《化工单元操作》萃取与萃取设备

x xmin
R2
M
当S=Smin时： y ymax
B R1
E1 S
x xmax
单级萃取的溶剂范围：Smin<S<Smax
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。
y'A= y'Amax时溶剂用量的求法：
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：
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。
A
F
E1
R'N RN
M
D
B
S
由 E1 通过平衡关系确定 R1，R1 和 D 连线确定 E2
如此交替直至x x iN
，则
N
为理论级数。
A
F SM RN E1 (差点 ) → R1
F S RN E1 D
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……...
(1)总组成点在两相区内； (2)能得到完整的平衡数据。
A
K En
Rn R2
E2
R1
E1
M点是F、S的和点，也是E1、RN的和点
确定E
1
依
F，S
确定
M，依
M
和 RN
，确定E 1
A
F
R'N B
RN
利用杠杆定律：
qmE1
MRN E1RN
qmM
E1 M
qmRN qmM qmE1 qmE1 qmF qmS qmRN qmD
S 注意E1和RN不是共轭相
2．各级的物料衡算
第一级qmF qmE2 qmR1 qmE1 qmE1 qmF qmE2 qmR1
F
R'N
R1 RN
E1
M
E2
……
E2
D
（2）利用分配曲线 N较多,三角形相图内作图不准确。 画分配曲线；
画操作线: 过D点画级联线，求得
xF
x1
x2 …… xi
y1
y2
y3
yi1
画梯级得理论级数 示意图
A y
分配曲线
F xi
1 i 2 M E1 yi+1
Rn' Rn
B
S
(a)
y1
1
2
Ci
3
y i+1
三、计算 （１）设计型计算
已知qmＦ、xF，在规定各级qmＳ量后，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，估计其分离能力。 方法基本相同。
A
F
M1
R1
E1 E2 E3
R2 M2
R'3 R3
M3
B
S
8.3.3多级逆流萃取 一．流程：
二．特点 连续逆流操作，分离程度较高
F
E1
RN
M
连接F、Dmin点，与溶解度曲线相交于E1点，
则RNE1与FS的交点为和点M。
最小溶剂比：
( qmS qmF
) m in
FM SM
实际溶剂比取最小实际溶剂比的倍数。
分离要求、溶剂一定时：多级逆流萃取比多级错流 萃取板数少。
板数一定时：多级逆流萃取比多级错流萃取溶剂用量 少。
B
S
8.3 部分互溶物系的萃取计算
分离液体混合物，达到一定的分离要求所需的 理论级数为 N，由总级效率，可确定实际级数 NP=N/
8.3.1 单级萃取 一、流程
二、特点： 原料液与溶剂一次性接触。 萃取相与萃余相达到平衡。
三、计算： 已知原料液的处理量及组成（生产工艺给定）,
计算：
1. 给定溶剂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。
FR' m'E E' R' mF
A
m'R mF m'E
E'
F
E
M
R' R
B
脱除溶剂量为：
mSE mE m'E mSR mR m'R
S
2、根据给定的原料液F及规定的分离要求，求溶剂S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；
溶剂用量：
A
MF mS MS mF
此式说明,三个组成点在一条直线上,即M点位于R E 点的连接线上,且
mE RM mR ME
mE ME mR RM
称为杠杆定律。
在工程上常用图解法,即杠杆定律:
A
mE ME mR RM
R M
E
B
S
R点、E点的和点M对应组成为总组成。
相反的问题,求差点,即从其混合液M中分出组 分(xA, xB, xS)质量为mR的三元混合物,求剩余的
P 点（夹紧点）所对应的两相联结线和级联线重合
Ei Ei1
夹紧点附近各级无分离能力， N
p
2、最小溶剂比的求法
Dm in的位置，既和平衡关系有关，又和分离要求有关。
最小溶剂比的确定：所有的联结线延长，与级联RNS相 交，D点在右侧，则取离S最近的点；反之，D点在左 侧，则取离S最远的点。
RN
3. 萃取后组成之间的变化:
yA xA yB xB
yA xA
结果,使组分得到一定程度的分离。
4．对萃取剂的基本要求:
(1) 能选择性地溶解各组分,即对各组分具 有不同的溶解度；
(2) 该溶剂与原溶剂能部分互溶或完全不溶, 且混凝后部分互溶的液-液两相较易分层。
5. 应用范围:
（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；
质量分别为mR和mE的两种三元混合物,其组 成分别为xA, xB, xs和yA,yB,ys ,两者混合物M的 质量为mM,其总组成如何?
( zA, zB, zs)。
物料衡算: mM=mR +mE
mM zA mR xA mE yA mM zs mR xs mE ys
将方程整理成如下形式：
mE xA zA zS xS mR zA yA yS zS
y'Amax yA' F
R
E M
MF mS MS mF
对比：y'A与y'Amax
B
S 可见： y'A〈y'Amax
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
8.3.2 多级错流萃取 一、流程
二、特点 萃取相溶质的回收率较高， 溶剂耗量较大，溶剂回收负荷增加, 设备投资大。
1、表示方法
习惯表示法： （1）各顶点表示纯组分 （2）每条边上的点为两组分混合物 （3）三角形内各点代表不同组成的三元混合物
K点 ： xA=0.6 xB=0.4 P点 ： xA =0.3 xB =0.2 xS=0.5
注意组成的归一性
B
xi =1
组成的单位
原则上可用任意单位
常用质量分率表示
二、杠杆定律
三．计算
设计型问题：已知S的组成，qmF、xF,
规定 qmS/qmF （溶剂比）和分离要求，求N。 解法：每级内平衡
R i-1 i
Ei
Ri E i+1
即Ei和Ri平衡，若能确定Ri组成xi和Ei+1组成yi+1之间的关 系，即可求得理论级数（逐级计算)
1．物料衡算：
qmF qmS qmE1 qmRN qmM
萃取过程的简单流程: 混合过程: F（A+B）及S 充分接触,组分转移； 澄清过程: 形成两相,由于密度差而分层。
萃取相E, y——溶剂相中出现 (S+A+B) 萃余相R, x——原料液中出现溶剂 (B+S+A)
• 脱除溶剂: 在两分离塔中,脱除溶剂
萃取相脱除溶剂得萃取液E′, y′ 萃余相脱除溶剂得萃余液R′, x′
以溶剂为主的相称为萃取相。
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；
（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 另一相B=0；
（3）第二类物系(具有两对部分互溶物的物系，A、 B 完全互溶,A、S,B、S部分互溶)。
B
S
xA
平衡联结线倾斜方向不一致：
第二类物系：
y=x
R E
2、分配系数 A组分在两相中的分配系数
kA
溶质A在E相中的组成 溶质A在R相中的组成
yA xA
yA = kA xA
kA和温度有关，温度升高，kA下降； 与浓度有关，溶质浓度升高，kA下降
浓度较低时,kA可视为常数。
原溶剂的分配系数
kB
yB xB
5 4 i 操作线
6
0 xn
xi
xf
D
(b)
图8-31 在直角坐标中图解下场论基数N
四、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
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， Ei1 Ri 有 E1 F 净物流向左流动， E1 为 F 和 D 的和点，D 点必在三角形相图右侧。
F R' R B
E M
进而，得到萃取液、萃 余液的量和组成。
S
3、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 S max
A
减小S，当Ｍ达到R2时，混溶，故Ｍ
位于R2时的溶剂用量为 S min
当S=Smax时： y ymin
E2 F
方法： （1）依S的用量mS及F的量mF和组成xF确定和点M 。
A
MS mF FS mM
F
.
M
B
S
(2）确定E，R的量及组成。 采取图解试差法确定E，R的组成。 试差过程
由杠杆定律确定E和R的量。
MR
A
mE ER mM
mR mM mE
F
.M E
R
B
S
(3) 确定萃取液与萃余液的组成及量
（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； 例:青霉素的生产；
（5）提取稀溶液中有价值的物质。
8.2 液-液相平衡关系
8.2.1 三角形坐标及杠杆定律
三元混合液的表示方法 一、三角形坐标 三组分用三角形坐标表示:
等边三角形； 直角三角形等； 等腰直角三角形（常用）。
第二级 qmE2 qmR1 qmE3 qmR2
……………………
第 N级 qmEN qmRN1 qmS qmRN
qmE1 qmF qmE2 qmR1 qmEN qmRN1 qmS qmRN qmD
此式说明各级间的物流之差为一常数， 且D为各级物流的公共差点（极点）。
3．逐级图解 （1）相图：Ri 和Ei互成平衡
组成yA,yB, yS,及质量mE。
mE=mM-mR
mE MR
mM
ER
8.2.2 三角形相图
萃取相、萃余相的相平衡关系是萃取的基本问题。 相平衡数据来自实验。
讨论的前提:
•A在B和S中可全溶； •B与S部分互溶或完全不溶(第一类物系)； •各组分不发生化学反应。
一、溶解度曲线及平衡联结线 1、相平衡数据的测定:
qmS/qmF 减小， M F
，E 1
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。
示意图
qmS/qmF 操作线斜率趋于联结线的斜率 当（qmS/qmF） 到 (qmS / qmF )min 时，
4、温度、压力对相平衡的影响
相律 :
F C 2
C3 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。
二、辅助曲线 问题： 已知一相的组成，如何求取其它共轭相的组成？ 解决问题的办法：辅助曲线。
使用辅助曲线，已知一相的组成可求得另一相的组成。
B R0
M
E0
S
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； （2）联结线:各对共轭相组成点之间的联线； （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； （4）临界混溶点(褶点) :共轭相的组成相同,其位置
和物系有关； （5）萃取相和萃余相: 以原溶剂为主的相称为萃余相,
化工单元操作
萃取与萃取设备
8.1 概述: 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 差异使之分离。
1．几个基本概念: (1)萃取剂(溶剂)：所用的溶剂。 (2)溶质：原料液中易溶于溶剂的组分。 (3)原溶剂：原料液中较难溶于溶剂的组分。
萃取过程的简单流程:
联结线斜率对分配系数的影响
A
A
A
E R
B
kA>1
R SB
E
R
E
SB
S
kA<1
kA=1
对于完全不互溶物系,浓度常用比质量分数X Y表示
X
A
mAR mB
YA
mAE mS
kA
YA XA
3、脱溶剂基分配曲线
将R，E 两相脱去溶剂S，得萃余液及萃取液。
k
' A
y
' A
xA'
y'A
A
y'A=x'A
K
x'A
8.2.3 分配曲线及分配系数
三元混合物系相平衡关系的另一种表示方法。
1、分配曲线 横座标：萃余相中溶质的组成 纵坐标：萃取相中溶质的组成
R
x1
x2
x3
E
y1
y2
y3
共轭相中的组成标绘如图 共轭相组成转换到直角坐标中得物系：
A
yA
y=x
K