萃取原理

第八章萃取

§1 概述

8-1 萃取概念及应用

我们以手工洗衣服为例，打完肥皂、揉搓后，如何将肥皂沫去除呢？用清水多次漂洗，这是人们熟知的过程。多次漂洗的过程即为化工中的液-固萃取过程。如图8-1所示，漂洗次数越多，衣服与肥皂沫分离越完全，衣服越干净。

图8-1的衣物漂洗过程为错流萃取过程。清水称作萃取剂，含沫水为萃取相，衣物和沫为萃余相。皂沫为溶质A。经验还告诉我们，每盆水揉搓的时间越长（即萃取越接近平衡），拧得越干（即萃取与萃余相相分离越彻底），所用漂洗次数越少（即错流级数越少）。

图8-1 错流萃取示意图

萃取——利用混合物各组分对某溶剂具有不同的溶解度，从而使混合物各组分得到分离与提纯的操作过程。

例如用醋酸乙酯萃取醋酸水溶液中的醋酸。如图8-2所示。

图8-2萃取示意图

萃取用于沸点非常接近、用一般蒸馏方法分离的液体混合物。主要用化工厂的废水处理。如染料厂、焦化厂废水中苯酚的回收。萃取也用于法冶金中，如从锌冶炼烟尘的酸浸出液中萃取铊、锗等。制药工业中，许多复杂有机液体混合物的分离都用到萃取。为使萃取操作得以进行，一方面溶剂S对稀释剂B、溶质A要具有不同的溶解度，另一方面S与B必须具有密度差，便于萃取相与萃余相的分离。当然，溶剂S具有化学性质稳定，回收容易等特点，则将为萃取操作带来更多的经济效益。

萃取过程计算，习惯上多求取达到指定分离要求所需的理论级数。若采用板式萃取塔，则用理论级数除以级效率，可得实际所需的萃取级数。若采用填料萃取塔，则用理论级数乘以等级高度，可得实际所需的萃取填料层高度。等级高度是指相当于一个理论级分离效果所需的填料层高度，等级高度的数据十分缺乏，多需由实验测得。

萃取理论级数的计算，仍然离不开相平衡关系的物质平衡关系。

§2 萃取溶解度曲线

8-2 三角形相图表示法

以A、B、S作为三个顶点组成一个三角形。三角形的三个顶点表示纯物质，一般上顶点表示溶质A，左下顶点表示稀释剂B，右下顶点表示溶剂S。三角形的三条边表示二元混合物的组成，例如AB连线表示溶质A与稀释剂B的二元组成。三角形内的平面表示三元混合物的组成。如图8-3所示。

图8-3 三角相图溶解度曲线

三角形相图作图复杂，用于萃取计算时，易引入较大误差；若为组成是大于3的几元物系，三角相图亦无能为力；加之有关化工单元操作的书藉均有三角相图的详细论述，所以，本教程讨论从略。

8-3 直角坐标表示法

若稀释剂B与溶剂S不互溶或互溶性很小时，可以认为萃取相中只有组分A与S，萃余相中只有组分A与B。萃取相中溶A的含量可用质量比组成Y表示，Y的单位为

[1B

kg

kgA-

⋅。当物系达于⋅。萃余相中溶质A的含量用X表示，X的单位为]

kgA-

[1S

]

kg

平衡时，得到一组对应的X与Y。将若干组X、Y值，描绘在X—Y座标图上，可得一曲线，此即液—液萃取溶解度曲线，或称分配曲线。用数学式表示为

f

Y=

(X

)

有时亦有用质量分率y、x来表达溶解度曲线的，此时y表示溶质A在萃取相中的质量分率，x表示溶质A在萃余相中的质量分率。在x—y座标图上描绘的曲线，亦称为分配曲线。用数学式表达为

=

y'

)

f

(x

大多数物系在低浓度情况下，x和y成线性关系，即

n A n x k y = (Ⅰ)

式中A k 称为分配系数，式（Ⅰ）称为能斯特分配定律。

同理，在低浓度情况下，对于大多数物系，Y 与X 亦近似成线性关系，即

n n mX Y = …………（Ⅰa ）

如果某物系服从能斯特分配定律，即服从式（Ⅰ）和式（Ⅰa ）的关系，则将使我们的萃取过程计算大为简化。

8-4溶解度曲线举例

【例8-1】 以三氯乙烷为溶剂，由丙酮一水溶液中萃取丙酮。其溶解度平衡数据如表8-1所示。试将其换算为质量比组成，标绘在直角坐标图上，并求出近似的分配系数m 值。

表8-1 丙酮—水—三氯乙烷系统平衡数据（质量百分率）

解：以第一组数据计算为例，

0962.093

.9075

.8,0637.052

.9396

.5==

==

Y X 现将计算结果列在表8-2中，再将表8-2数据标绘在图8-4中，得Y =1.62X ，即m =16.2。

表8-2 【例8-1】附表

图8-4 丙酮—水—三氯乙烷相平衡曲线

§3 错流萃取操作 8-5 错流萃取公式推导

错流萃取流程如图8-5所示。组成为f X 的原料液与组成为s Y 的萃取剂接触萃取，出第一级组成为X 1的萃余相，又与新鲜萃取剂接触萃取，依此类推，……直到出第N 级的萃余相组成X N ，达到指定的分离要求为止。

图8-5 多级错流萃取流程示意图

假设稀释剂B 与萃取剂S 的互溶性可以忽略，对图8-5的虚线范围作溶质A 的物料衡算得

)()(1s n n n n Y Y S X X B -=-- (Ⅱ)

∴ )(1---

=-n n n

s n X X S B

Y Y …………（Ⅱa ） 式中，1-n X ，n X ——进、出第n 级的萃余相质量比组成，B kg kgA 1

-⋅； s Y ，n Y ——进、出第n 级的萃余相质量比组成，S kg kgA 1

-⋅；

B ——稀释剂质量流率，1-⋅r h kgB ； n S ——第n 级的萃取剂质量流率，1

-⋅r h kgS

式中（Ⅱ）、（Ⅱa ）均为错流萃取的物料衡算方程，或称错流萃取操作线方程。 式（Ⅱa ）表示，离开任一级的萃取相组成n Y 与萃余相组成n X 之间的关系。在直角坐标图上，它为一直线方程。此直线通过点（1-n X ，s Y ），其斜率为n S B /-。且与分配曲线之交点为点（n X ，n Y ）。

当n=1时，则式（Ⅱa ）为)(11

1f s X X S B

Y Y --

=-，此方程通过（f X ，s Y ），且斜率为1/S B -， 此线与相平衡曲线交点为（1X ，1Y ）。

当n=2时，则式（Ⅱa ）为)(122

2X X S B

Y Y s --

=-，此方程通过（1X ，s Y ），且斜率为2/S B -， 此线与相平衡曲线交点为（2X ，2Y ）。

依此类推，当时，n X ＜N X 时，停止作图，每利用一次操作线和一次平衡线，即为一个理论级数。上述即为图解法求错流萃取理论级方法的简要介绍。如图8-6所示。

图8-6 多级错流萃取图解法

若为等溶剂错流萃取，就是说每次所用萃取剂用量都相等，即

S S S S n ==== 21 ………… (a ）

代入式（Ⅱ）得，

)()(1s n n n Y Y S X X B -=-- …………（b ）

若分配曲线为一直线，其方程为