第五章 其他分离技术和分离过程

第五章其他分离技术和分离过程

简介：

蒸馏、吸收和萃取等单元操作主要用来进行气液和液夜两相间的传质。

特点：两相均为流体，两相在相对运动和相互接触的过程中形成自由界面，物质在扩散作用的作用下，从一相传递到另一相。

蒸馏：是使难挥发组分从气相扩散到液相，易挥发组分则以大致相等的传递速率按照相反的方向从液相扩散到气相的操作。

吸收：是使被吸收的组分从气相扩散到液相的操作。

萃取：是利用液体溶剂的选择作用来萃取液相混合物中的一种组分，组分经过两相间的边界层，由一相扩散到另一相。

三者传质过程的最终结果皆是达到相平衡，而相平衡只有在无限长的时间接触后，才可以实现。二实际生产过程中的接触时间是有限的，因而要研究在一定的接触时间内物质的传递量和强化这种传递过程的方法。

一、萃取的基本概念

1 萃取的定义

萃取——应用溶剂从混合物中提取某种物质的过程。

萃取过程和蒸馏、吸收等过程一样，都是属于两相之间的传质过程，即物质从一相转相另一相的过程。

广义理解分类：

（1）液相到液相：碘在水和四氯化碳中的溶解

（2）故相到液相：从大豆中提取豆油

（3）气相到液相：吸收

但是在科学研究和生产实践中，萃取通常是指液液萃取过程，而将故液传质过程称为：浸出，气液传质过程称为：吸收。

2 基本概念

液液萃取：也成为溶剂萃取，简称为萃取。

萃取过程：萃取是分离混合液的一种常用的单元操作。它是根据混合液体中的个组分在所选择的溶剂中的溶解度的差异，使混和液中预分离的组分溶解于溶剂中，而余下的组分完全不互溶或者部分互溶，从而达到与其他组分完全分离或部分分离的操作。

萃取剂：在萃取过程中所选择的溶剂。

溶质：混和液中预分离的组分。

稀释剂：混合液中的原溶剂。

萃取相：萃取操作中所得到的溶液，其组成是主要是萃取剂和溶质。分离萃取相中的溶质和萃取剂通常采用蒸馏或蒸发的方法，达到回收萃取剂和溶质的目的。

萃余相：被萃取后的原混合溶液，其成分主要是稀释剂和残余的溶质等组分。

萃取液：将萃取相脱去萃取剂的溶液。

萃余液：萃余相脱去萃取剂后的溶液。

二、萃取原理

萃取过程中所使用的溶剂对萃取物质有良好的溶解能力，而对液相中的其他物质则没有溶解能力（或仅仅部分溶解）。利用溶剂对物质溶解能力的差异，进行物质的分离是萃取操作的理论基础。

1 液液相平衡

萃取过程中被萃取混合物至少含有两个组分：溶质A和稀释剂B。因此，萃取过程中至少设计三个组分。由实验得到的平衡数据一般用三角形相图表示。

1.1三角形相图

三角形相图可以采用等腰直角三角形、不等腰直角三角形或等边三角形表示。其中以等腰直角三角形作图比较方便，而且可以使用一般的坐标纸绘图，所以用的比较多。如图所示：

横坐标表示萃取剂的质量分数，纵坐标表示溶质的质量分数。由图可知：

（1）三角形的三个顶点分别表示三种纯物质，如点A表示纯溶质，点B表示纯原溶剂（稀释剂），S 点表示纯萃取剂。

（2）三角形边上的任意点，表示混和液由两个组分组成，如aB边表示混和液由溶质A与原溶剂组成；BS边表示混和液由原溶剂B和萃取剂S组成；AS边表示混和液由溶质A和萃取剂S组成。

（3）三角形内任意一点，如图所示。M点，表示该混和液由三个组分组成：萃取剂的质量分数为0.3，溶质的质量分数为0.3，原溶剂的质量分数为0.4。

1.2 溶解度曲线和平衡线

在一定温度下，B和S为部分互溶，这两相的组成如图中A、J点所示。取一B、S二元体系，其组成位于L、J两点，如C点。逐渐加入组分A成为三元物系。此时体系中B和S的质量之比为常数，故组成点沿AC线变化。若加入A的量恰好使混合液由两相变为均一相，相应的组成点为C'。改变初始时B、S二元物系的组成，重复试验，得到一系列点C'、D'、F'……。将这些点连起来，成为一条曲线，即为在实验温度下该三元物系的溶解度曲线。

溶解度曲线将三角形内部分为两个区域。曲线以内的区域为两相区，以外的为单相区。平衡时二元物系的组成点位于两相区内时，该物系就存在两个液相，称为共扼相。代表共扼相组成的两点位于溶解度曲线上，联结此两点的直线称为联结线，又称平衡线。图ER线就是一条联结线，萃取操作只能在两相区进行。

一定温度下同一物系的联结线倾斜方向一般是一致的，但联结线互不平行。少数情况下联结线的倾斜方向会改变。

1.3 杠杆定律

共轭相E和R的量，可以从相图中求取。如图所示。设三角形内任一点M表示混合液的总组成，M点称为和点，可分为两个液层E、R。而E点和R点则称为差点。且E、M、R三点在一条直线上，其关系可用

杠杆规则来描述，即E相和R相的质量比为：

若上述三元混合物(M点)是由一双组分(A和B)混合物(F点)与组分S混合而成，则此双组分混合物的

质量与组分S的质量之比应为：

1.4 分配系数

一定温度下，某一溶质溶解在两个互不相容的溶剂中时，当两相达到平衡状态，次溶质将以一定比例分配在两相之中，溶质在萃取相（E 相）与萃余相（R 相）中的组成之比称为分配系数，以k 表示，即：

A

A x y ＝浓度溶质在萃余相中的平衡浓度溶质在萃取相中的平衡 k 式中：yA ——溶质在萃取相中的质量分数

XA ——溶质在萃余相中的质量分数

从分配系数的定义可知，K 越大溶质在萃取相中的浓度越大，也就越容易被萃取。不同的萃取体系，其分配系数差异很大。

分配系数k 的大小，即取决于溶质进入萃取相能力的强弱，即溶质和萃取剂本身的物理、化学性质，同时又取决于萃取过程的操作条件（如温度、压力）。

分配系数k 可以分为下列三种情况：

K>1,yA>xA; k=1, yA=xA; k<1,yA

2 萃取过程在三角形相图上的表示

萃取过程中的混合、分离等部分，可以用三角形相图表示，如图所示，为一单级萃取流程。将原料液和全部萃取剂在萃取器内，一次进行充分接触，经过一定时间后，将萃取相和萃余相分别取出，再进行溶剂回收，于是整个过程将原料分离称为含有A 较多的萃取液和含有A 较少的萃余液。

单级萃取过程在三角形相图上的表示

其计算分析如下：定总组成，求萃取相和萃余相，求萃取液和萃余液

（1）由原料液组成在三角形AB 边上，确定原料液组成点F ，再将原料液组成点F 和表示纯萃取剂组成点S 相连，FS 线表示混合过程。MS

MF F S ＝量原料液量萃取剂 （2）利用杠杆定律确定混和液组成点M 。

（3）由过M 点的平衡线可以确定萃取相的组成点E 和萃余相的组成点R ，并根据杠杆定律求出E 量和R 量。ME

MR R E ＝量萃余相量萃取相 （4）将萃取相的E 点和纯萃取剂点S 相连，得到ES 线，延长ES 线和AB 边相交于E ’，即萃取液的组成点。同样，将萃余相的组成点R 和S 相连，得到ＲＳ线，延长RS 线交AB 边于R ’点，即萃余液的组成点。可以根据杠杆定律求出萃余液量和萃取液量。

三、萃取剂的选择

（1）溶剂的选择性

溶剂的选择形就是溶剂对已知混合物中个组分的分离能力。再萃取中，所用的溶剂对混合物中萃取的溶质溶解能力要强，对其他物质溶解能力应很差。选择性好的萃取剂不仅用量少，而且产品质量也高。若再生产上找不到完全不互溶的溶剂，则应选择互溶性交差（即部分互溶）的溶剂为好，在此情况下，溶剂S 更多的溶解组分A ，较少的溶解组成B 。

萃取后，萃取相和萃余相，将依据密度的不同分成上下两层，因此，两层中的组分B 和溶剂的含量不同，故可以命名为富溶剂层和富稀释剂层。

（2）萃取剂和原溶剂的互溶度

一般来说，应选择互溶度小的萃取剂，组分B 和S 的互溶度愈小则两相区面积愈大，愈有利于萃取分离。对一物系当温度降低时，互溶度减小，但是溶液的粘度增大，不利于两相间的分散、混合和分离，因

此温度选择要合适。

（3）萃取剂的物化性质

1）萃取液和原料液应有较大密度差这样在操作条件下，萃取相和萃余相之间形成两个明显的液层，易于分离。

2）表面张力适当表面张力大，分离迅速，但是分散程度差，影响两相接触。表面张力小，液体容易乳化，影响分散效率，因此应该根据实际情况选择由适当表面张力的萃取剂。

3）萃取剂应完全不和被处理物料发生化学反应

4）萃取剂资源丰富价格低廉

5）萃取剂的回收

萃取剂通常应回收后循环使用，萃取剂回收的难易直接影响萃取操作的费用。用蒸馏方法回收萃取剂时，萃取剂，与其他被分离组分间的相对挥发度要大，并且不能形成恒沸物。若被萃取的物质，是不挥发的或者挥发度很低的物质，可以采用蒸发或闪蒸方法回收萃取剂，此时希望萃取剂的比汽化焓较低，以便减少热量消耗。

小结：

（1）掌握三角形相图

（2）熟练应用杠杆定律在三角形相图上解题

（3）熟悉萃取剂的选择要求