第四节_萃取与萃取设备

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,*,第四节 萃取与萃取设备,一、萃取原理,三、萃取流程与萃取设备,二、萃取剂的选择,四、超临界流体萃取简介,一、萃取原理,对于液体混合物的分离，除了可采用蒸馏或精馏的方法外，还可仿照吸收的方法，在液体混合物中加入某种与其不相混溶的液体作为溶剂，利用原料液中各组分在溶剂中的溶解度差异来分离液体混合物，此操作称为液液萃取。,1.,平衡相图,液相萃取传质是在两液相之间进行，其极限为相际平衡。假设，原料液为二组分,(A+B),体系，萃取剂为纯溶剂,(S),；则，液液萃取的萃取相及萃取余相常为三元混合物,(A+B+S),。,三元混合物的平衡相图常用等边三角坐标或直角三角坐标表示。,溶液,A+B,萃取剂,S,在三角坐标图中，三角形的三个顶点，分别代表一个相应的纯组分。,A,点表示纯,A,组分,(,溶质,),；,B,点表示纯,B,组分,(,溶剂,),；,S,点表示纯萃取剂。,三角坐标图,0.2,0.4,0.6,0.8,B,A,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,S,0.2,0.4,0.6,0.8,B,A,S,0.2,0.4,0.6,0.8,0.2,0.4,0.6,0.8,等边三角坐标,直角三角坐标,三角形的三条边上的任一点，代表相应的一个二元混合物。,例如：,等边三角坐标图中，,AB,边上的,E,点，表示,AB,二元混合物。其中，,A,的质量分数为,50,；,B,的质量分数为,50,。,E,又如：,直角三角坐标图中的,M,点，代表一个三元混合物,(A+B+S),。,M,若某三元混合物,(A+B+S),位于三角坐标的,E,点。,三元混合物组成的确定,0.2,0.4,0.6,0.8,B,A,S,0.2,0.4,0.6,0.8,0.2,0.4,0.6,0.8,直角三角坐标,M,过,M,点分别作三角形三边的平行线,ED,、,KF,、,HG,；则线段,BE(,或,SD,）、线段,AH,（或,SG,）、线段,AK,（或,BF,）分别代表组分,A,、,B,、,S,的组成。,D,E,F,K,H,G,A,组分：,40,（线段,BE,）,B,组分：,30,（线段,AH,）,S,组分：,30,（线段,BF,）,2.,三元混合物平衡相图,在液液萃取操作中，根据各组分的互溶性可将三元体系分为,“,溶质,A,溶于,B,及,S,，,B,与,S,不互溶,”,(,萃取剂与溶剂互不相溶）,、,“,溶质,A,完全溶于,B,及,S,，,B,与,S,部分互溶,”,(,萃取剂与溶剂部分互溶,),和,“,溶质,A,完全溶于,B,，,A,与,B,及,B,与,S,部分互溶,”,三种情况。,前两种情况代表的物系称之为第,类物系，后一种称之为第,类物系。,在生产中，常见的液液萃取操作主要是第,类物系。因此我们仅以第,类物系介绍三元混合物相图。,A(HAc,),S(,苯,),(,水,)B,醋酸水苯三元系相图,设：溶质,A,完全溶于溶剂,B,及萃取剂,S,，但溶剂,B,与萃取剂,S,部分互溶。在一定温度和压强下，该体系的平衡相图如图所示。,图中，,R,0,R,1,R,i,R,n,K E,n,E,i,E,1,E,0,称为溶解度曲线；曲线,R,0,K E,0,内的区域为两相区，曲线外为单相区。,A,S,B,A,B,S,三元系相图,R,0,R,1,R,i,R,n,E,n,E,i,E,1,E,0,M,K,单相区,两相区,位于两相区内的混合物分成两个相互平衡的液相（共轭相），联接两共轭相组成坐标的直线（如：,R,i,E,i,）称为联接线；萃取操作是在两相区内进行。,在,第,类物系,相图中，若溶质,A,完全溶于溶剂,B,及萃取剂,S,，但溶剂,B,与萃取剂,S,完全不溶，则相图中的,R,0,点和,E,0,点分别与三角形顶点,B,及顶点,S,重合。,2.,平衡关系,在一定温度下，某组分在相互平衡的,E,相与,R,相中的组成比，称为该组分的分配系数。即,：,溶质,A k,A,=,y,A,/x,A,溶质,B,k,B,=,y,B,/x,B,式中：,y,A,、,y,B,分别为萃取相,(E,相,),中组分,A,、,B,的质量分数；,x,A,、,x,B,分别为萃取余相,(R,相,),中组分,A,、,B,的质量分数。,若用萃取剂萃取溶液中的溶质,A,，则,分配系数,k,A,表示溶质,A,在两个平衡液相中的分配关系；,k,A,值越大，说明溶质,A,在萃取剂中的分配越高，萃取效果越好。,萃取相,（,E,相）,萃取余相,（,R,相）,分配系数,(partition coefficient),在溶质,A,完全溶于溶剂,B,及萃取剂,S,，但溶剂,B,与萃取剂,S,互不相溶的情况下，溶质,A,在两相中的分配关系与吸收类似,。,即：,Y=K,X,或：,K=Y/X,=,K,=,C,A(Y),C,A(X),W,A(Y),/W,(,萃取剂,),W,A(X),/W,(,溶剂,),式中：,Y,为萃取相,(E,相,),中组分,A,的质量比组成；,X,为萃取余相,(R,相,),中组分,A,的质量比组成；,K,为相组成以质量比时的分配系数。,此外，分配系数,(K,),也可用溶质,A,萃取相,(E,相,),和萃取余相,(R,相,),的浓度比表示。即：,在温度、压强一定的条件下，当三组分体系的两液相成平衡时，其自由度,f=K+0-,=1,。,=0,分配曲线,分配曲线,为相数；,K,为组元素；,f,为自由度,相率,所谓相率是指，在,热力学平衡条件下，系统的组分数,K,、相数,和自由度数,f,之间的关系。即：,+f=K+2,因此，只要知道任一平衡液相中任一组分的组成，则其它组分及其共轭相的组成即为定值。或者说，溶质在两平衡液相间的平衡关系为：,y,A,=,f(x,A,),此函数关系就是分配曲线的表达式。,如图所示：,若以,x,A,为横坐标，以,y,A,为纵坐标；结合平衡相图中的连接线,(RE),可在,x,y,直角坐标图上得到表示这一对共轭相组成的点,N,，每对共轭相可得到一个点，这些点的连线,(0NP),即为分配曲线，曲线上的,P,点为临界混溶点。,x,A,y,A,A,B,S,R,E,N,y,AE,x,AR,L,K,P,y,AP,x,AP,P,y=x,分配曲线,0,分配曲线表达了溶质,A,在互成平衡的,E,相与,R,相中的分配关系。若已知某液相组成，则可由分配曲线求出其共轭相的组成。,若在分层区组成范围内，,y x,，即分配系数,k,A,1,，则分配曲线应位于,y=x,线的上方；反之，则位于,y=x,线的下方。,二、萃取剂的选择,选择适合的萃取剂是保证萃取操作能够正常进行，且经济合理的关键。在实际生产中，选择萃取剂需重点考虑如下几个方面的因素。,1.,萃取剂的选择性,萃取剂的选择性是指萃取剂,S,对原料液中溶质,A,及溶剂,B,两个组分溶解能力的差异。,若萃取剂,S,对溶质,A,的溶解能力比对溶剂,B,的溶解能力大得多，则萃取相中,y,A,比,y,B,大得多，萃取余相中,x,B,比,x,A,大得多。为了定量地表示萃取剂的选择性，可用萃取剂选择性系数,来描述。即：,=,萃取相中,A,的质量分数,/,萃取相中,B,的质量分数,萃取余相中,A,的质量分数,/,萃取余相中,B,的质量分数,y,A,/y,B,x,A,/x,B,=,=k,A,/,k,B,y,A,/x,A,y,B,/x,B,分配系数比,(k,A,/,k,B,),值越大，选择性系数,越大，组分,A,、,B,的分离效果越好，完成一定的分离任务所需的萃取剂则越少。,萃取性能不如苯甲醇,萃取性能较差,2.,萃取剂的经济性,萃取剂的经济性直接影响着萃取操作成本。对萃取剂经济性的分析还须从萃取工艺（萃取相与萃取余相的分离、萃取剂的回收成本）、萃取剂的价格、环境因子,(E),或环境商,(EQ),等方面综合考虑。,问题：,传质速率慢，体系易乳化，萃取相与萃取余相难分离。,改进：,苯甲醇正辛醇二元萃取剂,60,40,稀释剂，降低体系粘度，提高传质速率。,例如：,林可霉素的萃取,萃取剂：,己烷、二甲苯、苯甲醇、正丁醇、正辛醇,CH,3,-CH,2,-CH,2,N,CH,3,C-NH-C-H,HO-C-H,CH,3,O,HO,OH,OH,SCH,3,沿着不相溶的两相,(,液固、液液、液气,),间界面垂直作用在单位长度液体表面上的表面收缩力（相界面张力）。,3.,萃取剂的其它物性,在萃取操作中为了使两相在萃取器中能较快地分层，要求萃取剂与被分离混合物有较大的密度差。这样，可有效地提高设备的生产能力。,密度,相界面张力,两液相的界面张力对萃取操作有着重要影响。当界面张力较大时，分散相液滴易聚结，有利于分层；反之，液体易分散而产生乳化现象，使两液相难分离,。,但,如果界面张力过大时，液体则不易聚结分散，难以式两液相充分,混合，降低萃取效果。因此，在萃取操作中应选择适中的界面张力。,问题：,什么是相界面张力？,粘度,溶剂的粘度对分离效果也有重要的影响。溶剂粘度低，有利于两液相的混合与分层，也有利于流体的流动与传质。因此，在萃取操作中，若萃取剂的粘度较大时，可加入其它溶剂，使其粘度降低。,此外，在选择萃取剂时还需考虑萃取剂的化学稳定性、热稳定性、腐蚀性及毒性等因素，权衡利弊，得出最佳萃取方案,。,讨论与练习,4,11,萃取剂的选择需重点考虑哪几方面的因素？,4,10,什么是液液萃取？,三、萃取流程与萃取设备,在萃取操作中，常根据物料液,F,与萃取剂,S,接触、传质的次数，将其分为单级萃取和多级萃取。,1.,萃取流程,单级萃取,单级萃取是指，物料液,F,与萃取剂,S,只进行一次混合、传质，具有一个理论级的萃取分离过程。,萃取相,（,E,相）,萃取余相,（,R,相）,物料液,（,F,）,萃取剂,（,S,）,R,E,S,F,混合,澄清,多级萃取是指，物料液,F,与萃取剂,S,进行多次混合、传质，具有多个理论级的萃取分离过程。在实际生产中，常见的多级萃取有多级错流萃取操作和多级逆流萃取操作。,多级萃取,多级错流萃取,F,x,F,S,1,R,1,x,1,R,2,x,2,R,n-1,R,n,x,n,x,n-1,S,2,S,N,N,S,R,1,2,n,N,S,E,R,E,E,1,y,1,E,2,y,2,E,n-1,y,n-1,E,n,y,n,一般单级萃取所得到的萃取余相中，往往还含有较多的溶质。为了进一步降低萃取余相中溶质的含量，可将多个单级萃取串联组合。这种组合称为多级错流萃取，其流程如下图所示,。,多级逆流萃取,当采用一定量的溶剂萃取原料液时，若单级或多级错流萃取因受相平衡的限制，使分离程度达不到工艺要求，可采取多级逆流萃取操作。多级逆流萃取流程如下图所示,。,F,x,F,R,1,x,1,R,2,x,2,R,i-1,x,i-1,N,S,R,1,2,i,N,S,E,R,E,E,1,y,1,E,2,y,2,E,3,y,3,E,i,y,i,n,S,y,s,R,n-1,x,n-1,E,n,y,n,E,i+1,y,i+1,R,i,x,i,R,n,x,n,青霉素生产中的,多级逆流萃取设备,2.,萃取设备,工业上使用的萃取设备种类很多，常见的主要有混合澄清器、萃取塔和离心萃取器等类型。在此，仅简单介绍混合澄清器和萃取塔两种类型。,混合澄清器,混合澄清器是运用最早、使用较广泛的一种萃取设备，它主要由混合器与澄清器两部分构成。,萃取相,（,E,相）,萃取余相,（,R,相）,物料液,（,F,）,萃取剂,（,S,）,如图所示，混合澄清器结构简单，操作方便，适用于多种物系的萃取操作。,混合澄清器易实现多级连续操作，处理量较大，传质效率高；但占地面积大，溶剂储量大，设备费和操作费较高。,物料液,(,F,x,F,),萃取剂,萃取相,(,最终,),R,1,x,1,E,1,y,1,R,2,x,2,E,2,y,2,E,3,y,3,萃取余相,(,最终,),R,3,x,3,(S),混合澄清器的三级逆流萃取流程,澄,清,器,澄,清,器,澄,清,器,混合,器,混