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1、精选优质文档-倾情为你奉上 第十二章 萃取第一节概述12-1萃取原理和过程B+A(少)ERS+A(多)A+BS混合器分层器图12-1 萃取过程原理图一.液液萃取原理据图12-1进行介绍。二工业萃取过程萃取塔萃取相A+S无水醋酸A恒沸精馏塔提馏塔稀醋酸A+B醋酸乙酯（S）萃余相废水萃取部分分离部分图12-2稀醋酸的工业萃取过程三萃取的工业应用1).溶质A的浓度很稀，特别是原溶剂B是易挥发组分时，利用精馏分离能耗太大；2).混合物相对挥发度小，或形成恒沸物，用一般精馏方法难以分离；3).混合物中含有热敏性物质。四萃取剂的选择1）选择性；2）溶解性能；3）影响分层的因素：a.两者有较大的密度差。b.
2、两者有适宜的表面张力；4）萃取剂与溶质A容易分离；5）其它的一般工业要求。12-2 两相接触方式一. 连续接触方式（微分接触）两相以这种方式接触的萃取设备有：喷洒萃取塔、转盘萃取塔、脉冲萃取塔等等。二. 离散接触方式（级式接触）两相以这种方式接触的萃取设备有：混合沉降槽、筛板萃取塔等等。第二节液-液相平衡液-液相平衡是萃取研究和计算的基础。假如所选用的萃取剂与原料液完全不互溶，所得的萃取相和萃余相均为二组分混合物，则萃取操作原理和计算与吸收相似。但一般情况下，萃取剂与原料液为部分互溶，所得的萃取相和萃余相均为三组分混合物，在讨论液-液相平衡时，为方便表示三组分物系的组成，适宜采用三角形相图。1
3、2-3三角形相图一.三元物系组成表示方法正三角形相图 图12-3 正三角形相图 图12-4直三角形相图如图12-3所示。意义： 三个顶点：三个纯组分三条边：连结顶点的二组分物系三角形区域：三组分物系某点组成：过组成点作某个顶点对应底边的平行线，两者的距离代表着该顶点组分的含量。 直三角形相图如图12-4所示。其意义与正三角形相图相似。二.杠杆定律SPBAFCD图12-5杠杆定律用于萃取图解设在某原料料液中加入某种萃取剂，所得的混合物组成点为Z， 经过充分搅拌地萃取传质后，混合液引入分层器静置分层， 得到萃取相U和萃余相V，则萃取相U和萃余相V的组成和数量满足下列关系 (12-3-1)上述关系相
4、似于杠杆关系，故称为杠杆定律，其图解表示见图12-3和12-4。根据杠杆定律，Z、U、V三个组成点落在同一条直线上。通常将Z点称为U和V的“和点”，点U称为Z和V的“差点”，同理，将点V称为Z和U的“差点”。杠杆定律的应用举例：萃取过程组成的变化及相应的图解说明，如图12-5所示。原料液量为F，萃取剂量为S，和点为P，则据杠杆定律有12-4部分互溶物系的相平衡一.第 I 类物系第 I 类物系指B与S部分互溶，而B与A、S与A可完全互溶的物系，参见图12-6。1.溶解度曲线将一定量的B和S混合在一起，设混合物和点为图12-6中的M。充分搅拌，然后静置分层，因两者部分互溶，经混合分离后，B中含有部
5、分S，而S中含有部分B，两者部分达成平衡，其组成点为图12-6中的P和Q。在上述混合物中加入一定量的A，则和点的组成将沿着图12-6中的AM线变化，设加入的A的量使得和点移动到M1，再次充分搅拌后静置分层，分离的两部分再次达成平衡，其组成点为图中的R1和E1点；再次加入A进行类似操作分别得到达成平衡的点R2，E2； R3，E3；。当加入的A的量达到J点时， 图12-6三角形相图的溶解度曲线和联结线混合物不再分离成两个相，而是混合成一个相。将R1R2R3JE1E2E3 联结成一条光滑的曲线，称为溶解度曲线。2.平衡联结线互成平衡的两液相组成点的联线称为平衡联结线，如图12-6中的 ， ，等等。两
6、互成平衡的组成点与它们的和点满足杠杆定律，这是杠杆定律在萃取操作中的重要应用。例如，E1、M1、R1三点满足 3.临界混溶点当B和S以合适的初始比例混合（如图12-6中M点所代表的比例），再从小到大逐步加入A进行充分搅拌混和，然后静置分层，形成达成平衡的两相，两相的组成的差别随着A的加入量的增大而缩小（在相图中表现为联结线逐步缩短）。当A的加入量达到图12-6中J点所代表的量时，分离的两相同时消失，合并为单相，J被称为混溶点。注意，当B和S的初始组成不是M点，则A的加入组成的变化线不经过混溶点。例如，若初始组成在N点，A的加入到达E3点时，萃余相（R3）消失；同理，若初始组成在O点，A的加入到
7、达R4点时，萃取相（E4）消失。4.平衡联结线的内插当知道平衡的两相的某一相组成，要求另一相的组成，且平衡的两相介于两联结线之间时，需要用内插的方法作出联结线。可通过绘制辅助线作出联结线，绘制辅助线有下述两种方法：a.当已知联结线斜度较大时，辅助线的绘制如图12-7所示。b.当联结线的斜率较小时，如图12-8所示。图12-7辅助线的作法及应用(a) 图12- 8辅助线的作法及应用(b)5. 分配系数与分配曲线分配系数k：对A有 kA= （12-4-1）分析kA数值大小对萃取的影响及对联结线走势的影响。同理，对B有kB= （12-4-2）分析kB数值大小对萃取的影响。注意k一般非常数，而和浓度有
8、关。分配曲线 将各组达成平衡萃取相和萃余相的yA -xA 描绘在x-y图上，再联结成光滑曲线，既称为分配曲线。分配曲线可直接利用平衡数据绘制，也可借助三角形相图中的联结线进行绘制，如图12-9所示。 图12-9 分配曲线6.选择性系数选择性系数定义为 (12-4-3)相当于精馏中的相对挥发度，当其值等于1时，不能通过萃取的方法进行分离。二.第二类物系第二类物系为A和B完全互溶，而B和S、A和S为部分互溶，如图12-10所示。 图12-10 第二类物系相图12-5影响萃取效果的若干因素一.互溶度对萃取操作的影响及影响互溶度的因素1.互溶度对萃取操作的影响互溶度越小，溶解度曲线所包围的区域越大，E
9、max越大，意味着选择性系数越大，分离效果越好。2.影响互溶度的因素 a.物系性质：对一定的A+B，互溶度取决于S的性质，从取得好的分离效果考虑，所选择的S与A+B的互溶度越小越好。 b.操作温度 图12-11温度对互溶度的影响物系的互溶度与温度有关，在某些情况下不同的温度可以使物系由第一类物系转变为第二类物系，如图12-11所示。注意，从互溶角度考虑，温度越低越好。但是，从传质角度考虑，温度低则液体粘度大，扩散系数小，传质阻力大，故温度也不能太低。 二.选择性系数对分离效果的影响越大，分离效果越好，反之越差。 大小在三角形相图表现为联结线斜率的大小， 越小则斜率越小。当小到等于1时，就无法分
10、离，分析如下(参见图12-12)： 1 kA=kB 图12-12 选择性系数对萃取的影响而上列二全等式的几何意义分别为E点组成沿着SEE线变化到E和R点组成沿着SRR线变化到R。于是得上式表明经萃取后萃取液和萃余液中A和B的组成比相同，换句话说，没有分离效果。1在三角形相图中的几何表现为过M点的RE联结线和FS线重合。第三节萃取操作的流程和计算12-6单级萃取的流程和计算一.单级萃取流程如图12-13所示。图12-13单级萃取流程 图12-14单级萃取的正三角形相图图解二.单级萃取流程的三角形相图图解如图12-14所示，与图12-13相对照。说明图解试差得到RE联结线的方法，指出萃取液能达到的
11、最大浓度。三.单级萃取的计算1.S与B部分互溶如图12-14所示MF+SR+E （12-6-1） （12-6-2） FE+R （12-6-3） （12-6-4）2. S与B不互溶如图12-15所示，其物料衡算式（操作线方程）如下：BXF=SY+BX (12-6-5a)Y-（B/S）(X-XF) (12-6-5b)XF：kgA/kgB 图12-15S与B不互溶时的单级萃取图解Y：kgA/kgSX：kgA/kgB用图解方法得到（X1，Y1）。 12-7多级错流萃取流程与计算一.流程如图12-16所示。 图12-16多级错流萃取流程二.计算1.S与B不互溶当萃取剂总量一定时，以加入各级的萃取剂量相等
12、时萃取效果最好，设此量为S1，则将单级萃取的物料衡算式应用于多级错流萃取的各级得到Y1-（B/S1）(X1-XF) (12-7-1a)Y2-（B/S1）(X2 (12-7-1b)Y3-（B/S1）(X3-X2) (12-7-1c)YN-（B/S1）(XN-1-XN) (12-7-1d) 多级错流萃取的图解步骤（参见图12-17）：（1）作平衡线OE；图12-17SB不互溶多级错流萃取图解 图12-18S与B部分互溶时多级错流萃取图解（2）过X轴上的点F（XF，0）作斜率为-B/S1的直线，即得第1级的操作线，它与平衡线的交战E1（X1，Y1）定出第1级的萃取相组成Y1和萃余相组成X1； （3）
13、过E1作垂直线交X轴于点F2（X1，0），过X轴上的点F2作斜率为-B/S1的直线，即得第2级的操作线，它与平衡线的交战E2（X2，Y2）定出第2级的萃取相组成Y2和萃余相组成X2； （4）依此类推，直到第N级。 2.S与B部分互溶利用图解方法求得各级萃取相和萃余相的数量和组成，图解立法见图12-18。说明各萃取液混合在一起时总和点的求取方法。 12-8多级逆流萃取流程与计算一.流程见图12-19。图12-19多级逆流萃取流程二.计算1.S与B不互溶对图12-18中任一第i级左侧到第N级右侧作物料衡算得：BXi-1 +S0BXN +S （12-10a）Yi =(B/S)(Xi-1 XN ) (
14、12-10b)上式即为多级逆流萃取的操作关系，去掉下标得： Y（B/S）(X-XN) (12-11)式（12-11）为多级逆流萃取的操作线方程。交替使用平衡关系和操作关系，可得各级的萃取相和萃余相的组成。当平衡关系可用YmX表示时，可推导得到 图12-20S与B不互溶时的多级逆流萃取图解 (12-8-1)由上式可计算一定N下通过多级逆流萃取的操作所得的XN，或者指定XN求取所需的N。上述逐级计算方法可由图解所取代，见图12-20。1. S与B部分互溶对这种情况可应用三角形相图进行图解计算，现通过下述问题作说明：给定原料液的流量F和溶质组成xF，萃余液、萃取液的溶质组成x、y，萃取剂可作为纯态。
15、求所需的理论级数N，萃取剂、苹余液、萃取液的流量S、R、E等。 作出参与萃取过程三元物系的相图如图12-21昕示，给定的组成xF、x、y以边BA上的点F、E、R代表。连RS，与溶解度曲线的左支相交于点RN(图中RNR3)，它代表最终的萃余相组成；连ES，与溶解度曲线相交于点E1，它代表最终的萃取相组成。将图1219中N个理论级作为一个整体，列出总物料衡算得到： F+SE1+RNM (12-8-2)式中M既是输入这一系统的物料F与S之和，又是输出E1与RN之和。根据杠杆定律，代表其组成的和点M是图12-20连线FS与RNE1的交点(注意RNE1不是联结线)；且可求得萃取剂的流量： S=F E1与
16、RN比例关系 E1/RN=于是可以得出第1级萃取相和第末级萃余相的流量E1和RN。至于萃取液和萃余液的流量E和R可以由式(12-6-3)和式(12-6-4)求得。为求得所需的理论级数，希望能找到为各级所共有的不变基准。现对图12-19中各萃取级分别作物料衡算第1级 F+E2=R1+E1 (12-8-3)即 F-E1=R1-E2 (12-8-3a)第2级 R1-E2 = R2-E3 (12-8-3b)第3级 R2-E3= R3-E4 (12-8-3c)第N级 RN-1-EN= RN-S (12-8-3d)故有 F-E1=R1-E2= R2-E3= RN-S =D(某常数) (12-8-4)式(1
17、2-8-4)表明，任一第i级离去的萃余相流量Ri，与进入的萃取相流量Ei-1之差，为一常数D，故可作为各级所共有的计算基准，它代表图12-19中各级由左向右的净流量。在三角形相图中，根据杠杆定律，点D分别为点F与E1、R1与E2、R2与E3RN与S的差点，故可提出点D的作法：从已定出的点F、S、E1、RN连直线FE1和RNS并延长，两线的交点即为D，如图12-20中所示。而且，对任一第i级，点Ri与Ei+1也都与D共线，故只要得知点Ri与Ei+1之，就可定出另一点。这一将第i级与第i+1级相联系的性质，与以往操作线的用途类似，并称点D为操作点。点D的位旨与物流F、E1、RN、S的量及组成等有关
18、(见下述)。 应予说明，图12-20及图12-17所示的图解法，都是交替地应用物料衡算和相平衡两关系，与第九、十章以图解法求理论板数相比具体作图法或多或少有所不同，但其基本原理则是相同的。又若萃取剂不是纯态，则在两溶剂互不相溶时，X-Y图中的点S将在X轴之上；而两溶剂部分互溶时，代表溶剂组成的点将在三角形之内，而不是顶点S。 图12-21 溶剂部分互溶多级逆流萃取图解用分配曲线求N，参见陈敏恒P183，图解参见图12-22。D的位置与S加入量的大小有关和工原料液的组成有关，原料液中A的含量较大，S的加入量较多时，D在相图的右侧；相反，D在相图的左侧，如图12-23所示。 图12-22用分配曲线
19、求N12-9连续接触逆流萃取一.塔径的计算取决于两液相的流量及适宜的相对流速，采用经验关联式计算得到。二.塔高的计算1.等级高度法相似于由等板高度法计算填料塔填料层高度。2.传质方程法相似于由传质单元数和传质单元高度方法求算填料塔填料层高度。 图12-23原料液组成及S加入量对差点位置的影响第四节萃取设备12-10萃取设备的主要类型目前在工业上获得应用的萃取设备有30多种，常用的几种萃取设备及其分类见表12-1。下面着重介绍几种主要的萃取设备。一.逐级接触式萃取设备1.混合澄清槽操作方式：a. 连续操作，如厢式混合澄清槽b. 间歇操作，混合器与澄清槽分开搅拌方式：a. 机械搅拌，采用蜗轮式搅拌
20、器b. 压缩空气搅拌主要优点：级效率高；操作方便；能处理悬浮液主要缺点：动力消耗大；占地面积大2.筛板塔轻相为分散相时与精馏筛板塔比较之区别：筛孔较小；不设出口堰；出口前区域不开孔；降液管面积较大。重相为分散相时，降液管改为升气管。二.连续接触萃取设备1.喷洒塔：结构简单，但传质效果差2.填料塔3.脉冲填料塔和脉冲筛板塔4.转盘塔5.离心萃取机 12-11液液传质设备中的传质速率一.分散相液滴尺寸dpdp越小，相际传质面积越大，传质速率越高。对于喷洒塔、筛板塔等萃取设备，影响dp的因素有：1）孔径；2）物性，主要为表面张力、密度等；3）分散相液体对喷嘴或孔板材料的润湿性能，润湿性能差则形成较小
21、的液滴，润湿性能好则形成较大的液滴，在这种情况下采用孔口突起的分布板；4）孔速，孔速大形成较小的液滴。二.液滴内的环流如果一个液滴内部液体质点无相对运动，根据双膜传质理论，其当量膜厚度相当于液滴半径，传质速率相当慢。研究发现，当分散相的液滴和连续相作相对运动时，界面的摩擦力会诱导液滴产生滴内环流，滴内环流大大地提高了滴内传质分系数。当液滴尺寸过小时就不会产生滴内环流。三.界面骚动现象由于液滴表面传质的不均匀性造成表面不同部位浓度差异，因而造成了界面张力的差异，使得液滴四周受力不均匀，液滴表面会产生抖动。此外，当不同运动方向的液体质点发生碰撞时，液滴表面会迸发出纤细射流。这些液滴表面的不规则运动
22、称为界面骚动现象。界面骚动现象减小了传质阻力，提高了传质速率。四.液滴的聚合和破裂不同的液滴在运动过程中会相互碰撞，碰撞过程产生两种可能结果，或者聚合或者破裂。无论聚合还是破裂，根据表面更新理论，都有利于传质。五.轴向混合即为返混。轴向混合减小了传质推动力，与气物系的传质过程比较，液-液传质的返混对传质速率的影响更大，表现为：1）两相的空塔速度小，较小的返混就会有显著的影响；2）有外加能量的液-液传质设备振动筛板塔，振动或脉冲的结果会造成一定程度的返混就会有显著的影响。萃取设备往往有很大的放大效应，这是因为大型液-液传质设备的返混程度可能远大于小型设备。12-12萃取设备的选择一.设备特点不同
23、的设备以不同的方式形成适当的液滴尺寸和行为，萃取设备应解决好下述两对矛盾：1）通过能力（流体通量）和传质速率的矛盾，液滴大，通过能力大，但传质速率小；反之，液滴小，通过能力小，传质速率大；2)液滴聚合速度和传质速率的矛盾，液滴小，传质速率大，但聚合速度慢；反之，液滴大，传质速率小，聚合速度快。二.分散相的选择分散相的选择应考虑下述因素：1）为增加传质面积，大流量者应为分散相；2）为减少轴向返混，小流量者为分散相；3）为增强界面骚动，对于d/dx0传质应从分散相向连续相；对于d/dx0则相反；4）为提高设备处理能力，粘度大者为分散相；5）对于填料塔和筛板塔，润湿性能差的流体为分散相；6）从成本和安全考虑，成本高易燃易爆流体为分散相。三.设备选择1.喷洒塔适用于腐蚀性大，或有悬浮液物系，占地小，制造费用、操作费用低。2.填料塔分离效率较高，适用于腐蚀性物系，操作费用低，占地小。3.筛板塔分离效率较高，处理量较大，操作费用低，占地小。4.转盘塔分离效率高，处理量大，适用于悬浮液物系，费用较低，占地小。5.脉冲或振动筛板塔分离效率高，费用较低，占地小。6.离心萃取器分离效率较高，两相流量比大，适用于密度差小，粘度大，界面张力大的物系，占地和高度都小。7.混合-澄清槽分离效率较高，两相流量比大，适用于悬浮液物系，费用较低。专心-专注-专业