化工原理 第七章 萃取

4.2 三元体系的液—液相平衡
4.2.1组成在三角形相图中的表示方法 组分浓度常用质量分率表示，有时也用体 积分率或摩尔分率。
①各顶点表示纯组分（A、 B、S）； ②任一边上的点表示相 关二元混合物； 习惯上， AB边以A的质量分率作 为标度， BS边以B的质量分率作 为标度， SA边以S的质量分率作 为标度。
B、S部分互溶体系的图解 计算 ①三角形相图上逐级图解 法 1）作平衡曲线及辅助曲 线； 2）确定F、S，并由溶剂比 S/F→M； 3）由xn→Rn，由Rn、M延 长确定E1； 4）由平衡关系及物料衡算 →n。
4.5液—液萃取设备
分类：①逐级接触和微分接触 ②有外加能量和无外加能量
1、混合—澄清槽
MF S F MS MR EM RE R'F E' F R'E'
分物料衡算式：
FxF SyS EyE RxR MxM M ( xM x R ) E y E xR F ( xF x ' R ) E' y 'E x 'R R' F E' B( X F X 1 ) S (Y1 YS )
2. 辅助曲线与临界 混溶点 ① 有限个共轭组成 得到的联结线可按 一定方法作出辅助 曲线； ② 临界混溶点P：过该 点的联结线无限短， 处于分相的临界点。 不一定是顶点（因为 联结线有一定斜率）； ③ 临界混溶点需实测，
一般不能外推。
3、分配系数和分配曲线 1）分配系数：一定温度下，在平衡的两相 中，某组分在E相与R相中的组成之比称为该 组分的分配系数，以k表示：
③三角形内的点代表三 元混合物。 M点的组成： 过M点做BS的平行线， 得ED，则BE（SD）为 含有的溶质A； 过M点做AS的平行线， 得HG，则AH（SG）为 含有的稀释剂B； 过M点做AB的平行线， 得KF，则AK（BF）为 含有的萃取剂S。
4.2.2液——液相平衡关系
按组分互溶度，将三元混合液分为： ① A完全溶于B及S中，而B、S不互溶； ② A完全溶于B及S中，而B、S部分互溶； ③ A与B互溶，B与S和A与S部分互溶。 习惯上，将①、②两种情况的物系称为第Ⅰ 类物系，而将③情况的物系称为第Ⅱ类物 系。
①作溶解度曲线和辅助曲线；②临界互溶点组成；③xA=20%时的 kA和β；
④F=100kg, xF=30%, 混合液开始分层时S=?;
对④ 中料液， 欲得yA=36%，xA=?，xM=?
4.3萃取过程的计算
萃取设备：分级式与连续式； 分级式：单级萃取和多级萃取 假设条件：离开每级的萃取相和萃余相相互 平衡。
yA kA xA
yB kB xB
yA、yB——萃取相E中组分A、B的质量分数； xA、xB——萃余相R中组分A、B的质量分数。
kA表明了组分在共轭相中的分配关系； kA=f(物系，T，浓度)。T↑ 、浓度↑→kA ↓； 恒温、恒压、低浓时， kA =可视为常数。
2）分配曲线yA～xA图
有一对组分部分互溶时的分配曲线
4.2.4萃取剂的选择
1. 萃取剂的选择性和选择性系数 ① 溶剂要具有一定选择性，对A溶解度要大，对其 它组分溶解度要小。 萃取相： 萃余相： 评价指标——选择性系数。 ② 选择性系数β： 表示萃取剂对组分A，B溶解能力差别的大小。
β=f(kA)，kA=f(T，浓度）； 一般xB/yB>1。若kA>1，则一定有β>1； 若kA<1，则β可能大于1或接近1； β↑→效果↑→S用量↓→能耗↓→产品纯度↑； β=1，脱S后组成与料液相同，不能用萃取分离。 β类似于α，溶质A在萃取液与萃余液中的组成关系 也可用类似于蒸馏中的汽—液平衡方程表示：
目的: 分离液-液混合物。 依据: 利用混合物中各组分在某一溶剂中的溶 解度之间的差异。
混合传质过程：充分接触，相界面传质； 沉降分相过程：密度差分相E、R； 脱除溶剂过程：精馏、蒸发、结晶等。
几个概念： 萃取剂(溶剂)S：所用的溶剂 原料液F：所处理的混合液（ A+B ） 溶质A：原料液中易溶于溶剂的组分； 原溶剂（稀释剂）B：难溶或不溶组分。
工业上常见的第Ⅰ类物系有： 丙酮(A)–水(B)–甲基异丁基酮(S)、 醋酸(A)–水(B)–苯(S) 丙酮(A)–氯仿(B)–水(S)； 第Ⅱ类物系有： 甲基环己烷(A)–正庚烷(B)–苯胺(S)、 苯乙烯(A)–乙苯(B)–二甘醇(S)。 在萃取操作中，第Ⅰ类物系较为常见，以下 主要讨论这类物系的相平衡关系。
2、塔式萃取设备 ① 喷洒塔 无内构件。返混严重，效率低。
②填料萃取塔 结构简单，操作方便，适于处理腐蚀性物料。 仅靠密度差产生逆向流动，流速低，湍动程度 低。为改善，采用脉冲填料萃取塔（往复泵或 压缩空气）
4.2.3杠杆规则
①杠杆规则 E、R(差点)与混合总组 成点M（和点）共线； 各物相的量符合 杠杆规则：
A
F E S
MR E ME R
R B
M
于A、B二元原料液F中 加入纯溶剂S，则混合 液总组成的坐标M点沿 SF线而变，具体位置 由杠杆规则确定:
A
MF S MS F
F E S
R B
M
kA>1，联结线斜率>0，曲线在y=x上方； kA<1，联结线斜率<0，曲线在y=x下方； 若联结线倾斜方向变化，则与相交。这类物 系称为等溶度体系。
采用同样方法可作出有两对组分部分互溶时的分配曲线
4、温度对相平衡的影响 ① T↑→B及S中A溶解↑，分相区缩小； ② 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； ③ 温度↑，Ⅱ类物系→Ⅰ类物系。
2、萃取剂S与稀释剂B 的互溶度 组分B与S的互溶度影响 溶解度曲线的形状和分 层面积。 互溶度↓→分层面积↑ →y'max↑。 B、S互溶度愈小，愈有 利于萃取分离。
3、萃取剂回收的难易与经济性 ① 回收费用在萃取中比重大； ② 常用蒸馏分离：α大且无共沸，组成小的 易挥发，若溶剂作易挥发则汽化热要小→节 能； 若α接近1，可用反萃或结晶分离等方法。 ③ 萃取能力大，减少S用量； ④ S在B中溶解度小，减少浪费。
脱除溶剂S后，得到E’和 R’，在AB线上，数量关 系用杠杆规则，
E ' FR ' R ' FE '
E ' FR ' F R'E'
萃取液最大浓度y'max 从S点做溶解度曲线的 切线与AB线交于E’max S与B互溶度↓→分相 范围↑→ y'max↑。 T↓→ 互溶度↓ → y'max↑ ，但也会造 成μ和表面张力↑， D↓，因此温度选择要 适当。
1. 溶解度曲线和联结线 设溶质A可完全溶于B 及S，但B与S部分互溶。 相平衡数据测定：加入 的B 、S适量搅拌均匀， 静止分层，得到互呈平 衡的液-液两相)，得到一 组平衡数据。
在总组成为F的二元混 合液中加入一定量 A(B、S的质量比不 变)，三元混合液的组成 点将沿AF线变化；
A的量逐渐增加，直至 不再分相—混溶点（分 层点）。
2、单级萃取的计算 1）计算任务： 已知：F、xF、xR 求：S、E、R及yE。 2）计算方法： 物料衡算、平衡关系和杠杆规则。
1）先确定点F和点R 2）由R点和辅助线得 E点，RE与SF交于 M点； 3）E’和R’为脱除溶剂 后的萃取液和萃余 液组成； 总物料衡算： F+S=R+E=M
各流股的量由杠杆定律：
y A yB / x A xB
4.3.2多级错流接触萃取
每级均加入新鲜S，前一级的R做为后一级的 原料液。 特点：推动力大；级数足够多，萃余相 （xn ）就可足够低；S用量大，回收负荷、 投资大。
1、B,S部分互溶时的三角形坐标图解法 —单级图解的重复
例：在25℃下，已知丙酮(40%，各级Si相同，S1=0.5F 试求丙酮回收率
第四章 液—液萃取
§1 概述 §2 三元体系的液—液相平衡 §3 萃取过程的计算 §5 液—液萃取设备
4.1 概述
1、萃取操作的基本原理和过程 液液萃取（抽提）：在液体混合物中加入一 种与其不溶或部分互溶的液体溶剂，经过充 分混合，分相，利用混合液中各组分在溶剂 中溶解度的差异而实现分离的一种单元操 作。又称溶剂萃取。
2、萃取分离的适用场合 ① α≈ 1：如芳烃与脂肪烃； ② 混合物蒸馏时形成恒沸物； ③ 欲回收的物质为热敏性物料； ④稀溶液，精馏能耗大：如稀 醋酸制备无水醋酸； ⑤ 稀有元素及环境治理：废水脱酚； ⑥ 分离极难分离的金属：核燃料等。
3、萃取操作的特点 ① 外界加入萃取剂形成第二相，故萃取剂与 混合液只能部分互溶或完全不溶； ② 不能直接得到纯产品——过渡操作； ③ 常温操作，适合热敏性组分且节能； ④ 三元或多元体系，相平衡关系复杂，通常 需在三角形相图上表示；
说明： 1）操作线数即为理 论级数； 2）Si相等，则各操 作线平行； 3）使用纯溶剂时 Ys =0；； 4）单级萃取，亦可 用直角坐标图解； 5）使用条件：完全 不互溶体系。
②解析法 ——适用：Y = KX （K为常数）
4.3.3多级逆流接触萃取
特点：连续、高效、S用量小； S一般循环使用，常含少量A和B，故最终R 相最低组成受循环溶剂组成限制，E相最高组 成受料液组成限制。
改变总组成，重复上述步骤，得到溶解度曲线。
两相区内的混合物为两个液相，达到平衡时，两 个液层称为共轭相，连接共轭液相组成坐标的直 线称为联结线。
通常联结线的斜率随混合液的组成而变，但 同一物系其联结线的倾斜方向一般是一致 的，有少数物系，例如吡啶–氯苯–水，当混 合液组成变化时，其联结线的斜率会有较大 的改变
优点： ① 处理量大，级效率高； ② 结构简单，容易放大和操作； ③ 流量比范围大，运转稳定可靠，易于开、 停工；对物系的适应性好，对含有少量悬浮 固体的物料也能处理； ④ 易实现多级连续操作，便于调节级数。不 需高大厂房和复杂的辅助设备。 缺点： ① 占地大，溶剂储量大。 ② 需动力搅拌和级间物流输送设备，设备费和操作 费较高。
单级萃取流程
特点： 一次接 触，两相平衡； 连续或间歇； 组成：x、y。
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 1）混合 S加到原料液F中，M点 在SF线上，由杠杆规 则确定，应落在两相区 2）分层 得到平衡相：E相与R相 （利用辅助曲线，且过M点） 由杠杆规则确定量
3）脱溶剂
例：在25℃下，用水(S)萃取醋酸(A)—氯仿 (B)中的醋酸，F=1000 kg/h，xF =35%， S=800 kg/h。 试求： ①单级萃取后E及R的流量和组成； ②E’和R’的流量及组成； ③β 。 ④B,S若视作不互溶，K=3.4，要求原料液中 80%的溶质A进入E相，求S/B?
①作溶解度曲线和辅助 曲线； ②由杠杆规则确定M点 借助辅助曲线，试差定E 和R点，读出组成，量图 计算流量。 ③作SE,SR的延长线， 读图，确定萃取液和萃 余液组成及流量。 ④
4、萃取剂的其它物性 ① 密度ρ：密度差大，容易分相→处理能力↑ （特别是无外加能量的设备）； ② 表面张力σ：σ大→易聚结→易分相难分 散；反之，难分层，易乳化； ③ 黏度μ： μ ↓→对萃取有利。 ④ 一般工业要求：化学及热稳定性，腐蚀性， 无毒，来源，价格等。
例 一定T，测得A、B、S平衡数据。试求： ①作溶解度曲线和辅助曲线； ②临界互溶点组成； ③xA=20%时的kA和β； ④F=100kg, xF=30%, 混合液开始分层时S=?; ⑤ 对④ 中料液， 欲得yA=36%，xA=?，xM=?
2、B,S不互溶时的理论级数计算 ①直角坐标图解法
不互溶，则E中的S与R中的B为常数， 浓度可用质量比表示：
同一级的两相处于平衡，满足平衡关 系；同时也应该符合物料平衡，即满足相 应的操作关系。因此，在X～Y坐标中， 组成点应是二者的交点。
对每一级作物料衡算：
作图方法： 1）作分配曲线； 2）确定V点；由V点 定E1点； 3）过E1点作垂线得 到U点→E2； 4）以此类推，直到 X达到要求为止。