第10章_其他分离过程(萃取)

第十章 其他分离过程
本章主要内容
第十章
第一节 萃取
其他分离过程
第二节 膜分离
第一节 萃取
本节的主要内容
一、萃取分离的特点 二、萃取过程的热力学基础 三、萃取剂的选择 四、萃取过程的流程与计算 其中的溶剂B 称为稀释剂
第一节 萃取
一、萃取分离的特点
? 利用混合液中被分离组分A在两相中分配差异的性 质，使该组分从混合液中分离。 ? 该过程称为液-液萃取，或溶剂萃取，或液体萃取。 ? 萃取过程是物质由一相转到另一相的传质过程。
第一节 萃取
萃取分离的特点
? 可在常温下操作，无相变； ? 萃取剂选择适当可以获得较高分离效率； ? 对于沸点非常相近的物质可以进行有效分离； ? 利用萃取分离混合液时，混合液中的溶质既可是挥发 性物质，也可以是非挥发性物质，如无机盐类等。
第一节 萃取
在环境领域中的应用
? 萃取法主要用于水处理，通常用于萃取工业废水 中有回收价值的溶解性物质； ? 从染料废水中提取有用染料； ? 从洗毛废水中提取羊毛脂； ? 含酚废水的萃取处理等。
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第一节 萃取
二、萃取过程的热力学基础
在萃取操作中至少涉及三个组分： 待分离混合液中的溶质A、稀释剂B和加入的萃取剂S 达到平衡时的两个相均为液相：萃取相和萃余相 当萃取剂和稀释剂部分互溶时，萃取相和萃余相均含有 三个组分，因此表示平衡关系时要用三角相图。
二元混 合物
第一节 萃取
纯溶质
（一）三角形相图
xmA=0.4 xmB=0.3 xmS=0.3
三元混 合物
纯稀释剂
纯溶剂相
三角形任何一个边上的任一点均代表一个二元混合物，如E点。 三角形内的任一点代表一个三元混合物，如M点。
第一节 萃取
（二）溶解度曲线与联结线
在萃取操作中，根据组分间互溶度的不同，可分为以下 三种情况： ① 溶质A可溶于稀释剂B和萃取剂S中，但稀释剂B和萃 取剂S之间不互溶。 ② 溶质A可溶于稀释剂B和萃取剂S中，但B和S之间部 分互溶。 ③ 组分A、B完全互溶，但B、S及A、S之间部分互溶。 第I类物系：第①和第②情况（以下主要讨论） 第II类物系：第③情况
第一节 萃取
在含有溶质A和稀释剂B的原混 合液中加入萃取剂S，经充分混 合，达到平衡。 ——形成萃取相E和萃余相R 如果改变萃取剂用量，将会建 萃取相 立新的平衡。 萃余相 溶解度曲线把三角形分为两个 区，曲线以内为两相区，以外 为均相区。
萃取相E及萃余相R：达到平衡时的共轭液相。 联结线：连线RE，都互不平行 P点：临界混溶点，溶液为均相
第一节 萃取
溶解度实测数据少时，如何处理？
辅助曲线： 连接F、G、H，得辅助曲线。 利用辅助曲线，可以求任一平衡 液相的共轭相，如从R点求E点。
第一节 萃取
（三）杠杆规则
混合物M分成任意两个相，或由任意 两个相E和R混合成一个相M, 则表示 组成的点M、E和R在一直线上。
E MR E MR …杠杆规则 = 或 = R ME M RE （10.2.1）
式中，E、R、M—混合液E、R及M的质量，E+R＝M。
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第一节 萃取
（三）杠杆规则
第一节 萃取
萃取过程在三角相图中的如何表示？
若在原料液F中加入纯溶剂S，则 表示混合液组成的点M视溶剂加
E MR E MR …杠杆规则 = 或 = R ME M RE （10.2.1）
入量的多少沿FS线变化，根据杠 杆规则： MF S ＝ MS F
（10.2.2）
M：点E和R的“和点”；E(或R)：点M与R（或E）的“差点” 由其中的任意二点求得第三点。 表示了混合物M和两个相E和R之间的质量与组成间的关系。
当F与S充分混合达到平衡，分层 得到萃取相E和萃余相R。 由联结线和溶解度曲线可得萃取 相E和萃取相R的组成。
第一节 萃取
（四）分配曲线与分配系数
1.分配曲线 将三角形相图上各组相对应的共扼平衡液层中溶质A的组成转 移到xm-ym直角坐标上，所得的曲线称为分配曲线。 分配曲线表达了溶质A在相互平衡R相与E相中的分配关系。 2.分配系数
第一节 萃取
溶质A在两相中的平衡关系可以用相平衡常数k来表示。
k=
ymA xmA
（10.2.3）
ymA—溶质A在萃取剂中的质量分数 xmA—溶质A在萃余相中的质量分数
ymR xmR
k通常称为分配系数。该值随温度与溶质的组成而异。 当溶质浓度较低时，k接近常数，分配曲线接近直线。
第一节 萃取
三、萃取剂的选择
（一）萃取剂的选择性系数 萃取剂的选择性是指萃取剂对原料混 ymA / xmA k A = 合液中两个组分的溶解能力的大小， α = ymB / xmB k B 可以用选择性系数α来表示：
（10.2.4） ymA，ymB——分别为组分A和B在萃取相中的质量分数 xmA，xmB——分别为组分A和B在萃余相中的质量分数 若α>1, 表示溶质A在萃取相中的相对含量比萃余相中高。 α愈大，组分A与B的分离愈容易。 若α＝1，则组分A与B在两相中的组成比例相同，该溶液不 能用萃取方法分离。
第一节 萃取
（二）萃取剂的选择 1.萃取剂的选择性 2.萃取剂的物理性质：密度、界面张力、黏度 3.萃取剂的化学性质 4.萃取剂回收的难易： 一般常用的回收方法是蒸馏，如果不宜用蒸馏，可以考虑 采用其它方法，如反萃取、结晶分离等。 5.废水常用的萃取剂： 苯及焦油类、酯类（醋酸丁酯、三甲酚磷酸酯等）、醇类
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第一节 萃取
四、萃取过程的流程和计算
（一）单级萃取 单级萃取是液-液萃取中最简单、也是最基本的操作方式。
第一节 萃取
单级萃取可以间隙操作，也可以连续操作。 理论级：萃取相和萃余相之间达到平衡。 级效率：单级操作实际的级数和理论级的差距
萃取相 分离设备
单级萃取过程的计算：
混 和 器 分 层 器 萃余相分离 设备
已知：待处理的原料液量和组成、萃取剂组成、 萃余相组成、相平衡数据 计算：所需的萃取剂量、萃取相和萃余相量和组成
第一节 萃取
1.萃取剂与稀释剂不互溶的体系
以溶质A为对象建立物料平衡关系式：
第一节 萃取
溶质在两液相间的分配曲线如下：
如果分配系数不随溶 液组成而变，则有：
B ? X mF = S ? Y mE + B ? X mR
或
YmE = ?
B ( X mR ? X mF ) S
（10.2.5）
Ym = kX m
（10.2.6）
S、B——萃取剂用量、原料液中稀释剂量；kg或kg/s XmF——原料液溶质A质量比＝A/B YmE——溶质A在萃取相中的质量比=A/S XmR——溶质A在萃余相中的质量比=A/B
联立分配曲线方程和物料平衡方程，即可得到 萃取剂用量和溶质在萃取相中的组成。
第一节 萃取
2.萃取剂与稀释剂部分互溶的体系，如何计算？
①根据已知平衡数据在三角相图中画 出溶解度曲线及辅助曲线。 ②在AB边上根据原料液的组成xmF确 定F点，根据所用萃取剂组成确定S 点（假设为纯萃取剂），连接FS。 ③由已知的xmR（萃余相中溶质A的 质量分数）定出点R, 再利用辅助曲 线求出E点，连接RE直线，与FS交 点为M。
原料液
第一节 萃取
（二）多级错流萃取
萃取剂 萃余相
萃 取 相 萃 余 相
则 ：
S MF MF = 所需萃取剂量S = ×F F MS MS
由萃取剂量 求组成xmR?
萃取剂和稀释剂之间不互溶体系
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第一节 萃取
物料平衡
对于第1级，作溶质A的物料衡算：
第一节 萃取
理论级数如何求？
已知原料液组成：XmF 萃取剂量：S 萃取剂组成：Ym0
BX mF + S1Ym 0 = BX m1 + S1Ym1
由上式得： Y ? Y = ? B ( X ? X ) m1 m0 m1 mF
S1
（10.2.7） （10.2.8）
……第1级操作线 任意一个萃取级n的操作线方程：
Ymn ? Ym 0 = ? B ( X mn ? X m ( n ?1) ) Sn
（10.2.9）
直到萃余相的组成Xmn等于或小于所要求的XmR为止。 重复操作线的次数即为理论级数。
第一节 萃取
（三）多级逆流萃取
萃余相中溶质含量 低，接近与新鲜萃 取剂相平衡的程度 原料液
第一节 萃取
1.理论级数的计算
第1级至i 级的物料衡算方程为:
BX mF + SYm (i +1) = BX mi + SYm1
（10.2.10）
萃取剂 萃取相中溶质含量 高，接近与原料液 相平衡的程度
Ym1 ? Ym (i +1) =
B ( X mF ? X mi ) S
（10.2.11） ……操作线
第一节 萃取
图解法求多级逆流萃取所需的理论级数
Xm0 Ym2
第一节 萃取
Xm1 Ym3 Xm2 Ym0
Ym1
Xm3
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第一节 萃取
2.最小萃取剂用量的计算
? 萃取剂用量的确定影响萃取效果和设备费用。 ? 萃取剂用量少，所需理论级数多，设备费用大；反之，萃 取剂用量大，所需理论级数少，萃取设备费用低，但萃取 剂回收设备大，相应的回收萃取剂的费用高。 ? 在多级逆流操作中对于一定的萃取要求存在着一个最小萃 取剂比和最小萃取剂用量Smin。 ? 当萃取剂用量减少到Smin时，所需的理论级数为无穷大。
第一节 萃取
图解法求最小萃取剂用量
萃取剂用量S值越小，理论级数越多。 B 萃取剂的最小用量： S min = （10.2.12） δ max
第一节 萃取
（四）连续逆流萃取
连续萃取多用塔式装置，种类很多，包括：填料塔、筛板塔、 往复振动筛板塔、离心萃取机等。
第一节 萃取
往复振荡筛板塔
第一节 萃取
第一节 萃取
在连续逆流萃取计算中，主要是要确定塔径和塔高。 塔径取决于两液相的流量与塔中两相适宜的流速。 塔高的计算有两种方法： 离心萃取器 1. 理论级当量高度法 理论级当量高度He：指相当于一个理论级萃取效果的 塔段高度。由实验研究或根据实际装置的数据求得。 理论级数：NT 塔高H=NTHe
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第一节 萃取
2.传质单元法
第一节 萃取
溶质从萃余相进入萃取相的量等于萃取相中溶质的增量：
d ( Eym ) = K y ( ym* ? ym ) ab Ωdh
将萃取塔分隔成无数个微元 段，对微元段中溶质从料液 到萃取相中的传质过程进行 分析。
dh =
d ( Eym ) ΩK y ab ( ym* ? ym )
（10.2.13）
E——萃取相流量，kg/h ab——单位塔体积中两相界面积，m2/m3 Ω——塔截面面积，m2 Ky——总传质系数，kg/(m2 s) ym*——与组成为xm的萃余相呈平衡的萃取相组成的质量分数。
第一节 萃取
当萃取相中溶质浓度较低，且萃取相和稀释剂不互溶 时，E可认为不变，Ky也可以取平均值作为常数。
第一节 萃取
本节思考题
(1)萃取分离的原理和特点是什么。 (2)萃取分离在环境工程领域有哪些应用。 (3)说明三角形相图中各区域点的物理意义。 （10.2.14） (4)如何得到溶解度曲线的辅助曲线，如何利用辅助曲线求得任 一平衡液相的共轭相？ (5)说明单级萃取过程在三角形相图上如何表示。 (6)说明如何从三角形相图的溶解度曲线得到分配曲线，分配系 数的物理意义。 (7)画图说明单级萃取、多级错流萃取和多级逆流萃取分配曲线 和操作线的不同关系。 (8) 萃取剂用量的确定有哪些考虑
h=
dy E ∫ym0 ym* ?m ym = H OE NOE K y ab Ω
ymE
HOE——稀溶液时萃取相总传质单元高度，m； NOE——稀溶液时萃取相总传质单元数； ym0——原始萃取剂中溶质组成的质量分数； ymE——最终萃取剂中溶质组成的质量分数。
第一节 萃取
本节总结 ? 萃取平衡的概念 ? 分配曲线与分配系数的概念 ? 萃取过程的操作线 ? 萃取工艺的计算 单级、多级错流、多级逆流
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