第八章 萃取-萃取计算

I
P
R2 R1
B R • • • • •
E
S
O
x
三元体系的相平衡关系也可在直角坐标系中表达。 x：萃余相中的平衡组成； y：萃取相中的平衡组成。 曲线：OHIP即为一定温度下的分配曲线。 分配曲线位于y=x直线的上方。
8.2.4 分配曲线和分配系数
• 一定温度下，液液两相达到相平衡，组分A在萃取相与萃余相 中的组成之比为分配系数kA，即：
FR ' E' = F E'R'
式中，E’为萃取液量，kg或kg/h。
(F是E’和R’的和点。)
解析法： 物料衡算 总物料衡算： 组分A物料衡算： 有： F+S=E+R=M
Fx FA + Sy SA = Ey A + Rx A = Mz A
M (z A − xA ) E= yA − xA
F ( x FA − x' A ) E' = y ' A − x' A
M
G K zB
B
8.2.2 溶解度曲线和平衡联结线
A • 溶解度曲线RPE • 曲线以外：均相区 • 曲线以内及上：两相区 • 将两相区内的点M静置后得到 两平衡液相R2和E2. 二者成为 共轭相； • 联结R2E2的线称为联结线。 M2点为R2和E2的和点， R2(或E2)为M2与E2(或R2)的差 S 点。 •
8.2 三元体系的液液相平衡
8.2.1 三元体系在三角形相图中的组成表示
A C F zA D zS • 如右图： • 顶点：纯组分 • 三条边：任一点表示二元混 合物；如C点表示溶质A和稀 释剂B的混合物； • 三角形内部任一点表示一个 三元混合物，如图中M点。 • FB，KS，BD分别代表 A,B,S的百分含量。 S • zA+zB+zS=1.0
yA kA = xA
• 分配系数反映了A在两个平衡相中的分配情况。kA值越大，表 示溶质组分越容易进入萃取相，分离效果越好。 • kA值不是常数，影响因素较多，主要随温度和组成而变化。
8.3 萃取过程的计算
8.3.1 单级萃取的流程与计算
A 原料液F xFA 萃取剂S y sA 萃取相E y A 萃余相R x A
Ym = KX m
• 对第一级：
⎛B ⎞ B Y1 = − X 1 + ⎜ X F + YS ⎟ ⎜S ⎟ S1 ⎝ 1 ⎠
• 陈家镛
• 中科院院士、化学工程学家 • 四川成都人。1943年毕业于中央大学化工系。 • 1951年获美国伊利诺大学(尔班纳—香槟校园)化工系博士 学位。后在美国麻省理工学院及伊利诺大学进行博士后研究， 并在杜邦公司的研究所任研究工程师。曾对气溶胶过滤及聚酯 连续聚合反应工程等方面做出重要贡献。 • 1956年回国、任中国科学院化工冶金研究所(现名过程工 程研究所)研究员。与同事们一起，曾在用湿法冶金方法处理 我国难选金属矿，制备新型复合涂层粉末，多 相反应工程以 及金属、抗生素及酶的分离原理、技术及方法等方面，长期进 行具有创新性的科研及发展工作。 • 如研究出高效萃取分离钒与铬、钨与钼等的新过程。
8.1.3 萃取剂的选择
• 常用萃取剂：中性含磷萃取剂，中性含氧萃取剂，中性含硫 萃取剂，酸性有机磷类萃取剂，胺类萃取剂，螯合萃取剂， 有机羧酸及有机磺酸萃取剂等。 • • • • • • • • (1) 选择性要高； (2) 具有较多的功能团和适宜的分子量，单位体积或单位质量 的萃取剂所能萃取物质的饱和容量大，试剂单耗和成本较 低； (3) 化学稳定性好； (4) 易与原料液相分层，不产生第三相和不发生乳化现象； (5) 萃取剂与被萃取物结合能力适中； (6) 经济，安全。
• (1) 液液萃取是分离液体混合物的一种方法。 • (2)在欲分离的液体混合物中加入一种与其不
• 溶或部分互溶的液体溶剂，经过充分混合， • 利用混合液中各组分在溶剂中溶解度的差异 • 而实现分离的一种单元操作。 • 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 • 萃取剂S：所选用的溶剂
P
●
E4 M2
●
E1
B R
L M N
E
• 辅助线与溶解度曲线交于P 点，表明通过该点的联结线无 S 限短。P点为临界混溶点。此 处，三元混合物已不能用萃取 方法分开。
8.2.3 物料衡算和杠杆定律
• R相：R kg，xA,xB,xS (wt%) 萃余相 • E相：E kg，yA,yB,yS 萃取相 • 二者混合，总质量为M kg, 组成： zA,zB,zS • 物料衡算： • M=E+R • MzA=RxA+EyA • Mzs=RxS+EyS • 有：
E z A − x A z S − xS = = R y A − z A yS − zS
• 通过上式，可确定M点的组成。
8.2.3 物料衡算和杠杆定律
A • 通过杠杆定律，可将物料衡算用 图解的方式表达。 • 在以点R代表的液体中，加入以 点E代表的液体，则： ⅰ有点 R,M,E必在同一直线上，ⅱ且E 相与R相的量与线段MR和ME成 比例，即
R' = F − E '
例8-1 P193
8.3.2 多级错流接触萃取的流程与计算
(1) 多级错流接触萃取的流程
S1 F,xFA R1,x1A S2
R2,x2A RN-1,
SN RN,xNA
SR
1
2 E2,y2A
xN-1,A
N
D1
R’,x’A E’,y’A
E1,y1A
EN,yNA
D2 SE
多级萃取过程，已知F,xFA,Si,规定最终萃余组成xnA，计算理论级 数N. 针对处理物系的性质不同，求法有异。
xnA B
例8-2 P194
8.3.2.1 B,S完全不互溶物系
• • • • • • (1) 图解法 (X-Y直角系) 萃取相：A,S 萃余相：B,A Y：萃取相中A与S的质量比； X：萃余相中A与B的质量比； 对任意m级作物料衡算： Rm-1,xm-1,A
Sm Rm,xmA
m
Em,ymA
• 有：
F
R
●
E
M
E MR = R ME
S • 和点M的位置：
B
R ME = M RE
8.2.3 物料衡算和杠杆定律
A • 通过杠杆定律，若将纯溶剂S 加到A,B组成的混合液中，则 混合点M与F及S在同一条直线 上，有：
F
R
●
S MF = F MS
E M
B
S
A
8.2.4 分配曲线和分配系数
y
P
●
E2 E1 H
E’
已知：F,xFA,xA 求：S,E,R,yA 方法:先作出联结线和溶解度 曲线，辅助线。 xFA,xA F,R M,E
E脱除溶剂得到R’,E’。
S
根据杠杆定律
FM S=F SM
MR E=M ER
(M是F和S的和点。)
可求萃取剂用量。 同理： (M是R和E的和点。)
BX m −1 + S mYS = BX m + S mYm
⎛ B ⎞ B Ym = − Xm +⎜ X m −1 + YS ⎟ ⎜S ⎟ Sm ⎝ m ⎠
8.3.2.1 B,S完全不互溶物系
• 上式是多级错流萃取的操作线方程，表示了离开任一级的萃取 相组成Ym与萃余相组成Xm之间的关系。 • 操作线是一组直线，斜率-B/Sm,过点(Xm-1,Ys)。又由理论级的 假设，离开任一级的Ym和Xm处于平衡状态，故点(Xm,Ym)同时 符合平衡关系，位于分配线上，即操作线与分配曲线的交点。 • 于是，可在X-Y直角坐标系中图解理论级数，如下图： • ① 在直角坐标系中画出分配曲线； • ② 确定a1点(XF,YS),过a1点以-B/S1为斜率作操作线，与分配线 交于b1,此点坐标即为离开第一级的E1和R1的平衡组成Y1和X1. • ③ 过b1点作X轴的垂线与Y=YS线交于a2点(X1,YS)，过a2点以B/S2为斜率作操作线，与分配曲线交于点b2,此点即为离开第二 级的E2和R2的平衡组成Y2和X2. • 依次类推，在操作线与分配线之间作图，直到萃余相组成等于 或小于指定的Xn为止。操作线数目即为理论级数。
P
●
R2 R1
R3
E3 M2
●
E2
E1
B R
E
8.2.2 溶解度曲线和平衡联结线
A • 一般情况下，溶解度曲线和联 结线由实验测得。而通过辅助 线，可方便的由已知相求出与 之平衡的另一相。 • 如图，通过Ri,Ei分别作AS边和 AB边的平行线，交于L,M,N 点，得辅助线PLMN。
E3 E2
R4 R2 R1 R3
应用化学专业--《化学工程基础》
第八章 萃取 第八章 萃取
王华军 华中科技大学化学与化工学院 2011.6
提 纲
• 8.1。液液萃取过程概述 • 8.2。三元体系液液相平衡 • 8.3。萃取过程的计算
教学重点： (1)三元体系液夜平衡相图，分配曲线 (2) 萃取过程计算，单级，多级错流，多级逆流
8.1 液液萃取过程 8.1.1 萃取过程的原理
(3)、液液萃取在工业上的应用
a、液液萃取在石油化工中的应用 1）分离轻油裂解和铂重整产生的芳 烃和非芳烃混合物 2）用酯类溶剂萃取乙酸，用丙烷萃 取润滑油中的石蜡 3）以HF-BF3作萃取剂，从C8馏分中 分离二甲苯及其同分异构体 b、在生物化工和精细化工中的应用 1）以醋酸丁酯为溶剂萃取含青霉素的 发酵液
2）香料工业中用正丙醇从亚硫酸纸浆 废水中提取香兰素 3）食品工业中TBP从发酵液中萃取柠檬 酸 c、湿法冶金中的应用 用溶剂LIX63-65等螯合萃取剂从铜的浸 取液中提取铜
• 小知识：
• 湿法冶金就是金属矿物原料在酸性介质或碱性介质的水溶 液进行化学处理或有机溶剂萃取、分离杂质、提取金属及 其化合物的过程。 • 湿法冶金作为一项独立的技术是在第二次世界大战时期迅 速发展起来的，在提取铀等一些矿物质的时候不能采用传 统的火法冶金，而只能用化学溶剂把他们分离出来，这种 提炼金属的方法就是湿法冶金。 • 陈家镛是我国最早从事湿法冶金的人，他用近半个世纪的 时间奠定了我国湿法冶金事业的今天。 •
8.1.4 萃取过程的技术经济分析
• (1) 由萃取原理可知，萃取过程不能直接完成分离任务，而是 将难分离的原料转变为两个易分离的混合物。因此，后续两 个混合物的分离是否较原溶液的直接分离更容易，就决定了 萃取过程在经济上的优劣。 • • • • • • • • (2) 萃取操作适宜物系： ① 混合液相对挥发度小或形成恒沸物，一般精馏不能分离或 很不经济；(重油重整中芳烃和烷烃的分离，先萃取再精馏) ② 混合液中溶质浓度很稀，且为难挥发组分，采用精馏方法 须将大量稀释剂汽化，能耗过大；(稀苯酚水溶液回收苯酚) ③ 物系含热敏性物质；(生化药品，食品，香料的分离) ④ 多种金属物质的分离。(湿法冶金，贫矿开采)
8.3.2.1 B,S部分互溶物系
A 假设原料液为A,B二元溶液，各 级均用纯溶剂进行萃取。 xFA F
F,xFA M1 R1 M2 M3 R2 R3 E1 E2 E3
F,S1 M1 试差确定R1E1 R1,S2 M2 试差确定R2E2 如此重复，直到xNA<xnA 所作平衡联结线即为理论板数。 S
8.1.1 萃取过程的原理
(3) 基本过程
加料 混合 分相 排除 纯化和回收
萃取相E (S+A+B) 混合液 A+B
搅拌 萃取剂 (溶剂S)
萃余相 R (B+A+S)
8.1.2 液液萃取过程的特点
• (1) 萃取过程中相互接触的两相均为液相，在萃取设备中两相 应先进行紧密接触，以加强并完成传质过程，然后依靠两相之 间的密度差或外界输入能量(精馏)进行两相的分离。 • (2) 萃取过程中两液相间的密度差、界面张力以及两液相的黏 度等物理性质是十分重要的因素。 • 气液传质：填料表面，液相对表面润湿性能越好，分离效 • 果越好； • 液液传质：分散相液滴群与连续相之间进行，要求填料能 • 很好的分散液滴群，且其表面不被分散相所润 • 湿，防止液滴群的聚集。 • (3) 液液萃取过程中，通常两相密度差小、黏度和界面张力 • 大，因此，轴向混合对过程的不利影响比在精馏和吸收过 程中更为严重。
8.3.2.1 B,S完全不互溶物系
Y
Y1 Y2 Y3 Y4 b5 YS 0 -B/S5
b1 b4 b3 -B/S4 a5 a4 X3 b2 -B/S3 a3 X2 -B/S2 a2 X1
分配曲线 -B/S1
a1 XF X
Xn X4
8.3.2.1 B,S完全不互溶物系
• (2) 解析法 • 若分配曲线为过原点的直线，即分配系数K为一常数，则 可通过解析计算确定多级错流萃取的理论级数。 • 任意m级的两相平衡关系为