第7章_萃取.doc

7 萃 取
7.1 教学基本要求
掌握液-液相平衡关系、部分互溶物系及完全不互溶物系的萃取计算，萃取剂的选择。了解其他萃取方法及萃取设备。
（1）掌握相平衡关系，包括三角形相图、杠杆定理、分配曲线及分配系统；
（2）掌握部分互溶物系的萃取计算，包括单级萃取、多级逆流萃取和多级错流萃取；
（3）掌握完全不互溶物系的萃取计算，包括单级萃取、多级逆流萃取和多级错流萃取；
（4）掌握操作中萃取剂选择的原则；
（5）了解萃取设备和其他萃取方法。
7.2 重点内容概要
7.2.1 萃取过程的相平衡关系
萃取中的相平衡关系就是溶解平衡关系。因为萃取过程达到相平衡时，呈平衡的两相即大都为三元混合物，所以，萃取过程的溶解平衡关系相对精馏、吸收的气（汽）液平衡要更为复杂，常常需在三角形坐标上表示，称为三角形相图。
7.2.1.1关于三角形相图
三角形相图可采用直角三角形、等边三角形等，下面以直角等腰三角形为例介绍，如图7-1（a）所示。

图7-1 三角形相图
①顶点代表纯组分；
②三条边代表二元溶液；
③相图中的点代表三元溶液，且有
7.2.1.2三角形相图的应用
三角形相图可以用来表示混合液的混合、分开等过程，在相图中就是和点、差点关系。
如图7-2所示，线段代表三元溶液（差点）与三元溶液（差点）混合成为新的三元溶液（和点）线段代表二元溶液（差点）与纯组分（差点）混合成为新的三元溶液（和点）；线段代表三元溶液（和
图7-2 混合液混合、分离过程
A
M
S
F
E
R
B
R
E

点）和脱除其中的组分（差点）后成为二元溶液（差点）。以此类推，图中任意线段上的三个点，均代表混合或分开过程的状态点，由此三点构成的线段又称为杠杆，和点就是杠杆的支点，两差点就是杠杆的“力”的作用点。对两溶液的混合过程做物料衡算，可以得到类似于物理学中的杠杆原理表达式，以线段为例：
（7-1）
7.2.1.3溶解度曲线
以与部分互溶为例，其溶解度曲线如图7-3所示，可以由若干组平衡的萃取相和萃余相的组成点连接成线得到。平衡共存的两相连线称为联结线（共轭线）。
点为临界混溶点，其共轭组成相等。溶解度曲线下方为两相区，其余为均相区。
图7-3中的辅助曲线可以已知共轭相中的一相组成求另一相组成，或者已知混合物的组成求共轭相的组成。辅助线过临界混溶点。
图7-3 B与S部分互溶时溶解度曲线
C
S
P
B
联结线（共轭线）
溶解度曲线
辅助曲线

7.1.2.4 分配曲线
萃取的相平衡关系也可以在直角坐标系上表示，这时的平衡关系曲线称为分配曲线，直角坐标系上的平衡关系与精馏、吸收的平衡关系无原则上的区别。如图7-4所示为与部分互溶时的溶解度曲线与分配曲线之间的关系。

图7-4 分配曲线
（1）分配系数
分配系数表示各组分在相互平衡的萃取相和萃余相中的分配比例，定义如下：
（7-2）
分配系数与精馏中的挥发度相似。越大、越小，越有利于萃取分离，所需萃取剂越少。
（2）选择性系数
选择性系数表示萃取剂的选择性溶解能力，即表示在中的溶解度的差异。定义如下：
（7-3）
与精馏中的相对挥发度相似。，表明可以分离，此时
越大，表示越易分离，所需理论级数越少。，由式7-3可知，萃取相中的组分的浓度之比等于萃余相中的组分的浓度之比。因此，萃取相、萃余相脱萃取剂后浓度相同，表明此时不能用萃取方法分离。
根据组分在萃取相和萃取液中质量相同的特性，可知

同理，有

故
（7-4）
式7-4可改写为
（7-5）
式7-5与精馏的相平衡关系式形式上完全相同。
7.2.2 物料衡算
对于三元萃取物系，其物料衡算关系共有3个独立的衡算方程：总物料衡算方程、溶质的衡算方程和萃取剂（或稀释剂）的衡算方程。
因为萃取过程就是混合、溶解、分层的过程，因此，其物料衡算关系在三角形相图中可用杠杆定律表示。在图解法进行萃取计算的过程中，杠杆定律会给计算带来很大的方便。
而与精馏和吸收类似，萃取过程中的工艺计算问题也是联合物料衡算关系和相平衡关系来解决。
关于萃取一章需要掌握的计算主要包括：单级萃取的图解计算法和公式计算法；多级（错流、逆流）萃取计算—与部分互溶时的图解法，与完全不互溶时的图解法和计算法。具体的解题步骤将在例题中给出。
7.2.3理论级
在多级错流萃取和逆流萃取过程中，可以用图解法和解析法，或用逐级计算法计算所需的理论级数，与精馏和吸收是类似的。
7.2.4 溶剂的选择
溶剂的选择主要从以下几方面考虑：
（1）溶剂的选择性要高，即对溶质有较大的溶解能力；
（2）溶剂与原溶剂的互溶性要小，这样可使两相区扩大，增大；
（3）溶剂应易回收，且回收成本低；
（4）溶剂应具有较高的化学稳定性和热稳定性；低的粘度与低的密度；大的表面张力；与原溶剂应有较大的密度差；且无毒等特点。

图7-5 萃取主要内容关联图

操作范围的确定
最小萃取剂比的计算
理论级数和平衡组成的计算
由直角坐标图解
由三角形相图的点求定
解析法
直角坐标图解
直角坐标图解
三角形相图图解法
完全不互溶物系
部分互溶物系
多级逆流萃取
多级错流萃取
单级萃 取
基本计算
萃 取
基本原理和概念
物料衡算
分配曲线
进料组成的上下限
的确定
萃取液最大浓度的确定
选择性系数
分配系数
杠杆规则
直角坐标
直角坐标
三角形相图
临界混溶点
辅助曲线
平衡联结线
溶解度曲线

7.3 典型考题解析
【例7-1】【清华大学2000年试题7】在单级萃取操作中，B-S部分互溶，进料中含A，含B，用纯溶剂萃取。已知萃取相浓度，萃余相浓度，试求：
（1）选择性系数；
（2）萃取液量与萃余液量之比。
【解】本题考查的主要是应用单级萃取过程的总物料衡算方程和溶质的衡算方程，以及选择性系数的求算。
（1）选择性系数
（2）
解得
同理解得
代入下式
①
②
解得
【例7-2】【清华大学2001年试题2】为分离含A的A、B两组分混合液，用纯溶剂S在混合澄清槽中进行单级萃取。A、B、S为部分互溶的三元体系，假定混合澄清槽为一个理论级。得到的萃取相和萃余相分别进行脱溶剂。测得萃取液的组成为含A，选择性系数为。求萃取液、萃余液的量各为多少？
【解】本题主要是考查单级萃取过程的总物料衡算方程和溶质的衡算方程。
已知，，，
由
解得
代入下式
①
②

解得：，
【例7-3】【清华大学2002年试题4】（1）采用回流萃取的目的是什么？
（2）回流萃取流程如图所示，已知：进料量，（质量分率，下同）。脱除溶剂后，萃取物量，，，，均为纯态，试问脱除后萃余物组成是多少？

图7-6 例7-3附图
解】本题考查的是总物料衡算方程和溶质的衡算方程。
（1）在溶剂和原料液一定的情况下，为了得到更高的分离程度，可以增加提浓段，引入回流，即采用回流萃取。
（2）根据题意，
①
②
代入已知数据，解得：

【例7-4】【浙江大学2006年试题六（10分）】原料液（丙酮水溶液，以A表示丙酮，以B表示水）中含丙酮（质量，以下同），今用纯苯（S）作萃取剂，在逆流萃取设备中进行萃取，要求最终萃余相含丙酮，已知(质量比)，试求所需的理论级数？设萃取剂S与水B完全不互溶，在本题浓度范围内体系分配曲线（平衡线）为,式中Y为丙酮在萃取相中质量比，X为丙酮在萃余相中质量比。
【解】本题考查多级逆流萃取操作的解析法分析，包括物料衡算以及理论级数的求算。
逆流萃取操作流程如下图所示：
X
F
B
S
Y
1
1
2
N
X
1
Y
2
X
2
Y
3
X
N
-1
Y
N
X
N
B
S
Y
0

图7-7 逆流萃取操作流程图
根据题意，

总物料衡算如下：

代入可解得：
由解得：
对单个理论级做物料衡算得：

因此，
所以

代入得

同理，

故所需理论级数为。
7.4 同步练习
1．【天津大学2001】分配系数kA增加，则选择性系数β 。
A 减小 B 不变 C增加 D不确定
2．【天津大学2003】 若萃取相和萃余相在脱除溶剂后均与原料液的组成相同，则所用萃取剂的选择性系数 。
A 小于1 B 大于1 C不确定 D等于1
3．【天津大学2003】多级错流萃取的特点是： 、
、 。
每级都加入新鲜萃取剂，传质推动力大；只要级数足够多，最终可得到希望的萃取率；萃取剂用量大。
4．【天津大学2004】为提高萃取分离效果，分散相应选择 、 的液相。
体积分率大，不润湿设备
5．【天津大学2005】在萃取操作中，溶质A的分配系数为kA=yA/xA；若kA=1，则说明该溶液 用萃取方法分离。C
A 不能 B 可以 C不确定能否
6．【天津大学2006】在A、B二组分混合溶液中加入纯溶剂S，混合后分为二个平衡液层E相和R相,已知E相含40%A(质量%，下同)、3%B；R相中含29%A、70%B。则A组分在E相和R相得分配系数kA等于 ，溶剂的选择性系数等于
。
1.379 , 32.18
7．【天津大学2007】某单级萃取过程中，用纯溶剂萃取二元混合物中溶质A，若增加混合物的处理量（混合物组成不变），而萃取剂用量不变，则萃取相组成yA将 A ，萃余相组成xA将 A
A 增大 B减小 C不变 D不确定
8．【浙江大学2000】有一个多级错流萃取过程，用纯溶剂S对某混合液A+B进行萃取，已知B与S完全不互溶。现保持进料中B量及萃取剂量S不变，但进料组成xF增加（这里的组成专指A在混合物中的含量，下同），则 。
A 萃取相组成增大，萃余相组成减小 B萃取相组成减小，萃余相组成增大 C萃取相组成增大，萃余相组成增大 D萃取相组成减小，萃余相组成减小
9．【浙江大学2002】在B-S部分互溶体系的单级萃取过程中，若加入的纯溶剂量增加而其他操作条件不变，则萃取液浓度 。
A 增大 B减小 C不变 D不确定
10．【浙江大学2003】请写出三种液液萃取的工业设备名称： 、
、 。

11．【浙江大学2005】单级萃取中，在维持进料组成和萃取相浓度不变的条件下，若用含有少量溶质的萃取剂代替纯萃取剂，所得萃余相浓度将 。
A 增大 B减小 C不变 D不确定
12．【大连理工2003】多级萃取的优点是 ，缺点是 。
13．【四川大学2003】进行液液萃取操作时应使 。
A 分配系数大于1； B分配系数小于1
C选择性系数大于1 D选择性系数小于1
14．【西南交通大学2002】用萃取剂S对A、B混合液进行单级（理论）萃取，当萃取剂用量增加时（进料量和组成均保持不变），所获得的萃取液组成
。
A 增大 B减小 C不变 D不确定
15．【西南交通大学2002】萃取剂S加入量应使原料F与萃取剂S的合点M位于
。
A 溶解度曲线之上方区； B溶解度曲线之上；
C溶解度曲线之下方区 D坐标线上。
16．【华东理工2002】简述：萃取过程中选择溶剂的基本要求有哪些？
7.5同步练习答案
1．D。
2．D。.
3．每级都加入新鲜萃取剂，传质推动力大；只要级数足够多，最终可得到希望的萃取率；萃取剂用量大。
4．体积分率大，不润湿设备。
5．C。
6．1.379 , 32.18。
7．A、A。
8．C。
9．B。
10．混合-澄清槽、填料萃取塔、筛板萃取塔。
11．A。
12．可以将混合物分离的更彻底；溶剂用量大、流程复杂、投资高。
13．C。
14．B。
15．C。
16．萃取剂的选择性好，萃取剂与稀释剂的互溶度越小越好，萃取剂与稀释剂有较大的密度差，使萃取相和萃余相容易分离，萃取剂容易回收，化学性质稳定，无腐蚀、不易燃、毒性小及价廉易得。

本章主要符号说明

符号 意义 单位
A　 溶质及溶质的质量流量 kg/h
B　 稀释剂及稀释剂的质量流量 kg/h
E 萃取相及萃取相的质量流量 kg/h
F 液体混合物及其质量流量 kg/h
k 分配系数
M 两种混合物的混合物及其流量 kg/h
S　 萃取剂及萃取剂的质量流量 kg/h
x 萃余相中溶质的质量分数
X 萃余相中溶质的比质量分数
y 萃取相中溶质的质量分数
Y 萃取相中溶质的比质量分数

希腊字母
选择性系数
下标
0 萃取剂
N 第N个理论级
上标
O 萃取液和萃余液