第12章 萃取讲解

两相区
辅助线
P161 利用辅助曲线可求任一
BR
M
B、S 部分互溶时
ES
已知平衡液相的共轭相
§12.1 萃取的基本概念
9
2. 分配系数和分配曲线
1）分配系数
化
k A
组分A在E相中的组成 组分A在R相中的组成

yA xA
工 原
kB

yB xB
理 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。


1
Am


§12.2 萃取过程的流程和计算
33
3）多级逆流萃取的最小溶剂用量
Y E
化
工
原 理
O

S B
min
XF XN YF YS
XN
XF
X
若为纯溶剂

S B
min
XF XN YF
XF XN KX F
K
§12.2 萃取过程的流程和计算
R ME E MR
FS REM
E
Smax
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F

GF GS
M
G
最大萃取
剂用量
§12.2 萃取过程的流程和计算
21
2）萃取剂与稀释剂不互溶的体系
萃取相中溶质A的浓度（质量比） Y kg(A) kg (S )
化 萃余相中溶质A 的浓度（质量比） X kg(A)
工 由物料衡算
kg(B)
理
△
RN
§12.2 萃取过程的流程和计算
30
Note: 点△的位置与联接线斜率、原料液的流量和组成、
萃取剂用量和组成、最终萃余相组成等有关。 其它条件一定时，点△的位置由溶剂比决定： 化 S/F较小时，点△在左侧，S用量越小， △越靠近S；
工 S/F较大时，点△在右侧，S用量越大， △越靠近S。
2）萃取剂与稀释剂不互溶的体系
1
§12.1 萃取的基本概念 化 一、液液萃取简介 工 1. 萃取原理
利用液体混合液中各组分在萃取剂中的溶解度差异
原
实现分离的单元操作。
理
溶质 A ：混合液中欲分离的组分 稀释剂（原溶剂）B： 混合液中的溶剂
§12.1 萃取的基本概念
2
萃取剂S： 所选用的溶剂
2. 基本过程描述
化 原料液
A+B
工
原
组分B与S的互溶度影响溶解度曲线的形状和分层面积。
§12.1 萃取的基本概念
16
化 Em ax
工
Em ax
原
理 B、S互溶度小，分层区面积大， 可能得到的萃取液的最高浓度y’max较高。 B、S互溶度愈小，愈有利于萃取分离。
§12.1 萃取的基本概念
17
3. 萃取剂回收的难易
被分离体系相对挥发度α大，用蒸馏方法分离；
M
§12.1 萃取的基本概念
14
五、萃取剂的选择
1. 萃取剂的选择性和选择性系数
化 1）萃取剂的选择性
工


A在萃取相中的质量分率 B在萃取相中的质量分率
A在萃余相中的质量分率 B在萃余相中的质量分率
原
理
yA xA yA yB yB xB xA xB
kA kB
§12.1 萃取的基本概念
工 kA>1，求：
（1）萃取液与萃余液的量；
原 （2）选择性系数；
理
§12.2 萃取过程的流程和计算
27
二、多级逆流萃取的流程与计算
1. 多级逆流萃取的流程
化
工
原
理 特点：传质推动力较为均匀，分离效率高， 溶剂用量少，工业中广泛应用。
§12.2 萃取过程的流程和计算
28
2. 多级逆流萃取的计算
如果α接近1，可用反萃取，结晶分离等方法。
化 4. 萃取剂的其它性质
工 1）萃取剂的密度
原 萃取剂与被分离混合物应有较大的密度差
理 2）界面张力 首要考虑的还是满足分层的要求。 一般不选界面张力过小的萃取剂。
§12.1 萃取的基本概念
18
3）粘度
粘度小对萃取剂有利
化 5. 一般工业要求
工
化学稳定性好、不易聚合、分解、腐蚀性小、无毒、
§12.1 萃取的基本概念
10
化
工
原
理 联结线的斜率＞0
kA＞1，yA＞xA
联结线的斜率=0 kA =1，yA=xA
kA值愈大，萃取分离的效果愈好。
联结线的斜率＜0
kA< 1， yA＜xA
§12.1 萃取的基本概念
11
2）分配曲线
yA f (xA)
化
工
原
理
§12.1 萃取的基本概念
12
4. 温度对相平衡关系的影响
15
β=1 ， yA yB xA xB A、B两组分不能用萃取分离；
β>1，组分A在萃取相中浓集；
化 β越大，组分A与B萃取分离的效果越好。
工 2）选择性系数和分配系数的关系
原 kA愈大，kB愈小，选择性系数愈大 选择性系数表示萃取剂对组分A、B溶解能力差别的大小
理
2. 萃取剂S与稀释剂B的互溶度
原
B，XF
X1
X2
1
理
S，Y1
2
Y2
Y3
B，XN N
S，YS
§12.2 萃取过程的流程和计算
35
解 一 ：
B
逐级计算 Yi S X i1 X N YS
Yi KX i
Y1

B S
XF

XN
YS=
30 40
(0.3-0.05)+0
=
0.1875
化
X1=Y1/KA=0.125 Y2= B S (X1-XN)+YS=0.05625
%A %B %S 100%
§12.1 萃取的基本概念
6
2.
三角形相图中的杠杆定律 ——萃取物料衡算的依据
•三点共线
化 M点：和点
F、S：差点 工
•线段成比例
原
F MS
理
S FM
E MR R ME
A
E
F
差点
E
M
R
和点
R
B
杠杆
差点
S
§12.1 萃取的基本概念
Note: 杠杆原理的实质即物料衡算
工 过点（XF，0）， 原 斜率为 B
S
理
Y
相平衡关系：YE f X R
简化：
E1
YE

KX R
YE
B
S
XR
XF X
§12.2 萃取过程的流程和计算
23
例1 单级萃取
采用纯溶剂进行单级萃取。已知料液组成xF=0.3 (质量 分率，下同)，选择性系数为6，在萃余相中xA xB 0.25 ，kA < 1 ，溶解度曲线如图所示。试求：
离开的两相
Ri、Ei呈相平 衡关系
§12.2 萃取过程的流程和计算
20
确定点F、S（或S0）、点R，点E，作联结线，找到点M， 利用杠杆原理求各量。
化
E' FR'
工
R' FE' E’
E'R' F
原
理
FD F ● Smin F DS
D
R’ ● R
最小萃取 剂用量
S MF F MS
A
物料衡算：F S M
化
FxF S 0 MxM
工 FxF F SxM
F
差点 M
G 和点
原
F S
xM 0 xF xM
MS FM
B
理 三角形相图的应用：
1. 查取浓度； 2. 表示混合、分离等过程； 3. 定量计算----杠杆原理。
7
杠 杆
差点
S
§12.1 萃取的基本概念
§12.2 萃取过程的流程和计算
29
F E1 R1 E2 R2 E3 Ri Ei1 RN1 EN
RN S ——操作点
化
如此反复，直至萃余相
工
组成小于等于指定值为
原
操作线 F R1
E1 E2
止，共轭线的个数即为
R2 M
E3 理论级数
物系的温度升高，组分间的互溶度加大
温度升高，分层区面积缩小
化
工
原
理
T1＜T2＜T3
§12.1 萃取的基本概念
13
四、三角形相图在单级萃取中的应用
对应
化
最大 萃取
Em ax
工
液浓 E
度
原 F●
理 S MF F MS
R R
E RF R EF
E R F
E MR
E
R ME
化 （2）溶剂比S/F是最小溶剂比（S/F）min多少倍？
A
工
原
SF
S F min
MF M F
MS M S
理
MF M S
M F MS
E’
F
R’
M
M
R

B
25
E
S
§12.2 萃取过程的流程和计算
26
补充作业：
用纯溶剂作单级萃取，已知萃取相中浓度比
化
yA/yB=7/3，萃余相中浓度比 xA/xB=1/4，原料液浓度 xF=0.4，原料液量为100kg，操作条件下，分配系数
原
理
§12.1 萃取的基本概念
4
二、 三角形相图
1. 三元组成的表示法
化
工
原
等腰直角三角形 等边三角形 不等腰直角三角形
理 组分的浓度以摩尔分率，质量分率表示均可。 常用 xA、xB、xS分别表示 A、B、S 的质量分率。
§12.1 萃取的基本概念
5
A
A
0.8
0.6
化
E 0.4
M
0.8
0.6 E 0.4
XF
X
§12.2 萃取过程的流程和计算
32
b）解析法
分配曲线： Y KX
化
设：
Am

KS B
——萃取因子
（对应吸收中的脱吸因子）
工 交替应用物操料作衡线算方关程系 和 相分平配衡曲关线系方程
原
B
Yi S X i1 X N YS
理
（类似吸n收Y中ln克1KA列mX姆ln塞尔1方程A1m的推XX导Fn ）YYKKSS
34
例 在多级逆流接触式萃取器中，每小时用40kg纯溶剂S 对某A、B两组分混合液进行萃取分离。在操作条件下，
B与S完全不互溶，以质量比表示的分配系数为1.5。已知
化 稀 释 剂 B 的 流 量 为 30kg/h ， 原 料 液 中 A 的 质 量 比 组 成
工
XF=0.3kgA/kgB ， 要 求 最 终 萃 余 相 质 量 比 XN=0.05 kgA/kgB。试求：完成分离任务所需的理论级数。
8
三、 三角形相图中的相平衡关系
A
1. 溶解度曲线
A
化 共轭相：互成平衡的两相 萃取剂的加入量应使总
B多S少 +A R(B 层)
工 组成点落在两相区内
均相区
S多B少 +A E(S 层)
原 Note:若B与S互溶度变
理 大，则两相区范围变小
共轭线（联结线）
等边三角形辅助线做法见
P 临界混溶点（褶点）
溶解度曲线
理
萃取剂 S
萃取相 E S+A+B 萃余相 R B+A+S
S
萃取液 E A(大量),B(少量) S
萃余液 R B (大量),A(少量)
§12.1 萃取的基本概念
3
3. 分离对象 ——液液混合物
1）相对挥发度等于或者接近1 (烷烃/芳烃)；
化
2）重组分含量少，轻组分含量多；
工 3）混合液含热敏性物质（药物）

FxF
工
E xF xA'
R yA' xF
原 理
xA xB
xA' 1 xA'
0.25
xA' 0.2
yA xA
yA' xA

y
' A
1
6
yB xB (1 yA' ) xB 1 yA' 0.25

y
' A

0.6
§12.2 萃取过程的流程和计算
E 0.3 0.2 1 R 0.6 0.3 3
1）萃取剂与稀释剂部分互溶的体系
化
F S M E1 RN
对第一级作总物料衡算
工
F E2 R1 E1或F E1 R1 E2
对第二级作总物料衡算
原
R1 E3 E2 R2或R1 E2 R2 E3
理 依此类推，对第n级作总物料衡算
RN1 S RN EN或RN1 EN RN S
来源容易，价格便宜等 原
理
§12.2 萃取过程的流程和计算
19
一、单级萃取的流程与计算
1. 单级萃取的流程
化
原料液F
萃余相R
工
xF
萃取剂S
理论
xR
萃取级 萃取相E
原
ys
yE
2. 单级萃取的计算 理 1）萃取剂与稀释剂部分互溶的体系
已知：F、xF、yS、xR（或 yE）、 相平衡关系
求：S、R、E、另一相浓度
化 （1）萃取液量与萃余液量的比值；
（2）溶剂比S/F是最小溶剂比（S/F）min多少倍？（用线段
工
表示）
A
原
F，xF
理
S，yS
S
R，xR E，yE
R，x’R E，y’E
S
B
S
§12.2 萃取过程的流程和计算
24
解：（1）萃取液量与萃余液量的比值
R E F
化

RxA'

EyA'
原
BX F SY0 SYE BX R
理
S(Y0 YE ) B(X R X F )
YE

Y0

B S
(XR

XF)
类似于解吸中
Ya

Yb

LS GB
(Xb

Xa)
§12.2 萃取过程的流程和计算
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当萃取剂为纯溶剂时，Y0=0
化
YE


B S
(XR

XF
)
——单级萃取的操作线方程
0.2 F
0.4
M
0.6
0.2
0.2
0.8
工
B
0.2 S%
F0.4A% 0.6
G
0.8 B%
S
B
0.8 S% H
0.6
0.4 A%
G
0.2 B%
S
原 三个顶点分别表示A、B、S三个纯组分。
理 每条边代表某二元混合物的组成，不含第三组分。
E 点： xA =0.4， xB =0.6
三角形内任一点代表某三元混合物的组成。
原 a）直角坐标图解法
理 对第 i 级~N 级作物料衡算：
B X i1 X N SYi YS
B
Yi S X i1 X N YS
-----操作线方程 过点（XN，YS）（XF，Y1）
§12.2 萃取过程的流程和计算
31
Y
化
E
工
Y1
E1
P1
原
理
P2
O XN S