9.3 单级萃取

qmS1 qmS2 qmR’n
qmSi
qmRi-1 qmR2
qmSn
qmF,xF
qmR1
qmRn-1 qmRi qmEi qmRN
qmE’n
qmE’ qmE1 qmE2 qmEN
qmSE
多级错流萃取流程图
（2）多级错流萃取的特点
△
△
溶剂耗量较大，溶剂回收负荷增加,
设备投资大。
（3）计算
① 设计型计算 已知： qmＦ、xF， 规定加入各级qmＳ的量， 求：达到一定的分离要求所需的理论级数Ｎ。 ② 操作型问题 已知：理论级数 估算：分离程度。 一般规定最 终萃余液的 组成
B
1.0
萃取液的最大浓度确定:
A
1.0
E’ E’2
பைடு நூலகம்
y’max
y ’2
E2 F R2 M R1
0
E1
S B
1.0
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m S,min。
A
y’A
E F M’ R1 R E1
B
S
9.3.2 多级错流萃取 （1）流程
夹紧点与Dmin的关系：
最小溶剂比的确定：操作范围内的联结线延长，与RNS相交，
若D点在右侧，则取离S最近的点；
若D点在左侧，则取离S最远的点。
连接F、Dmin点，与溶解度曲线相交于E1点
连RNE1，与FS的交点和点M。 FM qmS ( ) min 最小溶剂比： qmF SM
F RN M
q 溶 剂 比 m S ， M点 上 移 ，1 E 点 上 移 ， 操 作 线 斜 率近 接联 结 线 的 斜 率 qm F qm S qm S 当 时 ， P点 （ 夹 紧 点 ） 应 对 的 联 结 线 和 级 联 线合 重 qm F qm F m i n 此时，E ， 夹 紧 点 附 近 各 级 无离 分能 力 ， N i E i 1
◇ 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mF及组成xF（生产工艺给定）。
操作型：给定S的用量mS及组成，
求萃取相E与萃余相R的量mE 和mR 及组成 y、x。 设计型：根据给定的原料液及规定的分离要求， 求溶剂S用量mS 。
① 操作型计算的求解方法（已知萃取剂用量求分离组成）
H N H th
Hth--理论级当量高度：完成一个理论级分离任务所需填料层高 度。与物系、操作条件和设备形式有关，其值由实验确定。
（2）传质单元数法 取微元高度dH：
d ( q mE y ) dH K y a( ye y )
qmE , y
qmE dqmE y y dy
qmF , x0
步骤一：定和点M。依S的用量 mS 、组成及 F 的量 mF 及组成xF
A
mF MS FS mM
K
F
M
B
S
步骤二：确定E，R的量及组成
采取图解试差法确定E、R的组成。
由杠杆定律确定E和R的量：
A
mE
K
F M R B S E
MR ER
mM
mR mM mE
步骤三： 确定萃取液与萃余液的组成及量
yy
A y
分配曲线 分配曲线
分配曲线
F xi R n' R n B (a) i 1 2 M E1 yi+1
y
PP
1
1
33 22 11
2
y0
y
i+1
x5 6 N
0 x
n
4
3
操作线 操作线 C
i
i x
i
操作线
xx FF
x
f
S D
溶剂比对操作线的影响
(b)
x
② 最小溶剂比的求法
Dmin 的位置，既和平衡关系有关，又和分离要求有关。
同理：H H OR N OR
q mR 其中：H OR K x a (1 x ) m
N OR

x1
x2
(1 x) m dx (1 x)( xe x)
（1）流程
原料液
qmF,xF
qmRi-1
分离结果
qmR’
qmR2
qmRi
qmRN
qmE1
qmE’
qmE2
qmEi
qmEi+1 qmSR
qm S
qmSE
萃取剂
多级逆流萃取流程图
（2）特点
连续逆流操作，分离程度较高。
（3）计算
设计型问题：已知S的组成，原料液情况：qmF、xF,
规定 qmS/qmF （溶剂比）和分离要求，求 N 。
E1
实际溶剂比的确定：
实际溶剂比取最小实际溶剂比的倍数
多级错流萃取与多级逆流萃取的比较： 分离要求、溶剂一定时：多级逆流比多级错流萃取级数少
级数一定时：多级逆流萃取比多级错流萃取溶剂用量少
生产上多采用逆流萃取操作。
9.3.4 微分接触式逆流萃取
萃取相和萃余相逆流微分接触，使两相中的溶质浓度沿流动 方向发生连续的变化。 完成规定分离要求所需塔高或填料层高度的计算 （1）理论级当量高度法
y S D
i+1
x (b)
f
x
（4）溶剂比对操作的影响 ① 溶剂比和最小溶剂比
定义：溶剂比 = qmS/qmF
说明：溶剂比的变化,引起差点D的变化,导致理论级数的变化
qmS/qmF 较大， M→S， E1为和点(F+D) D点在三角形相图右侧，净物流向左流动。 qmS/qmF减小，M→F ，E1升高，D点远离S。 D点移到无穷远时D=0，级联线互相平行。 qmS/qmF 再减小，F为E1和D的和点， D点落在三角形相图左侧，净物流向右流动。
直角坐标中，画分配曲线画操作线（过D点画若干条级联线 求得若干对yi+1-xi ）画梯级得理论级数
A
xF x x 1 2 y1 y 2 y3
……
xi yi 1
y 分配曲线
F xi R n' R n B (a) i 1 2 M E1 yi+1
y
1
1 2 6 0 5 x
n
4
3
C
i
i x
i
操作线
注意: E1和 RN 不是共轭相。
R’N
B
b）各级的物料衡算 第一级：
qmF qmE2 qmR1 qmE1
qmF xF
qmE1
qmR1
qmE2
qmRi-1
qmRi qmEi+
1
qmR
N
q mE1 q mF q mE 2 q mR1
第二级：
qmEi
qmE’
qmSE
qmE 2 qmR qmE3 qmR 2
减小S量Ｍ靠近 F，当Ｍ达到R2时混溶，故Ｍ位 于R2时的溶剂用量为 mS min。
当 mS=mSmax 时
E E1
y ymin x xmin
F
R2
E2 M
x B
R R1
当 mS=mSmin时
S
y ymax x xmax
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一般不一定最大。
当y A y A max时，溶剂用量的确定：
A
过S点作溶解度曲线的切线得点E， 求得R，得M点，于是得：
1.0
E’ y’max E’2 y’2 E2 F R2 R1
0
mS
E1
MF MS
mF
M
S
yA max 可见，y A
qmE 简化：H K y a(1 y ) m

y1
y2
(1 y ) m dy (1 y )( ye y )
(1 y ) m dy (1 y )( y e y )
q mE 令：H OE K y a (1 y ) m
N OE

y1
y2
所以：H H OE N OE
已知萃余 相或萃余 液的组成
说明：M点是F、S的和点，也是E1、RN的和点
E1的 确 定 ： 依 F、 S确 定 M 依 M、 R N确 定 E 1
A
利用杠杆定律，确定两相E1、RN的量
qmE1 MRN E1 RN qmM
F M E1 RN S
qmR N qmM qmE1
qmE1 qmF qmS qmR N qmD
m' E
A E’ K F M R’ B R S E
FR' E ' R'
mF
m'R mF m'E
脱除溶剂量为：
mSE mE m'E
mSR mR m'R
② 设计型计算的求解方法（已知组成求用量）
一般规定萃余相R的x或萃余液R’的x’。
解法：由R得到E连接F、Ｓ得交点Ｍ；
H
dH
qmE y
积分：H

y1
y2
d(qmE y ) K y a( ye y )
qmE , y
qmR , x
微元接触式逆流萃取示意图
qmE (1 y) m dy 变形：H y2 K y a(1 y ) m (1 y )( ye y )

y1
说明：各级间的物流之差为一常数， D为各级物流的公共差点（极点）。 qmR’
qmF,xF
qmRi-1
qmR1 qmE2
qmRi
qmRN
qmE1
qmEi
qmEi+1
qmSR
qmE’
qmSE
qmS
c）逐级图解过程 已知F、S可确定M→由M、RN可确定E1。
由qmE1 qmF qmS qmRN qmD可确定D 点
9.3 部分互溶物系的萃取计算
• 单级萃取、多级萃取
• 理论级（平衡级）：离开的萃取相和萃余 相互呈平衡。N • 级效率η：实际接触级接近理论级的程度
• 理论级数：NP＝N/η
9.3.1 单级萃取
(1) 流程
mF, xF
mS
m E, y
混合器
澄清槽
mM, z
单级萃取流程示意图
mR, x
（2）特点（部分互溶物系的单级萃取）
1
A
……………………
第 N级：
F M R’N B
qmE N qmR N 1 qmS qmR N
于是有：
RN
E1 S
q mE1 q mF q mE2 q mR1 q mEN q mRN 1 q mS q mRN qmD
qmE1 qmF qmE2 qmR1 qmE N qmR N 1 qmS qmR N qmD
由E1通过平衡关系确定R1→由R1和D连线确定E2
qmE1 qmF qmE2 qmR1 qmE N qmR N 1 qmS qmR N qmD
如此交替直至萃余相组成小于规定要求xn
N为理论级数。
② 利用分配曲线进行计算
N较多时，三角形相图内作图不准确－－用分配曲线。
解决方法：每级内平衡。 R i-1 Ei i Ri E i+1
一般是萃 余液组成
即：Ei和Ri平衡，若能确定Ri 的组成 xi 和 E
i+1
组成
yi+1之间的关系，即可求得理论级数（逐级计算) 。
① 三角形相图图解法
a）总物料衡算
qmF qmS qmE1 qmR N qmM
已知溶 剂比
A A
E’
K
F M R’ B R S E R’ B R F
K E S
M
溶剂用量： m MF m S F MS
单级萃取图解法
同理，可得到萃取液、萃余液的量和组成。
（3） 最大溶剂用量及最小溶剂用量
增加S量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 mS,max。
A
说明：解决方法与单级萃取基本相同。
A
多 级 错 流 萃 取 图 解 计 算 ：
K F R1 M1
E1 E2
R2
R3 R4 B
M2 M3 M4
E3 E4 S
A
三级错流，求分离程度
E1 F R’3 R1 R2 R3 M1
E2 E3
M2 M3 S
B
作业：习题4、 5 下周二交
9.3.3 多级逆流萃取