化工原理 电子教案 第八章 固液萃取.doc

12萃取
本章学习要求
1. 熟练掌握萃取过程的原理；部分互溶物系的液-液相平衡关系；萃取过程（包括单级萃取、多级错流萃取和多级逆流萃取）的计算；对于组分B 、S部分互溶体系，要会熟练地利用杠杆规则在三角形相图上迅速准确的进行萃取过程计算；对于组分B、S不互溶体系，则可仿照吸收的计算方法。
2. 理解溶剂选择的原则；影响萃取操作的因素；萃取剂和操作条件的合理选择；萃取过程的强化措施。
3. 了解萃取操作的经济性；萃取操作的工业应用；液-液萃取设备及选用。
12.1 概述
　　液－液萃取又称溶剂萃取，是向液体混合物中加入适当溶剂(萃取剂)，利用原混合物中各组分在溶剂中溶解度的差异，使溶质组分A从原料液转换到溶剂S的过程，它是三十年代用于工业生产的新的液体混合物分离技术。随着萃取应用领域的扩展，回流萃取，双溶剂萃取，反应萃取，超临界萃取以及液膜分离技术相继问世，使得萃取成为分离液体混合物很有生命力的单元操作之一。
蒸馏和萃取均属分离液体混合物的单元操作，对于一种具体的混合物，要会经济合理化的选择适宜的分离方法。
一般工业萃取过程分为如下三个基本阶段：
1. 混合过程 将一定量的溶剂加入到原料液中，采取措施使之充分混合，以实现溶质由原料向溶剂的转移的过程；
2. 沉降分层 分离出萃取相与萃余相。
3. 脱出溶剂 获得萃取液与萃余液，回收的萃取剂循环使用。
萃取过程可在逐级接触式或微分接触式设备中进行，可连续操作也可分批进行。
12.2 液液相平衡
12.2.1三角形相图

根据组分间的互溶度，三元混合体系可分为两类：
（1）Ⅰ类物系组分A、B及A、S分别完全互溶，组分B、S部分互溶或完全不互溶；
（2）Ⅱ类物系 组分A、S及组成B、S形成两对部分互溶体系
本章重点讨论Ⅰ类物系连续操作的逐级接触萃取过程。
12.2.1 三元体系的相平衡关系
萃取过程以相平衡为极限。相平衡关系是进行萃取过程计算和分析过程影响因素的基本依据之一。
对于组分B、S部分互溶物系，相的组成、相平衡关系和萃取过程的计算，采用等腰三角形相图最为方便。常用质量百分率或质量分率表示相组成。
1 相组成在三角形相图上的表示
三角形的三个顶点分别表示纯组分A、B、S 。
三角形的边AB、AS和SB依次表示组分A与B、A与S以及S与 B的二元混合液。
三角形内任意一点代表三元混合液的组成。
2 相平衡关系在三角形相图上的表示
⑴溶解度曲线、联结线、辅助曲线和临界混熔点
要能够根据一定条件下测得的溶解度数据和共轭相的对应组成在三角形相图上准确作出溶解度曲线、联结线、辅助曲线（又称共轭曲线），并确定临界混溶点。
会利用辅助曲线由一已知相组成点确定与之平衡的另一相组成点的坐标位置。
　　溶解度曲线将三角形分成单相区（均相区）与两相区，萃取操作只能在两相区中进行。
① 不同物系在相同温度下具有不同形状的溶解度曲线。
② 同一物系，当温度变化时．可引起溶解度曲线和两相区面积的变化，甚至发生物系的转化。一般温度升高，组分间互溶度加大，两相区面积缩小，不利于萃取分离。
一定温度下，同一物系的联结线倾斜方向随溶质组成而变，即各联结线一般互不平行，少数物系联结线的倾斜方向也会发生改变（等溶度体系）。
⑴分配系数和分配曲线
① 分配系数 在一定温度下，溶质A在平衡的萃取相和萃余相中组成之比称为分配系数，即

同样，对干组分B也可写出相应表达式：

在操作条件下，若组分B、S互不相溶，则以质量比表示相组成的分配系数可改写成如下式，即

② 分配曲线 若主要关心溶质A在平衡的两液相中的组成关系，则可在直角坐标图上表示相组成，即在直角坐标图画出X－y关系曲线，此即分配曲线。
在操作条件下，若组分B、S不互溶，则可仿照吸收中平衡曲线的方法作出以质量比表示相组成的XY相图。再若在操作范围内，以质量比表示相组成的分配系数K为常数，平衡关系可表示为直线方程，即

分配曲线为通过原点的直线。
3 萃取过程在三角形相图上的表示
（1）萃取过程的三个基本阶段
萃取过程的三个基本阶段可在三角形相图上清晰地表达出来。
① 混合
将Skg的萃取剂加到 F kg的料液中并混匀，即得到总量为 M kg 的混合液，其组成由点M的坐标位置读取。

式中，F为料液量， kg或kg／s；S为萃取剂的量，kg或 kg／s；M为混合液的总量，kg或kg／s；xF为原料液中溶质的质量分率； ys为溶剂中溶质的质量分率，对于纯溶剂，ys=0
Xm为混合液中溶质的质量分率。
② 沉降分层
混合液沉降分层后，得到平衡的两液相E、R，其组成由图上读得，各相的量由杠杆规则及总物料衡算求得，即

式中 E为萃取相的量，kg或kg/s；
R为萃余相的量，kg 或kg/s
、分别代表线段的长度。
图中的M点称为和点，R、E或F、S称为差点。
③ 脱除溶剂
若将得到的萃取相及萃余相完全脱除溶剂，则得到萃取液和萃余液，其组成由图上读得，其量利用杠杆规则确定，即

或
F=+
杠杆规则是物料衡算过程的图解表示，萃取过程在三角形相图上的表示和计算，关键在干熟练地运用杠杆规则。
（2）萃取剂的选择
萃取剂的选择是萃取操作分离效果和是否经济的关键。选择萃取剂时时主要考虑如下因素。
① 萃取剂的选择性和选择性系数

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，可用选择性系数来表示，其对应于蒸馏中的相对挥发度，统称为分离因子。萃取操作中值均应大于1。值越大，越有利于组分的分离；若=1，萃取相和萃余相脱除溶剂S后将具有相同的组成，且均等于原料液的组成，无分离能力，说明所选择的萃取剂是不适宜的。
当在操作条件下组分B、S可视作不互溶时，=0，选择性系数趋于无穷大。
② 组分B、S间的互溶度
组分B、S间的互溶度愈小愈有利萃取分离，完全不互溶为理想情况。
③ 萃取剂回收的难易
易于回收可降低能量消耗。
④ 其它
两相密度差要大，界面张力适中，粘度与凝固点要低，化学及热稳定，无毒不易燃，来源充，价格低廉等。
12.2 萃取过程的计算
重点讨论级式接触萃取过程的计算，且假设各级均为理论级。
1．单级接触萃取
单级萃取操作中，通常有两种类型计算：
（1）已知原料液组成及其处理量，规定萃余相组成，要求计算萃取剂用量、萃余相的量及、萃取相的组成。
萃取剂的用量可利用杠杆规则确定：

或
萃取相的组成由其坐标位置从图上读得，E相和R相的量用杠杆规则和物料衡算式计算。
（2）已知原料液的组成及其处理量、要求计算萃取相、萃余相的量及两相的组成。此类计算需利用辅助曲线通过和点M试差法作联结鲜．两相组成由联结线两端的坐标位置读得，两相的量用杠杆规则和物料衡算式计算。
当组分B、S可视作完全不互溶时，则以质量比表示相组成的物料衡算式为

经过单级萃取后所能获得的最高萃取液组成一般可由点S作溶解度曲线的切线而确定。
2．多级错流接触萃取
多级错流接触萃取操作的特点是：每级都加入新鲜溶剂，前级的萃取相为后级的原料，传质推动力大。只要级数足够多，最终可获得所希望的萃取率，其缺点是溶剂用量较多。
多级错流接触萃取设计型计算中，通常已知F、XF。及各级溶剂用量Si，规定最终萃余相组成，要求计算所需理论级数。
根据组分B、S的互溶度，萃取理论级数的计算有如下三种方法：
①
② 组分B、S不互溶时的直角坐标图解法
设各级溶剂用量相等，则各级萃取相中的溶剂和萃余相中的稀释剂B均可视作常量，在X�Y坐标上求解萃取级数非常简便。
错流萃取的操作线方程式为
在X－Y坐标图上求解萃取理论级数的步骤略。
③ 解析法求解理论级数
若在操作条件下，组分B、S可视作完全不互溶，且以质量比表示相组成的分配系数K可视作常数，再若各级溶剂用量相等，则所需萃取级数可用下式计算：

⑶ 多级逆流接触萃取
多级逆流接触萃取操作的特点是：大多为连续操作，平均推动力大、分离效率高、达到规定萃取率溶剂用量最少。
多级逆流萃取的设计型计算中，原料液处理量F及其组成、最终萃余相组成均由工艺条件规定，溶剂用量S及其组成由经济权衡而选定，要求计算所需的理论级数。
根据组分B、S的互溶度及平衡关系，理论级数的计算可分别采用如下方法。
① 组分B、S部分互溶时的图解计算法
对于组分B、S部分互溶物系，常在三角形坐标图上利用平衡关系和操作关系，用逐级图解法求解理论级数。
多级逆流萃取的操作线方程式为

式中的称为操作点，为各条操作线上的共同点，可将其视为通过各级的“净流量”。 为虚拟量，通常由与的延长线交点来确定点的位置。
若萃取过程所需理论级数较多时，可在直角坐标图上绘出分配曲线与操作线，在操作线与分配曲线之间画阶梯求解理论级数。
② 组分B、S不互溶时理论级数的计算
根据平衡关系情况，可用图解法和解析法求解理论级数。
在X－Y坐标图上求解理论级数的方法与脱吸计算十分相似。此时的操作线方程式为

若在操作范围内以质量比表示相组成的分配系数为常数时，可用下式求解理论级数：

再若分配曲线与操作线为互相平行的直线时（即），所需理论级数可表示为

③ 溶剂比（或）和萃取剂的最小用量
和精馏中的回流比 R、吸收中的液气比 L／V相对应，萃取中的溶剂比 S／F（或 S／B）表示了萃取用量对设备费和操作费的影响，达到指定分离程度需要无穷多个理论级时所对应的萃取剂用量为最小溶剂用量，用表示。
在三角形相图上，出现某条操作线与联结线重合时对应的即为最小萃取剂用量。
在X－y或X－Y坐标图上，出现某操作线与分配曲线相交或相切时对应的即为最小萃取剂用量。
对于组分B、S完全不互溶的物系，萃取剂的最小用量可用下式计算：

适宜的萃取剂用量通常取为S=1，1～2.0。
⑷ 微分接触逆流萃取
微分接触逆流萃取操作常在塔式设备内进行。塔式设备的计算和气液传质设备一样，即要求确定塔高及塔径两个基本尺寸。
① 塔高的计算
塔高的计算有两种方法，即
（a）理论级当量高度法

式中 HETS为理论级当量高度，m；
h为萃取段的有效高度，m；
n 为逆流萃取所需理论级数，无因次
（b）传质单元法（以萃取相为例） 假设在操作条件下组分B、S完全不互溶，用质量比表示相组成，再若在整个萃取段内体积传质系数可视作常数，则萃取段的有效高度可用下式计算：

式中 为萃余相的总传质单元高度，m ；

为总体积传质系数，kg/(m3·h·△x)
为萃余相的总传质单元数；

萃取相的总传质单元高度或总体积传质系数由实验测定，也可从手册查得。
萃余相的总传质单元数可用图解积分法求得。当分配系数K为常数时，可用平均推动力法或萃取因子法计算。萃取因子法的计算式

当时，。
2．塔径的计算
塔径的尺寸取决于两液相的流量及适宜的操作速度，可用下式计算：

式中 分别为连续相与分散相的体积流量，m3/s；
分别为连续相与分散相的空塔气速，m/s；
实际设计时，空塔速度可取液泛速度的50％～80％。关于液泛速度，许多研究者针对不同类型的萃取设备提出了经验或半经验的公式，还有的绘制成关联线图。
12.3 液一液萃取设备
12.3.1 概述
和气液传质过程相类似，在液一液萃取过程中，要求萃取相和萃余相在设备内密切接触，以实现有效的质量传递；尔后，又能使两相快速、完善分离，以提高分离效率。由于萃取操作两相密度差较小，对设备提出了更高的要求。
1. 为使两相密切接触、适度湍动、高频率的界面更新，可采用外加能量，如机械搅拌、射流和脉冲等；
2. 为两相完善分离，除重力沉降分离外，还可采用离心分离（离心分离机、旋液分离器等）；
3. 萃取设备的分类属两相接触方式，可分为逐级接触式和微分接触式两类；根据有无外功加入，可分为有回水量和无外加能量两种。工业上常用萃取设备的分类情况见相关章节
萃取设备的选择 根据物系性质、分离的难易和程度、设备特性等合理选取萃取设备类型和尺寸。
12.3.2萃取设备的选择
各种不同类型的萃取设备具有不同的特性,萃取过程中物系性质对操作的影响错综复杂.对于具体的萃取过程选择适宜设备的原则是:首先满足工艺条件和要求,,然后进行经济核算,使设备费和操作费总和趋于最低.萃取设备的选择, 应考虑如下的因素:
1.所需的理论级数
　　当所需的理论级数不大于2-3级时,各种萃取设备均可满足要求; 当所需的理论级数较多(如大于4-5级)时,可选用筛板塔;当所需的理论级数再多(如10-20级)时, 可选用有能量输入的设备,如脉冲塔,转盘塔,往复筛板塔,混合澄清槽等.
2．生产能力
　　当处理量较小时,可选用填料塔,脉冲塔.对于较大的生产能力,可选用筛板塔, 转盘塔及混合-澄清槽.离心萃取器的处理能力也相当大.
3.物系的物性性质
　　对界面张力较小,密度差较大的物系,可选用无外加能量的设备.对密度差小,界面张力小,易乳化的难分层物系,应选用离心萃取器. ]对有较强腐蚀性的物系,宜选用结构简单的填料塔或脉冲填料塔. 对于放射性元素的提取,脉冲塔和混合澄清槽用得较多. 若物系中有固体悬浮物或在操作过程中产生沉淀物时,需周期停工清洗,一般可采用转盘萃取塔或混合澄清槽.另外,往复筛板塔和液体脉动筛板塔有一定的资清洗能力,在贸些场合也可考虑选用.
4.物系的稳定性和液体在设备内的停留时间
　　对生产要考虑物料的稳定性,要求在萃取设备内停留时间短的物系,如抗菌素的生产.用离心萃取器合适;反之,若萃取物系中伴有缓慢的化学反应, 要求有足够的反应时间,选用混合-澄清槽为适宜.
5.其它
　　 在选用设备时,还需考虑其它一些因素,如:能源供应状况,在缺电的地区应尽可能选用依重力流动的设备;当厂房地面受到限制时,宜选用塔式设备, 而当厂房高度受到限制时,应选用混合澄清槽。