5.2液液萃取过程计算
液液萃取
绪论4.1 液液萃取过程4.2 液液相平衡4.3 萃取过程计算4.4 萃取设备4.5 萃取过程的新进展基本概念利用组分在两个互不相溶的液相中的溶解度差而将其从一个液相转移。
到另一个液相的分离过程称为液液萃取，也叫溶剂萃取，简称萃取。
待分离的一相称为被萃相，萃取后成为萃余相，用做分离剂的相称为萃取相。
萃取相中起萃取作用的组分称为萃取剂，起溶剂作用的组分称为稀释剂或溶剂。
具有处理量大、分离效果好、回收率高、可连续操作以及自动控制等特点，因此得到了广泛的应用。
1. 液液萃取过程的特点(1)萃取过程的传质前提是两个液相之间的相互接触；(2)两相的传质过程是分散相液滴和连续相之间相际传质过程。
(3)两相间的有效分散是提高萃取效率的有效手段。
(4)两相的分离需借助两相的密度差来实现。
(5)液液萃取过程可以在多种形式的装置中通过连续或间歇的方式实现。
2. 液液萃取的主要研究内容(1)确定萃取体系包括被萃相体系和萃取相体系的构成，如被萃相的酸碱度、萃取相的稀释剂等。
(2)测定相平衡数据分配系数和分离系数。
(3)确定工艺和操作条件相比、萃取剂和稀释剂用量、被萃物浓度、萃取温度等。
(4)萃取流程的建立完整的萃取和反萃流程。
(5)设备的确定设备形式和结构。
1. 萃取剂的选择(1) 萃取剂应具备的特点①萃取剂中至少要有一个能与被萃物形成萃合物的官能团。
常见的萃取官能团通常是一些包含N、O、P、S的基团。
②萃取剂中还应包含具有较强亲油能力结构或基团，如长链烃、芳烃等，以利于萃取剂在稀释剂中的溶解，并防止被萃相对它的溶解夹带损失。
1. 分配比达到萃取平衡时，被萃物在两相中的浓度比称为被萃物的分配比，也称为分配系数。
D=其中，为被萃物A在萃取相（有机相）中的浓度；为被萃物A在被萃相（水相）中的浓度。
分配比D的值越大，被萃物越容易进入萃取相。
D通常不是常数，要受萃取体系和萃取条件的影响，应根据实验来测定；D=0，表示待萃取物完全不被萃取，D=∞，表示完全被萃取。
液-液萃取操作实验
实验八 液-液萃取操作实验一、实验目的1．了解液-液萃取设备的结构和特点。
2．熟悉液 液萃取塔的操作。
二、实验原理萃取是分离液体混合物的一种常用操作。
其工作原理是在待分离的混合液中加入与之不互溶（或部分互溶）的萃取剂，形成共存的两个液相，并利用原溶剂与萃取剂对原混合液中各组分的溶解度的差别，使原溶液中的组分得到分离。
1．液-液传质的特点液-液萃取与吸收、精馏同属于相际传质操作过程，它们之间有很多相似之处。
但由于在液-液萃取系统中，两相的密度差和界面张力均较小，因而会影响传质过程中两相的充分混合。
为了强化两相的传质，在液 液萃取时需借助外力将一相强制分散于另一相中（如利用塔盘旋转的转盘塔、利用外加脉冲的脉冲塔等）。
然而两相一旦充分混合，要使它们充分分离也较为困难，因此，通常在萃取塔的顶部和底部都设有扩大的相分离段。
萃取过程中，两相混合与分离的好坏，将直接影响萃取设备的效率。
影响混合和分离的因素有很多，分离效果除了与液体的物性有关外，还与设备结构、外加能量和两相流体的流量等因素有关，以致于很难用数学方程直接求得，所以表示传质好坏的级效率或传质系数的值多用实验直接测定。
研究萃取塔性能和萃取效率时，应注意观察操作现象，实验时应注意了解以下几点：(1)液滴的分散与聚结现象。
(2)塔顶、塔底分离段的分离效果。
(3)萃取塔的液泛现象。
(4)外加能量大小(改变振幅、频率)对操作的影响。
2．液-液萃取塔的计算本实验以水为萃取剂，从煤油中萃取苯甲酸。
水相为萃取相（用字母E 表示，又称连续相、重相）。
煤油相为萃余相（用字母R 表示，又称分散相、轻相）。
在轻相入口处，苯甲酸在煤油中的浓度应保持在0.0015～0.0020（kg 苯甲酸/kg 煤油）之间。
轻相从塔底进入，作为分散相向上流动，经塔顶分离段分离后由塔顶流出；重相由塔顶进入，作为连续相向下流动至塔底经π形管流出。
轻、重两相在塔内呈逆向流动。
在萃取过程中，一部分苯甲酸从萃余相转移至萃取相。
萃取分离
萃取分离技术Extraction 5.1 概述利用物质在互不相容的两相之间溶解度的不同而使物质得到分离纯化或浓缩的方法称为萃取。
目标物液体：液液萃取固体：液固萃取（浸取）有机溶剂萃取双水相萃取液膜萃取反胶束萃取超临界萃取5.2 液固萃取（浸取）¾液固萃取，又称浸取或提取，是一种分离和富集某些天然产物、生化试剂和添加剂的有效手段。
由于溶剂渗入固体试样内部是比较缓慢的过程，因此液固萃取需要较长的时间，一般需要连续萃取。
浸提分为冷浸和热浸两种：¾冷浸法：适用于提取遇热易被破坏的物质及含淀粉、树胶、果胶、黏液质的样品。
¾热浸法：由于提高温度有利于有效成分的溶解度故提取效果较冷浸好。
该方法操作时间长，浸出溶剂用量大，往往浸出效率差，不易完全浸出，不适合有效成分含量低的原料。
为了有效成分的浸出，固体样品尽量粉碎传统的液固萃取装置是利用索氏（Soxhlet）提取器浸取在食品工业中的应用食用油¾除了采用传统的压榨法外，常采用溶剂浸提其中所含的油脂。
黄豆经溶剂浸提后，豆渣中残油量往往低于l%，远较压榨法的豆渣的残油率2%~2.5%为低。
除了油料种籽可以采用浸提法抽取其所含的油脂外，有时还采用浸提法抽取鱼肝或鱼皮的油脂。
常用溶剂：己烷、庚烷、环己烷速溶咖啡¾从咖啡豆中浸提出可溶性成分，经喷雾干燥或冷冻干燥可制得速溶咖啡。
食品功能成分的提取5.3 溶剂萃取法(Solvent Extraction)杂质目的产物料液萃取剂Light phaseHeavy phase溶剂萃取过程示意图实验室溶剂萃取过程分液漏斗有机相水相溶剂萃取法的原理萃取是根据不同物质在两相中分配平衡的差异是实现分离的。
物理萃取：利用溶剂对需分离的组分有较高的溶解能力，分离过程纯属物理过程，理论基础是分配定律；化学萃取：溶剂首先有选择性地与溶质化合或络合，从而在两相中重新分配而达到分离目的，服从相律及一般化学反应的平衡定律。
《化工原理》第九章 萃取.
第一节 液-液萃取的基本原理
图9－1 组成在三角形相图上的表示方法
第一节 液-液萃取的基本原理
此外，M点的组成也可由ME线段读出萃取剂S的含量， MF线段读出溶质A的含量，原溶剂B的含量不直接从图上读 出，而是可方便地计算出，即：B=100-(S+A)。
直角等腰三角形可用普通直角坐标纸绘制。有时，也 采用不等腰直角三角形表示相组成，只有在各线密集不便 于绘制时，可根据需要将某直角边适当放大，使所标绘的 曲线展开，以方便使用。
第一节 液-液萃取的基本原理
1．三组分系统组成的表示法
液-液萃取过程也是以相际的平衡为极限。三组分系 统的相平衡关系常用三角形坐标图来表示。混合液的组成 以在等腰直角三角形坐标图上表示最方便，因此萃取计算 中常采用等腰直角三角形坐标图。
在图9-1中，三角形的三个顶点分别表示纯组分。习 惯上以顶点A表示溶质，顶点B表示原溶剂，顶点S表示萃 取剂。三角形任何一个边上的任一点代表一个二元混合物， 如AB边上的H点代表由A和B两组分组成的混合液，其中A的 质量分数为0.7，B为0.3。三角形内任一点代表一个三元 混合物，如图M中的点，过M点分别作三个边的平行线ED、 HG与KF，其中A的质量分数以线段MF表示, B的以线段MK表 示，S的以线段ME表示。由图可读得：WA =0.4，WE=0.3， WS=0.3。可见三个组分的质量分数之和等于1。
（3）萃取剂回收的难易与经济性 萃取剂通常需要回 收后循环使用，萃取剂回收的难易直接影响萃取的操作费 用。回收萃取剂所用的方法主要是蒸馏。若被萃取的溶质 是不挥发的，而物系中各组分的热稳定性又较好，可采用 蒸发操作回收萃取剂。
在一般萃取操作中，回收萃取剂往往是费用最多的环 节，有时某种萃取剂具有许多良好的性能，仅由于回收困 难而不能选用。
实验十二液液萃取实验
实验十二液液萃取实验液液萃取实验是一种常用的分离与提取技术，通常用于分离混合溶液中的目标物质。
本实验旨在通过液液萃取的方法，将苯酚从废水中提取出来，以体验并理解这一分离技术的原理与应用。
实验目的：1. 理解液液萃取的原理与操作方法；2. 掌握液液萃取实验的步骤与注意事项；3. 实验中学会运用适当的仪器与试剂，完成液液萃取的操作。
实验原理：液液萃取是一种基于分配平衡原理的分离方法，它依靠不同物质在两种不相溶的溶剂中的分配差异，从而使目标物质从一相转移到另一相。
通常，选择一个合适的溶剂对目标物质进行提取，即在两相中形成溶质的分配平衡，然后通过分离两相，获得目标物质。
实验步骤：1. 准备工作：a. 配置提取溶剂：选择一个适合的提取溶剂，以便提取目标物质。
比如，在这个实验中，我们选择二甲苯作为提取溶剂。
b. 准备混合溶液：将含有苯酚的废水倒入分液漏斗中，并加入适量的二甲苯作为提取溶剂。
2. 萃取操作：a. 摇匀混合溶液：轻轻摇匀分液漏斗，使废水与提取溶剂充分混合。
b. 放置分液漏斗：将分液漏斗放置在合适的支架上，使两相分离。
c. 分离两相：打开分液龙头，控制滴液速度，将废水和提取溶剂分离。
注意，不要将下层的溶剂倒入废水层。
d. 分离废水层：将提取溶剂完全分离出来后，将废水层倒入废液容器中。
这样，我们就获得了含有苯酚的提取溶剂层。
3. 后续处理：a. 蒸干溶剂：将得到的含有苯酚的提取溶剂转移至蒸馏烧瓶中，并蒸干提取溶剂，以得到苯酚。
b. 收集苯酚：使用适当的工具或方法，将蒸馏烧瓶中的苯酚收集起来。
实验注意事项：1. 实验中应当佩戴实验手套、眼镜等个人防护装备，避免对人体造成伤害。
2. 实验操作过程中要小心谨慎，避免溶剂的飞溅和接触火源等危险情况。
3. 注意分离两相时的操作技巧，以免混合两相造成结果的偏差。
4. 尽量减小溶剂的损失，并确保实验室环境健康与安全。
实验结果与讨论：通过本实验，我们成功地使用液液萃取的方法，将废水中的苯酚提取出来。
5.2液液萃取过程计算
(5-1)
被萃取组分 i 在 j 平衡级上的萃取因子 ε i,j 为：
ε i, j =
mi , jV j Lj
(5-2)
Kremser 的集团法假定每一个平衡级的 ε i, j 相等， 略去下标 j。 定义 Φ E 为进料中组分 i 被萃取的分数 (相对萃取率 )， 类似 (4-36)式解吸过程 的推导： ε eN +1 − ε e l0 − l N = ΦE = (5-7) l0 − l N +1 ε eN +1 − 1
5 液液萃取
5.2 液液萃取过程的计算
5.2 液液萃取过程的计算 5.2.1 逆流萃取计算的集团法 Kremser 的集团法关联分离过程的进料和产品组成与所需级数的关系， 不 能提供各级温度与组成。
L相 传质过程 V相
i 组分 传质过程 k组分
L相
V相
组分 i 在 j 平衡级上的分配系数为：
mi , j = yi , j xi , j = vi , j / V j li , j / L j
5.24
5 液液萃取
5.2 液液萃取过程的计算
H = ∫ dz = ∫
0
z
xA 2
x A1
dxA L SK oxα (1 −Leabharlann x A )( xA − x* A)
=∫
yA2 y A1
dy A V SK oyα (1 − y A )( y* A − yA )
xA 2
(5-18)
根据相间传质的膜理论分析， 由式 (5-18)最终可推导出，
∗
x A1
yA2
1 1 − x A1 + ln 2 1 − x A2
1 1 − y A2 + ln 2 1 − y A1
生物分离工程-第5章-萃取技术
单级萃取
假定：两相中的分配很快达到平衡； 两相完全不互溶，完全分离。
X S VS CS VS 1 ★ 萃取因素： E 萃取液溶质总量 ＝ ＝K K 萃余液溶质总量 XF VF CF VF m
单级萃取
单级萃取：只包括一个混合器和一个分离器
分离因素（β）
分离因素表示有效成分A与杂质B的分离程度。
KA KB
β=1 KA = KB 分离效果不好；
β>1 KA > KB 分离效果好；
β越大，KA 越大于KB，分离效果越好。
弱电解质在有机溶剂-水相的分配平衡
分配系数中CO和CW 必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。对 于弱电解质，在水中发生解离，则只有两相中的单分子化合物的浓度才 符合分配定律。 例如青霉素在水中部分离解成负离子（青COO－），而在有机溶剂相 中则仅以游离酸（青COOH）的形式存在，则只有两相中的游离酸分子 才符合分配定律。
多级逆流萃取
在多级逆流萃取中，在第一级中连续加入料液，并 逐渐向下一级移动，而在最后一级中连续加入萃取 剂，并逐渐向前一级移动。
料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反，故称为 逆流萃取。 在逆流萃取中，只在最后一级中加入萃取剂，故和 错流萃取相比，萃取剂之消耗量较少，因而萃取液 平均浓度较高。
有机溶剂萃取的影响因素
pH的影响
pH对表观分配系数的影响（pH-K）
pH低有利于酸性物质分配在有机相，碱性物质分 配在水相。 对弱酸随pH↓，K↑, 当pH << pK时，K→K0
由萃取机理和K～pH的关系式可得出如下结论
酸性物质 萃取 反萃取 pH<pK pH>pK 碱性物质 pH>pK pH<pK
萃取过程的计算
和点 M 与差点 E 、 R 之间的关系可用杠杆规 则描述，即 ：
(1) 几何关系：和点 M 与差点 E 、 R 共线。 即：和点在两差点的连线上；一个差点 在另一差点与和点连线的延长线上。
(2) 数量关系：和点与差点的量之间的关 系符合杠杆原理，即，
根据杠杆规则，若已知两个差点，则可确定 和点；若已知和点和一个差点，则可确定另 一个差点。
5.2 萃取过程的计算
5.2.1逆流萃取计算的集团法
定义 ΦE为进料中组分 i 被 萃取的分数
逆流萃取塔
各式可用质量单位或摩尔单位。由于在 绝热萃取塔中温度变化一般都不大，因此一 般不需要焓平衡方程，只有当原料与溶剂有 较大温差或混和热很大时才需考虑。
5.2.2 微分逆流萃取的计算
一﹑活塞流模型 活塞流模型是一个完全理想化的微分逆流 萃取模型。它假定塔内同一截面上任一点每 一相的流速相等，两相在塔内作活塞流动； 两相的传质只发生在水平方向上，在垂直方 向上，每一相内没有物质传递。
该方程为非线形方程，用迭代方法求解 H=5.26 m 效率=（HTU）ox（NTU）ox / H = 4×0.9144 / 5.26 ×100% = 69.5%
补充材料:萃取应用与设备
现在萃取技术已在各方面获得了广泛的应 用： 炼油和石化工业中石油馏分的分离和 精制，如烷烃和芳烃的分离、润滑油 精制等； 湿法冶金，铀、钍、钚等放射性元素 、稀土、铜等有色金属、金等贵金属 的分离和提取；
磷和硼等无机资源的提取和净化； 医药工业中多种抗生素和生物碱的分离
提取； 食品工业中有机酸的分离和净化； 环保处理中有害物质的脱除等。
一些工业萃取过程
工业萃取过程举例
--醋酸萃取
醋酸是一种常用的化学品。在醋酸的生 产和使用过程中，经常需要进行醋酸 - 水的 分离。通常，可以用普通精馏的方法进行醋 酸（b.p.=118.1℃）和水（b.p.=100.0℃） 的分离。当溶液中醋酸含量较低时，由于水 的汽化潜热很大，精馏的能耗很高，此时采 用萃取的方法从经济上更为有利。
液液萃取
(1) 流程
第二节 萃取过程的计算
mF, xF
mS
xE, y 混合器 mM, z mR, x
澄清槽
单级萃取流程示意图
（2）特点 ◇ ◇ （3）计算 已知原料液的处理量及组成（生产工艺给定），计算： 操作型：给定S 的用量mS 及组成，求萃取相E与萃余相R的量mE 和mR 及组成 y、x。 设计型：根据给定的原料液F及规定的分离要求，求溶剂S用 量。 原料液与溶剂一次性接触。 萃取相与萃余相达到平衡。
水包油（O/W）型
油包水（W/O）型
降低界面张力，降低表面自由能 界面电荷 界面膜 增大介质黏度
4）生物类料液引起的乳化现象
• 原因——蛋白质是一种天然乳化剂
• 种类——大多形成W/O型
5）去乳化方法
加热 稀释 离心 过滤 静电 电解质 顶替法 转型法
一、单级萃取
来决定。
根据萃取目标物质的介电常数，寻找极性相接近的溶剂 作为萃取溶剂，也是溶剂选择的重要方法之一。
三、萃取分离的影响因素
1.萃取剂的影响与选择原则
① 萃取剂的选择性 萃取剂的选择性系数β大，则此种萃取剂的选择性好 ② 萃取剂与原溶剂的互溶度 ③ 萃取剂的物理性质 萃取剂与稀释剂之间应有较大的密度差，且二者之间 的界面张力适中 ④ 萃取剂的化学性质 化学稳定性好，不易分解，闪点高，且对人体无毒性 或毒性低 ⑤ 萃取剂的回收 蒸馏 ⑥ 萃取剂经济好，价廉易得，且对设备腐蚀性小、安全性 好
液液萃取
11 液液萃取（溶剂萃取）Liquid-liquid extraction(Solventextraction)11.1 概述一、液液萃取过程：1、液液萃取原理：根据液体混合物中各组分在某溶剂中溶解度的差异，而对液体混合物实施分离的方法，也是重要的单元操作之一。
溶质 A + 萃取剂 S——————〉S+A (B) 萃取相 Extract分层稀释剂 B B + A (S…少量) 萃余相 Raffinate（残液）一般伴随搅拌过程 => 形成两相系统，并造成溶质在两相间的不平衡则萃取的本质：液液两相间的传质过程，即萃取过程是溶质在两个液相之间重新分配的过程，即通过相际传质来达到分离和提纯。
溶剂 extractant（solvent)S 的基本条件：a、S 不能与被分离混合物完全互溶，只能部分互溶；b、溶剂具有选择性，即溶剂对A、B两组分具有不同溶解能力。
即（萃取相内）（萃余相内）最理想情况： B 与 S 完全不互溶 => 如同吸收过程： B 为惰性组分相同：数学描述和计算实际情况：三组分分别出现于两液相内，情况变复杂2 、工业萃取过程：萃取不能完全分离液体混合物，往往须精馏或反萃取对萃取相和萃余相进行分离，而溶剂可循环使用。
实质：将一个难于分离的混合物转变为两个易于分离的混合物举例：稀醋酸水溶液的分离：萃取剂：醋酸乙酯3 、萃取过程的经济性：取决于后继的两个分离过程是否较原液体混合物的直接分离更容易实现（ 1 ）萃取过程的优势：（与精馏的关系）ａ、可分离相对挥发度小或形成恒沸物的液体混合物；ｂ、无相变：液体混合物的浓度很低时，精馏过于耗能（须将大量 B 汽化）；ｃ、常温操作：当液体混合物中含有热敏性物质时，萃取可避免受热；ｄ、两相流体：与吸附离子交换相比，操作方便。
（ 2 ）萃取剂的选择——萃取过程的经济性a、分子中至少有一个功能基，可以与被萃取物质结合成萃合物；b、分子中必须有相当长的烃链或芳香环，可使萃取剂和萃合物容易溶解于有机相，一般认为萃取剂的分子量在350－500之间较为合适。
传质与分离技术之其他分离技术和分离过程
多级逆流萃取 萃取
连续逆流萃取
双组分萃取（回流萃取）
溶质A可溶于稀释剂B及萃取剂S中，但萃取剂 S与稀释剂B不互溶
三元物系
溶质A可溶于稀释剂B及萃取剂S中，稀释剂B
与萃取剂S也可部分互溶
三元混合液中有两对组分可部分互溶，即溶质 A与萃取剂S部分互溶，稀释剂B与萃取剂S也部 分互溶
5.2
三元体系液液相平衡
A K D
1、三元组成在三角形相图中的表示法
三个顶点：纯物质
三条边上的点：二元 混合物的组成 H点的组成为： H · E M B
x A BH 0.7
xB AH 0.3
F
G
S
三角形内的任一点：一定组成的三元混合物
M点的组成为：
x A BE 0.4 xB SG 0.3 xS AK 0.3
D R
S min
一、单级萃取的流程与计算
1、单级萃取的流程
2、单级萃取的计算
1）萃取剂与稀释剂部分互溶的体系
原料液F
萃余相R
xF
萃取剂S
xR
萃取相E
ys
yE
MF S F MS
E ' FR' E’ R' FE '
E ' R' F
FD F DS R’
F
●
R ME E MR
F S RE M
yB kB xB
分配系数表达了某一组分在两个平衡液相中的分配关系。
kA值与联结线的斜率有关。
联结线的斜率＞0 kA＞1，yA＞xA
联结线的斜率为0
kA =1，yA=xA
联结线的斜率＜0
kA＜1， yA＜xA
液液萃取塔设计计算
udf 2u0df 2 (1 df )
况。无界面张力σ参数。
一、填料萃取塔设计计算
液泛速度的计算 ucf 、udf
②直接计算法（经验关联式）
Crawford-Wilke法（1951）
实验体系有汽油-水、四氯化碳-水、MIK-水等， 体系界面张力8.9~44.8N/m 所用填料12.7mm~38mm的石墨或陶瓷的拉西环和鲍尔鞍等， 填料空隙率为0.5~0.74。 Kummar-Hartland法（1989）
0.43
c c Dc
0.58
us
1 d
Seibert法
①计算液滴内分传质系数kd时，引入判据
Scd 0.5 / 1 d / c Scd d / d Dd
当Φ≤6时，应用Handlos和Baron的湍流内循环模型 kd 0.00375us / (1 d / c )
一、填料萃取塔设计计算
计算kc、kd、Koc
1 1 1 Koc kc mkd
两相传质比表面积： a 6d / d p
真实传质单元高度： Hox uc / Koca
考虑轴向扩散系数 塔径大，轴向反混的影响不容忽视时
①计算连续相轴向扩散系数Ec ②计算分散相轴向扩散系数Ed
③计算分散单元高度Hoxd
0
Laddha法（1983）
u0
C
ac 3 g
0.5
无传质，C=0.683 d→c，C=0.820 c→d,C=0.637
df 3
2 1 8 / LR
LR Qd Qc
ucf u0 (1 2df )(1 df )2
主要用于乱堆填料和分 散相存留分数小于15%的情
液液萃取液液相平衡
第Ⅱ类物系 A和B完全互溶 B和S及A和S部分互溶
一个均相区 两个两相区
一个两相区 两个均相区
某些物系当温度降低至某一程度时，溶质A和溶剂S可由完全互溶转化为部
分互溶，即由第I类物系转化为第II类物系。
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第 I 类物系与第 II 类物系之间的转化 A和S完全互溶至A和S部分互溶的转化示例
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溶解度曲线的两种测定方法示意图
K
（1）R 相和 E 相互为共轭相
（2）RE 线称为平衡联结线
（3）溶液总组成点必落在平衡联结线上
（4）K 点称为临界混溶点（或褶点）
（5）溶解度曲线所包含的区域为两相共存区
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（6）溶解度曲线以外的区域为均相区
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第Ⅰ类物系 A完全溶于B和S B和S部分互溶
为部分互溶物系的相平衡关系。
1. 溶解度曲线
如图所示，在一定温度下，取一由部分互溶的B和S组成的溶液M，分层后两相组
成点分别为R和E。
在上述溶液中逐次加入定量溶质A，其组成点依次为M1、M2、M3。如每次加入A 后的溶液都经过充分的混合，使A在两相中达到平衡状态，那么互成平衡两相(称
共轭相)的组成分别为E1、R1；E2、R2；E3、R3。当加入溶质A使溶液组成达到 图中K点以后，混合液将保持均相状态，该点称为临界混溶点（或褶点）。连接
M点的位置，以确定其组成。图中三点E、M、R为一直线，其中的M点称为R与
E的和点，R与E称为M点的差点。
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总物料衡算 M R E （1）
A
第5章液液萃取
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25
活塞流模型
两相在塔内作活塞流 轻相为萃取相，重相 为萃余相，相间传质 只在水平方向发生。
取微元体，对溶质A作 物料恒算，结合其速率方程可推出萃取塔高的计 算式，与填料塔汽液传质类似： 塔高=传质单元高度×传质单元数
④溶质的分配系数为一常数。
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二、轴向扩散模型
Ex 、Ey分别为两相的
扩散系数；
K0x 为基于萃余相的 总传质系数
稳态下传质方程为：
Ex
d 2cx dz 2
Vx
dcx dz
K0xa
cx c*x
0
Ey
d 2cy dz 2
Vy
dcy dz
K0xa
cx c*x
溶解度曲线: ys=φ(yA); xs=φ(xA) 3）平衡联结线: yA= f (xA)
2021/4/14
9
5.3 萃取设备与流程
两相接触方式：
微分接触 如喷洒塔 级式接触 如萃取槽
2021/4/14
10
级式接触：
多级错流萃取
多级错流是单级萃取的 多次重复，可得含溶质 很低的萃余相，但溶剂 用量较多。
组分i的分配系数为：mi
yi xi
vi li
V L
定义萃取因子：
i
miV L
其倒数为：ui
1
i
L miV
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22
吸收中的吸收因子法
vN1 v1 vN AN l0 A1 A2....AN A2 A3....AN ... AN
液液萃取过程中传质系数的计算
液液萃取过程中传质系数的计算液液萃取（Liquid-Liquid Extraction）是一种常用的分离技术，是指将混合溶液中的一种或几种有机物从其中分离出来的一种技术。
它可以将有机物以溶剂状形式抽出，也可以将无机物抽出，可以以非常低浓度的溶质进行有效的分离。
这最大程度地减少了分离中的溶剂消耗，极大地节约了能源、时间，降低污染和成本。
传质系数(Mass Transfer Coefficient)是指液液萃取过程中溶质物在两相之间的传质过程的系数，是萃取效率与萃取时间的决定因素之一。
一、传质系数的量化液液萃取中的传质系数可以用相关公式来量化：1. 二相流传质系数：即溶液和萃取剂流动混合时，溶质从一相迁移到另一相的物料传质速率。
2. 热力学传质系数：指的是热力作用的影响，是液体混合的基本参数。
3. 动力学传质系数：是指溶质从一相迁移到另一相的传质速率，也是传质系数的另一基本参数。
4. 外加参数的传质系数：传质系数中的第四个参数，是外加参数的综合影响，包括蒸汽、添加催化剂、增添体积等外界因素。
二、传质系数影响因素1. 溶质属性：溶质的性质包括分子量、反应特性、性状和结构等，对传质系数有重要影响。
2. 溶剂属性：溶剂性质、溶质浓度、相对极性和物理状态等，也会影响传质系数。
3. 温度影响：温度影响溶质的传质速率，当温度升高时，传质系数也会提高。
4.物理性质：包括传质过程中的空气、蒸气、液体湍流和掺杂等物理性质，都会影响传质系数。
三、传质系数的计算传质系数的计算可以使用一些适用性强的公式，比如等静力学理论、溶质伴性传质相关理论、热力学表达式等，也可以采用一些量化测试法（如摩克杯实验）来计算该参数。
一般来说，传质系数是分步测量的，即根据系统不断变化的参数，重复测试传质系数的数值，然后取其极限值。
此外，可以借助计算机模拟传质系数，并结合实际测量结果来估算，得到最终的数值。
综上所述，传质系数是液液萃取过程中混合物质从一相向另一相转移的能力指标，对液液萃取过程的萃取效率和萃取时间有重要影响，可以采用公式计算、实验测量、计算机模拟等方式来进行确定。
液液萃取操作流程
液液萃取操作流程《“液液萃取”那些事儿》嘿，大家好啊！今天咱要来唠唠液液萃取操作流程这档子事儿。
液液萃取啊，就像是一场特别的“寻宝游戏”！准备工作就像是在整理自己的行囊，要把该带的家伙什都准备齐全咯。
那大大小小的容器，仿佛就是我们冒险路上的各种道具。
当一切准备就绪，那就是正式开始游戏啦！首先就是把咱的原料液倒进那个特别的“大宝罐”里。
这时候我就老觉得自己像个厨师，在给我的“美食大餐”准备材料。
接下来，关键的角色登场了，就是咱的萃取剂。
这萃取剂啊可是有大能耐的，它就像是一个神奇的“磁铁”，能把我们想要的宝贝从那堆原料液里给吸出来。
倒入萃取剂后啊，就得开始摇啊摇，晃啊晃。
这感觉就好像在给它们俩举办一场盛大的舞会，让它们好好地亲密接触一下，然后产生奇妙的反应。
看着它们在那里翻滚、融合，我这心里就琢磨着，嘿呀，它们正在里面忙活着呢，不知道会变出啥好东西来。
等它们跳完舞，就该静置啦。
这时候就像是让它们好好休息一下，慢慢沉淀下来。
然后就会神奇地看到分层出现啦，就跟变魔术似的。
上面那层就是我们辛辛苦苦“淘”到的宝贝啦。
接着就是把那宝贝给分离出来咯。
这过程就像是在小心翼翼地从宝藏堆里挖出我们最想要的那颗宝石。
得轻手轻脚，生怕一不小心就把好不容易得来的成果给搞砸了。
要是不小心弄洒了一点，哎哟喂，那可真叫一个心疼啊，感觉就像掉了几块金子一样。
最后，把得到的宝贝妥善处理好，这一场液液萃取的冒险就完美结束啦！每次完成一次液液萃取操作流程，我都感觉自己像是个小小的科学家，在这个神奇的化学世界里探索着、发现着，别提多有成就感啦！总之啊，液液萃取操作流程虽然看似复杂，但只要咱用心去玩这场“寻宝游戏”，那肯定会收获满满，乐趣无穷。
怎么样，听了我的分享，是不是对液液萃取有了更有趣的认识呀？哈哈！。
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5.2-
7
5 液液萃取
5.2 液液萃取过程的计算
式中 cx 是与萃取相主体中溶质浓度成平衡的萃余相溶质浓度。
*
边界条件为： 在 z＝ 0： V x c xF = V x c xo − E x
dc y / dz = 0
dc x / dz = 0
dc x dz
dc y dz
(5-31) (5-32) (5-33) (5-34)
组分 k 留在萃取相的 (相对 )分数：
(5-4)
1 − ΦU =
ue − 1 ueN +1 − 1
(5-5)
1/ 2 式中： u e = [u N (u1 + 1) + 0.25] − 0.5 (5-6)
计算 ε 1 和 ε N 需要 L1、 LN， 假定两相线性分布， 由总物料衡算确定。 在塔顶：
H =∫ =
x A1
(1 − xA )lm dxA L ⋅ SK oxα (1 − xA )lm (1 − xA )( xA − x* A)
L SK oxα (1 − xA )lm
yA2 y A1
∫
xA 2
x A1
(1 − xA )lm dxA (1 − xA )( xA − x* A)
H =∫ =
(5-27)
ε
( NTU ) oy
⎤ ⎡⎛ y A1 − mx A1 ⎞ ⎟ ( ) ε ε ln ⎢⎜ 1 − + ⎥ ⎜ y − mx ⎟ A1 ⎠ ⎝ A2 ⎦ ⎣ = 1− ε
(5-28)
一般情况的积分计算采用图解法或数值积分的方法计算 (5－ 19)的积分值。 二、 轴向扩散模型 活塞流模型没有考虑轴向混合或扩散， 与实际情况偏差较大。 轴向扩散模型假定： ①相际连续逆流传质传质； ②每一相中都存在着从高浓度到低浓度的传递过程， 相内的扩散通量服从 费克定律， 用连续相和分散相的轴向扩散系数两个参数描述。 萃取塔中连续相的轴向混合由扩散模型得到较好描述。但分散相的轴向混
H V = ( HTN )OY SK oyα (1 − y A )lm
5.2-
5
5 液液萃取
5.2 液液萃取过程的计算
H = ( HTU ) ox × ( NTU ) ox = ( HTU )oy × ( NTU )oy
(5-22)
若式 (5-19)中的积分项中的对数平均值的推动力差不大时， 用算术平均值 代 替 ， 所 引 起 的 误 差 不 大 于 1.5 ％ ： (1 − x A ) lm (5-23)
5.26
5 液液萃取
5.2 液液萃取过程的计算
合复杂得多， 只有搅拌激烈、液滴较小时， 扩散模型才接近于实际情况。 1. 模型方程
E x ， E y 分别为两相的轴向扩散系数， kL 是以 (cx − cx∗ ) 为推动力的液相传质系 数。
分析微分段 dz 内的传质情况， 物料衡算出发， 列出如下稳态条件下的传 质方程： dcx d 2 cx dc + 2 dz ) − Vx (cx + dcx ) − Ex x = k L a(cx − cx∗ )dz Vx cx + Ex ( dz dz dz 化简： d 2 cx dc Ex − Vx x − k L a(cx − cx∗ ) = 0 (5-29) 2 dz dz d 2cy dc y − − k L a (c x − c x ∗ ) = 0 Ey V (5-30) y 2 dz dz
5.2-
3
5 液液萃取
5.2 液液萃取过程的计算
分析微分段 (z， z+dz)内的传质情况。只考虑单个溶质 A 的传质。 设塔内 V 相和 L 相中的溶质浓度为 y 和 x ， 塔横截面积为 S， 单位柱体积内 传质界面积为 a， 总传质系数分别为 K ox ， K oy 。对两相作 A 组分的物料衡 算： * d ( N A ⋅ S ) = K oxα S ( xA − x* (5-14) A ) dz = K oyα S ( y A − y A ) dz
( NTU )OY = ∫ ( HTU )OY =
则塔高：
x A1
(1 − xA )lm dxA (1 − xA )( xA − x* A)
H L = ( HTN )OX SKoxα (1 − xA )lm
yA2 y A1
(1 − y A )lm dy A (1 − y A )( y* A − yA )
mi , NVN LN
(5-11) (5-13)
LN = L0 + VN +1 − V1
计算萃取过程不总是可靠的， 其主要原因是分配系数变化很大。 (5-2)到 (5-13)各式可用质量单位或摩尔单位。 萃取温度变化一般都不大， 不需要焓平衡方程， 当原料与溶剂有较大温差 或混合热很大时需考虑。 5.2.2 微分逆流萃取计算 理想微分逆流的数学模型即活塞流模型， 广泛采用的轴向扩散模型。 一、 活塞流模型 下图是微分逆流萃取塔示意图。两相塔内作活塞流动。轻相自下而上和重 自上而下流动。 相间传质只在水平方向， 垂直方向每一相内都不发生传质。
ε i,1 =
1 1 VN +1 N V1 V1 N =（ ） , V2 = V1 ( ) V2 VN +1 V1
mi ,1V1 L1
(5-9) (5-10)
L1 = L0 + V2 − V1
在塔釜：
5.2-
2
5 液液萃取
5.2 液液萃取过程的计算
ε i,N =
VN V 1 V 1 = （ 1 ） N ， VN = VN +1 ( 1 ) N VN +1 VN +1 VN +1
5.24
5 液液萃取
5.2 液液萃取过程的计算
H = ∫ dz = ∫
0
z
xA 2
x A1
dxA L SK oxα (1 − x A )( xA − x* A)
=∫
yA2 y A1
dy A V SK oyα (1 − y A )( y* A − yA )
xA 2
(5-18)
根据相间传质的膜理论分析， 由式 (5-18)最终可推导出，
(1 − y A ) lm dy A V ⋅ SK oyα (1 − y A ) lm (1 − y A )( y * A − yA )
V SK oyα (1 − y A ) lm
∫
yA2 y A1
(1 − y A ) lm dy A (1 − y A )( y * A − yA )
(5-19)
式中：
假定个平衡级的 u k, j 相等， 略去下标 j。 定义 Φ U 为溶剂中组分 k 进入萃余相中的 (相对 )分率。 类似吸收因子法式 (4-31)， 组分 k 进入萃余相的 (相对 )分数：
v N +1 − v1 ueN +1 − ue ΦU = = N +1 v N +1 − v0 ue − 1
( HTU ) oydis Vx 。 KLa
③轴向混合所增加的传质单元高度称为扩散传质单元高度， ( HTU ) oxdis 和
③ 三者之间的关系：
( HTU ) oxapp = ( HTU ) oxtru + ( HTU ) oxdis
这样萃取塔复杂的传质特性分解成两方面的问题来处理： ① 计算无轴向混合影响的真实传质单元高度 ( HTU ) oxtru ； ② 估计轴向混合影响的扩散单元高度 ( HTU ) oxdis ； ③ 将两者相加得到表观传质单元高度 ( HTU ) oxapp 。 这种近似解的计算过程见下图。
(5-37)
5.2-
9
5 液液萃取
5.2 液液萃取过程的计算
有关步骤分别说明如下： ① 设计计算的原始数据： 两相的进出口浓度 cxF、 cxR、 cyE、 cyS， 两相流速 Vx、 Vy 以及平衡关系 cy＝ mcx， 还需轴向扩散系数 Ex、 Ey 以及无轴向扩 散的传质单元高度 (HTU)oxtru 或 (HTU)oytru。 ②两相按活塞流模型的假定， 用式 (5-25)和式 (5-26)计算表观传质单元数 (NTU)oxapp 或 (NTU)oyapp， 即在活塞流模型中的 (NTU)ox 或 (NTU)oy。 ③当萃取因子 ε =
(1 − x A ) + (1 − x A ) ≈ 2
∗
(1 − y A ) + (1 − y A ) (1 − y A ) lm ≈ 2 因此， 式 (5-19)中的积分项可以表示为：
( NTU ) ox = ∫
( NTU ) oy = ∫
xA2
∗
(5-24)
dx A xA − xA dy A
yA − yA
类似方法变换边界条件。 2． 近似解法 Miyauchi 和 Vermeulen 等人发展了一种扩散模型的近似解法。
① 按活塞流计算的传质单元高度称为表观传质单元高度，
( HTU ) oyapp
( HTU ) oxapp 和
②无轴向混合影响的传质单元高度称为真实传质单元高度， ( HTU ) oxtru 和 ( HTU ) oytru ， 可以根据传质系数计算， 如： ( HTU )oxtru =
∗
x A1
yA2
1 1 − x A1 + ln 2 1 − x A2
1 1 − y A2 + ln 2 1 − y A1
(5-25) (5-26)
y A1
∗
对于互不相溶的稀溶液体系， 且平衡曲线接近于直线时， 传质单元数的计 算公式可进一步简化为：
( NTU ) ox ⎡⎛ x A1 − y A 2 / m ⎞⎛ 1 ⎞ 1 ⎤ ln ⎢⎜ ⎜ x − y /m⎟ ⎟⎜1 − ε ⎟ + ε ⎥ ⎠ A 2 A 2 ⎝ ⎠⎝ ⎦ = ⎣ 1 1−