第10章_其他分离过程(萃取)

第十章 其他分离过程本章主要内容第十章第一节 萃取其他分离过程第二节 膜分离第一节 萃取本节的主要内容一、萃取分离的特点 二、萃取过程的热力学基础 三、萃取剂的选择 四、萃取过程的流程与计算 其中的溶剂B 称为稀释剂第一节 萃取一、萃取分离的特点• 利用混合液中被分离组分A在两相中分配差异的性 质，使该组分从混合液中分离。

• 该过程称为液-液萃取，或溶剂萃取，或液体萃取。

• 萃取过程是物质由一相转到另一相的传质过程。

第一节 萃取萃取分离的特点• 可在常温下操作，无相变； • 萃取剂选择适当可以获得较高分离效率； • 对于沸点非常相近的物质可以进行有效分离； • 利用萃取分离混合液时，混合液中的溶质既可是挥发 性物质，也可以是非挥发性物质，如无机盐类等。

第一节 萃取在环境领域中的应用• 萃取法主要用于水处理，通常用于萃取工业废水 中有回收价值的溶解性物质； • 从染料废水中提取有用染料； • 从洗毛废水中提取羊毛脂； • 含酚废水的萃取处理等。

1第一节 萃取二、萃取过程的热力学基础在萃取操作中至少涉及三个组分： 待分离混合液中的溶质A、稀释剂B和加入的萃取剂S 达到平衡时的两个相均为液相：萃取相和萃余相 当萃取剂和稀释剂部分互溶时，萃取相和萃余相均含有 三个组分，因此表示平衡关系时要用三角相图。

二元混 合物第一节 萃取纯溶质（一）三角形相图xmA=0.4 xmB=0.3 xmS=0.3三元混 合物纯稀释剂纯溶剂相三角形任何一个边上的任一点均代表一个二元混合物，如E点。

三角形内的任一点代表一个三元混合物，如M点。

第一节 萃取（二）溶解度曲线与联结线在萃取操作中，根据组分间互溶度的不同，可分为以下 三种情况： ① 溶质A可溶于稀释剂B和萃取剂S中，但稀释剂B和萃 取剂S之间不互溶。

② 溶质A可溶于稀释剂B和萃取剂S中，但B和S之间部 分互溶。

③ 组分A、B完全互溶，但B、S及A、S之间部分互溶。

第I类物系：第①和第②情况（以下主要讨论） 第II类物系：第③情况第一节 萃取在含有溶质A和稀释剂B的原混 合液中加入萃取剂S，经充分混 合，达到平衡。

——形成萃取相E和萃余相R 如果改变萃取剂用量，将会建 萃取相 立新的平衡。

萃余相 溶解度曲线把三角形分为两个 区，曲线以内为两相区，以外 为均相区。

萃取相E及萃余相R：达到平衡时的共轭液相。

联结线：连线RE，都互不平行 P点：临界混溶点，溶液为均相第一节 萃取溶解度实测数据少时，如何处理？辅助曲线： 连接F、G、H，得辅助曲线。

利用辅助曲线，可以求任一平衡 液相的共轭相，如从R点求E点。

第一节 萃取（三）杠杆规则混合物M分成任意两个相，或由任意 两个相E和R混合成一个相M, 则表示 组成的点M、E和R在一直线上。

E MR E MR …杠杆规则 = 或 = R ME M RE （10.2.1）式中，E、R、M—混合液E、R及M的质量，E+R＝M。

2第一节 萃取（三）杠杆规则第一节 萃取萃取过程在三角相图中的如何表示？若在原料液F中加入纯溶剂S，则 表示混合液组成的点M视溶剂加E MR E MR …杠杆规则 = 或 = R ME M RE （10.2.1）入量的多少沿FS线变化，根据杠 杆规则： MF S ＝ MS F（10.2.2）M：点E和R的“和点”；E(或R)：点M与R（或E）的“差点” 由其中的任意二点求得第三点。

表示了混合物M和两个相E和R之间的质量与组成间的关系。

当F与S充分混合达到平衡，分层 得到萃取相E和萃余相R。

由联结线和溶解度曲线可得萃取 相E和萃取相R的组成。

第一节 萃取（四）分配曲线与分配系数1.分配曲线 将三角形相图上各组相对应的共扼平衡液层中溶质A的组成转 移到xm-ym直角坐标上，所得的曲线称为分配曲线。

分配曲线表达了溶质A在相互平衡R相与E相中的分配关系。

2.分配系数第一节 萃取溶质A在两相中的平衡关系可以用相平衡常数k来表示。

k=ymA xmA（10.2.3）ymA—溶质A在萃取剂中的质量分数 xmA—溶质A在萃余相中的质量分数ymR xmRk通常称为分配系数。

该值随温度与溶质的组成而异。

当溶质浓度较低时，k接近常数，分配曲线接近直线。

第一节 萃取三、萃取剂的选择（一）萃取剂的选择性系数 萃取剂的选择性是指萃取剂对原料混 ymA / xmA k A = 合液中两个组分的溶解能力的大小， α = ymB / xmB k B 可以用选择性系数α来表示：（10.2.4） ymA，ymB——分别为组分A和B在萃取相中的质量分数 xmA，xmB——分别为组分A和B在萃余相中的质量分数 若α>1, 表示溶质A在萃取相中的相对含量比萃余相中高。

α愈大，组分A与B的分离愈容易。

若α＝1，则组分A与B在两相中的组成比例相同，该溶液不 能用萃取方法分离。

第一节 萃取（二）萃取剂的选择 1.萃取剂的选择性 2.萃取剂的物理性质：密度、界面张力、黏度 3.萃取剂的化学性质 4.萃取剂回收的难易： 一般常用的回收方法是蒸馏，如果不宜用蒸馏，可以考虑 采用其它方法，如反萃取、结晶分离等。

5.废水常用的萃取剂： 苯及焦油类、酯类（醋酸丁酯、三甲酚磷酸酯等）、醇类3第一节 萃取四、萃取过程的流程和计算（一）单级萃取 单级萃取是液-液萃取中最简单、也是最基本的操作方式。

第一节 萃取单级萃取可以间隙操作，也可以连续操作。

理论级：萃取相和萃余相之间达到平衡。

级效率：单级操作实际的级数和理论级的差距萃取相 分离设备单级萃取过程的计算：混 和 器 分 层 器 萃余相分离 设备已知：待处理的原料液量和组成、萃取剂组成、 萃余相组成、相平衡数据 计算：所需的萃取剂量、萃取相和萃余相量和组成第一节 萃取1.萃取剂与稀释剂不互溶的体系以溶质A为对象建立物料平衡关系式：第一节 萃取溶质在两液相间的分配曲线如下：如果分配系数不随溶 液组成而变，则有：B ⋅ X mF = S ⋅ Y mE + B ⋅ X mR或YmE = −B ( X mR − X mF ) S（10.2.5）Ym = kX m（10.2.6）S、B——萃取剂用量、原料液中稀释剂量；kg或kg/s XmF——原料液溶质A质量比＝A/B YmE——溶质A在萃取相中的质量比=A/S XmR——溶质A在萃余相中的质量比=A/B联立分配曲线方程和物料平衡方程，即可得到 萃取剂用量和溶质在萃取相中的组成。

第一节 萃取2.萃取剂与稀释剂部分互溶的体系，如何计算？①根据已知平衡数据在三角相图中画 出溶解度曲线及辅助曲线。

②在AB边上根据原料液的组成xmF确 定F点，根据所用萃取剂组成确定S 点（假设为纯萃取剂），连接FS。

③由已知的xmR（萃余相中溶质A的 质量分数）定出点R, 再利用辅助曲 线求出E点，连接RE直线，与FS交 点为M。

原料液第一节 萃取（二）多级错流萃取萃取剂 萃余相萃 取 相 萃 余 相则 ：S MF MF = 所需萃取剂量S = ×F F MS MS由萃取剂量 求组成xmR?萃取剂和稀释剂之间不互溶体系4第一节 萃取物料平衡对于第1级，作溶质A的物料衡算：第一节 萃取理论级数如何求？已知原料液组成：XmF 萃取剂量：S 萃取剂组成：Ym0BX mF + S1Ym 0 = BX m1 + S1Ym1由上式得： Y − Y = − B ( X − X ) m1 m0 m1 mFS1（10.2.7） （10.2.8）……第1级操作线 任意一个萃取级n的操作线方程：Ymn − Ym 0 = − B ( X mn − X m ( n −1) ) Sn（10.2.9）直到萃余相的组成Xmn等于或小于所要求的XmR为止。

重复操作线的次数即为理论级数。

第一节 萃取（三）多级逆流萃取萃余相中溶质含量 低，接近与新鲜萃 取剂相平衡的程度 原料液第一节 萃取1.理论级数的计算第1级至i 级的物料衡算方程为:BX mF + SYm (i +1) = BX mi + SYm1（10.2.10）萃取剂 萃取相中溶质含量 高，接近与原料液 相平衡的程度Ym1 − Ym (i +1) =B ( X mF − X mi ) S（10.2.11） ……操作线第一节 萃取图解法求多级逆流萃取所需的理论级数Xm0 Ym2第一节 萃取Xm1 Ym3 Xm2 Ym0Ym1Xm35第一节 萃取2.最小萃取剂用量的计算• 萃取剂用量的确定影响萃取效果和设备费用。

• 萃取剂用量少，所需理论级数多，设备费用大；反之，萃 取剂用量大，所需理论级数少，萃取设备费用低，但萃取 剂回收设备大，相应的回收萃取剂的费用高。

• 在多级逆流操作中对于一定的萃取要求存在着一个最小萃 取剂比和最小萃取剂用量Smin。

• 当萃取剂用量减少到Smin时，所需的理论级数为无穷大。

第一节 萃取图解法求最小萃取剂用量萃取剂用量S值越小，理论级数越多。

B 萃取剂的最小用量： S min = （10.2.12） δ max第一节 萃取（四）连续逆流萃取连续萃取多用塔式装置，种类很多，包括：填料塔、筛板塔、 往复振动筛板塔、离心萃取机等。

第一节 萃取往复振荡筛板塔第一节 萃取第一节 萃取在连续逆流萃取计算中，主要是要确定塔径和塔高。

塔径取决于两液相的流量与塔中两相适宜的流速。

塔高的计算有两种方法： 离心萃取器 1. 理论级当量高度法 理论级当量高度He：指相当于一个理论级萃取效果的 塔段高度。

由实验研究或根据实际装置的数据求得。

理论级数：NT 塔高H=NTHe6第一节 萃取2.传质单元法第一节 萃取溶质从萃余相进入萃取相的量等于萃取相中溶质的增量：d ( Eym ) = K y ( ym* − ym ) ab Ωdh将萃取塔分隔成无数个微元 段，对微元段中溶质从料液 到萃取相中的传质过程进行 分析。

dh =d ( Eym ) ΩK y ab ( ym* − ym )（10.2.13）E——萃取相流量，kg/h ab——单位塔体积中两相界面积，m2/m3 Ω——塔截面面积，m2 Ky——总传质系数，kg/(m2 s) ym*——与组成为xm的萃余相呈平衡的萃取相组成的质量分数。

第一节 萃取当萃取相中溶质浓度较低，且萃取相和稀释剂不互溶 时，E可认为不变，Ky也可以取平均值作为常数。

第一节 萃取本节思考题(1)萃取分离的原理和特点是什么。

(2)萃取分离在环境工程领域有哪些应用。

(3)说明三角形相图中各区域点的物理意义。

（10.2.14） (4)如何得到溶解度曲线的辅助曲线，如何利用辅助曲线求得任 一平衡液相的共轭相？ (5)说明单级萃取过程在三角形相图上如何表示。