化工原理章液液萃取.ppt

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Free template from,*,无忧,PPT,整理发布,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Free template from,*,化工原理-7章液液萃取,第七章 液液萃取,第一节 概述,第二节 液液萃取相平衡,第三节 液液萃取过程的计算,第四节 超临界气体萃取简介,第五节 液液萃取设备,第一节 概述,液,-,液萃取（抽提）：,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。,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；,原溶剂,B,：,原料液中较难溶于溶剂的组分。,（,2,）萃取过程的简单流程,混合传质过程：,F,（,A+B,）及,S,充分接触,组分发生相转移；,沉降分相过程：,形成两相,E,、,R,，由于密度差而分层；,脱除溶剂过程,萃取相,Extract,萃余相,Raffinate,料液,A+B,Feed,萃取剂,Solvent,混合澄清槽,Mixer-settler,两相,萃取相,E,y,溶剂相中出现,(S+A+B),萃余相,R,x,原溶剂相中出现,(B+S+A),萃余相脱除溶剂得萃余液,R,x,脱溶剂后,萃取相脱除溶剂得萃取液,E,y,（,3,）实现萃取操作的基本要求,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。,原料液与溶剂充分混合、分相，形成的液,-,液两相较易分层。,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,:,使组分,A,、,B,得到一定程度的分离。,应用,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；,混合物蒸馏时形成恒沸物；,欲回收的物质为热敏性物料；,混合物中含有较多的轻组分，利用精馏的方法能耗较大；,提取稀溶液中有价值的物质；,分离极难分离的金属。,脱出溶剂后：,萃取操作在化学和石油化学工业上得到广泛发展,如：乙酸乙酯溶剂萃取石油馏分氧化所得的稀醋酸,-,水溶液,以,SO,2,为溶剂从煤油中除去芳香烃。,单级萃取装置示意图,19,世纪，用于无机物和有机物的分离，如,1842,年用二乙醚萃取硝酸铀酰，用乙酸乙脂类的物质分离水溶液中的乙酸等。,石油化工,：,链烷烃与芳香烃共沸物的分离。例如用二甘醇从石脑油裂解副产汽油中或重整油中萃取芳烃,如苯、甲苯和二甲苯（尤狄克斯法）。,工业废水处理,：,用二烷基乙酰胺脱除染料厂、炼油厂、焦化厂废水中的苯酚。,有色金属冶炼,：萃取是,湿法冶金中溶液分离、浓缩和净化的有效方法。例如铌,-,钽、镍,-,钴、铀,-,钒体系的分离，以及核燃料的制备。,制药工业,：,从复杂的有机液体混合物中分离青霉素、链霉素以及维生素等。,萃取应用举例,第二节 液液萃取相平衡,7.2.1,三角形坐标图及杠杆定律,（,1,）,三角形坐标,三元混合液的表示方法,：,等边三角形,直角三角形（常用等腰直角三角形）,三角形坐标,任意三角形,表示方法,习惯表示法：,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,点：,x,A,=0.6,K,点：,x,A,=0.6,x,B,=0.4,P,点：,x,A,=0.3,x,B,=0.3,x,S,=0.4,注意：组成的归一性，即,1.0,S,0,0.2,0.4,0.6,0.8,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,A,B,P,D,C,F,E,H,G,K,三角形坐标,组成的单位,常用质量分率表示,(,原则上可用任意单位,),。,B,S,P,A,B,S,P,A,任意三角形坐标,直角三角形坐标,（,2,）,杠杆定律,三元混合物,m,R,（,x,A,x,B,x,s,）,和,m,E,（,y,A,y,B,y,s,）混合,形成新的混合物,m,M,(,z,A,z,B,z,s,),：,物料衡算,将方程整理成如下形式：,此式说明，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。,称为杠杆定律,或：,求和点,已知,R,点、,E,点，求和点,M,。,A,B,S,能否将该图美化？,1.0,1.0,求差点,即从其混合液,M,中分出组成为,(,x,A,x,B,x,S,),，,质量为,m,R,的三元混合物,求剩余的组成及质量。,A,B,S,1.0,1.0,7.2.2,三角形相图,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,）,溶解度曲线及平衡联结线,相平衡数据的测定,：,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,.,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。,混合澄清器,单项区,两项区,R,n,B,、,S,部分互溶三角形相图,E,n,联结线,溶解度曲线,S,A,B,M,K,M,n,（,2,）,数据标绘及各区的状态,溶解度曲线,:,各平衡组成点连成一条曲线，称为溶解度曲线；,联结线,:,各对共轭相组成点之间的联线，称为联结线；,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；,临界混溶点,(,褶点,):,共轭相的组成相同，其位置和物系有关；,萃取相和萃余相,:,以原溶剂为主的相称为萃余相，以溶剂为,主的相称为萃取相。,（,3,）,几类物系的相图,部分互溶物系，,A,、,B,，,A,、,S,完全互溶，而,B,、,S,部分互 溶；,三角形相图,溶解度曲线,联结线,两相区,单相区,R,n,E,n,S,B,1.0,1.0,0,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,；,A,S,B,完全不互溶物系相图,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,),两相区,单相区,溶解度曲线,联结线,R,n,E,n,温度较低时第二类物系三角形相图,单相区,溶解度曲线,A,S,B,1.0,1.0,0,两相区,单相区,溶解度曲线,联结线,温度较高时第二类物系三角形相图,两相区,溶解度曲线,A,S,B,1.0,1.0,0,（,4,）温度、压力对相平衡的影响,压力的影响,：压力的影响较小，可忽略；,根据相律：,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，如何求取其它共轭相的组成？,解决办法：,辅助曲线,作图法,:,使用辅助曲线，已知一相的组成可求得另一相的组成。,溶解度曲线,R,n,E,n,C,n,K,辅助线,联结线,三角形相图辅助曲线,A,S,B,1.0,1.0,0,辅助曲线作法：,利用辅助曲线求取共轭相组成,辅助线在三角形相图外：,相图外的辅助线,A,B,K,E,C,R,C,S,C,辅助线,要求溶剂具有一定的选择性，即对,A,的溶解度要大，对其它组分的溶解度要小。,评价指标,选择性系数：,脱除溶剂后，,A,，,B,组分含量比不变，因此：,7.2.3,萃取剂的选择,（,2,）溶剂萃取容量,定义：,部分互溶物系的褶点处或第二类物系溶解度最大时，,萃取相中单位溶剂可能达到的最大溶质负荷。,（,3,）,溶剂与原溶剂的互溶度,B,、,S,互溶度越小，两相区越大，萃取操作范围也越大，,对萃取有利,。,（,4,）,溶剂的可回收性,回收采用的方法是：蒸馏，蒸发，结晶等方法。,（,5,）,溶剂的物理性质,主要物理性质,：密度差，界面张力，粘性,要求：,密度差大，界面张力适中，粘度较低,。,（,6,）,稳定性，腐蚀性，价格,良好的稳定性，腐蚀性小，毒性低，资源充足，价格适宜等。,计算任务,：确定各种萃取过程中分离程度，以及为达到分离要求所需要的萃取剂用量和萃取理论级数。,分类：,（,1,）级式接触式：单级，多级错流，多级逆流,（,2,）连续（微分）接触式,基本工具,：物料衡算和相平衡关系，计算萃取实际级数和连续逆流萃取设备高度时还需用传质速率方程。（萃取过程热效应较小，可认为是等温操作，不作热量衡算）,理论萃取级,：即无论进入该级的两股液流（原料、溶剂或前一级的萃余相和后一级的萃取相）的组成如何，经过萃取后，从该级流出的萃取相和萃余相为互成平衡的两个相。,第三节 液液萃取过程的计算,7.3.1,单级萃取计算,(1),流程,单级萃取流程示意图,m,F,x,F,混合器,澄清槽,m,S,m,M,z,x,E,y,m,R,x,（,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,m,S,及组成，求萃取相,E,与萃余,相,R,的量,m,E,和,m,R,及组成,y,、,x,。,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。,操作型计算求解方法,a,）依,S,的用量,m,S,及,F,的量,m,F,和组成,x,F,确定和点,M,：,A,B,K,S,M,F,b,）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,单级萃取图解法,B,K,E,R,S,M,F,c),确定萃取液与萃余液的组成及量,脱除溶剂量为：,A,单级萃取图解法,B,K,E,R,S,R,E,M,F,A,单级萃取图解法,B,K,E,R,S,R,E,M,F,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.,解法：,由,R,得到,E,，连接,F,、得交点；,溶剂用量：,进而，得到萃取液、萃余液的量和组成。,A,B,K,E,R,S,R,M,F,单级萃取图解法,B,K,E,R,S,R,E,M,F,A,（,3,）最大溶剂用量及最小溶剂用量,减小,S,，,则靠近,F,，,当达到,R,2,时混溶，,故位于,R,2,时的溶剂用量为,m,S,min,。,当,m,S,=,m,Smax,时,当,m,S,=,m,Smin,时,单级萃取的溶剂范围：,m,Smin,m,S,m,Smax,增加,S,，则靠近,S,，当,M,点达到,1,时混溶，,故位于,1,时的溶剂用量为,m,S,max,。,溶剂用量对单级萃取的影响,A,B,E,S,R,E,1,M,F,x,E,2,R,2,R,1,（,4,）萃取液的最大浓度,当,S=S,min,时，,E,的浓度,y,A,最大，但,y,A,一般不是最大。,过,S,点作溶解度曲线的切线得点,E,，,求得,R,，得,M,点，于是得：,A,B,E,2,S,F,R,2,M,E,2,E,y,max,y,2,图解萃取液的最大组成,E,1,R,1,1.0,1.0,0,萃取液的最大浓度确定,:,A,B,E,2,S,F,R,2,M,E,2,E,y,max,y,2,图解萃取液的最大组成,E,1,R,1,1.0,1.0,0,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,R,1,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,B,S,E,1,F,E,R,R,1,M,y,A,7.3.2,多级错流萃取的计算,（,1,）流程,q,mRn,多级错流萃取流程图,q,mSE,q,mEn,q,mS1,q,mRi,q,mEi,q,mRi-1,q,mEN,q,mR1,q,mE2,q,mF,x,F,q,mE,q,mE1,q,mRN,q,mSn,q,mSi,q,mS2,q,mR2,q,mRn-1,q,mRi,（,2,）特点,溶剂耗量较大，溶剂回收负荷增加,设备投资大。,（,3,）计算,设计型计算,已知：,q,m,、,x,F,，规定各级,q,m,量，,求：,达到一定的分离要求所需的理论级数。,操作型问题,已知：,理论级数,估计,：分离能力。,说明：,解决方法基本相同。,多级错流萃取图解计算：,多级错流萃取,A,B,K,E,1,R,1,S,F,E,2,R,2,E,3,R,3,E,4,R,4,M,4,M,3,M,2,M,1,7.3.3,多级逆流萃取的计算,（,1,）,流程,多级逆流萃取流程图,q,mSR,q,mR,q,mRN,q,mS,q,mRi,q,mEi+1,q,mRi-1,q,mEi,q,mR2,q,mE2,q,mF,x,F,q,mE,q,mE1,q,mSE,（,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，,q,m,F,、,x,F,规定,q,m,S,/q,mF,（溶剂比）和分离要求，,求,N,。,解决方法：,每级内平衡。,即,E,i,和,R,i,平衡，若能确定,R,i,组成,x,i,和,E,i+1,组成,y,i+1,之间的关系，即可求得理论级数（逐级计算,),。,i,R,i,-1,E,i,+1,R,i,E,i,a,）总物料衡算,说明：,M,点是,F,、,S,的和点，也是,E,1,、,R,N,的和点。,利用杠杆定律：,注意,:,E,1,和,R,N,不是共轭相。,三角形相图图解法,A,B,E,1,R,N,S,M,F,R,N,b,）各级的物料衡算,第一级,第二级,第,N,级,于是：,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）。,c,）逐级图解过程,已知,F,、,S,可确定,M,，由,M,、,R,N,可确定,E,1,。,由,E,1,通过平衡关系确定,R,1,，,R,1,和,D,连线确定,E,2,多级逆流萃取图解法,如此交替直至萃余相组成小于规定要求，则,N,为理论级数。,利用分配曲线,N,较多时，三角形相图内作图不准确。,a,）画分配曲线；,b,）画操作线；,过,D,点画级联线，求得,c,）画梯级得理论级数。,（,4,）溶剂比对操作的影响,溶剂比和最小溶剂比,定义：溶剂比,=,q,mS,/,q,mF,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。,q,mS,/,q,mF,较大，,MS,，,E,1,为,F,和,D,的和点，,D,点在,三角形相图右侧，净物流向左流动。,q,mS,/,q,mF,减小，,MF,，,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。,q,mS,/q,mF,再减小，,F,为,E,1,和,D,的和点，,D,点落在,三角形相图左侧，净物流向右流动。,可见：,分配曲线,操作线,1,3,2,P,x,F,y,溶剂比对操作线的影响,最小溶剂比的求法,的位置，既和平衡关系有关，又和分离要求有关。,夹紧点与,D,min,的关系：,最小溶剂比的确定：,操作范围内的联结线延长，与,R,N,S,相交，,D,点在右侧,，则取离,S,最近的点；,D,点在左侧,，则取离,S,最远的点。,R,N,连接,F,、,D,min,点，与溶解度曲线相交于,E,1,点，,F,E,1,则,R,N,E,1,与,FS,的交点为和点,M,。,M,最小溶剂比：,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。,生产上多采用逆流萃取操作。,指：,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。,8.3.4,微分接触式逆流萃取,（,1,）理论级当量高度法,理论级当量高度,H,th,：,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,d,H,H,微元接触式逆流萃取示意图,7.3.5,回流萃取,逆流萃取上部增加增浓段，塔顶有萃取液回流。,q,m,F,y,1,2,1,2,N,N-1,II,I,x,N,q,m,Er,q,m,SE,q,m,D,q,m,SR,q,m,RN,q,m,S,q,m,RN,回流萃取流程,第四节 超临界气体萃取简介,定义：,利用超过临界温度、临界压力状态下的气体具有的特异溶解能力，选择性地溶解混合液体或固体中的溶质，分离液体或固体混合物的单元操作。,（,1,）超临界萃取基本原理,C,点：体系的界面消失，成为均相体系，称为,临界点,对应的温度,临界温度,对应的压力,临界压力,超临界状态下体系的特点：,既非气体，亦非液体，却既具有近似气体的粘度和渗透能力，又具有接近液体的密度和溶解能力。,常用的超临界萃取溶剂,CO,2,0,-60,20,100,0,5,30,20,10,40,纯,CO,2,温度、压力和密度关系,B,=1200,1100,1000,900,800,200,100,700,600,500,400,300,超临界流体,温度,/,压力,/MPa,二氧化碳乙醇水体系相平衡图,CO,2,H,2,O,C,2,H,5,OH,T,=308.15K,p,=10.1MPa,（,2,）超临界萃取的原则流程,流程主要分为两部分：,在超临界状态下，溶剂气体与原料接触进行萃取获得萃取相；,将萃取相进行分离，脱除溶质，再生溶剂。,改变压力或温度的超临界萃取流程,加热器,原料,萃取相,溶剂,萃取产物,萃余相,萃取器,分离器,减压阀,压缩机,原料,萃取相,溶剂,萃取产物,萃余相,萃取器,分离器,阀门,泵,冷却器,改变压力和温度的超临界萃取流程,采用吸附分离的超临界萃取流程：,采用吸附分离的超临界萃取流程,阀门,原料,萃取相,溶剂,吸附剂,萃余相,萃取器,吸附器,泵,超临界萃取的特点：,操作温度一般较低，接近室温；,过程易于调节；,分离工艺流程简单；,萃取效率一般高于液体萃取，不会引起被萃取物质的污染且不进行溶剂蒸馏；,体系的沸点和溶解度与溶剂和溶质的种类有关；,萃取过程在高压下进行，设备及工艺技术要求较高，投资大,.,间歇操作，无法连续操作。,（,3,）超临界流体萃取的应用,化学工业：废水中微量有机物的去除、共沸物的分离等；,医药工业：药品有效成分的萃取、脂肪质的分离精制等；,食品工业：植物油的萃取、咖啡和茶的脱咖啡因等。,第五节 液液萃取设备,要求：,提供适宜的传质条件，使两相充分有效地接触并伴有较高程度的湍流，保证两相之间迅速有效地进行传质，并使两相得到及时、完善的分离。,分类：,（,1,）按两相接触方式划分,逐级接触,浓度呈阶跃式变化，,微分接触式,浓度连续变化。,（,2,）按外界是否输入机械能划分,重力流动设备、外加能量的设备。,（,3,）按设备结构特点和形状划分,组件式,由单级萃取设备组合；,塔式,板式塔、喷洒塔、填料塔。,7.5.1,萃取设备的基本要求与分类,一、混合澄清槽,（,1,）结构,混合澄清器,轻相,重相,重相,轻相,7.5.2,常用萃取设备简介,（,2,）优点,处理量大，级效率高；,结构简单，容易放大和操作；,两相流量比范围大，运转稳定可靠，易于开、停工；,对物系的适应性好，对含有少量悬浮固体的物料也能处理；,易实现多级连续操作，便于调节级数。不需高大的厂房和,复杂的辅助设备。,（,3,）缺点,占地大，溶剂储量大。,需要动力搅拌和级间物流输送设备，设备费和操作费较高。,（,4,）应用,适用于所需级数少、处理量大的场合。,Elgin,型喷淋萃取塔,轻相,重相,轻相,重相,Elgin,型喷淋萃取塔,二、塔式萃取设备,（,1,）喷洒塔（喷淋塔）,特点：,无塔内件，阻力小，结构简单，投资少易维护。但两相很难均匀分布，轴向反混严重，理论级数不超过,12,级，传质系数小。,轻相,重相,轻相,重相,（,2,）筛板萃取塔,萃取过程中的筛板塔,轻液,轻液,重液,重液,筛板,轻液分散在重液内的混合液,分散相聚集界面,溢流管,筛板塔,塔板上两相流动情况：,为保证筛板塔正常操作，应考虑以下几点：,分散相应均匀地通过全部筛孔，防止连续相短路而降低分离效率；,两相在板间分层明显，而且要有一定高度的分散相累积层。,轻液分散的筛板萃取塔,轻液向上流,相界面,轻液,筛板,降液管,重液向下流,挡板,分散的轻液,轻液向上流,相界面,重相液滴,筛板,升液管,重液向下流,挡板,重液,重液分散的筛板萃取塔,（,3,）填料萃取塔,特点：,填料萃取塔结构简单，造价低廉，操作方便，级效率较低，在工艺要求的理论级小于,3,，处理量较小时可考虑采用。,填料萃取塔,轻液,轻液,重液,重液,液液相界面,填料,（,4,）转盘萃取塔,特点：,结构简单，造价低廉，维修方便，操作弹性和通量较大，应用较广。,轻液,轻液,重液,重液,界面,格栅,定环,转盘,转盘萃取塔,（,5,）搅拌填料塔,重液出,轻液出,重液入,轻液入,1.,转轴,2.,搅拌器,3.,丝网填料,1,2,3,三、离心萃取器,优点：,处理量大，效率较高，提供较多理论级，结构紧凑，占地面积小，应用广泛。,缺点：,能耗大，结构复杂，设备及维修费用高。,应用：,适用于要求接触时间短，物流滞留量低，易乳化，难分相的物系。,驱动槽轮,轻相进,重相出,转鼓清洗通道栓塞,轻相出,重相进,机械密封,波式离心萃取器示意图,离心萃取器,离心萃取器,离心萃取器,7.5.3,萃取设备的选择,选择原则：,（,1,）稳定性及停留时间,稳定性差,停留时间尽可能短,离心萃取器；,伴有较慢的化学反应时,停留时间长,混合,-,澄清槽。,（,2,）所需理论级数,需理论级数少（,23,级）,各种萃取设备；,需理论级数,45,级,转盘塔、脉冲塔和振动筛板塔；,需理论级更多,离心萃取器或多级混合,-,澄清槽。,（,3,）物系的分散与凝聚特性,物系易乳化，不易分相,离心萃取器；,物系界面张力较小，或两相密度差较大,重力流动式。,（,4,）生产能力,生产处理量小,填料塔或脉冲塔；,生产处理量大,筛板塔，转盘塔，混合,-,澄清槽等。,（,5,）防腐蚀及防污染要求,具有腐蚀性,结构简单的填料塔；,具有污染性,屏蔽性能良好的脉冲塔。,（,6,）建筑物场地要求,空间高度有限,混合,-,澄清槽；,占地面积有限,塔式萃取设备。,