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1、化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 101:08:01 化工原理Principles of Chemical Engineering主讲：主讲：易易 均均 辉辉化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 201:08:039 9.1 .1 概述概述9 9.2.2 三元体系的液三元体系的液-液相平衡液相平衡9 9.3.3 萃取过程的流程与计算萃取过程的流程与计算9 9.4 4 介绍萃取设备介绍萃取设备第第九九章章 液液萃取液液萃取化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 301:08:039.19.1概述概
2、述9.1.19.1.1萃取的原理与流程萃取的原理与流程9.1.29.1.2萃取的分类与应用萃取的分类与应用化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 401:08:039.1概概述述 液液液萃取液萃取，又称溶剂萃取溶剂萃取，简称萃取萃取，常称为抽提抽提（炼油工业），分离液体混合物的单元操作。1 1、萃取操作的分类、萃取操作的分类被分离混合物的形态被分离混合物的形态液液萃取和固液萃取（浸取）是否发生化学反应是否发生化学反应物理萃取和化学萃取可溶组分的数目可溶组分的数目单组分萃取和多组分萃取根据萃取剂所提取物质的性质根据萃取剂所提取物质的性质无机萃取和有机萃取两类稀有金属和有色金属的分
3、离和富集用苯脱除煤焦油的酚化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 501:08:03 液液-液萃取液萃取:如用苯分离煤焦油中的酚如用苯分离煤焦油中的酚 稀醋酸水溶液的提浓等稀醋酸水溶液的提浓等化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 601:08:03 固固-液萃取液萃取:也叫浸取也叫浸取如用水浸取甜菜中的糖类；如用水浸取甜菜中的糖类；用酒精浸取黄豆中的豆油以提高油产量等用酒精浸取黄豆中的豆油以提高油产量等化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 701:08:032 2、萃取操作流程和过程、萃取操作流程和过程 向欲分离的液体混合物（原料液）中，加入
4、一种与其不互溶向欲分离的液体混合物（原料液）中，加入一种与其不互溶或部分互溶的液体溶剂（萃取剂），形成或部分互溶的液体溶剂（萃取剂），形成两相体系。两相体系。溶质（易溶组分），用溶质（易溶组分），用A表示表示稀释剂（难溶组分），用稀释剂（难溶组分），用B表示表示萃取剂（溶剂），用萃取剂（溶剂），用S表示表示混合槽混合槽沉降分层沉降分层脱除溶剂脱除溶剂蒸馏、蒸发或结晶蒸馏、蒸发或结晶萃取相Extract萃余相RaffinateyAxAS萃取液E萃余液RA、BS原料液原料液A+BFeed萃取剂萃取剂SolventES+ARB+S+A化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 801:0
5、8:033、萃取分离萃取分离的适用场合的适用场合溶液中各组分的沸点非常接近，或者说组分之间的相对挥发度接近于1 1，如芳烃与脂族烃的分离如芳烃与脂族烃的分离。(2)溶质在混合液中组成很低且难挥发组分，如由稀醋如由稀醋 酸水溶液制备无水醋酸酸水溶液制备无水醋酸。混合液重要回收的组分是热敏性物质，受热易于分解、聚合或发生其它化学变，如从发酵液中对青霉素及咖啡如从发酵液中对青霉素及咖啡因进行提取因进行提取。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 901:08:03 外界加入萃取剂形成第二相，故萃取剂与混合外界加入萃取剂形成第二相，故萃取剂与混合液只能部分互溶或完全不溶；液只能部分互溶
6、或完全不溶；萃取剂选择性好：萃取剂选择性好：不能直接得到纯产品不能直接得到纯产品过渡操作；过渡操作；常温操作，适合热敏性组分且节能；常温操作，适合热敏性组分且节能；三元或多元体系，相平衡关系复杂，通常需在三元或多元体系，相平衡关系复杂，通常需在三角形相图上表示；三角形相图上表示；4 4、萃取过程的特点：、萃取过程的特点：化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 1001:08:035 5、液、液-液萃取过程举例液萃取过程举例1.1.石石油油化化工工：链烷烃与芳香烃共沸物的分离。例如用二甘醇从石脑油裂解副产汽油或重整油中萃取芳烃（尤狄克斯法Udex process），如苯、甲苯和二
7、甲苯。2.2.工工业业废废水水处处理理：用二烷基乙酰胺脱除染料厂、炼油厂、焦化厂废水中的苯酚。3.3.有有色色金金属属冶冶炼炼：湿法冶金中溶液分离、浓缩和净化的有效方法。例如从锌冶炼烟尘的酸浸出液中萃取鉈、铟、镓、锗，以及铌-钽、镍-钴、铀-钒体系的分离，以及核燃料的制备。4.4.制制药药工工业业：从复杂的有机液体混合物中分离青霉素、链霉素以及维生素等。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 1101:08:049 9.2.2 三元体系的液三元体系的液-液相平衡液相平衡9 9.2.2.1.1 组成在三角形相图上的表示方法组成在三角形相图上的表示方法9 9.2.2.2 .2 液液
8、相平衡关系液液相平衡关系9 9.2.2.3 .3 杠杆规则杠杆规则9 9.2.2.4 .4 萃取剂的选择萃取剂的选择化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 1201:08:04 A完全溶于完全溶于B及及S中，而中，而B、S不互溶；不互溶；A完全溶于完全溶于B及及S中，而中，而B、S部分互溶；部分互溶；A与与B互溶，互溶，B与与S和和A与与S部分互溶。部分互溶。按组分互溶度，将三元混合液分为：第第类物系：少于一对部分互溶组分；类物系：少于一对部分互溶组分；第第类物系：有两对部分互溶组分；类物系：有两对部分互溶组分；以下主要讨论第以下主要讨论第类物系类物系三元体系液三元体系液液萃取
9、分类液萃取分类化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 1301:08:04一、组成在三角形相图上的表示方法可可用用等等腰腰直直角角三三角角形形、等等边边三三角角形形、不不等等腰腰直直角角三三角形角形坐标图。坐标图。组组分分的的浓浓度度以以摩摩尔尔分分率率，质质量量分分率率表表示示均均可可。本本章章没没特特殊殊说说明明，xA、xB、xS分分别别表表示示A、B、S的的质质量分率量分率。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 1401:08:04ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8ABS0.80.60.40.20.80.60.
10、40.20.20.40.60.8三角形的三个顶点分别表示三角形的三个顶点分别表示A、B、S三个纯组分。三个纯组分。三条边上的任一点代表某二元混合物的组成，不含第三组分。三条边上的任一点代表某二元混合物的组成，不含第三组分。E点点：xA=0.4，xB=0.6 三角形内任一点代表某三元混合物的组成。三角形内任一点代表某三元混合物的组成。M点点：xA=0.4，xB=0.3，xS=0.3 EEMMxA数据数据顺时针顺时针xB一、组成在三角形相图上的表示方法一、组成在三角形相图上的表示方法一、组成在三角形相图上的表示方法一、组成在三角形相图上的表示方法 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Pa
11、ge 1501:08:04说明：说明：各顶点表示纯组分（各顶点表示纯组分（A、B、S）；）；任一边上的点表示相关二元混合物；任一边上的点表示相关二元混合物；三角形内的点代表三元混合物；三角形内的点代表三元混合物；组成的归一性；组成的归一性；等腰直角三角形最方便，其次是正三角形；等腰直角三角形最方便，其次是正三角形；不等腰直角三角形可对相图进行放大、展开。不等腰直角三角形可对相图进行放大、展开。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 1601:08:04ABS A代表溶质代表溶质A的组成为的组成为1，其他两组分为零。，其他两组分为零。EAB边上的边上的E点代表点代表A、B二元混合
12、物二元混合物三角形内任一点代表三角形内任一点代表三元混合物三元混合物MDGHKF过过M点分别作平行线点分别作平行线ED、HG与与KF（L）（N）（J）A的组成的组成B的组成的组成S的组成的组成三个顶点代三个顶点代表纯物质表纯物质稀释剂萃取剂S的组成的组成化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 1701:08:043个组分的质量分数之和等于1，即 也可过M点分别作3个边的垂直线MN、ML及MJ，则垂直线段ML、MJ、MN分别代表A、B、S的组成。由图可知，M点的组成0.4A、0.3B和0.3S。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 1801:08:041、溶解度
13、曲线和联结线、溶解度曲线和联结线二、液-液相平衡关系ABSLJCB与S在一定温度下，以任意数量相混合，得到互不相溶的液层，即L与J在B、S二元混合液C中逐渐加入组分A形成三元混合液，B与S质量比为常数，则混合液的组成点将沿AC线而变化。若加入A的量恰好使混合液由两个液相变为均一相C时，称为混合点混合点或分层点分层点DF GCDFG溶解度曲线溶解度曲线B与与S完全不互溶，则完全不互溶，则L与与B重合，重合，J与与S重合。重合。均相区两相区RE联结线两相区内的混合物有两个液相，当达到平衡时，称为共轭相联结共轭相的直线萃萃余余相相萃取相萃取相B与与S部分互溶部分互溶化工原理教学与实验中心化工原理教学
14、与实验中心 Page 1901:08:04B与与S完全不互溶，则完全不互溶，则L与与B重合，重合，J与与S重合。重合。共轭相中，一相 S=0，另一相 B=0；ASB完全不互溶物系相图化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 2001:08:04 第二类物系第二类物系 (具有两对部分互溶物的物系具有两对部分互溶物的物系)两相区单相区溶解度曲线联结线RnEn温度较低时第二类物系三角形相图单相区溶解度曲线ASB1.01.00A、B 完全互溶，A、S，B、S部分互溶化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 2101:08:04温度较高时第二类物系三角形相图温度较高时第二类物
15、系三角形相图两相区单相区溶解度曲线联结线两相区溶解度曲线ASB1.01.00化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 2201:08:04通通常常联联结结线线不不互互相相平平行行，其其斜斜率率随随混混合合液液的的组组成成而而异异，一般是按一般是按同一方向同一方向缓慢地改变。缓慢地改变。有有些些物物系系在在不不同同浓浓度度范范围围内内联联结结线线斜斜率率方方向向不不同同，如如吡吡啶氯苯水体系。啶氯苯水体系。联结线联结线 (Tie line)：化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 2301:08:04ABSLGJKHPR1E1E2R2R3E32、辅辅助曲助曲线线和和
16、临临界混溶点界混溶点辅助曲线辅助曲线临界混溶点临界混溶点溶解度曲线与联结线已由实验可知实验测得的平衡联结线（即共轭相的组成数据）是有限的，对其它组成的液-液平衡数据，可以采用辅助曲线的方法获得。方方法法一一：已知联结线E1R1、E2R2、E3R3、E4R4，分别从E1、E2、E3、E4点作AB平行线，与由R1、R2、R3、R4点分别作的BS平行线相交，连结各交点即得辅助曲线。辅助曲线与溶解度曲线的交点即为临临界混溶点界混溶点P已知共轭相中任一相的组成，可利用辅助线得出另一相的组成已知共轭相中任一相的组成，可利用辅助线得出另一相的组成。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 24
17、01:08:04ABSR1E1P方法二：方法二：分别从E1、E2、E3、E4点引AB平行线，与分别从R1、R2、R3、R4点引出的AS平行线相交，连结各交点即得辅助曲线；R2E2E3E4R3R4化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 2501:08:04临界混溶点临界混溶点(褶点褶点):共轭相的组成相同，其位置和物系有关；化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 2601:08:04化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 2701:08:041）以质量分数表示的平衡方程液液平衡方程萃取相中溶质分数萃余相中溶质分数分配系数3、分配系数和分配曲分配系数
18、和分配曲线kA 值越大，萃取分离效果越好；值越大，萃取分离效果越好；一般一般kA 不为常数，而随物系、温度、溶质不为常数，而随物系、温度、溶质A的浓度变化。的浓度变化。A浓度变化不大和恒温条件下，浓度变化不大和恒温条件下，kA 可视为常数，其值由实验测得。可视为常数，其值由实验测得。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 2801:08:05若 S与 B完全不互溶萃取相中不含 B，S 的量不变萃余相中不含 S，B 的量不变用质量比用质量比计算方便计算方便液液平衡方程2）以质量比表示的平衡方程萃取相中溶质的质量比分配系数萃余相中溶质的质量比3、分配系数和分配曲分配系数和分配曲线化
19、工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 2901:08:05联结线斜率对分配系数的影响：联结线斜率对分配系数的影响：3、分配系数和分配曲分配系数和分配曲线化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 3001:08:05oxAyAy=xxAPPxARyAPyAEN(ER)分配曲线分配曲线ABSKLPxARyAERE三角相图转化为三角相图转化为x-y图图yAxA分配曲线在分配曲线在y=x上方上方出现交点则为等溶度体系出现交点则为等溶度体系2)分分配配曲曲线线：E和和R的的两两相相平平衡衡关关系系也也可可由由直直角角坐坐标标系系表表示示，用用yA表示表示A组分在萃取相的浓度
20、，组分在萃取相的浓度，xA表示表示A组分在萃余相的浓度。组分在萃余相的浓度。溶解度曲线分配曲线化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 3101:08:05化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 3201:08:054.温度对相平衡的影响温度对相平衡的影响ABSP1P4P3P2T3T2T1T1T2T3温度升高，分层区面积缩小，对萃取分离是不利的。物系温度升高，溶质在物系温度升高，溶质在溶剂中的溶解度加大溶剂中的溶解度加大温度对互溶度的影响(I类物系)化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 3301:08:05Rkg的萃余相与Ekg的萃取相混合，得到
21、Mkg的混合液，M为和点和点，R和E称为差点。差点。M与R、E之间的比例关系可用杠杆规则描述ABSREFM在在A、B原料液原料液F中中加入纯溶剂加入纯溶剂S，M点点沿沿SF线而变化线而变化三、三、杠杆规则杠杆规则物料衡算化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 3401:08:05M与R、E应处于同一直线上同一直线上杠杆规则和点差点差点MEMRERMABSREFM以M为支点以R为支点以E为支点化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 3501:08:05同理可得：M与S、F应处于同一直线上同一直线上以M为支点以S为支点以F为支点ABSREFM杠杆规则化工原理教学与实
22、验中心化工原理教学与实验中心 Page 3601:08:05四、四、萃取剂的选择萃取剂的选择1、萃取剂的选择性和选择性系数、萃取剂的选择性和选择性系数 选择性指 S 对 A 和 B 溶解能力的差异，若S 对 A 的溶解能力比对B 的大得多，则 E 中A 组分的浓度 yAB组分的 yB，使R中xBxA萃取剂的选择性好。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 3701:08:05类似于相对挥发度类似于相对挥发度 几点说明：i)一般值大于1，越大越有利于分离ii)值等于1，无分离能力iii)当B、S完全不互溶时，选择系数趋于无穷大化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page
23、 3801:08:052、萃取剂、萃取剂S与稀释剂与稀释剂B的互溶度的互溶度ABS1ABS2ymaxymax组分组分B与与S1互溶度小互溶度小组分组分B与与S2互溶度大互溶度大互溶度小，分层面积大，得到的萃取液的最高组成较高化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 3901:08:053、萃取剂回收的难易与经济性、萃取剂回收的难易与经济性萃取后的E相与R相，通常采用蒸馏方法分离。要求溶剂S与原料液中组分的相对挥发度要大相对挥发度要大，不应形成恒沸物，最好是组成低的组分为易挥组分。溶剂的萃取能力大，可减少溶剂的循环量，降低E相溶剂回收费用 溶剂在被分离混合物中的溶解度小，也可减少R
24、相中溶剂回收的费用4、萃取剂的其他物性、萃取剂的其他物性界面张力，黏度和凝固点，腐蚀性小，价格低廉化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 4001:08:05【例例4-1】在一定温度下测得A、B、S三元物系两平衡液相的平衡数据见P205附表所示。表中数据为质量百分数。试求（1）溶解度曲线和辅助曲线；（2）临界混溶点的组成；（3）当萃余相中xA=20%时的分配系数kA和选择性系数；（4）在100kg含30%A的原料液中加入多少kgS才能使混合液开始分层？（5）对第（4）项的原料液，欲得到含36%A的萃取相E，试确定萃余相的组成及混合液的总组成。化工原理教学与实验中心化工原理教学与
25、实验中心 Page 4101:08:05解：（1）溶解度曲线和辅助曲线（2）临界混溶点的组成辅助曲线和溶解度曲线的交点P即为临界混溶点，直接由图上读出xA=0.415xB=0.435xS=0.15（3）分配系数kA和选择性系数由xA=20%定出R1，利用辅助曲线求出E1辅助曲线辅助曲线溶解度曲线溶解度曲线E10.40.20.60.8ABS0.40.60.8LJPCR1FHE2R2M化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 4201:08:05E10.40.20.60.8ABS0.40.60.8PCR1FHM0.2化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 4301:0
26、8:06萃取相：yA=0.39yB=10.390.414=0.196萃余相：xA=0.20 xB=10.20.066=0.734（4）使混合液开始分层的溶剂用量 在AB边上确定F点，连接FS，当S加入量恰好落在H点时，混合液开始分层。溶剂用量用杠杆规则求得平衡数据化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 4401:08:06所以kg（5）两相的组成和混合液的总组成 由yA=36%在溶解度曲线上确定E2，利用辅助曲线作联结线获得平衡点R2xA=0.17xB=0.77xS=0.06由图上读出R2R2E2与FS的交点M为混合液的总组成点xA=0.235 xB=0.555xS=0.21由
27、图上读出M化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 4501:08:069.3.1 单级萃取()9.3.2 多级错流接触萃取()9.3.3 多级逆流接触萃取()9.3.4 微分接触逆流萃取9.3 萃取过程的计算化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 4601:08:06F MR M ME S（1）混合）混合和点和点MR和点和点M和点和点MEABSREERMMRMEF最大最大溶剂量溶剂量Smax最小最小溶剂量溶剂量Smin一、单级萃取一、单级萃取化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 4701:08:06ABSREERM（2）分层）分层（3）脱溶剂）
28、脱溶剂MRMEFME相相+R相相E相相S+ER相相S+R和点和点E和点和点RFE+R和点和点F化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 4801:08:062、单级萃取的计算、单级萃取的计算已知：已知：一定组成xF原料液F，规定萃余相为xR计算：计算：溶剂用量，萃余相及萃取相的量及萃取组成原料液F，xF萃取液S，yS萃余相R，xR萃取相E，yE化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 4901:08:06根根据据平平衡衡数数据据作作出出溶溶解解度度曲曲线及辅助线。线及辅助线。已知已知xF,定出定出F点点图解法图解法图解法图解法ABSREERF由由R点点利利用用辅辅助
29、助曲曲线线求求出出E点点，则则RE与与FS线线的的交交于于M点点，M点点即为混合液的组成点即为混合液的组成点。M单级萃取图解法单级萃取图解法S0联结联结FS，代表原料液与萃取剂，代表原料液与萃取剂的混合液的混合液M点必在点必在FS线上。线上。由由xR（xR）定出）定出R（R）点）点（连（连SR线与溶解度曲线的交点即为线与溶解度曲线的交点即为R点）。点）。延长延长SE，交，交AB轴于轴于E；延长；延长SR，交，交AB轴于轴于R。单级萃取可间歇或连续操作单级萃取可间歇或连续操作。求解方法有。求解方法有图解法图解法。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 5001:08:06【例4-
30、2】在25下以水（S）为萃取剂从醋酸（A）与氯仿（B）的混合液中提取醋酸。已知：原料液流量为1000kg/h，其中醋酸的质量分数为35%，其余为氯仿；用水量为800kg/h。操作温度下，E相和R相以质量分数表示的平均数据列于P208表中。试求（1）经单级萃取后E相和R相的组成及流量；（2）若将E相和R相中的溶剂完全脱除，要求萃取液及萃余液的组成和流量；（3）操作条件下的选择性系数；（4）若组分B、S可视作完全不互溶，且操作条件下以质量比表示相组成的分配系数K=3.4，要求原料液中80%的溶质A进入萃取相，则每千克稀释剂B需要消耗多少千克萃取剂S？化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 P
31、age 5101:08:06解：根据附表数据，在等腰直角三角形坐标图中作出溶解度曲线和辅助曲线（1）两相的组成和流量由xF=35%，在AB边上确定F点，连接FS，利用杠杆规则确定和点M因E相和R相组成未给出，需借助辅助曲线用试差作图法确定过M点的联结线ER化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 5201:08:06yA=0.27 yB=0.015yS=0.715由图上读出E相xA=0.072xB=0.914xS=0.014R相由总物料衡算kg/h图上量得kg/hkg/hFRERPE1MS（醋酸）（水）（氯仿）ABS0.40.20.60.80.40.60.80.2yE=0.92x
32、R=0.073化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 5301:08:06（2）萃取液、萃余液的组成和流量）萃取液、萃余液的组成和流量kg/hkg/h（3）选择性系数）选择性系数（4）每千克）每千克B需要的需要的S量量因B、S视为完全不互溶化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 5401:08:07YS=0Y1与X1呈平衡关系，即将以上数据代入式化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 5501:08:07二、多级错流接触萃取二、多级错流接触萃取1F，xFR1，x1S12R2，x2S23R3，x3S3n xn RnSnxn-1Rn-1RSRNNE1
33、，y1E2，y2E3，y3En-1yn-1En，ynESE在多级错流萃取中，每级加入新鲜溶剂，前级的萃余相为后级的原料，传质推动力大，只要级数足够，最终可得到溶质组成很低的萃余相。设计型计算中，已知F、xF及各级溶剂用量Si，规定萃余相组成xn，要求理论级数化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 5601:08:071、组分、组分B、S部分互溶时的三角形坐标图图解法部分互溶时的三角形坐标图图解法ABSFR1M1E1R2E2M2M3R3E3原料液A、B为二元溶液，各级均用纯溶剂进行萃取M1FS1混合联结线E1R1R1物料衡算M2R1S2混合联结线E2R2R2物料衡算 直至xn达到
34、或低于指定值时为止。所作联结线的数目联结线的数目即为所需的理论级数化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 5701:08:07化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 5801:08:07【例例4-34-3】2525丙酮丙酮(A)-(A)-水水(B)-(B)-三氯乙烷三氯乙烷(S)(S)系统以质系统以质量分数表示的溶解度和联结线数据如本题附图所示见量分数表示的溶解度和联结线数据如本题附图所示见（P211P211）。用三氯乙烷为萃取剂在三级错流萃取装置）。用三氯乙烷为萃取剂在三级错流萃取装置中萃取丙酮水溶液中的丙酮。原料液的处理量为中萃取丙酮水溶液中的丙酮。原料液的
35、处理量为500kg/h500kg/h，其中丙酮的质量分数为，其中丙酮的质量分数为40%40%，第一级溶剂用，第一级溶剂用量与原料液流量之比为量与原料液流量之比为0.50.5，各级溶剂用量相等，各级溶剂用量相等 。试。试求丙酮的回收率求丙酮的回收率化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 5901:08:07化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 6001:08:07化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 6101:08:072、组分、组分B、S不互溶时理论级数的计算不互溶时理论级数的计算直角坐标图图解法直角坐标图图解法 设每一级的溶剂加入量相等，则
36、各级萃取量中的溶剂S的量和萃余相中的稀释剂B的量均视为常数，萃取相中只有A、S两组分，萃余相中只有B、A两组分 溶质在萃取相和萃余相中的组成分别用质量比Y（kgA/kgS)和X（kgA/kgB)表示对第一级作溶质A的衡算化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 6201:08:08同理，对第n级作溶质A的衡算，得操作线方程OXY 斜率 为常数，过点（Xn-1，YS）的直线方程式由理论级的假设，离开任一级的Yn与Xn处于平衡状态，故（Xn，Yn）必位于分配曲线上，操作线与分配曲线的交点。分配曲线XFX1X2X3XnYSYnY3Y2Y1LVE1E2直至Xn等于或低于指定值若各级萃取量
37、不等，则操作线不平行。YS=0，V、L在X轴上化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 6301:08:08解析法解析法 若分配系数K为常数，则分配曲线通过原点K以质量比表示相组成的分配系数第一级的相平衡关系=Am萃取因子第一级的操作线方程类似于吸收中的脱吸因数化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 6401:08:08对第二级作溶质A衡算，得同理依此类推，以第n级则有取对数见p214图4-18化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 6501:08:08【习题4】在多级错流接触萃取装置中，以水作萃取剂从含乙醛6%（质量分数，下同）的乙醛甲苯混合液中
38、提取乙醛。原料液的流量为120kg/h，要求最终萃余相中乙醛含量不大于0.5%。每级中水的用量均为25kg/h。操作条件下，水和甲苯可视作完全不互溶，以乙醛质量比组成表示的平衡关系为：Y=2.2X。试在XY坐标系上用作图法和解析法分别求所需的理论级数。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 6601:08:08解：（1）作图法kg/h斜率XOY0.010.020.030.040.050.060.010.100.090.05（XF，YS）Y1Y7X7=0.0035Xn=0.00503理论板层数6.5化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 6701:08:08（2）
39、解析法化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 6801:08:08三、多级逆流接触萃取三、多级逆流接触萃取 多级逆流接触一般是连续的，传质平均推动力大、分离效率高，溶剂用量较少，应用广泛。流程示意图如下 1xF Fx1 R12x2 R2in xn Rnxn-1Rn-1RSRNNE2y2ESExi-1Ri-1 xi RiS yS En yn Ei+1 yi+1EiyiE3y3E1y1 萃取剂循环使用，其中常含少量组分A和B，最终萃余相中可达到的溶质最低组成受溶剂中溶质组成限制，最终萃取相中溶质的组成受原料液中溶质组成和相平衡关系制约。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心
40、Page 6901:08:08 在多级逆流操作中，给出F、xF、最终萃余相组成xn，萃取剂的用量S和组成yS由经济因素选定，求理论级数1.组分组分B和和S部分互溶时理论级数的计算部分互溶时理论级数的计算1)三角形坐标上的逐级图解法三角形坐标上的逐级图解法图解求算步骤如下：绘制溶解度曲线和辅助曲线由原料液和萃取剂的组成，在图上定出F和S两点位置，再由溶剂比S/F在FS连线上定出M点位置由规定的最终萃余相组成xn在相图上确定Rn，连接Rn、M并延长与溶解度曲线交于E1点，为离开第一级的萃取相组成点化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 7001:08:09ABSFR1ME1R2E2
41、R4E4RnE3辅助曲线辅助曲线溶解度曲线溶解度曲线R3E1、Rn由杠杆规则得利用平衡关系和物料衡算，用图解法求理论级数联结线联结线操作点操作点纯溶剂纯溶剂S/F化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 7101:08:09对第一级与第n级之间作总物料衡算对第一级作总物料衡算，得或对第二级作总物料衡算，得或依此类推，对第n级作总物料衡算，得或由上面诸式可知“净流量”化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 7201:08:09交替应用操作关系和平衡关系，可求得理论级数 点的位置与物系联结线的斜率、原料液的流量F和组成xF、萃取剂用量S及组成yS、最终萃余量xn等有关
42、，可能位于三角形左侧，也可位于右侧。其他条件一定时，则由溶剂比（S/F）决定 S/F较小时，点在三角形左侧，此时R为和点为和点S/F较大时，点在三角形右侧，此时E为和点为和点S/F为某数值时，点在无穷远，即各操作线交点在无穷远，这时可视诸操作线是平行的。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 7301:08:09【例4-5】在多级逆流萃取装置中，用纯溶剂S处理含A、B两组分的原料液。原料液流量F=1000kg/h，其中溶质A的质量分数为30%，要求最终萃余相中溶质质量分数不超过7%。溶剂用量S=350kg/h。试求（1）所需的理论级数；（2）若将最终萃取相中的溶剂全部脱除，求最
43、终萃取液的流量E1和组成y1。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 7401:08:09FR1E1R2E2E4RnE3R3ME5R5R4解：（1）所需理论级数由xF=30%定出F点定出和点M由xn=7%定出RnE1ABS0.4辅助曲线辅助曲线溶解度曲线溶解度曲线0.20.60.80.40.60.8连接FS，操作溶剂比为平衡关系得到R1操作线关系得到E2x5=5%xn=7%理论级为5杠杆规则求杠杆规则求E1或利用或利用F求解求解化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 7501:08:09延长Rn及M的连线与溶解度曲线交于E1，即为最终萃取相组成点连接E1、F与S
44、、Rn，并延长两连线交于操作点过E1作联结线E1R1（平衡关系），R1即代表与E1成平衡的萃余相组成点连接、R1并延长，交溶解度曲线于E2（操作关系），此点为进入第一级的萃取相组成点重复上述步骤，过E2作联结线E2R2，连接点，R2并延长，交于E3，由图看出，当作至联结线E5R5时，x5=5%7%，故知用5个理论级即可满足萃取分离要求。（2）最终萃取液的组成和流量连接点S、E1并延长与AB边交于点E1，此点为最终萃取液的组成点，由图读得y1=87%化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 7601:08:09利用杠杆规则求E1流量，即kg/h萃取液由E1完全脱除溶剂S而得，故可利
45、用杠杆规则求E1，即kg/hE1的量也可由E1、F和Rn利用杠杆规则求得，即kg/h化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 7701:08:093)解析计算解析计算上式中的xn,S与xn,A，y1,S与y1,A分别满足溶解度曲线关系式，即总衡算对组分A对组分S以萃取装置为控制体列物料衡算式，即联解上面诸式，可求得各物料流股的量及组成化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 7801:08:09对于第i级，物料衡算式为表达平衡级内相平衡关系的方程为总衡算对组分A对组分S 计算过程可从原料液加入的第一理论级开始，逐级计算，直至xn,A值等于或低规定值为止，n即为所求的
46、理论级数化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 7901:08:09【例4-6】在25下用纯溶剂S从含组分A的水溶液中萃取组分A。原料液的处理量为2000kg/h，其中A的质量分数为0.03，要求萃余相中A的质量分数不大于0.002，操作溶剂比（S/F）为0.12。操作条件下的相平衡关系为化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 8001:08:09试核算经两级逆流萃取能否达到分离要求。解：？（1）对萃取装置列物料衡算及平衡关系式组分A组分S化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 8101:08:10联立上六式，可得E1=293.4kg/hy1,A
47、=0.1912R2=1946.6kg/hy1,S=0.7322x1,A=0.01151x1,S=0.01242（2）对第一理论级列物料衡算及平衡关系式组分A组分S化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 8201:08:10联立以上五式，可得E2=278.0kg/hy2,A=0.06814R1=1984.5kg/hy2,S=0.8615x2,A=0.0025250.002表明两级逆流萃取不能满足要求若想两级逆流萃取达到分离要求，可略微加大萃取剂用量化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 8301:08:102、组分、组分B和和S完全不互溶时理论级数的计算完全不互溶
48、时理论级数的计算在在XY直角坐标图中图解法求理论级数直角坐标图中图解法求理论级数操作条件下，分配曲线不为直线，采用图解法较为方便由平衡数据在XY直角坐标上绘出分配曲线在XY坐标上作出多级逆流萃取的操作线对第一级至第i级之间对溶质作衡算，得操作线方程操作线方程Xi离开第i级萃余相中溶质的质量比，A/BYi+1离开第i+1级萃取相中溶质的质量比，A/S化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 8401:08:10X1Y1Xi-1XiYi+112iNXFBY1SBXnSYSXFXnYSJDOXY分配曲线QY1操作线由于B和S完全不互溶，故通过各级的B/S均为常数从J点开始，在分配曲线与
49、操作线之间画阶梯，阶梯数即为所求理论级数YS=0化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 8501:08:10解析法求理论级数解析法求理论级数 当分配曲线为过原点的直线时，由于操作线也为直线，萃取因子为Am常数，则可用下式求解理论级数化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 8601:08:103、溶剂比和萃取剂的最小用量、溶剂比和萃取剂的最小用量用溶剂比溶剂比来表示溶剂用量对设备费和操作费的影响类似于吸收中的液气比对于完全不互溶的B和SS1S2Smin相应的操作线为HJ1、HJ2、HJ3斜率为1、2、max萃取剂最小用量萃取剂最小用量理论级数 S操作线斜率Smin
50、maxSmin理论板层数无穷多理论板层数无穷多XFXnYSJ3HOXYJ2J1 max2 1化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 8701:08:10【例4-7】在多级逆流萃取装置中，用三氯乙烷从含丙酮35%（质量分数）的丙酮水溶液中萃取丙酮。原料液的流量为1000kg/h，要求最终萃余相中丙酮的组成不大于5%。萃取剂的用量为最小用量的1.3倍。水和三氯乙烷可视做完全不互溶，试在XY坐标上求解所需的理论级数。操作条件下的平衡数据见例4-3附表2。见p211若操作条件下该物系的分配系数K取作常数1.71，试求解析法求解所需的理论级数。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心