2014年有机合成工初级-萃取

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,*,第二课,萃 取,新合成股份有限公司 2014年有机合成工初级,概述,液-液萃取的基本原理,在液体混合物中加入与其不完全混溶的液体溶剂（萃取剂），形成液-液两相，利用液体混合物中各组分在萃取相中溶解度的差异而达到分离的目的。也称溶剂萃取，简称萃取。,萃取过程的条件,：,1,两个接触的液相完全不互溶或部分互溶；,2,溶质组分和稀释剂在两相中分配比不同；,3,两相接触混合和分相；,例举,1,原溶液：欲分离的原料溶液，原溶液中欲萃取组份称为溶质,A,，其余称稀释剂,B2,溶剂,S,：为萃取,A,而加入的溶剂，也称萃取剂,3,萃取相：原溶剂和稀释剂混合萃取后，分成两相，含溶剂,S,较多的一相；,4,萃余相：主含稀释剂的一相,5,萃取液：萃取相脱溶剂后的溶液,6,萃余液：萃余相脱溶剂后的溶液,液-液萃取过程举例,19世纪，用于无机物和机物的分离，如1842年用二乙醚萃取硝酸铀酰，用乙酸乙脂类的物质分离水溶液中的乙酸等。,石油化工：,链烷烃与芳香烃共沸物的分离。例如用二甘醇从石脑油裂解副产汽油或重整油中萃取芳烃,，,如苯、甲苯和二甲苯。,工业废水处理：,用二烷基乙酰胺脱除染料厂、炼油厂、焦化厂废水中的苯酚。,有色金属冶炼：,湿法冶金中溶液分离、浓缩和净化的有效方法。例如从锌冶炼烟尘的酸浸出液中萃取鉈、铟、镓、锗，以及铌-钽、镍-钴、铀-钒体系的分离，以及核燃料的制备。,制药工业：,从复杂的有机液体混合物中分离青霉素、链霉素以及维生素等。,我们经常所说的洗涤，也是一个萃取过程。,萃,取,洗,涤,反,萃,取,萃取剂,稀释剂,料液,（待分离物,质杂质,萃取液,（,待分离物,质少量杂质）,洗,涤,剂,萃残液,（杂质）,杂质,+,少量,待萃物质,产物（待萃物质）,（待返回使用）,萃取剂稀释剂,反,萃,剂,待,萃,物,质,图例,萃取优点,萃取过程具有选择性；,能与其他需要的纯化步骤相配合；,通过转移到具有不同物理或化学特性的第二相中，来减少由于降解（水解）引起的产品损失；,可从潜伏的降解过程中（如代谢或微生物过程）分离产物；,适用于各种不同的规模；,传质速度快，生周期短，便于连续操作，容易实现计算机控制。,萃取操作的基本流程,分级接触式,单级,多级错流,多级逆流,按溶液与萃取,剂的接触方式,单级萃取,微分接触式,连续接触式,单级萃取最多为一次平衡，故分离程度不高，只适用于溶质在萃取剂中的溶解度很大或溶质萃取率要求不高的场合。,萃取相,萃余相,料液,A+B,萃取剂,混合澄清槽,多级错流萃取,萃取剂,原料液依次通过各级，新鲜溶剂则分别加入各级的混合槽中，萃取相和最后一级的萃余相分别进入溶剂回收设备，回收溶剂后的萃取相称为萃取液（用,E,表示），回收溶剂后的萃余相称为萃余液（用,R,表示）。,特点：,萃取率比较高，但萃取剂用量较大，溶剂回收处理量大，能耗较大。,料液,萃取相,萃余相,1,2,3,N,多级逆流萃取,萃取剂,原料液和萃取剂依次按反方向通过各级，最终萃取相从加料一端排出，并引入溶剂回收设备中，最终萃余相从加入萃取剂的一端排出，引入溶剂回收设备中。,特点：,可用较少的萃取剂获得比较高的萃取率，工业上广泛采用。,料液,萃取相,萃余相,1,2,3,N,一液相为连续相，另一液相为分散相，分散相和连续相呈逆流流动；,两相在流动过程中进行质量传递，其浓度沿塔高呈连续微分变化；,两相的分离在塔的上下两端进行。,微分接触式（连续接触式）,一般为塔式设备（喷淋塔、填料塔、转盘塔、振动筛板塔等）。,轻液出口,轻液进口,重液出口,重液进口,萃取操作的适用范围,萃取过程本身并未完全完成分离任务，而只是将难于分离的混合物转变成易于分离的混合物，要得到纯产品并回收溶剂，必须辅以精馏（或蒸发）等操作。,萃取操作是两相间的传质过程，需要研究两液相间的平衡关系和相际间的传质速率问题。,萃取操作一般用于：,(1)混合液中各组分的沸点很接近或形成恒沸混合物，用一般精馏方法不经济或不能分离；,(2)混合液中含热敏性物质，受热易分解、聚合或发生其它化学变化；,(3)混合液中需分离的组分浓度很低，采用精馏方法须将大量的稀释剂汽化，能耗太大。,萃取分离效果及其主要影响因素,萃取率（提取率）,E,：,萃取剂的选择,分配系数,一般,k,A,不为常数，而随温度、溶质,A,的浓度变化。,在,A,浓度变化不大和恒温条件下，,k,A,可视为常数（平衡常数,m,），,其值由实验测得。,一定温度下，,A,组分在互成平衡的两液相中的浓度比,注意：,k,A,只反映,S,对,A,的溶解能力，不反映,A、B,的分离程度。,萃取剂的选择,物理化学方面,有足够的容量,与水溶液不互溶，不发生乳化,对产物有高的分配 系数,低黏度,在密度上同水有大的差别,生物学方面,在,消毒过程中热稳定,经济和推理方面,对,生物催化剂、酶或活细胞无毒性,低成本,能大批供应,对人员无毒,不易燃,萃取剂的选择,选择性系数,k,A,，,k,B,，,。,表示,S,对,A、B,组分溶解能力差别，即,A、B,的分离程度。,k,B,一定：,k,A,，,。,k,A,一定：,k,B,，,。,两相平衡时，萃取相,E,中,A、B,组成之比与萃余相,R,中,A、B,组组成之比的比值。,选择与稀释剂互溶度小的溶剂，可增加分离效果。,萃取剂的选择,化学稳定性,(1),溶解度：,萃取剂在料液相中的溶解度要小。,(2),密度：,密度差大，有利于分层，不易产生第三相和乳化现象，两液相可采用较高的相对速度逆流。,(3),界面张力：,界面张力大，有利于液滴的聚结和两相的分离；另一方面，两相难以分散混合，需要更多外加能量。由于液滴的聚结更重要，故一般选用使界面张力较大的萃取剂。,(4),粘度：,低粘度有利于两相的混合与分层，流动与传质，对萃取有利。对大粘度萃取剂，可加入其它溶剂进行调节。,萃取剂应不易水解和热解，耐酸、碱、盐、氧化剂或还原剂，腐蚀性小。在原子能工业中，还应具有较高的抗辐射能力。,物理性质,萃取剂的选择,回收的难易,无毒或毒性小、无刺激性、不易燃（闪点高），难挥发（沸点高、蒸气压小）。,来源丰富，价格便宜，循环使用中损耗小。,为了获得纯产品及使溶剂循环使用，必须将萃取相及萃余相中的溶剂进行回收。萃取过程中，溶剂回收是费用最多的环节。有的萃取剂虽有许多良好的性质，但因回收困难而不被采用。,溶剂回收常用的方法是蒸馏、蒸发、反萃取等。,其它因素,在选择具体的萃取剂或几种溶剂组成的萃取剂时，应根据实际情况综合考虑上述因素。,温度对萃取过程的影响,相图上两相区的大小，不仅取决于物系本身的性质，而且与操作温度有关。一般情况下，温度上升，互溶度增加，两相区减小。温度特别高时，两相区会完全消失，致使萃取分离不能进行。,二苯基己烷,廿二烷,糠醛,0.8,0.6,0.4,0.2,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,45,C,80,C,115,C,140,C,甲基环戊烷,正己烷,苯胺,0.8,0.6,0.4,0.2,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,45,C,P,P,34.5,C,25,C,乳化与去乳化,乳化,是一种液体（分散相）分散在另一种不相混溶的液体（连续相）中的现象。如水或有机溶剂以微小液滴分散在有机相或水相中。,乳化产生的结果是导致两相分层困难，有夹带现象。这样可能形成两种形式的乳浊液：水包油（,O/W),、油包水（,W/O,）。,去乳化,去乳化,萃取过程中为分离完全必须破坏乳化。,由蛋白质引起的乳化多为,O/W,型。,过滤或离心,化学法（加电解质破坏双电层）,物理法（加热、稀释等）,顶转法（加入其他表面活性剂）,破乳方法,其他萃取方法,-,回流萃取,萃取相,萃余相,萃取液,原料,溶剂,萃,取,塔,回流,萃取相,增浓段,萃余相,提纯段,溶,剂,回,收,其他萃取方法,-,超临界萃取,以接近或超过临界点的低温、高压、高密度气体作为溶剂，从液体或固体中萃取所需组分，然后采用等压变温或等温变压等方法，将溶质与溶剂分离的单元操作。,超临界萃取的基本原理,超临界流体：,状态在临界温度与临界压力以上的流体。,超临界流体的,p,-,V,-,T,性质,常用的超临界流体：,二氧化碳、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和氨、正戊烷、甲苯等。,超临界萃取的基本原理,超临界流体的密度接近于液体，黏度接近于气体，扩散系数在气体和液体之间，比液体大100倍左右。,超临界流体具有与液体相近的溶解能力，同时其传质速率远大于液体溶剂并能很快达到萃取平衡。,超临界流体的,基本,性质,物性,气体,(常温、常压),超临界流体,液体,(常温、常压),T,c,p,c,T,c,4,p,c,密度/(,kg,m,-3,),26,200500,400900,6001600,黏度,10,5,/(,Pa,s),13,13,39,20300,扩散系数,10,4,/(,m,2,s,-1,),0.10.4,0.7,10,-3,0.2,10,-3,(0.22),10,-5,超临界萃取的特点,超临界萃取在溶解能力、传质性能以及溶剂回收方面有突出的优点，主要表现在：,超临界流体的密度与溶解能力接近于液体，而又保持了气体的传递特性，故传质速率高，可更快达到萃取平衡；,操作条件接近临界点，压力、温度的微小变化都可改变超临界流体的密度与溶解能力，故溶质与溶剂的分离容易，费用低；,超临界萃取具有萃取和精馏的双重特性，可分离难分离物质；,超临界流体一般具有化学性质稳定、无毒无腐蚀性、萃取操作温度不高等特点，故特别适用于医药、食品等工业；,超临界萃取一般在高压下进行，设备投资较大。,超临界萃取的应用实例,超临界萃取在石油残渣中油品的回收、咖啡豆中脱除咖啡因、啤酒花中有效成分的提取等过程中已成功地应用于大规模生产。,超临界,CO,2,分离提取天然产物中的有效成分,超临界,CO,2,萃取操作温度较低，能避免天然产物中有效成分的分解。可用于,咖,啡,豆,水洗塔,精馏塔,CO,2,+,咖啡因,咖啡因,CO,2,(90,o,C,1622MPa),脱气罐,水,咖啡豆中脱除咖啡因,名贵香花中提取精油,啤酒花及胡椒等物料中提取香味成分或香精,大豆中提取豆油等,液-液萃取设备,液-液萃取设备必须同时满足两相的充分接触（传质）和较完全的分离。液-液两相间密度差小，界面张力不大，为了提高萃取设备的效率，通常要补给能量，如搅拌、脉冲、振动等。,萃取设备的分类,产生分散相的动力,微分接触式,逐级接触式,重力差,喷啉塔、填料塔,筛板塔、流动混合器,机械搅拌,转盘萃取塔、搅拌萃取塔、振动筛板塔,混合澄清器,脉冲,脉冲填料塔、脉冲筛板塔,脉冲混合澄清器,离心力作用,连续式离心萃取器,逐级式离心萃取器,常见工业萃取设备,逐级接触式萃取设备：混合澄清槽,常见工业萃取设备,筛板塔,常见工业萃取设备,振动筛板塔,常见工业萃取设备,转盘塔（,RDC）,常见工业萃取设备,不对称转盘塔（偏心转盘塔）,1-转盘；2-横向水平挡板；3-混合区；,4-澄清区；5-环形分割板；6-垂直挡板,既保持了转盘塔结构简单、传质效率高、生产能力大等特点，分开的澄清区可使分散相液滴反复进行凝聚-再分散，减小轴向混合，提高萃取效率。,常见工业萃取设备,翻斗式萃取器,常见工业萃取设备,静态混合器,常见工业萃取设备,单级离心萃取器,常见工业萃取设备,芦威（,Luwesta,）,式离心萃取器,常见工业萃取设备,波德（,Podebielniak,）,式离心萃取器,常见工业萃取设备,离心萃取器,常见工业萃取设备,离心萃取器,常见工业萃取设备,离心萃取器,常见工业萃取设备,液泛现象,萃取设备的选择,不同的萃取设备有各自的特点。设计时应根据萃取体系的物理化学性质、处理量、萃取要求及其它因素进行选择。,(1)物系的稳定性和停留时间：,要求停留时间短可选择离心萃取器，停留时间长可选用混和澄清器。,(2)所需理论级数：,所需理论级数多时，应选择传质效率高的萃取塔，如所需理论级数少，可采用结构与操作