第八章液-液萃取

第8章液—液萃取8.3萃取過程的流程和計(jì)算8.1概述8.2三元體系的液—液相平衡8.1概述

液—液萃取，又稱溶劑萃取，簡稱萃取，常稱為抽提（煉油工業(yè)），分離液體混合物的單元操作。1、萃取操作的分類被分離混合物的形態(tài)液—液萃取和固—液萃?。ń。┦欠癜l(fā)生化學(xué)反應(yīng)物理萃取和化學(xué)萃取可溶組分的數(shù)目單組分萃取和多組分萃取根據(jù)萃取劑所提取物質(zhì)的性質(zhì)無機(jī)萃取和有機(jī)萃取兩類稀有金屬和有色金屬的分離和富集用苯脫除煤焦油的酚1、萃取操作的基本原理和過程

向欲分離的液體混合物（原料液）中，加入一種與其不互溶或部分互溶的液體溶劑（萃取劑），形成兩相體系溶質(zhì)（易溶組分），用A表示稀釋劑（難溶組分），用B表示萃取劑（溶劑），用S表示混合槽沉降分層脫除溶劑分離：蒸餾、蒸發(fā)或結(jié)晶萃取相萃余相yAxAS萃取液E'萃余液R'RA、BSE3、萃取分離的適用場合混合液中組分的相對揮發(fā)度接近于1或形成恒沸物芳烴與脂族烴的分離溶質(zhì)在混合液中組成很低且難揮發(fā)組分由稀醋酸水溶液制備無水醋酸混合液中有熱敏性組分從發(fā)酵液中對青霉素及咖啡因進(jìn)行提取

多種金屬物質(zhì)的分離（銅—鐵的分離）、核工業(yè)材料的制取、環(huán)境污染的治理（如廢水脫酚）等。4、萃取操作的特點(diǎn)

外界加入萃取劑建立兩相體系，萃取劑與原料液只能部分互溶或完全不互溶。

萃取是一個(gè)過渡性操作，E、R相脫溶劑后才能得到富集A或B組分的產(chǎn)品。常溫操作，適合于熱敏性物系分離三角形相圖在萃取中應(yīng)用比較普遍8.2三元體系的液—液相平衡一、組成在三角形相圖上的表示方法ABSA代表溶質(zhì)A的組成為1，其他兩組分為零。EAB邊上的E點(diǎn)代表A、B二元混合物三角形內(nèi)任一點(diǎn)代表三元混合物MDGHKF過M點(diǎn)分別作平行線ED、HG與KF（L）（N）（J）A的組成B的組成S的組成三個(gè)頂點(diǎn)代表純物質(zhì)稀釋劑萃取劑S的組成3個(gè)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和等于1，即二、液—液相平衡關(guān)系1、溶解度曲線和聯(lián)結(jié)線

也可過M點(diǎn)分別作3個(gè)邊的垂直線MN、ML及MJ，則垂直線段ML、MJ、MN分別代表A、B、S的組成。由圖可知，M點(diǎn)的組成0.4A、0.3B和0.3S。設(shè)A完全溶解于稀釋劑B和溶劑S中B與S部分互溶或不溶Ⅰ類物系Ⅱ類物系：A、S與B、S均互溶ABSLJCB與S在一定溫度下，以任意數(shù)量相混合，得到互不相溶的液層，即L與J在B、S二元混合液C中逐漸加入組分A形成三元混合液，B與S質(zhì)量比為常數(shù)，則混合液的組成點(diǎn)將沿AC線而變化。若加入A的量恰好使混合液由兩個(gè)液相變?yōu)榫幌郈'時(shí)，稱為混合點(diǎn)或分層點(diǎn)DFGC'D'F'G'溶解度曲線B與S完全不互溶，則L與B重合，J與S重合。均相區(qū)兩相區(qū)RE聯(lián)結(jié)線兩相區(qū)內(nèi)的混合物有兩個(gè)液相，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，稱為共軛相聯(lián)結(jié)共軛相的直線萃余相萃取相B與S部分互溶ABSLGJKHPR1E1E2R2R3E32、輔助曲線和臨界混溶點(diǎn)輔助曲線臨界混溶點(diǎn)P點(diǎn)的聯(lián)結(jié)線無線短，為臨界狀態(tài)3、分配系數(shù)和分配曲線分配系數(shù)溶質(zhì)A已知萃余相（R）的數(shù)據(jù)，求萃取相（E）的數(shù)據(jù)，反之亦然。溶解度曲線與聯(lián)結(jié)線已由實(shí)驗(yàn)可知同理，對于稀釋劑B也可寫成

在一定溶質(zhì)A組成范圍內(nèi)，溫度變化不大或恒溫條件下的kA值可近似視為常數(shù)若萃取劑S與稀釋劑B互不相溶，且kA為常數(shù)時(shí)萃取相E中溶質(zhì)A的質(zhì)量比萃余相R中溶質(zhì)A的質(zhì)量比以質(zhì)量比表示相組成的分配系數(shù)分配曲線oxAyAy=xxAPPxARyAPyAEN(ER)分配曲線ABSKLPxARyAERE三角相圖轉(zhuǎn)化為x-y圖yA＞xA分配曲線在y=x上方出現(xiàn)交點(diǎn)則為等溶度體系4、溫度對相平衡關(guān)系的影響ABSP1P4P3P2T3T2T1T1＜T2＜T3溫度升高，分層區(qū)面積縮小，對萃取分離是不利的。物系溫度升高，溶質(zhì)在溶劑中的溶解度加大三、杠桿規(guī)則ABSREFMRkg的萃余相與Ekg的萃取相混合，得到Mkg的混合液M為和點(diǎn)，R和E稱為差點(diǎn)M與R、E之間的關(guān)系可用杠桿規(guī)則描述M與R、E應(yīng)處于同一直線上E和R與線段成比例在A、B原料液F中加入純?nèi)軇㏒四、萃取劑的選擇1、萃取劑的選擇性和選擇性系數(shù)選擇性指萃取劑S對原料液中兩個(gè)組分溶解能力的差異在萃取相中yA比yB大得多，在萃余相中xB比xA大得多選擇性系數(shù)或類似于溶質(zhì)A在萃取液與萃余液中的關(guān)系2、萃取劑S與稀釋劑B的互溶度ABS1ABS2y'maxy'max組分B與S1互溶度小組分B與S2互溶度大互溶度小，分層面積大，得到的萃取液的最高組成較高3、萃取劑回收的難易與經(jīng)濟(jì)性萃取后的E相與R相，通常采用蒸餾方法分離

要求溶劑S與原料液中組分的相對揮發(fā)度要大，不應(yīng)形成恒沸物，最好是組成低的組分為易揮組分。

溶劑的萃取能力大，可減少溶劑的循環(huán)量，降低E相溶劑回收費(fèi)用

溶劑在被分離混合物中的溶解度小，也可減少R相中溶劑回收的費(fèi)用4、萃取劑的其他物性界面張力，黏度和凝固點(diǎn)，腐蝕性小，價(jià)格低廉例在一定溫度下測得A、B、S三元物系兩平衡液相的平衡數(shù)據(jù)見P205附表所示。表中數(shù)據(jù)為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。試求（1）溶解度曲線和輔助曲線；（2）臨界混溶點(diǎn)的組成；（3）當(dāng)萃余相中xA=20%時(shí)的分配系數(shù)kA和選擇性系數(shù)；（4）在100kg含30%A的原料液中加入多少kgS才能使混合液開始分層？（5）對第（4）項(xiàng)的原料液，欲得到含36%A的萃取相E，試確定萃余相的組成及混合液的總組成。輔助曲線溶解度曲線E10.40.20.60.8ABS0.40.60.8LJPC解：（1）溶解度曲線和輔助曲線（2）臨界混溶點(diǎn)的組成輔助曲線和溶解度曲線的交點(diǎn)P即為臨界混溶點(diǎn)，直接由圖上讀出xA=0.415xB=0.435xS=0.15（3）分配系數(shù)kA和選擇性系數(shù)R1由xA=20%定出R1，利用輔助曲線求出E1FHE2R2M萃取相：yA=0.39yB=1－0.39－0.414=0.196萃余相：xA=0.20xB=1－0.2－0.066=0.734（4）使混合液開始分層的溶劑用量

在AB邊上確定F點(diǎn)，連接FS，當(dāng)S加入量恰好落在H點(diǎn)時(shí)，混合液開始分層。溶劑用量用杠桿規(guī)則求得平衡數(shù)據(jù)所以kg（5）兩相的組成和混合液的總組成

由yA=36%在溶解度曲線上確定E2，利用輔助曲線作聯(lián)結(jié)線獲得平衡點(diǎn)R2xA=0.17xB=0.77xS=0.06由圖上讀出R2R2E2與FS的交點(diǎn)M為混合液的總組成點(diǎn)xA=0.235xB=0.555xS=0.21由圖上讀出M8.3萃取過程的流程和計(jì)算萃取操作設(shè)備分為分級(jí)接觸式和連續(xù)接觸式兩類一、單級(jí)萃取ABSE'maxF1、萃取過程在三角形相圖上的表示混合REmaxMER'MRMEM點(diǎn)應(yīng)在兩相區(qū)內(nèi)M點(diǎn)的位置由杠桿規(guī)則確定E'E、R由試差法得到分層F、S經(jīng)充分混合后，混合液經(jīng)沉降分層得到平衡的E相和R相E和R的關(guān)系由杠桿規(guī)則確定脫溶劑若從E相和R相中脫除全部溶劑，得到萃取液E'和萃余液R'E'和R'的關(guān)系由杠桿規(guī)則確定或單級(jí)萃取效果取決于R'及E'的位置E'max代表在一定條件下可能得到的最高組成y'max的萃取液y'max,1ABST1y'max,2T2T1＜T2y'max與組分B、S之間的互溶度密切相關(guān)y'max,1＞y'max,2溫度升高使分層區(qū)面積縮小，萃取操作不宜在高溫下進(jìn)行。但溫度過低，會(huì)使液體黏度過大，界面張力增大，擴(kuò)散系數(shù)減小操作溫度應(yīng)適當(dāng)選擇Emax2、單級(jí)萃取的計(jì)算ABSFRMER'E'原料液F，xF萃取液S，yS萃余相R，xR萃取相E，yE對上圖作總物料衡算由杠桿定律得對A衡算作圖法解析法同理當(dāng)組分B、S完全不互溶時(shí)，用質(zhì)量比表示的物料衡算式萃取后萃余相中組分A的質(zhì)量比組成萃取相中組分A的質(zhì)量比組成例在25℃下以水（S）為萃取劑從醋酸（A）與氯仿（B）的混合液中提取醋酸。已知：原料液流量為1000kg/h，其中醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%，其余為氯仿；用水量為800kg/h。操作溫度下，E相和R相以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示的平均數(shù)據(jù)列于P208表中。試求（1）經(jīng)單級(jí)萃取后E相和R相的組成及流量；（2）若將E相和R相中的溶劑完全脫除，要求萃取液及萃余液的組成和流量；（3）操作條件下的選擇性系數(shù)；（4）若組分B、S可視作完全不互溶，且操作條件下以質(zhì)量比表示相組成的分配系數(shù)K=3.4，要求原料液中80%的溶質(zhì)A進(jìn)入萃取相，則每千克稀釋劑B需要消耗多少千克萃取劑S？解：根據(jù)附表數(shù)據(jù)，在等腰直角三角形坐標(biāo)圖中作出溶解度曲線和輔助曲線（1）兩相的組成和流量由xF=35%，在AB邊上確定F點(diǎn)，連接FS，利用杠桿規(guī)則確定和點(diǎn)M因E相和R相組成未給出，需借助輔助曲線用試差作圖法確定過M點(diǎn)的聯(lián)結(jié)線ERFR'ERPE'1MS'（醋酸）（水）（氯仿）ABS0.40.20.60.80.40.60.80.2yA=0.27yB=0.015yS=0.715由圖上讀出E相xA=0.072xB=0.914xS=0.014R相由總物料衡算kg/h圖上量得kg/hkg/hyE'=0.92xR'=0.073（2）萃取液、萃余液的組成和流量kg/hkg/h（3）選擇性系數(shù)（4）每千克B需要的S量因B、S視為完全不互溶YS=0Y1與X1呈平衡關(guān)系，即將以上數(shù)據(jù)代入式二、多級(jí)錯(cuò)流接觸萃取1F，xFR1，x1S12R2，x2S23R3，x3S3nxn

RnSnxn-1Rn-1R'SRNNE1，y1E2，y2E3，y3En-1yn-1En，ynE'SE在多級(jí)錯(cuò)流萃取中，每級(jí)加入新鮮溶劑，前級(jí)的萃余相為后級(jí)的原料，傳質(zhì)推動(dòng)力大，只要級(jí)數(shù)足夠，最終可得到溶質(zhì)組成很低的萃余相。設(shè)計(jì)型計(jì)算中，已知F、xF及各級(jí)溶劑用量Si，規(guī)定萃余相組成xn，要求理論級(jí)數(shù)1、組分B、S部分互溶時(shí)的三角形坐標(biāo)圖圖解法ABSFR1M1E1R2E2M2M3R3E3原料液A、B為二元溶液，各級(jí)均用純?nèi)軇┻M(jìn)行萃取M1FS1混合聯(lián)結(jié)線E1R1R1物料衡算M2R1S2混合聯(lián)結(jié)線E2R2R2物料衡算···

直至xn達(dá)到或低于指定值時(shí)為止。所作聯(lián)結(jié)線的數(shù)目即為所需的理論級(jí)數(shù)2、組分B、S不互溶時(shí)理論級(jí)數(shù)的計(jì)算直角坐標(biāo)圖圖解法

設(shè)每一級(jí)的溶劑加入量相等，則各級(jí)萃取量中的溶劑S的量和萃余相中的稀釋劑B的量均視為常數(shù)，萃取相中只有A、S兩組分，萃余相中只有B、A兩組分

溶質(zhì)在萃取相和萃余相中的組成分別用質(zhì)量比Y（kgA/kgS)和X（kgA/kgB)表示對第一級(jí)作溶質(zhì)A的衡算同理，對第n級(jí)作溶質(zhì)A的衡算，得操作線方程OXY

斜率為常數(shù)，過點(diǎn)（Xn-1，YS）的直線方程式由理論級(jí)的假設(shè)，離開任一級(jí)的Yn與Xn處于平衡狀態(tài)，故（Xn，Yn）必位于分配曲線上，操作線與分配曲線的交點(diǎn)。分配曲線XFX1X2X3XnYSYnY3Y2Y1LVE1E2直至Xn等于或低于指定值若各級(jí)萃取量不等，則操作線不平行。YS=0，V、L在X軸上解析法若分配系數(shù)K為常數(shù)，則分配曲線通過原點(diǎn)K—以質(zhì)量比表示相組成的分配系數(shù)第一級(jí)的相平衡關(guān)系=Am萃取因子第一級(jí)的操作線方程類似于吸收中的脫吸因數(shù)對第二級(jí)作溶質(zhì)A衡算，得同理依此類推，以第n級(jí)則有取對數(shù)見p214圖4-18習(xí)題4在多級(jí)錯(cuò)流接觸萃取裝置中，以水作萃取劑從含乙醛6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的乙醛—甲苯混合液中提取乙醛。原料液的流量為120kg/h，要求最終萃余相中乙醛含量不大于0.5%。每級(jí)中水的用量均為25kg/h。操作條件下，水和甲苯可視作完全不互溶，以乙醛質(zhì)量比組成表示的平衡關(guān)系為：Y=2.2X。試在X—Y坐標(biāo)系上用作圖法和解析法分別求所需的理論級(jí)數(shù)。解：（1）作圖法kg/h斜率XOY0.010.020.030.040.050.060.010.100.090.05（XF，YS）Y1Y7X7=0.0035＜Xn=0.00503理論板層數(shù)6.5（2）解析法三、多級(jí)逆流接觸萃取

一般是連續(xù)的，傳質(zhì)平均推動(dòng)力大、分離效率高，溶劑用量較少，應(yīng)用廣泛。1xFFx1R12x2R2inxn

Rnxn-1Rn-1R'SRNNE2y2E'SExi-1Ri-1xi

RiS

ySEn

ynEi+1

yi+1EiyiE3y3E1y1

萃取劑循環(huán)使用，其中常含少量組分A和B，最終萃余相中可達(dá)到的溶質(zhì)最低組成受溶劑中溶質(zhì)組成限制，最終萃取相中溶質(zhì)的組成受原料液中溶質(zhì)組成和相平衡關(guān)系制約。

在多級(jí)逆流操作中，給出F、xF、最終萃余相組成xn，萃取劑的用量S和組成yS由經(jīng)濟(jì)因素選定，求理論級(jí)數(shù)1、組分B和S部分互溶時(shí)理論級(jí)數(shù)的計(jì)算三角形坐標(biāo)上的逐級(jí)圖解法圖解求算步驟如下：①繪制溶解度曲線和輔助曲線②由原料液和萃取劑的組成，在圖上定出F和S兩點(diǎn)位置，再由溶劑比S/F在FS連線上定出M點(diǎn)位置③由規(guī)定的最終萃余相組成xn在相圖上確定Rn，連接Rn、M并延長與溶解度曲線交于E1點(diǎn)，為離開第一級(jí)的萃取相組成點(diǎn)ABSFR1ME1R2E2R4E4RnE3輔助曲線溶解度曲線R3E1、Rn由杠桿規(guī)則得④利用平衡關(guān)系和物料衡算，用圖解法求理論級(jí)數(shù)聯(lián)結(jié)線操作點(diǎn)純?nèi)軇㏒/F對第一級(jí)與第n級(jí)之間作總物料衡算對第一級(jí)作總物料衡算，得或?qū)Φ诙?jí)作總物料衡算，得或依此類推，對第n級(jí)作總物料衡算，得或由上面諸式可知操作點(diǎn)“凈流量”交替應(yīng)用操作關(guān)系和平衡關(guān)系，可求得理論級(jí)數(shù)

點(diǎn)的位置與物系聯(lián)結(jié)線的斜率、原料液的流量F和組成xF、萃取劑用量S及組成yS、最終萃余量xn等有關(guān)，可能位于三角形左側(cè)，也可位于右側(cè)。其他條件一定時(shí)，則由溶劑比（S/F）決定S/F較小時(shí)，點(diǎn)在三角形左側(cè)，此時(shí)R為和點(diǎn)S/F較大時(shí)，點(diǎn)在三角形右側(cè)，此時(shí)E為和點(diǎn)S/F為某數(shù)值時(shí)，點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)，即各操作線交點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)，這時(shí)可視諸操作線是平行的。例在多級(jí)逆流萃取裝置中，用純?nèi)軇㏒處理含A、B兩組分的原料液。原料液流量F=1000kg/h，其中溶質(zhì)A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，要求最終萃余相中溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過7%。溶劑用量S=350kg/h。試求（1）所需的理論級(jí)數(shù)；（2）若將最終萃取相中的溶劑全部脫除，求最終萃取液的流量E'1和組成y'1。FR1E1R2E2E4RnE3R3ME5R5R4解：（1）所需理論級(jí)數(shù)由xF=30%定出F點(diǎn)定出和點(diǎn)M由xn=7%定出RnE'1ABS0.4輔助曲線溶解度曲線0.20.60.80.40.60.8連接FS，操作溶劑比為平衡關(guān)系得到R1操作線關(guān)系得到E2x5=5%＜

xn=7%理論級(jí)為5杠桿規(guī)則求E1或利用F求解延長Rn及M的連線與溶解度曲線交于E1，即為最終萃取相組成點(diǎn)連接E1、F與S、Rn，并延長兩連線交于操作點(diǎn)過E1作聯(lián)結(jié)線E1R1（平衡關(guān)系），R1即代表與E1成平衡的萃余相組成點(diǎn)連接、R1并延長，交溶解度曲線于E2（操作關(guān)系），此點(diǎn)為進(jìn)入第一級(jí)的萃取相組成點(diǎn)重復(fù)上述步驟，過E2作聯(lián)結(jié)線E2R2，連接點(diǎn)，R2并延長，交于E3，······，由圖看出，當(dāng)作至聯(lián)結(jié)線E5R5時(shí)，x5=5%＜7%，故知用5個(gè)理論級(jí)即可滿足萃取分離要求。（2）最終萃取液的組成和流量連接點(diǎn)S、E1并延長與AB邊交于點(diǎn)E'1，此點(diǎn)為最終萃取液的組成點(diǎn)，由圖讀得y'1=87%利用杠桿規(guī)則求E1流量，即kg/h萃取液由E1完全脫除溶劑S而得，故可利用杠桿規(guī)則求E1'，即kg/hE1'的量也可由E1'、F和Rn'利用杠桿規(guī)則求得，即kg/h解析計(jì)算上式中的xn,S與xn,A，y1,S與y1,A分別滿足溶解度曲線關(guān)系式，即總衡算對組分A對組分S①以萃取裝置為控制體列物料衡算式，即聯(lián)解上面諸式，可求得各物料流股的量及組成②對于第i級(jí)，物料衡算式為表達(dá)平衡級(jí)內(nèi)相平衡關(guān)系的方程為總衡算對組分A對組分S

計(jì)算過程可從原料液加入的第一理論級(jí)開始，逐級(jí)計(jì)算，直至xn,A值等于或低規(guī)定值為止，n即為所求的理論級(jí)數(shù)例在25℃下用純?nèi)軇㏒從含組分A的水溶液中萃取組分A。原料液的處理量為2000kg/h，其中A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03，要求萃余相中A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.002，操作溶劑比（S/F）為0.12。操作條件下的相平衡關(guān)系為試核算經(jīng)兩級(jí)逆流萃取能否達(dá)到分離要求。解：？（1）對萃取裝置列物料衡算及平衡關(guān)系式組分A組分S聯(lián)立上六式，可得E1=293.4kg/hy1,A=0.1912R2=1946.6kg/hy1,S=0.7322x1,A=0.01151x1,S=0.01242（2）對第一理論級(jí)列物料衡算及平衡關(guān)系式組分A組分S聯(lián)立以上五式，可得E2=278.0kg/hy2,A=0.06814R1=1984.5kg/hy2,S=0.8615x2,A=0.0025250.002表明兩級(jí)逆流萃取不能滿足要求若想兩級(jí)逆流萃取達(dá)到分離要求，可略微加大萃取劑用量>2、組分B和S完全不互溶時(shí)理論級(jí)數(shù)的計(jì)算在X—Y直角坐標(biāo)圖中圖解法求理論級(jí)數(shù)操作條件下，分配曲線不為直線，采用圖解法較為方便①由平衡數(shù)據(jù)在X—Y直角坐標(biāo)上繪出分配曲線②在X—Y坐標(biāo)上作出多級(jí)逆流萃取的操作線對第一級(jí)至第i級(jí)之間對溶質(zhì)作衡算，得操作線方程Xi—離開第i級(jí)萃余相中溶質(zhì)的質(zhì)量比，A/BY