第四节 萃取与萃取设备

1.平衡相图 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 液相萃取传质是在两液相之间进行， 体系， 衡。假设，原料液为二组分(A +B)体系，萃取剂为纯溶剂 假设，原料液为二组分(A +B)体系 (S)； (S)；则，液－液萃取的萃取相及萃取余相常为三元混合 S)。 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。 坐标表示。
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， 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。 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 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。 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 的溶解能力比对溶剂B的溶解能力大得多， 大得多， 大得多。 萃取相中 yA 比 yB 大得多，萃取余相中 xB 比 xA 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β来描述。 示萃取剂的选择性，可用萃取剂选择性系数β来描述。即： β= 萃取相中A的质量分数/萃取相中B 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 萃取余相中A的质量分数/萃取余相中B的质量分数 yA/yB xA/xB = yA/xA yB/xB = kA/kB
萃取余相 （R相） 萃取相 （E相）
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， 在两相中的分配关系与吸收类似。 相溶的情况下，溶质 A 在两相中的分配关系与吸收类似。 即： K• Y = K•X 或： K = Y/X = WA(Y)/W(萃取剂) 萃取剂) WA(X)/W(溶剂) 溶剂)
萃取性能较差
萃取性能不如苯甲醇 CH3-CH2-CH2 CH3 N CH3 HOHO-C-H C-NH-C-H NHHO O OH OH SCH3
稀释剂， 稀释剂，降低体 系粘度， 系粘度，提高传质 速率。 速率。
问题： 问题： 传质速率慢， 传质速率慢，体系易 乳化， 乳化，萃取相与萃取余相 难分离。 难分离。
0.8 0.6 0.4 0.2 0.2 0.6 0.4 0.8
A
0.2 0.4 0.6 0.8 0.8 0.6 0.4 0.2
E
B A
S
等边三角坐标
0.2 0.4
M
0.6 0.8
B
0.8
0.6
0.4
0.2
S
直角三角坐标
⑵三元混合物组成的确定 若某三元混合物(A S)位于三角坐 若某三元混合物(A + B + S)位于三角坐 标的 E 点。 ED、 过 M 点分别作三角形三边的平行线 ED、 KF、HG； BE(或 SD）、 ）、线段 AH（ KF、HG；则线段 BE(或 SD）、线段 AH（或 SG）、线段AK（ BF）分别代表组分A SG）、线段AK（或BF）分别代表组分A、B、S ）、线段AK 的组成。 的组成。 组分： 40％（线段BE ％（线段BE） A 组分： 40％（线段BE） 组分： 30％（线段AH ％（线段AH） B 组分： 30％（线段AH） 组分： 30％（线段BF ％（线段BF） S 组分： 30％（线段BF）
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) (E相 的质量比组成； 为萃取余相(R (R相 式中： 为萃取相(E 的质量比组成； 为相组成以质量比时的分配系数。 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’ 萃取相(E (E相 和萃取余相(R (R相 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 (K 浓度比表示。 浓度比表示。即： CA(Y) K ’= CA(X)
⑵分配曲线 ①相率 所谓相率是指， 热力学平衡条件下，系统的组分数K 相数φ 所谓相率是指，在热力学平衡条件下，系统的组分数K、相数φ和自由 度数f之间的关系。 度数f之间的关系。即： φ + f = K + 2 = 0 ②分配曲线 1。 由度 f = K + 0 -φ= 1。 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 因此，只要知道任一平衡液相中任一组分的组成， 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： 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： yA = f(xA) 此函数关系就是分配曲线的表达式。 此函数关系就是分配曲线的表达式。 φ为相数；K为组元素；f为自由度 为相数； 为组元素；
0.8
A
H
0.6 0.4 0.2 0.2
K
0.4
E
M
F
0.8 0.6
D 0.6
0.8
B
G
0..三元混合物平衡相图 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“ 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 不互溶” 萃取剂与溶剂互不相溶） 部分互溶” 萃取剂与溶剂部分互溶) 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) 部分互溶”三种情况。 和“溶质A完全溶于B，A与B 及 B 与 S 部分互溶”三种情况。 溶质A完全溶于B 前两种情况代表的物系称之为第Ⅰ类物系，后一种称之为第Ⅱ 前两种情况代表的物系称之为第Ⅰ类物系，后一种称之为第Ⅱ类物 系。 在生产中，常见的液－ 在生产中，常见的液－液萃取操作主 要是第Ⅰ类物系。因此我们仅以第Ⅰ 要是第Ⅰ类物系。因此我们仅以第Ⅰ类物 系介绍三元混合物相图。 系介绍三元混合物相图。
P E R
分配曲线 y = x
N P
yAP yAE S
0
B
L
K
xAR
xAP
xA
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。 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。 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， x， 1， 若在分层区组成范围内，y > x，即分配系数 kA > 1，则分配曲线应位 线的上方；反之， 线的下方。 于 y = x 线的上方；反之，则位于 y = x 线的下方。
萃取剂 S 溶液 A + B
⑴三角坐标图 在三角坐标图中，三角形的三个顶点， 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。 别代表一个相应的纯组分。A 点表示纯 A 组 组分(溶剂) 分(溶质)；B点表示纯 B组分(溶剂)；S 点表 溶质) 示纯萃取剂。 示纯萃取剂。 三角形的三条边上的任一点， 三角形的三条边上的任一点，代表相应的 一个二元混合物。 一个二元混合物。 例如：等边三角坐标图中， 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 表示AB二元混合物。其中， AB二元混合物 为50％；B的质量分数为50％。 50％；B的质量分数为50％。 ％； 50 又如： 又如：直角三角坐标图中的 M点，代表一 个三元混合物(A S)。 个三元混合物(A + B + S)。
(水)B S(苯) S(苯 醋酸－ 醋酸－水－苯三元系相图 A(HAc)
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。 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， 图中，R0 R1 Ri Rn K En Ei E1 E0 称为溶解度 曲线； 内的区域为两相区， 曲线；曲线 R0 K E0 内的区域为两相区，曲线外 位于两相区内的混合物分成两个相互平 为单相区。 为单相区。 衡的液相（共轭相），联接两共轭相组成坐标的 衡的液相（共轭相），联接两共轭相组成坐标的 ）， 直线（如：RiEi ）称为联接线；萃取操作是在两 直线（ 称为联接线； 相区内进行。 相区内进行。 在第Ⅰ类物系相图中，若溶质 A 完全溶于 类物系相图中， 相图中
分配系数比(k 值越大， 分配系数比(kA/kB)值越大，选择性系数 β越大，组分A、B的分离效果越好，完成 越大，组分A 的分离效果越好， 一定的分离任务所需的萃取剂则越少。 一定的分离任务所需的萃取剂则越少。
=
2.萃取剂的经济性 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。 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 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。 的价格、环境因子(E)或环境商(EQ)等方面综合考虑。 (E)或环境商(EQ)等方面综合考虑 例如： 例如：林可霉素的萃取 萃取剂：己烷、二甲苯、苯甲醇、正丁醇、 萃取剂：己烷、二甲苯、苯甲醇、正丁醇、正辛醇
第四节 萃取与萃取设备
一、萃取原理 二、萃取剂的选择 三、萃取流程与萃取设备 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， 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， 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， 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。 液萃取。
改进：苯甲醇－ 改进：苯甲醇－正辛醇二元萃取剂
60％ 60％ 40％ 40％
3.萃取剂的其它物性 3.萃取剂的其它物性
⑴密度 在萃取操作中为了使两相在萃取器中能较快地分层， 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。 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。 ⑵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， 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， 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。 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 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。 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： 问题： 什么是相界面张力？ 什么是相界面张力？ 沿着不相溶的两相( 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）。 的表面收缩力（相界面张力）。
式中： 分别为萃取相(E 式中：yA、yB 分别为萃取相(E 相)中 的质量分数； 组分 A、B 的质量分数；xA、xB 分别为萃 取余相(R相 的质量分数。 取余相(R相)中组分 A、B 的质量分数。 (R 若用萃取剂萃取溶液中的溶质 A，则分 配系数 kA 表示溶质 A 在两个平衡液相中的 分配关系；kA 值越大，说明溶质 A 在萃取 分配关系； 值越大， 剂中的分配越高，萃取效果越好。 剂中的分配越高，萃取效果越好。
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， 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
如图所示： 为横坐标， 为纵坐标； 如图所示：若以 xA 为横坐标，以 yA 为纵坐标；结合平衡相图中的连 接线(RE)可在 直角坐标图上得到表示这一对共轭相组成的点N 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 (RE) 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 共轭相可得到一个点，这些点的连线(0NP)即为分配曲线， (0NP)即为分配曲线 临界混溶点。 临界混溶点。 A yA
B
Ri R1 Rn K En Ei E1 M E0
A 单相区 两相区
R0
S
溶剂 B 及萃取剂 S，但溶剂 B 与萃取剂 S 完 全不溶， 全不溶，则相图中的 R0 点和 E0 点分别与三角 重合。 形顶点 B 及顶点 S 重合。
A－B－S三元系相图
2.平衡关系 2.平衡关系
⑴分配系数(partition coefficient) 分配系数(partition 在一定温度下， 相中的组成比， 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。 该组分的分配系数。即： 溶质A 溶质A 溶质B 溶质B kA = yA/xA kB = yB/xB