,Theoretical stage model,Minimum solvent/feed ratio,Engineering considerations,Number of stages to be used,When to use extraction?,Distillation is preferential,When distillation is difficult (azeotropic or relative volatility is close to 1),When distillation is energy intensive (eg 1% HAc water),Thermosensitive component,Limitation of extraction,B and S should be immiscible or partially miscible (?),Solvent has to be regenerated through either distillation or other methods (?),Apparatus for extraction,Performance of commercial extraction equipment,Leaching,When AB is a solid,mixture,Extraction of a soluble constituent,Solid extraction or leaching,Equilibrium is different from liquid-liquid extraction,How?,Without chemical reaction,With chemical reaction,Insoluble Solid,Solute,Solvent,E,F,EF: Composition of the underflow,M,G,Equipment is different from liquid-liquid extraction,How and why?,Stationary solid beds,Moving-bed leaching,Dispersed solid leaching,Stationary solid beds,Similar,to the cleaning of filtration cake,Moving-bed leaching,Similar,to the countercurrent extraction in spray column,How is the solid moving?,Moving-bed leaching,Bollmann,Extrocator,Dispersed solid leaching,Similar to mixer-settlers,Mechanical agitation /,Air agitation,Settling,Filtration,Washing,An operation of leaching ?,Extract is discarded,Equilibrium,Solvents and,Apparatus,How to enhance?,