化工原理 第一章液液萃取.pdf

化工原理principles of chemical engineering第一章液液萃取延安大学化学与化工学院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玄间的差异C（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；j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E,y溶剂相中出现(S+A+B)两相、萃余相此X原溶剂相中出现(B+S+A)萃取相脱除溶剂得萃取液脱溶剂后萃余相脱除溶剂得萃余液(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，网收溶剂。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：2工”脱出溶剂后：1 x；九 Xb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,采用精储的办法不经和-混合物蒸播时形成恒沸物；欲回收的物质为热敏性物料；混合物中含有较多的轻组分，利用精微的方法能耗较大；提取稀溶液中有价值的物质；分离极难分离的金属。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微分氧化所得的稀醋酸-水溶液 以S02为溶剂从煤油中除去芳香烽。单级萃取装置示意图萃取应用举例19世纪，用于无机物和有机物的分离，如1842年用二乙醛萃 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：链烷烧与芳香煌共沸物的分离。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烧，如苯、甲苯和二 甲苯（尤狄克斯法）。丁“废水处理二 田一蠕其7谢胺脱除染科广、母油厂、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。例如盥/旦、银钻、铀钢体系的分离，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。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：等边三角形三角形坐标J 任意三角形：直角三角形(常用等腰直角三角形)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。xa=0.6xa=0.6 xb=0.4xA=0.3 xB=0.3 xs=0.4E玉T任意三角形坐标 直角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）。(2)杠杆定律三元混合物相尺CxA,xB,xs)和根石(yA9 yBys)混合 形成新的混合物mm(ZZB,Zg)：mM=mR+mE物料衡算 1的溶剂万与分配系数左A有关，七越大，夕越大kA 1,则夕一天十1;4Smax叫溶剂用量对单级萃取的影响,f JminC y-JmaxV、X f X max单级萃取的溶剂范围：/ftSmin mS 5，规定qF(溶剂比)和分离要求，求N。解决方法：每级内平衡。R i-i-R即耳和与平衡，若能确定此.组成X和E 1+1组成+1之间的关 系，即可求得理论级数(逐级计算)。三角形相图图解法a）总物料衡算QmF+QmS=qmE、+QmRN=QmM说明：M点是F、S的和点，也是Rn的和点。与的确定：依尸、S确定依M、Rn确定马利用杠杆定律:_b)各级的物料衡算第一级 _O.mF+qnE?Q mR+q mE q mF-Q mE?Q mR第二级 qmE2 q*-Q_mEi _%&第 N 级 qmEN-QmRN_.=QmS QmRN于是：jQmEl QmF=QmE2 4根&=QmEN (lmRN_i=QmS (lmRN mD 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、Rn可确定El。由见呜一金尸=QmS-QmRN 可确定。点B由Ei通过平衡关系确定RyRi和D连线确定E2，0L0FBL)1。S如此交替直至萃余相组成小于规定 要求，则N为理论级数。多级逆流萃取图解法设”型 多级逆流萃取利用分配曲线N较多时，三角形相图内作图不准确。在直角坐标系中图解多级逆流萃取理论级数(4)溶剂比对操作的影响溶剂比和最小溶剂比定义：溶剂比TinS，mFB七点的影响可见:ImsmF较大，MS,El为F和D的和点，D点在 三角形相图右侧，净物流向左流动。gms/qmF减小，M-F,E1升高，D点远离S。D点移到无穷远时D=0,级联线互相平彳 品s/qmF再减小，F为E和D的和点，D点落在三角形相图左侧，净物流向右流动。1 溶才1 AFBJ、J比(ms/wf)对极点位置的影响O/Hs/，F 较小O ms/M 增大O Is/IF 较大 fcr-1高学礴鲍军高等教育出版社 3 一-一4”色这，操作线斜率-联结线的斜率QmF当右工=如 时，P点、（夹紧点）对应的联结线和级联线重合mF I夕加尸Jmin此时，4=g4i，夹紧点附近各级无分离能力，N fs溶剂比对操作线的影响最小溶剂比的求法Onin的位置，既和平衡关系有关，又和分离要求有关。夹紧点与。min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,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。极点在相图左侧 极点在相图右侧最小溶剂比的确定A连接F、Dmm点，与溶解度曲线相交于El点,则RnEi与FS的交点为和点M。q FM最小溶剂比：（台濡=看实际溶剂比的确定：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r乘用逆流萃责怕隹-8.3.4微分接触式逆流萃取指：卒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H=N.Hth理论级当量高度th：与物系、操作条件和设备形式有关，其值由实验确定。或E，y T 或f/o(2)传质单元数法取微元高度dHdH=k/k-y)积分：h=(1Q)42 Kya(ye y)八心E，y I或rm微元接触式逆流萃取示意图变形：HqmE(i一丁口6KyaQ y)m(1 y)(Ky)简化：H=qniE人(1y)(K y)令忆、丁)赢-jtjq)叫、Kyci(1-y)m 47(1-yye-y)所以：H Hoe-N 0E同理：h=hornor(一 x).(1-%)(-x)其中:H 0R=QmRK(1-x)/VCv ，111N or-27.3.5回流萃取逆流萃取上部增加增浓段，塔顶有萃取液回流。QmSE-Er或r y/itiljQmF,Sv:2 QmSR广lii 巾 户 11 q 机 rn，丁-su/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。超临界萃取纯物质状态图(1)超临界萃取基本原理。点：体系的界面消出就 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I液体 J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 co210o O 3 2PdlAL/K 出0-600 20 40 100温度/纯CO?温度、压力和密度关系氧化碳一乙醇一水体系相平衡图(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若取相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 不进行溶剂蒸储；jl体系的、沸点和溶解席H溶剂和溶质的种当有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7.5.1 萃取设备的基本要求与分类要求：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)节两相榜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。7.5.2 常用萃取设备简介、混合澄清槽(1)结构混合一澄清 器(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双备。-(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。二塔式萃取设备(1)喷洒塔(喷淋塔)轻相Elgin型喷淋萃取塔特点：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。(2)筛板萃取塔 t萃取过程中的筛板塔筛板塔分散的轻液重液重液向下流I /I 重液向下流轻液分散的筛板萃取塔 重液分散的筛板萃取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。(3)填料萃取塔填料萃取塔特点：填料萃取塔结构简单，造价 低廉，操作方便，级效率较低，在，之要家的埋企级小十工处埋量 较小时可考虑采用。(4)转盘萃取塔转盘萃取塔特点：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。(5)搅拌填料塔重液入重液出1.转轴2.搅拌器.丝网填料三、晶心萃取器出 相 lg;一 3转鼓清洗通道栓塞波式离心萃取器示意图出 相物优点：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。铲相济缺点：能耗大，结构复杂，轻相进设备员怖脩费用高.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。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一停留时间尽可能短一离心萃取器；伴有较慢的化学反应时一停留时间长一混合-澄清槽。(2)所需理论级数需理论级数少(23级)一铮神萃取说备；需理论级数45级一转盘塔、脉冲塔和振动筛板塔；需理论级更多一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，不易分相一离心萃取器；|物系界面张力较小，或两相密度差较大一重力流动式。(4)生产能力生产处理量小一填料塔或脉冲塔；生产处理量大一筛板塔，转盘塔，混合澄清槽等。(5)防腐蚀及防污染要求具有腐蚀性一结构简单的填料塔；一方污泄性_屏蔽性能且好的脉冲塔一(6)建筑物场地要求空间高度有限一混合-澄清槽；占地面积有限一塔式萃取设备。