萃取过程的计算

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1、单级萃取的计算
脱除 S 萃取剂 S, yS 料液 F, xF
萃取相 E, yE
萃取液 E’, y’E
萃余液 R’, x’R 脱除 S
萃余相 R, xR
Ⅰ已知xF及F、 S用量，求萃余液组成 x’ （包括E与R量及组 成） Ⅱ 已知xF及F，规定萃余液组成 x’，求S用量（包括E与R量 及组成）。
所以
6
A
P
萃取相
yA
分配曲线
yAP
P
N
y=x
yAE
B L
萃余相
S
x AR
xA
7
萃取过程在三角形相图上的表示
E RF R E F
Emax
E
E R F
S ຫໍສະໝຸດ BaiduF F MS
F R
●
E R
E MR R ME
M
8
课前思考
1、A、B、S、E、R、E’、R’、F、xF、 xA、 yA、 X、Y、kA、β的含义？ 2、溶解度曲线？联结线（共轭线）？临界混溶点？ 辅助线？
物料衡算：
BX F SY0 BX SY
S (Y Y0 ) B( X F X )
操作线方程
B Y X－X F Y0 S
二、单级萃取过程——完全不互溶物系
物料衡算：
BX F SY0 BX SY
S (Y Y0 ) B( X F X )
Y
S Y0 B X S 1 K B XF
X
XF
1
S Y0 B
当
Y0 0
XF X 1
BX 1 BX F 1
B( X F X ) 1 1 1 BX F 1
则萃余率
萃取率
例题2
例：25℃下以水为萃取剂从醋酸质量分数为35%的醋酸(A)与氯仿(B)混合液
操作线方程
Y0
B Y X－X F Y0 S
0
XF
X
—— 单级萃取操作的操作线方程
操作线方程在Y-X坐标图上为过点（XF,Y0）,斜率为-B/S 的直线
二、单级萃取过程——完全不互溶物系
图解法（已知XF、F、Y0，分离要求X，求S ）
①作分配曲线 ②由X确定点b，由(X，Y0)确定点a ③连接ab，该线斜率为-B/S
③ 定a→b→x1 ④ 定c→d→x2
⑤ 定e→f→x3
三、多级错流萃取过程- 完全不互溶物系(平衡线为直线）
给定S,NT求X(Y0=0) ①分配线：Y=KX
② 操作线
③定x1 ④定x2
Yi
B X i－X i-1 S
SYi S 令 K ε-萃取因数 B BX i
三、多级错流萃取过程- 完全不互溶物系(平衡线为直线）
M2 M3
由xn<x给定求定NT
三、多级错流萃取过程 –完全不互溶物系
操作线方程（推导）
M1＝F+S=E1+R1
M2＝R1 + S ＝E2+R2 Mi＝Ri-1 + S ＝Ei+Ri
BX F SY0 BX1 SY1 BX1 SY0 BX 2 SY2 BX i-1 SY0 BX i SYi
Y1
分配曲线
b
-B/S
Y0 0
④由斜率-B/S确定S
a
X
XF
二、单级萃取过程——完全不互溶物系
图解法（已知XF、F、Y0，萃取剂用量S，求X)
分配曲线
①作分配曲线
b
Y1
②由(XF，Y0)确定点a
③由点a及斜率-B/S作操作线ab
-B/S
Y0 0
交分配曲线于点b
④由点b坐标确定X
a
X
XF
二、单级萃取过程——完全不互溶物系
原溶剂B
yB kB xB
yA xA
E
R
k值愈大，萃取分离的效果愈好，其值随温度和组成而变
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如第Ⅰ类物系，一般 k值随温度的升高或溶质组成的增 大而降低。一定温度下，仅当溶质组成范围变化不大时， k 值才可视为常数。 对于萃取剂S与原溶剂B互不相溶的物系，溶质在两液相 中的分配关系与吸收中的类似，即
中提取醋酸。已知原料液处理量为2000kg/h，用水量为1600kg/h。操作温 度下，E相和R相以质量分数表示的平衡数据如下页附表所示。试求：
(1)单级萃取后E相和R相的组成和流量；
(2)将E相和R相中的萃取剂完全脱除后的萃取液和萃余液的组成和流量？ (3)操作条件下的选择性系数； (4)若组分B、S可视为完全不互溶，且操作条件下以质量比表示相组成的分配 系数K=3.4，要求原料液中的溶质A有80%进入萃取相，则每千克原溶剂B 需要消耗多少千克的萃取剂S。
S
Rmin
二、单级萃取过程
单级萃取的物料衡算
部分互溶物系
F+S=E+R=M
各股流量由杠杆定律求得
MF S F MS MR EM RE E F
'
RF RE
' '
'
对单级萃取装置作溶质A的衡算
FxF SyS EyE RxR MxM
E E
' '
M xM x R F xF xR y E xR
三、多级错流萃取过程——部分互溶物系
图解法（ 以Ⅲ为例： 已知 xF、F、 S， NT 求x’ ） ①作溶解度曲线（辅助线！） ② 确定F、S点 ③由杠杆定律确定M1
A
④由M1及辅助线定R1、E1 ⑤由R1、S定M2 ⑥由M2及辅助线定R2、E2，…
⑦由RN及S定x’
F
M1
E1 E2 E3
S
B
R1 R2 R3
①作溶解度曲线及辅助线 ②确定F点 ③确定R’点 ④连接R’S交溶解度曲线于点R ⑤由R及辅助线确定E
F R’ R
B
M
A
E’
E
S
⑥连接RE,FS，两线相交于点M
⑦由杠杆定律确定S、E、R的量 ⑧由△确定E相组成 ⑨连接SF并延长至E’得脱溶剂后的量
二、单级萃取过程
萃取剂极限用量 ：
部分互溶物系
原料量F及组成一定，增大S，M向S点靠近。 D点：最小溶剂用量，Smin
二、单级萃取过程
部分互溶物系
图解法（ 已知 xF、F、S 求 x’ ）
A
①作溶解度曲线及辅助线 ②确定F、S点
③由杠杆定律确定M
④由M及辅助线试差法确定R、E ⑤由R、E及SE、SR定R’、E’ ⑥由△确定x’
E’
F M R’ R
B S
E
二、单级萃取过程
部分互溶物系
图解法（ 已知 xF、F、 x’ 求 S及E相和R相的量、E 相组成 ）
Y KX
E
A+S A+B
R 式中 Y——萃取相E中溶质A的质量比组成； X——萃余相R中溶质A的质量比组成； K ——相组成以质量比表示时的分配系数。
yA Y yS
xA X xB
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萃取剂的选择性可用选择性系数 β表示，其定义式为
因为
yA kA xA
kA kB
yB kB xB
49.41
25.39
17.72
2.28
44.12
48.58
34.16
10.03
47.87
23.28
25.72
4.15
50.18
34.71
42.5
16.5
42.5
16.50
F
三、多级错流萃取过程
流程与符号：
三、多级错流萃取过程 ——计算任务
理论上,每级S用量相等时总用量最小
Ⅰ给定理论级数及分离要求，求溶剂用量S Ⅱ给定溶剂用量及分离要求，求理论级数NT Ⅲ给定理论级数及溶剂用量，求E’及R’组成
二、单级萃取过程
流程：
萃取剂 S, y0 原料液F,
xF
萃取相
E, yA
脱除 SE 萃取液 E’, y’A
萃余相 R,
萃余液
脱除 SR R’,
xA
x’A
已知原料液的处理量、组成、萃取剂的用量 所得产品的量和组成 单级萃取操作 已知原料液的处理量、组成、规定萃余相的组成
计算溶剂用量、E相及R相得量、E相组成
(2)试求与组成为25％醋酸、1％水、其余为苯的液相呈平衡的另一
液相的组成，并求出醋酸在两平衡液相中的分配系数KA的数值。
A
B
S
第三节 萃取过程的计算
一、计算任务 二、单级萃取过程 三、多级错流萃取过程
四、多级逆流萃取过程
一、计算任务
分类（接触方式）：
（1）级式接触式：单级，多级错流，多级逆流 （2）连续（微分）接触式 计算任务（平衡关系已知）： （1）给定理论级数及分离要求，求溶剂用量S （2）给定溶剂用量及分离要求，求理论级数NT （3）给定理论级数及溶剂用量，求E’及R’组成
相平衡数据表
氯仿层(R相) (wt%) 醋酸 水 0.00 0.99 醋酸 0.00 水 99.16 醋酸 27.65 5.2 水 醋酸 50.56 水 31.11 水层(E相) (wt%) 氯仿层(R相) (wt%) 水层(E相) (wt%)
6.77
1.38
25.10
73.69
32.08
7.93
(2)每次用50kg/h纯萃取剂进行两级错流萃取时所得的最
终萃余相的流量及其中醋酸的组成； (3)上述两种萃取操作的萃余率。
例题4
原料液为含丙酮20％(质量，下同)的水溶液，其 流量为800kg/h。现以纯三氯乙烷为萃取剂，在25℃ 下采用多级错流萃取过程从原料液中萃取丙酮，每一 级的三氯乙烷用量为320kg/h。要求最终萃余相中丙
总结：
萃取因数
萃余分数
X N X F 1
SYi S K B BX i
N
BX N 1 BX F 1 N
萃取率为
1 1 1 N 1
例题3
在25℃下用异丙醚为萃取剂分离含醋酸35％(质量)的醋酸
水溶液，萃取物系的溶解度曲线及辅助曲线如图11-24所示， 原料液的处理量为100kg/h，试求： (1)用100kg/h的纯萃取剂进行单级萃取时所得的萃取相和 萃余相的流量及其中的醋酸组成；
Y1
Y2
B X 1－X F Y0 S
B X 2－X 1 Y0 S
Yi
B X i－X i-1 Y0 S
三、多级错流萃取过程- 完全不互溶物系(平衡线为曲线）
给定S,NT求X
① 作分配曲线 ② 作操作线
Yi B X i－X i-1 Y0 S
A
R3 R2 R1
E3 E2
E1
B
R0
E0
S
A A
A
E0 R0
A
E2 R2 E3 R3
E1 R1
2
A
临界混熔点
萃取相
萃余相
P
辅助曲线
B L
J
S
3
（3）分配系数和分配曲线
分配系数 一定温度下，某组分在互相平衡的E相与R相中的组成 之比称为该组分的分配系数，以 K表示，即
溶质A
yA kA xA
' ' '
y E xR
'

R F E
二、单级萃取过程
B、S完全不互溶
适用于萃取剂与稀释剂互溶度很小，且在操作范围内溶质组 分对 B、S 的互溶度又无明显影响的体系。
Ⅰ 已知F ，xF 及 Y0，规定萃余液组成x，求S用量。 Ⅱ 已知F ，xF，Y0及 S 用量，求萃余液组成x’
二、单级萃取过程——完全不互溶物系
解析法（平衡线为直线Y=KX）
B Y 操作线： (X X F ) Y0 S
Y KX
交点： 令
B Y (X X F ) Y0 S
S X F Y0 B X S 1 K B
S K B
表示达平衡后的萃取相中溶质的量与萃 余相中溶质的量之比，称为萃取因数。
二、单级萃取过程——完全不互溶物系
溶解度曲线可通过下述实验方法得到：
在一定温度下，将组分B与组分S以适当比例相混合，使其总组成位于 两相区，设为M，则达平衡后必然得到两个互不相溶的液层，其相点为 R0、E0。 在恒温下，向此二元混合液中加入适量的溶质A并充分混合，使之达到 新的平衡，静置分层后得到一对共轭相，其相点为R1、E1，然后继续加 入溶质A，重复上述操作，即可以得到n+1对共轭相的相点Ri、Ei (i=0,1,2,……n)，当加入A的量使混合液恰好由两相变为一相时，其组成 点用K表示，K点称为混溶点或分层点。 联结各共轭相的相点及K点的曲线即为实验温度下该三元物系的溶解 度曲线。 若组分B与组分S完全不互溶，则点R0与E0分别与三角形顶点B及顶点S 1 相重合。
S min FD F DS 0
A
G点：最大溶剂用量，Smax
S max F GF GS 0
萃取操作S应满足下列条件：
F
B
D R
M
E G S0
S
Smin S Smax
二、单级萃取过程
部分互溶物系
y’如何得到max，x’如何得到min
连接线如何影响
A
E max’
E max F
B
RC
M EC
3、完全不互溶物系？部分互溶物系？
例题1
用水作萃取剂(S)，对醋酸(A)—苯(B)混合液进行萃取分离。在 25℃下醋酸—苯—水溶液的液—液相平衡数据如表11—l所示，依此 数据： (1)在直角三角形坐标图上标绘溶解度曲线；作出序号为2、3、4、6 、8组数据的平衡联结线；绘出辅助曲线并标出临界混溶点。
酮的含量降到5％，求所需要的理论级数和萃余相、
萃取相的流量。在25℃下的平衡数据列于表11-2中。