《氫化工基礎(chǔ)》課件-7、萃取

氫化工基礎(chǔ)7、萃取0102了解熟悉萃取過(guò)程及應(yīng)用萃取設(shè)備

萃取

利用組分在兩個(gè)互不相溶的液相中的溶解度差而將其從一個(gè)液相轉(zhuǎn)移到另一個(gè)液相的分離過(guò)程稱為液液萃?。↙iquid-liquidextraction），也叫溶劑萃?。⊿olventExtraction），簡(jiǎn)稱萃取。待分離的一相稱為被萃相，用做分離劑的相稱為萃取相。萃取相中起萃取作用的組分稱為萃取劑，起溶劑作用的組分稱為稀釋劑或溶劑。分離完成后的被萃相又稱為萃余相。萃取過(guò)程主要用于分離和提取已經(jīng)存在于液相中的某種物質(zhì)，在石油化工、濕法冶金、核工業(yè)、生化、食品、醫(yī)藥、輕工等領(lǐng)域被廣泛使用。

萃取混合液A+B萃取劑(溶劑S)萃取相(S+A)萃余相(B+A)攪拌加料混合分相反萃（純化和回收）混合液多為水相,加入電解質(zhì)(鹽析效應(yīng)),可降低溶質(zhì)和有機(jī)相在水相中溶解度.ExtractantExtractphaseRaffinatephase

萃取萃取操作的基本流程分級(jí)接觸式單級(jí)多級(jí)錯(cuò)流多級(jí)逆流按溶液與萃取劑的接觸方式微分接觸式連續(xù)接觸式單級(jí)萃取最多為一次平衡，故分離程度不高，只適用于溶質(zhì)在萃取劑中的溶解度很大或溶質(zhì)萃取率要求不高的場(chǎng)合。

萃取相Extract萃余相Raffinate料液A+BFeed萃取劑Solvent混合澄清槽Mixer-settler單級(jí)萃取

萃取多級(jí)錯(cuò)流萃取原料液依次通過(guò)各級(jí)，新鮮溶劑則分別加入各級(jí)的混合槽中，萃取相和最后一級(jí)的萃余相分別進(jìn)入溶劑回收設(shè)備，回收溶劑后的萃取相稱為萃取液（用E’表示），回收溶劑后的萃余相稱為萃余液（用R’表示）。特點(diǎn)：萃取率比較高，但萃取劑用量較大，溶劑回收處理量大，能耗較大。萃取劑Solvent料液Feed萃取相Extract萃余相Raffinate123N

萃取多級(jí)逆流萃取原料液和萃取劑依次按反方向通過(guò)各級(jí)，最終萃取相從加料一端排出，并引入溶劑回收設(shè)備中，最終萃余相從加入萃取劑的一端排出，引入溶劑回收設(shè)備中。特點(diǎn)：可用較少的萃取劑獲得比較高的萃取率，工業(yè)上廣泛采用。萃取劑Solvent料液Feed萃取相Extract萃余相Raffinate123N

萃取一般地，在下列情況下采用萃取方法更為有利。（1）原料液中各組分間的沸點(diǎn)非常接近，也即組分間的相對(duì)揮發(fā)度接近于1，若采用蒸餾方法很不經(jīng)濟(jì)；（2）料液在蒸餾時(shí)形成恒沸物，用普通蒸餾方法不能達(dá)到所需的純度；（3）原料液中需分離的組分含量很低且為難揮發(fā)組分，若采用蒸餾方法須將大量稀釋劑汽化，能耗較大；（4）原料液中需分離的組分是熱敏性物質(zhì)，蒸餾時(shí)易于分解、聚合或發(fā)生其它變化。

萃取(1)萃取劑選擇要點(diǎn)①選擇性好表現(xiàn)為分離系數(shù)大。②萃取容量大表現(xiàn)為單位體積溶解萃合物多。③化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)耐酸堿、抗氧化還原、耐熱、無(wú)腐蝕。④易與被萃相分層,不乳化、不產(chǎn)生第三相(界面張力)。⑤易于反萃或分離便于萃取劑的重復(fù)利用。⑥安全性好無(wú)毒或低毒、不易燃、難揮發(fā)、環(huán)保。⑦經(jīng)濟(jì)性好成本低、損耗小。

萃取(2)萃取劑選擇注意事項(xiàng)

①萃取劑應(yīng)與原溶液中的溶劑不互溶②萃取劑應(yīng)與原溶液中的溶質(zhì)不反應(yīng)③提純物質(zhì)在萃取劑中溶解度遠(yuǎn)大于原溶劑

萃取(3)常用萃取劑①中性萃取劑包括含磷類、含氧類和含硫類重型萃取劑，如磷酸三丁酯(TBP)、甲基異丁基酮(MIBK)、二辛基亞砜(DOSO)等。②有機(jī)酸萃取劑包括有機(jī)磷酸、有機(jī)磺酸、羧酸等。③胺類萃取劑各種有機(jī)胺和胺鹽。④螯合萃取劑各種有機(jī)螯合物、冠醚等。

萃取實(shí)例1：青霉素的萃取分離青霉素是一組抗菌素，在pH=2時(shí)，以青霉素酸形式存在，溶于有機(jī)溶劑中。在pH=7時(shí)，形成青霉素鹽，能溶于水中。利用其這種性質(zhì)，經(jīng)反復(fù)在溶劑相和水相間轉(zhuǎn)移，達(dá)到提純和濃縮的目的。典型三步法：將經(jīng)過(guò)過(guò)濾的發(fā)酵液，經(jīng)稀硫酸酸化（pH=2-2.2），把青霉素提到醋酸丁酯中。二步，用磷酸緩沖液酸形式或碳酸氫鈉水溶液，pH=6.8-7.2，將青霉素從有機(jī)相轉(zhuǎn)到水相。三步，調(diào)pH=2-2.2，把青霉素再提到有機(jī)相，去結(jié)晶工序。

萃取過(guò)程的特點(diǎn)1、萃取過(guò)程為液液傳質(zhì)，比汽液傳質(zhì)要難。在萃取過(guò)程中，兩相應(yīng)先進(jìn)行緊密接觸，完成傳質(zhì)，然后又需靠?jī)上嘀g的密度差或外界輸入能量進(jìn)行兩相的分離。

2、兩相間的密度差、界面張力和兩相的粘度等物質(zhì)性質(zhì)非常重要。對(duì)填料和設(shè)備的親和性也是一重要因素。填料塔：現(xiàn)在常用的鮑爾環(huán)等是根據(jù)氣液傳質(zhì)開(kāi)發(fā)的，用于液液傳質(zhì)往往效率不高。氣液傳質(zhì)中，液體沿填料流下，氣液在填料表面完成。液液傳質(zhì)，是分散相分成液滴，傳質(zhì)是液滴群。

萃取過(guò)程的影響1、溫度溫度↑互溶性增大；溫度↓產(chǎn)物穩(wěn)定性提高，粘度增加，擴(kuò)散性能減小2、pH值影響分配系數(shù)，影響物質(zhì)解離情況3、相比溶媒比＝溶媒體積/萃取體積；溶媒比↑萃取效果↑溶媒回收費(fèi)用↑4、鹽分鹽分影響分配系數(shù)5、乳化程度盡量破壞乳濁液，如輕度乳化，要加熱過(guò)濾離心（熱敏物質(zhì)不用加熱）；重度乳化，加SDS、溴化十五烷基吡啶等去乳化劑。

萃取過(guò)程

1、液液萃取在石油化工中的應(yīng)用

分離輕油裂解和鉑重整產(chǎn)生的芳烴和非芳烴混合物

用酯類溶劑萃取乙酸，用丙烷萃取潤(rùn)滑油中的石蠟

以HF-BF3作萃取劑，從C8餾分中分離二甲苯及其同分異構(gòu)體2、在生物化工和精細(xì)化工中的應(yīng)用

以醋酸丁酯為溶劑萃取含青霉素的發(fā)酵液

香料工業(yè)中用正丙醇從亞硫酸紙漿廢水中提取香蘭素

食品工業(yè)中TBP(磷酸三丁酯)從發(fā)酵液中萃取檸檬酸3、濕法冶金中的應(yīng)用

用溶劑LIX63-65等螯合萃取劑從銅的浸取液中提取銅

萃取過(guò)程

液液萃取的優(yōu)點(diǎn)1.兩相可變的物理和化學(xué)因子多2.可分離揮發(fā)度相近的物質(zhì)3.便于連續(xù)操作

4.能量消耗低

5.操作條件溫和

萃取設(shè)備

萃取設(shè)備是溶劑萃取過(guò)程中實(shí)現(xiàn)兩相接觸與分離的裝置。按照萃取設(shè)備的構(gòu)造特點(diǎn)分類：

一是單間組合式，以混合澄清器為典型；二是塔式，如填料塔、篩板塔和轉(zhuǎn)盤塔等，兩相間的混合是依靠密度差或加入機(jī)械能量造成的振蕩；三是離心式，依靠離心力造成兩相間分散接觸。

萃取設(shè)備

混合澄清器是運(yùn)用最早、使用較廣泛的一種萃取設(shè)備，它主要由混合器與澄清器兩部分構(gòu)成。

萃取相（E相）萃取余相（R相）物料液（F）萃取劑（S）

如圖所示，混合澄清器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適用于多種物系的萃取操作?；旌铣吻迤饕讓?shí)現(xiàn)多級(jí)連續(xù)操作，處理量較大，傳質(zhì)效率高；但占地面積大，溶劑儲(chǔ)量大，設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)較高。/video/av67251496/?redirectFrom=h5

萃取設(shè)備物料液(F,xF)萃取劑萃取相(最終)R1,x1E1,y1R2,x2E2,y2E3,y3萃取余相(最終)R3,x3(S)混合澄清器的三級(jí)逆流萃取流程澄清器Ⅲ澄清器Ⅰ澄清器Ⅱ混合器Ⅰ混合器Ⅱ混合器Ⅲ

萃取設(shè)備

①噴灑塔

噴灑塔(噴淋塔)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔體內(nèi)除了各流股物料的進(jìn)出的連接管和分散裝置外，無(wú)其它內(nèi)部構(gòu)件。噴灑塔造價(jià)低，檢修方便；但在混合時(shí)流體的軸向返混嚴(yán)重，傳質(zhì)效率極低，僅適用于1－2個(gè)理論級(jí)場(chǎng)合的萃取操作。重液輕液輕液輕液輕液重液重液重液輕液為分散相重液為分散相萃取塔的結(jié)構(gòu)類型有多種，根據(jù)溶劑與原料液混合的形式及塔板結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的萃取塔有噴灑塔、填料塔、篩板塔和轉(zhuǎn)盤萃取塔等基本類型。

萃取設(shè)備

填料萃取塔的構(gòu)造與前面介紹的精餾或吸收所用的填料塔基本相同，塔內(nèi)裝有適宜的填料，輕液相由塔底進(jìn)入，從塔頂排出；重液相由塔頂進(jìn)入，由塔底排出。萃取操作時(shí)連續(xù)相充滿整個(gè)塔中，分散相由分布器分散成液滴進(jìn)入填料層，并與連續(xù)相接觸傳質(zhì)。②填料萃取塔

填料萃取塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可有效地減少軸向返混，適合處理腐蝕性料液；但其傳質(zhì)效率不高，僅適用于1－3個(gè)理論級(jí)場(chǎng)合的萃取操作。輕液輕液重液重液再分布器填料

萃取設(shè)備

篩板萃取塔的構(gòu)造與前面介紹的精餾或吸收所用的篩板塔基本相同。③篩板萃取塔

萃取時(shí)，輕液相由塔底通過(guò)篩孔被分散成細(xì)小液滴，并與篩板上的連續(xù)相接觸傳質(zhì)；穿過(guò)連續(xù)相的輕相液滴逐漸凝聚，聚集于塔板的下側(cè)，待兩相分層后，借助壓強(qiáng)差的推動(dòng)，再經(jīng)篩孔分散。反復(fù)分散、凝聚交替進(jìn)行，直至塔頂澄清、分層、排出。

重液呈連續(xù)相由塔頂入口進(jìn)入，橫向流過(guò)篩板，并在篩板上與分散相液滴接觸、傳質(zhì)，再由降液管流至下一層篩板；如此重復(fù)進(jìn)行，最后由塔底排出。

篩板塔構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，造價(jià)低，可有效地減少軸向返混，能處理腐蝕性料液，因而運(yùn)用較為廣泛。輕液輕液重液重液篩板降液管

萃取設(shè)備

轉(zhuǎn)盤萃取塔的基本構(gòu)造如圖所示。在塔體內(nèi)壁的面上按一定間距，安裝有若干個(gè)環(huán)形擋板（固定環(huán)），固定環(huán)將塔內(nèi)分成若干個(gè)小空間。兩個(gè)固定環(huán)之間安裝一轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤固定在中心軸上，轉(zhuǎn)軸由塔頂電機(jī)啟動(dòng)。④轉(zhuǎn)盤萃取塔（RDC塔）

萃取操作時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨中心軸高速旋轉(zhuǎn)，液體產(chǎn)生的剪力使分散相破裂成許多細(xì)小液滴，并使液相中產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦旋運(yùn)動(dòng)，增大相際接觸面積和傳質(zhì)系數(shù)。

轉(zhuǎn)盤萃取塔構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，傳質(zhì)(萃取)效率高，生產(chǎn)能力大，對(duì)物系的適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)用較為廣泛。輕液輕液重液重液轉(zhuǎn)盤固定環(huán)

萃取設(shè)備

⑶離心萃取器①轉(zhuǎn)筒式離心萃取器

離心萃取器是利用離心力的作用，使兩液相快速混合、快速分離的一類萃取裝置。離心萃取器種類很多，廣泛應(yīng)用于制藥、香料、廢水處理等離域。

如圖所示，轉(zhuǎn)筒式離心萃取器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低，傳質(zhì)效率高，易控制，運(yùn)行可靠。

萃取設(shè)備

②盧威式離心萃取器

盧威(Luwesta)式離心萃取器是一種立式逐級(jí)接觸式離心萃取設(shè)備。

如圖所示，Luwesta式離心萃取器的主體是固定在機(jī)殼體上，并隨之作高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)形盤，殼體中央有固定的垂直空心軸，軸上也裝有圓形盤，盤上開(kāi)有若干個(gè)噴出孔。

Luwesta式離心萃取器級(jí)效率高，主要用于制藥工業(yè)。重液重液輕液輕液

萃取設(shè)備

選用原則1、物系的穩(wěn)定性和停留時(shí)間要求停留時(shí)間短可以選擇離心萃取器，停留時(shí)間長(zhǎng)可選用混合澄清器；2、所需理論級(jí)數(shù)所需理論級(jí)數(shù)多時(shí)，應(yīng)選擇傳質(zhì)效率高的萃取塔，如所需理論級(jí)數(shù)少，則可采用結(jié)構(gòu)與操作簡(jiǎn)單的設(shè)備；3、處理量處理量大可選用混合澄清器、轉(zhuǎn)盤塔和篩板塔，處理量小可選用填料塔；4、物系的物性易乳化、密度差小的物系宜選用離心萃取設(shè)備；有固體懸浮物的物系可選用轉(zhuǎn)盤塔或混合澄清器；腐蝕性強(qiáng)的物系宜選用簡(jiǎn)單的填料塔；放射性物系可選用脈沖塔；5、其他能源供應(yīng)原因，在電力緊張地區(qū)應(yīng)盡可能選擇中流動(dòng)設(shè)備；當(dāng)廠房面積受限制時(shí)，選擇塔式設(shè)備，當(dāng)廠高受限制時(shí)，選用混合澄清器。

部分互溶物系的相平衡

1、根據(jù)萃取操作中各組分的互溶性，將三元物系分三種情況，1）、溶質(zhì)A可完全溶于B及S，但B與S不互溶；2）、溶質(zhì)A可完全溶于B及S，但B與S部分互溶；3）、溶質(zhì)A可完全溶于B，但A與B及B與S部分互溶；2、組成表示方法三角形坐標(biāo)圖：等邊三角形標(biāo)圖、等腰直角三角形坐標(biāo)圖、非等腰直角三角形坐標(biāo)圖。如圖所示，其中以等腰直角三角形坐標(biāo)圖最為常用。

部分互溶物系的相平衡

2、組成表示方法在三角形坐標(biāo)圖中，AB邊以A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為標(biāo)度，BS邊以B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為標(biāo)度，SA邊以S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為標(biāo)度。頂點(diǎn)分別代表一個(gè)純組分，即頂點(diǎn)A表示純?nèi)苜|(zhì)A，頂點(diǎn)B表示純?cè)軇ㄏ♂寗〣，頂點(diǎn)S表示純萃取劑S。任意邊上的任一點(diǎn)代表一個(gè)二元混合物系，第三組分的組成為零。例如AB邊上的E點(diǎn)，表示由A、B組成的二元混合物系，由圖可讀得：A的組成為0.40，則B的組成為（1.0–0.40）=0.60，S的組成為零。

部分互溶物系的相平衡

2、組成表示方法三角形坐標(biāo)圖內(nèi)任一點(diǎn)代表一個(gè)三元混合物系。例如M點(diǎn)即表示由A、B、S三個(gè)組分組成的混合物系。其組成可按下法確定：過(guò)物系點(diǎn)M分別作對(duì)邊的平行線ED、HG、KF，則由點(diǎn)E、G、K可直接讀得A、B、S的組成分別為：xA=0.4、xB=0.3、xS=0.3；在諸三角形坐標(biāo)圖中，等腰直角三角形坐標(biāo)圖可直接在普通直角坐標(biāo)紙上進(jìn)行標(biāo)繪，且讀數(shù)較為方便，故目前多采用等腰直角三角形坐標(biāo)圖。

部分互溶物系的相平衡

3、液-液相平衡的表示法

溶解度曲線以內(nèi)的區(qū)域?yàn)閮上鄥^(qū)，以外的區(qū)域?yàn)榫鄥^(qū)。※萃取操作只能在兩相區(qū)內(nèi)進(jìn)行B多S少S多B少+A+AMRE

部分互溶物系的相平衡

4、輔助曲線

溶解度曲線可通過(guò)下述實(shí)驗(yàn)方法得到：在一定溫度下，將組分B與組分S以適當(dāng)比例相混合，使其總組成位于兩相區(qū)，設(shè)為M，則達(dá)平衡后必然得到兩個(gè)互不相溶的液層，其相點(diǎn)為R、E。恒溫下，向此二元混合液中加入適量的溶質(zhì)A并充分混合，使之達(dá)到新的平衡，靜置分層后得到一對(duì)共軛相，其相點(diǎn)為R1、E1，然后繼續(xù)加入溶質(zhì)A，重復(fù)上述操作，即可以得到n+1對(duì)共軛相的相點(diǎn)Ri、Ei(i=0,1,2,……n)，當(dāng)加入A的量使混合液恰好由兩相變?yōu)橐幌鄷r(shí)，其組成點(diǎn)用K表示，K點(diǎn)稱為混溶點(diǎn)或分層點(diǎn)。聯(lián)結(jié)各共軛相的相點(diǎn)及K點(diǎn)的曲線即為實(shí)驗(yàn)溫度下該三元物系的溶解度曲線?；烊茳c(diǎn)/分層點(diǎn)兩相區(qū)均相區(qū)溶解度曲線

部分互溶物系的相平衡

4、輔助曲線

聯(lián)結(jié)線：位于兩相區(qū)內(nèi)的混合物分成兩個(gè)互相平衡的液相，稱為共軛相，Ei和Ri，聯(lián)結(jié)兩共軛液相相點(diǎn)的直線稱為聯(lián)結(jié)線，如圖中的RiEi線(i=0,1,2,……n)。聯(lián)結(jié)線的斜率通常聯(lián)結(jié)線的斜率隨混合液的組成而變，但同一物系其聯(lián)結(jié)線的傾斜方向一般是一致的，有少數(shù)物系，例如吡啶–氯苯–水，當(dāng)混合液組成變化時(shí)，其聯(lián)結(jié)線的斜率會(huì)有較大的改變。兩相區(qū)均相區(qū)溶解度曲線聯(lián)結(jié)線

部分互溶物系的相平衡

4、輔助曲線

作用：①已知E(或R)的組成，確定與之平衡的R(或E)的組成②確定臨界混溶點(diǎn)作法：通過(guò)已知點(diǎn)R1、R2、…分別作BS邊的平行線，再通過(guò)相應(yīng)聯(lián)結(jié)線的另一端點(diǎn)E1、E2分別作AB邊的平行線，各線分別相交于點(diǎn)F、G、…，聯(lián)接這些交點(diǎn)所得的平滑曲線即為輔助曲線。輔助曲線

部分互溶物系的相平衡

4、輔助曲線臨界混溶點(diǎn)

當(dāng)三元混和液中溶質(zhì)A的含量逐漸增加時(shí)，聯(lián)結(jié)線長(zhǎng)度逐漸縮短，當(dāng)聯(lián)結(jié)線無(wú)限短，即當(dāng)兩個(gè)組成點(diǎn)重合時(shí)，溶液變成均一相，相當(dāng)于該系統(tǒng)的臨界狀態(tài)，稱此點(diǎn)為臨界混溶點(diǎn)。作法：延長(zhǎng)輔助曲線，與平衡曲線交點(diǎn)P即為臨界混溶點(diǎn)。輔助曲線

部分互溶物系的相平衡

5、分配系數(shù)ki、選擇性系數(shù)β

值的大小，說(shuō)明溶萃取劑對(duì)原溶液中各組分的分離能力。

越大，越有利于萃取分離。萃取操作中

值均應(yīng)大于1。=1即沒(méi)有分離效果，換言之，該溶劑不能用作原料液的萃取劑。

部分互溶物系的相平衡

6、萃取操作的溫度

通常物系的