化工原理(下)第4章液液萃取

三角形坐标图
组成的表示方法





液－液萃取过程也是以相际的平衡为极限 三元体系难以用直角坐标系来表示 三元体系的相平衡关系用三角坐标图来表示 在三角形坐标图中常用质量百分率或质量分 率表示混合物的组成 少数采用体积分率或摩尔分率表示的 本教程中均采用质量百分率或质量分率
等边三角形 ——组成的表示方法
萃取剂回收的难易与经济性





萃取后的E 相和R 相，通常以蒸馏的方法进行分离 萃取剂回收的难易直接影响萃取操作的费用，在很 大程度上决定萃取过程的经济性 要求溶剂S与原料液组分的相对挥发度要大,不应形 成恒沸物，并且最好是组成低的组分为易挥发组分 若被萃取的溶质不挥发或挥发度很低，而S 为易挥 发组分时，而S 的气化热要小，以节省能耗 溶剂的萃取能力大，可减少溶剂的循环量，降低E 相溶剂回收费用 溶剂在被分离混合物中的溶解度小，也可减少R 相 中溶剂回收的费用
液相 M m kg zA、zS、zB
xA zA yA
R M
yS
m r e
e MR r ME
E
xA z A z A yA
B
x B z B yB
S
杠杆规则的应用
MR m RE xA z A xA y A
e
三、液－液平衡相图(溶解度曲线)
1. 溶解度曲线的两种形式 根据萃取操作中各组分的互溶性，三元物系分 为以下情况，即 ① A完全溶于B及S，B与S不互溶 ② A完全溶于B及S，B与S部分互溶 ③ A完全溶于B，A与S部分互溶 B与S部分互溶 Ⅰ类物系
√
Ⅱ类物系
溶解度曲线和联结线



A完全溶于B、S, 而B与 S部分互溶 T一定, B与S任意混合 →两个互不相溶的液层 (点L、J ) 总组成为C的二元混合 液中逐渐加入组分A成 为三元混合液 B与S质量比为常数， 故三元混合液的组成将 沿AC线变化
溶解度曲线和联结线




若加入A的量恰好是混合 液由两个液相变成一个液 相时, 相应组成坐标如图 C‘——混溶点或分层点 总组成为D、F、G、H等 二元混合液按上述方法作 实验, 分别得到混溶点D‘、 F‘、G'及H‘ 联L、C‘、D‘、 F‘、G‘、 H’ 及J诸点的曲线为在实验 温度下的三元混合物的溶 解度曲线 若组分B 与S 完全不互溶, 则点L与J 分别与三角形的 顶点B与S相重合
萃取操作




萃取相——萃取剂提取了溶质 萃取相为混合物，需要用精馏、蒸发或反萃取等方 法进行分离，得到溶质产品和溶剂，萃取剂供循环 使用 萃余相——分离出溶质的混合液 与精馏比较：当用于分离挥发性混合物时，萃取过 程比较复杂，萃取相中萃取剂的回收往往还要应用 精馏操作 萃取过程：常温操作、无相变、选择适当溶剂可以 获得较高分离系数等优点 技术经济上的优势
用质量比 计算方便
YA K A X A
分 配 系 数
萃余相中溶 质的质量比
萃取相中溶 质的质量比
三、分配曲线
以xA为横坐标，yA为纵坐标，在直角坐标图上， 每一对共轭相可得一个点，将这些点联结起来，得 到曲线称为分配曲线。
溶解度曲线 分配曲线
y yx
P P
x
分配曲线的作法
第4章 液－液萃取

液－液萃取在工业上的应用


湿法冶金中的应用 20 世纪40 年代，原子能工业，铀、钍、镮
等金属提炼 近20年来，低品位有色金属的提取 目前认为只要价格与铜相当或超过铜的有色 金属如钴，镍，锆等等，都应优先考虑溶剂 萃取法 有色金属已逐渐成为溶剂萃取应用的领域


萃取在有色金属主要应用
（1）从矿石的浸出液中提取、富集有价金属。如 低品位氧化铜矿石的生物浸出-萃取-电积工艺。 （2）分离化学性质相近的金属离子。如分离铌钽、 分离锆铪、分离钴镍，以及分离稀土金属元素等。 （3）核工业材料的提取。如铀的分离、富集与提 取。 （4）净化溶液。如从镍电解液中净化除去铜、铁 等杂质离子。

习惯上，在三角形坐 标图中，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。
等边三角形 ——组成的表示方法



M代表有A ,B , S 三个组分 组成的混合物 过M点分别作三个边的平 行线ED,HG 与KF 线段BE(SD) 代表A的组成 线段AK(BF)代表S的组成 线段AH(SG)代表B 的组成 三元混合物的组成为 : X A=BE =0.40 X B=AH =0.30 X S=AK =0.30 三者之和等于1
辅助曲线和临界混溶点


P



辅助曲线与溶解度曲线的交点P 通过该点的联结线为无限短, 相当 于这一系统的临界状态——临界混 溶点(平衡液相没有共轭相) 联结线具一定的斜率——临界混溶 点一般不在溶解度曲线的顶点 临界混溶点由实验测得 当已知的联结线很短(即很接近于临 界混溶点)时,才可用外延辅助曲线 的方法求出临界混溶点 三元物系的溶解度曲线、联结线、 辅助曲线、临界混溶点的数据实验 测得，也可从手册或有关专著中查 得
萃取操作示意图
4章 液－液萃取和液－固浸取
4.1 液－液萃取概述 4.1.1 萃取的原理与流程 4.1.2 萃取的分类与应用
一、萃取过程的分类
按有无化学反应分类 萃取 物理萃取
化学萃取
√
按萃取级数分类 萃取 单级萃取 多级萃取
√
多级逆流萃取 多级并流萃取
一、萃取过程的分类
按萃取技术分类 单溶剂萃取 膜萃取 超临界萃取 凝胶萃取 反向胶团萃取 双溶剂萃取 萃取 按萃取组分数目分类
等边三角形 ——组成的表示方法



也可过M 点分别作三 个边的垂直线MN、ML 及MJ 垂直线段ML、MJ 和 MN 的长度比分别代表 A、B、S的组成 右图可知， M 点的组 成为40%A、30%B和 30%S
A
D点
x A 0.40
xS 0.60
M
D
B
S
M点 x A 0.40 xB 0.30 x S 0.30
一、萃取过程的原理
分离物系 萃取原理 液体混合物 (A + B)
引入另一液相 （萃取剂S） 各组分在萃取剂 中溶解度不同
液体混合物 引入一液相（萃取剂）
形成两相体系的方法
液相E(萃取相) (S + A+微量B)
液相R(萃余相) (B + 微量A、S)
示例
用苯萃取分离醋酸和水混合物
二、萃取操作流程
二、萃取操作的应用
萃取操作应用场合
相对挥发度 1物系的分离 溶质浓度很低 ,且为难挥发组分物系的分离
热敏性物系的分离
第4章 液－液萃取
4.1 液－液萃取概述 4.2 液－液相平衡关系 4.2.1 液－液平衡相图
一、组成在三角形相图上的表示方法
萃取为三元物 系的分离过程 溶质 A 原溶剂 B 萃取剂 S 等边三角形坐标图 √ 等腰三角形坐标图 非等腰三角形坐标图
临界 混溶 点
均相 区
共轭相
溶解 度曲 线
联结 线
两相 区
溶解度曲线 (1)－已知联结线
溶解度 曲线
辅助 曲线
溶解度曲线 (2)－已知辅助曲线
辅助曲线和临界混溶点





若要求与已知相成-平衡的另一相 的数据,常借助辅助曲线(也称共轭 曲线)求得 若干联结线数据－辅助曲线 通过点R1、R2...等分别作底边BS 的平行线 通过相应联结线另一端点E1、E2... 等分别作侧直角边AS的平行线 诸线相交于点J、K、... 联结这些交点所得平滑曲线即为辅 助曲线 利用辅助曲线便可从已知 相R(或E) 与之平衡的另一相组成E(或R)
第4章 液－液萃取
学习目的 与要求
通过本章学习，应掌握液－液相平衡在三角形 相图上的表示方法，能用三角形相图对单级萃取过 程进行分析和计算。了解多级萃取过程的流程与计 算方法；萃取设备的类型及结构特点。
液-液萃取简介



20世纪30年代用于工业生产的新的液体混合物分离技术 发展：回流萃取、双溶剂萃取、反应萃取、超临界萃取、液 膜分离技术 萃取成为分离液体混合物很有生命力的操作单元之一 原理：利用原料液中组分在适当溶剂中溶解度的差异 萃取剂： 萃取所用的溶剂 应对溶质具有较大的溶解能力 与稀释剂应不互溶或部分互溶 溶质：混合液中欲分离的组分 稀释剂：混合液中的溶剂
液－液萃取在工业上的应用

液－液萃取在石油化工中的应用
液液萃取已广泛应用于分离和提纯各种有机物质 如：轻油裂解和铂重整产生的芳烃混合物的分离 用脂类溶剂萃取乙酸 用丙烷萃取润滑油中的石蜡
在生物化工中和精细化工中的应用
热敏性混合物，选择适当的溶剂，避免受热所损坏 如：青霉素的生产 用玉米发酵得到的含青霉素的发酵液，一醋酸丁脂为溶 剂，经过多次萃取得到青霉素的浓溶液 萃取操作已在制药工业，精细化工中占有重要的地位
一、以质量分数表示的平衡方程
气液平衡方程 液液平衡方程
萃取相中 溶质分数
yA k A xA yA k A xA
分配 系数 萃余相中 溶质分数
yA kA xA
yB kB xB
二、以质量比表示的平衡方程
若 S与 B完全不互溶
萃取相中不含 B，S 的量不变
萃余相中不含 S ，B 的量不变 液液平衡方程





三个顶点表示纯 物质 A代表溶质A的组成为 100%，其它两组分 的 组成为零 B点和S 点分别代表纯的 稀释剂和萃取剂 任一边上的任一点代表 二元混和物，第三组分 的组成为零 图中AB 边上的E点，代 表A、B二元混合物, 其 中A的组成为40%，B的 组成为60%，S的组成为 零
等边三角形 ——组成的表示方法
组成在等腰直角三角形坐标图上的表示方法
二、各组分量之间的关系－杠杆规则
M = MA + MB
M A OB M B OA
MA
M
O 和点
MB
A
差点
B
差点
M A OB M AB M B OA M AB
杠杆规则
A
xS zS
液相 R r kg xA、xS、xB
液相 E e kg yA、yS、yB
yA yB
xA yA xB x A
yB xB
一、萃取剂的选择性与选择性系数
因为 所以
yA k A xA
xB kA yB
kA kB
萃取操作
xB >1 yB
1
β
～ 萃取效果
不能实现萃取分离
β ＝1
二、萃取剂的选择
萃取剂选择考虑的主要因素
选择性系数β 原溶剂 B与萃取剂 S的互溶度 萃取剂回收的难易 萃取剂的其他物性 密度 表面张力 黏度 萃取剂的稳定性、安全性、经济性
目前冶金中常用的萃取剂可分为含氧萃取剂（包括醚、 醇、酮、酸、酯等）、含磷萃取剂、含氮萃取剂（包 括胺、酰胺、羟肟与异羟肟酸、羟基喹啉等）、含硫 萃取剂（包括硫醚类R2S和、亚砜类R2S=O等）。
二（2-乙基已基）磷酸钠盐萃取钴的过程示意图
第4章 液－液萃取
4.1 液－液萃取概述 4.1.1 萃取的原理与流程
√
萃取
单组分萃取
多组分萃取
Hale Waihona Puke Baidu
√
单组分萃取






混合液中只有一种欲分离的溶质被溶剂萃取 或者其他组分虽然同时萃取, 但不影响欲分离的溶质的质 量要求 单组分萃取的基本原理、操作流程与设计计算的基本关系 式与吸收的基本类似，基本流程： ※单级萃取和并流接触萃取：溶质在萃取剂中的溶解度很 大或溶质萃取要求不高的场合 ※多级错流萃取：萃取率高、操作简单，萃取剂用量大 ※多级逆流萃取：小萃取剂用量获得较高萃取率 ※连续逆流萃取：工业上常用的流程
4.1 液－液萃取概述 4.2 液－液相平衡关系 4.2.1 液－液平衡相图 4.2.2 液－液平衡方程与分配曲线
4.2.3 萃取剂的选择
一、萃取剂的选择性与选择性系数
萃取剂的选择性是指萃取剂 S对原料液中两个 组分溶解能力的差异。 选择性系数
萃取相中A的质量分数 萃余相中A的质量分数 萃取相中B的质量分数 萃余相中B的质量分数
萃取分离有利的情形




⑴ 溶液中各组分的沸点非常接近，或者说组 分之间的相对挥发度接近于1 ⑵ 混合液中的组成能形成恒沸物，用一般的 精馏不能得到所需的纯度 ⑶ 混合液重要回收的组分是热敏性物质，受 热易于分解、聚合或发生其它化学变化 ⑷ 需分离的组分浓度很低且沸点比稀释剂高， 用精馏方法需蒸馏出大量稀释剂，耗能量很多
由联结线求辅助曲线
两种溶解度曲线的互换
由辅助曲线求联结线
E1 R1 R2 E2
两种溶解度曲线的互换
三、液－液平衡相图(溶解度曲线)
2. 温度对溶解度曲线的影响
温度 T
～ 溶解度 ～ 两相区
不利于萃 取操作
第4章 液－液萃取
4.1 液－液萃取概述 4.2 液－液相平衡关系 4.2.1 液－液平衡相图 4.2.2 液－液平衡方程与分配曲线