第四章 萃取

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D
xA=0.6 xA=0.6 xB=0.4 xA =0.3 xB =0.3 xS=0.4
0.4
C
0.2
P
P点 :
B
0 0.2 0.4
S
1.0
E
0.6
G
0.8
三角形坐标
注意:组成的归一性,即
x
i
1
A
A
P
P B S
B S
任意三角形坐标
直角三角形坐标
单位: 常用质量分率表示(原则上可用任意单位)。
2 液-液相平衡关系
解析法:
物料衡算:
BX F SYS BX R SYE
B Y E X R X F Y S ------------操作线 过点(X ,Y ) F S , S
4.3 单级萃取过程计算
1 流程
F, xF
S
E, y
混合器 澄清槽
M, z R, x
单级萃取流程示意图
2 特点
▵ 原料液与溶剂一次性接触。
▵ 萃取相与萃余相达到平衡。
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 的用量及组成,求萃取相E与萃余
相R的量及组成 。
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。
x
B
S
当 S=Smin时
y ymax x xmax
溶剂用量对单级萃取的影响
单级萃取的溶剂范围:mSmin< mS < mSmax
(4)萃取液的最大浓度
当S=Smin时,E的浓度yA最大,但y’A一般不是最大。
1.0
A
当y A y A max时,溶剂用量的确定:
E’ y’max E ’2 y ’2 E2 F R2 R1
(3) 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,从而在很大程度上决定萃取过程的经济性。 因此,要求萃取剂S与原料液中的组分的相对挥 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 挥发度很低时,则要求S的汽化热要小,以节省
⑥ 分离极难分离的金属。
4.2 三元体系的液-液相平衡关系
1 三角形相图
三元混合液的表示方法:
等边三角形 三角形坐标 任意三角形
直角三角形(常用等腰直角三角形) ▲ 各顶点表示纯组分; ▲ 每条边上的点为两组分混合物; ▲ 三角形内的各点代表不同组成的三元混合物。
A
1.0
0.8
H
0.6
F K
A点 : K点 :
同时与浓度有关,溶质浓度升高,kA下降。
但浓度较低时,kA可视为常数(恒温、恒压)。
yB 原溶剂的分配系数: k B xB
联结线斜率对分配系数的影响:
对于完全不互溶物系,浓度常用比质量分数X 、 Y表示。
XA
YA
mAR mB
YA
mAE mS
YA=KAXA
O
XA
B、S完全不互溶物系的分配曲线
萃取相、萃余相的相平衡关系是萃取设计、计算的基本条件,相 平衡数据来自实验或由热力学关系推算。
讨论的前提:
各组分不发生化学反应。
(1)溶解度曲线及联结线 相平衡数据的测定: 加入的B 、S适量,搅拌均匀,静止分层,得到互呈平衡 的液-液两相(共轭相),得到一组平衡数据。 再加入一定量A,搅拌均匀,静止分层,得到互呈平衡的液-液 两相(共轭相),得到另一组平衡数据……...
进而,得到萃取液、萃余液的量和组成。
4 最大溶剂用量及最小溶剂用量 增加S,则M靠近 S,当M点达到E1时混溶, 故M位于E1时的溶剂用量为 Smax。
A
减小S,则M靠近 F,当M达到R2时混溶, 故M位于R2时的溶剂用量为 Smin。
F
R2 R R1
E2 M E E1
当 S=Smax 时
y ymin x xmin
3 实现萃取操作的基本要求 ① 选择适宜的溶剂。溶剂能选择性地溶解各组分,即对溶质具 有显著的溶解能力,而对其他组分和原溶剂完全不溶或部分
互溶。
② 原料液与溶剂充分混合、分相,形成的液-液两相较易分层。 ③ 脱溶剂得到溶质,回收溶剂。溶剂易于回收且价格低廉。
4 萃取后组成之间的变化 萃取后: 5 应用
yA 值越大越有利于分离 kA yB 1时,无分离能力 xA kB B、S完全不互溶时, 无穷大 xB
(2)原溶剂B与萃取剂S的互溶度
如前所述,萃取操作都是在两相区内进行的,达平衡后均分成 两个平衡的E相和R相。若将E相脱除溶剂,则得到萃取液,根据杠 杆规则,萃取液组成点必为SE延长线与AB边的交点,显然溶解度曲 线的切线与AB边的交点即为萃取相脱除溶剂后可能得到的具有最高 溶质组成的萃取液,由图可知,选择与组分B具有较小互溶度的萃取 剂S1比S2更利于溶质A的分离。
相的组成可求得另一相
的组成。
0 B
Rn
S
1.0
三角形相图辅助曲线
辅助曲线作法:
利用辅助曲线求取共轭相组成
(6) 分配系数
A组分在两相中的分配系数
溶质A在E相中的组成 y A kA 溶质A在R相中的组成 x A 即: y A k A x A 说明:
kA和温度有关,温度升高,kA下降;
C 3
2
F 3
① 压力的影响: 压力的影响较小,可忽略; ② 温度的影响: 温度的影响敏感,温度升高, 溶解度增大,两相区小, 不利于萃取操作。
(5) 辅助曲线
问题: 已知一相的组
成,如何求取其它共轭
1.0
A
辅助线
相的组成?
联结线
解决办法:辅助曲线
作图法:
使用辅助曲线,已知一
K En 溶解度曲线 Cn
(3)几类物系的相图 ① 部分互溶物系,A、B,A、S 完全互溶,而B、S部分互 溶;
1.0
联结线 单相区 溶解度曲 线
Rn
两相区 En
0
S B
三角形相图
1.0
② 完全不互溶物系,A、B,A、S 完全互溶,而B、S完全不互溶。 共轭相中,一相 S=0
A
另一相 B=0;
B
S
完全不互溶物系相图
③ 第二类物系 (具有两对部分互溶物的物系,A、 B 完全互溶,
萃取操作在化学和石油化学工业上得到广泛发展
单级萃取装置示意图
2 萃取过程的简单流程
原料 溶剂 轻相
混合器
澄清槽
重相
单级萃取流程示意图 ① 混合传质过程:F(A+B)及S 充分接触,组分发生相转移; ② 沉降分相过程: 形成两相E、R,由于密度差而分层; ③ 脱除溶剂过程:通常采用蒸馏,也可采用蒸发、结晶等。
能耗。
(4) 萃取剂的其它物性
• 密度: 为使两相在萃取器中能较快的分层,要求萃取剂与被 分离混合物有较大的密度差,可加速分层,提高设备的生产能力。 • 表面张力: 两液相间的表面张力对萃取操作具有重要影响。 萃取物系的表面张力较大时,分散相液滴易聚结,有利于分层,但表 面张力过大,则液体不易分散,难以使两相充分混合,反而使萃取效 果降低。表面张力过小,虽然液体容易分散,但易产生乳化现象,使 两相较难分离,因此,表面张力要适中。 • 粘度: 溶剂的粘度对分离效果也有重要影响。溶剂的粘度低, 有利于两相的混合与分层,也有利于流动与传质,故当萃取剂的粘度 较大时,往往加入其它溶剂以降低其粘度。 • 此外,选择萃取剂时,还应考虑其它因素,如萃取剂应具有化学 稳定性和热稳定性,对设备的腐蚀性要小,来源充分,价格较低廉, 不易燃易爆等。 • 通常,很难找到能同时满足上述所有要求的萃取剂,这就需要根 据实际情况加以权衡,以保证满足主要要求。
组成为(xA, xB, xS),质量为
R 的三元混合物 , 求剩余的 组成及质量。
B S
1.0
4.萃取剂的选择
(1) 萃取剂的选择性 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。若S对溶质A的溶解能力比对原溶剂B的 溶解能力大得多,即萃取相中yA比yB大得多,萃余相中 xB比xA大得多,那么这种萃取剂的选择性就好。 萃取剂的选择性可用选择性系数β 表示(类似于 蒸馏中的相对挥发度):
A 1.0
A、S,B、S部分互溶)
溶解度曲线 单相区 联结线
Rn
溶解度曲线 两相区 En 单相区
0 B
S 1.0
温度较低时第二类物系三角形相图
1.0 A
溶解度曲线
单相区
两相区
联结线
溶解度曲线
两相区
0
B
S
1.0
温度较高时第二类物系三角形相图
(4)温度、压力对相平衡的影响 根据相律: F C 2
① 操作型计算求解方法
a)依S的用量 及 F 的量 和组成 xF 确定和点M:
A
F MS FS M
K F M
B
S
b)确定E,R的量及组成
采取图解试差法确定E,R的组成;
A
由杠杆定律确定E和R的量。
K F M R B 单级萃取图解法 S E
MR E M ER
RM E
c) 确定萃取液与萃余液的组成及量
0
过S点作溶解度曲线的切线得点E, 求得R,得M点,于是得:
E1
M S
1.0
MF S F MS
B 图解萃取液的最大组成
注意: 如果M点在两相区外相交,说明超出萃取范围,不 能进行萃取操作,由R1点确定的溶剂用量为该操作条件下的 最小溶剂用量S,min。
A
y’A E M’ R1 R E1
F
B
S
5 B、S完全不互溶时单级萃取的计算
(7) 分配曲线
横座标:萃余相中溶质的组成
(可由三角形相图转换)。
纵坐标:萃取相中溶质的组成
共轭相组成转换到直角坐标中得到的曲线称为分配曲线。
3 杠杆规则
杠杆原理: (1)和点与差点在同一条直线上;
A
E
F MS (2) S FM
R ME E RM
差点
F
Leabharlann Baidu
M R R
B
E
杠杆
和点
思考:如何证明杠杆规则?
混合-澄清器
A
单项区 En 溶解度曲线 联结线
K
Rn
Mn
两项区
B
M
S
B、S部分互溶三角形相图
(2)数据标绘及各区的状态
① 溶解度曲线:各平衡组成点连成一条曲线,称为溶解度曲线;
② 联结线:各对共轭相组成点之间的联线,称为联结线; ③ 混溶点: 曲线内为两相区,曲线外为单相区,曲线上的点称 为混溶点(或分层点); ④ 临界混溶点:共轭相的组成相同,其位置和物系有关;
差点
S
三元混合物 R(xA, xB, xs)和E(yA, yB, ys )混合
形成新的混合物M, ( zA, zB, zs) :
物料衡算
M RE M z A R xA E y A M z s R xs E y s
将方程整理成如下形式:
E x A z A z S xS R z A y A yS z S
E MR 且: R ME
说明,三个组成点M、R、
E 在一条直线上 , 即 M 点位
于RE 点的连接线上。
① 求和点
已知两混合液的质量和组 成:R( xA, xB, xS )、E( yA, yB, yS ),求混合后的组成。 ② 求差点 即从其混合液M中分出
1.0
A
R ME M RE E MR M RE E MR R ME
A E’ K F M R’ B R S E
FR' E' F E ' R'
R' F E '
单级萃取图解法
② 设计型计算求解方法
一般规定萃余相R的x或萃余液R’的x’.
A
解法:由R得到E,连接F、S得交点M;
A E’ K K F M E S R’ B R S
F R
M
E
R’ B
溶剂用量:
MF S F MS
化工原理(下册)
潘理黎 俞浙青 编著
曲阜师范大学化学科学学院
第4章 液-液萃取
4.1 概述 4.2 三元体系的液-液相平衡
4.3 萃取过程计算
4.4 其它萃取分离技术
4.5 液-液萃取设备
4.1 概述
液-液萃取:利用液体混合物中各组分对溶剂溶解度的差异来分 离或提纯物质的传质过程。在某些行业常称为抽提。 目的: 分离液-液混合物。 依据: 利用混合物中各组分在某一 溶剂中的溶解度之间的差异。 1 几个基本概念 萃取剂(溶剂)S:所用的溶剂; 原料液F:所处理的混合液; 溶质A:原料液中易溶于溶剂的组分; 稀释剂(或原溶剂)B:原料液中较难溶于溶剂的组分; 萃取相:萃取操作完成后含S多的一相,以E表示; 萃余相:萃取操作完成后含B多的一相,以R表示; 萃取液:萃取相脱除溶剂后称为~,以E’表示; 萃余液:萃余相脱除溶剂后称为~,以R’表示;
yA xA yB xB
脱出溶剂后: y A xA
使组分A、B得到一定程度的分离。
① 液体混合物中各组分的相对挥发度接近 1,采用精馏的办法
不经济;
② 混合物蒸馏时形成恒沸物; ③ 欲回收的物质为热敏性物料; ④ 混合物中含有较多的轻组分,利用精馏的方法能耗较大; ⑤ 提取稀溶液中有价值的物质;
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