第八章液液萃取
第八章液液萃取
三角形的三条边，按顺时针方向， 三角形的三条边，按顺时针方向， 分别标上刻度，一般取5等分， 分别标上刻度，一般取5等分，标号
0.2 F 0.4 0.6 0.8 S
B
分别从0.0 0.2、0.4、0.6、0.8、 0.0、 三角形相图的组成表示 分别从0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、 方法 1.0。单位为质量分率。 1.0。单位为质量分率。
二、基本过程
1.过程简图 参见图8 所示。 参见图8-1所示。
四个要素
主要设备 物流方向 组分名称 表示符号
萃取分离醋酸-水的 图8-1 萃取分离醋酸 水的 工艺流程
应用场合
• 分离沸点相近或有恒沸物的混合液 • 混合液中含有热敏物质，采用萃取方法可避免 混合液中含有热敏物质， 物料受热破坏 • 萃取-脱溶剂联合 萃取-
● 萃取剂与原溶剂互不相溶时
直角坐标系中图解计算
Y A － / S)( X A −X A)＋S Y E ＝ (B R F
8-3-2 多级错流过程
●
流程
●
计算
一般已知: 一般已知: 操作条件下的相平衡数据， 操作条件下的相平衡数据， 原料液量F及组成w 原料液量F及组成wFA， 溶剂的量S和组成y 和萃余相的组成w 溶剂的量S和组成yS和萃余相的组成wRA
（3）粘度大的液体宜作为分散相；对填料、筛板润湿性 粘度大的液体宜作为分散相；对填料、 较差的液体宜作为分散相；成本高、易燃易爆的液 较差的液体宜作为分散相；成本高、 体宜作为分散相。 体宜作为分散相。
8-5 过程和设备的强化与展望
●
萃取过程的强化
●
其它单元操作的耦合
●
超临界萃取
●
固相微萃取
化工原理-萃取11
4.4.1 理论级当量高度法
萃取段的有效高度h h=n×(HETS)
n—理论级数;反映萃取的难易或过程要求达到的 分离要求。 HETS- 塔内相当于一个理论级分离能力的高度 称为理论级当量高度。大小由物系性质、操作条 件、设备型式决定，可由实验获得。反映塔的效 率。
4.4.1.1传质单元数法：
B与S完全不互溶，溶质组成较稀
HOR——萃余相总传质单元高度 NOR——萃余相总传质单元数。
4.4.2 常用萃取设备简介 混台—澄清槽
混合—澄清榴有以下优点
(1)处理量大，传质效率高，一般单级效率 在80％以上； (2)结构简单，容易放大和操作；
(3)两相流量比范围大，运转稳定可调，易 于开、停工；对物系适应性好，对含有少 量悬浮固体的韧料也能处理； (4)易实现多级连续操作，便于调节级数。
轻相从筛板下横向流过，从升液管 进入上一层板。而重相在重力作用下分 散成细小液滴，在轻相层中沉降，进行 传质。穿过轻相层的重相液涡开始合并、 凝聚，聚集下层筛板。通过多次分散和 凝聚实现两相分离，其过程和轻相是分 散相完全类似。
(3)填料萃取塔
填料萃取塔结构简单， 造价低廉，操作方便， 适合于处理腐蚀性料 液，尽管传质效率较 低，在工业上仍有一 定应用。一般在工艺 要求的理论级小于3， 处理量较小时、可考 虑采用填料萃取塔
4.3.2 Ｂ与Ｓ不溶
对全过程作溶质的物料衡算
4.3.３溶剂比（Ｓ／Ｆ）和萃取剂最小用量
当Ｓ／Ｆ小到 Ｓmin时，某 一操作线与联 接线重合，操 作线与分配线 相交或相切， 所用理论级数 为无穷多
4.4 微分接触式逆流萃取的计算
微分接触式逆流萃取操作是萃取相和萃 余相逆流微分接触，通常在塔式设备(如 喷洒塔、脉冲筛板塔等)中进行，其流程 如图所示。重相(如原料液)从塔顶进入塔 中，从上向下沉动，与自下向上流动的 轻相(如萃取剂)逆流连续接触，进行传质， 萃取结束后，两相分别在塔顶、塔底分 离，最终的萃取相从塔顶流出，最终的 萃余相从塔底流出。
液-液萃取操作实验
实验八 液-液萃取操作实验一、实验目的1．了解液-液萃取设备的结构和特点。
2．熟悉液 液萃取塔的操作。
二、实验原理萃取是分离液体混合物的一种常用操作。
其工作原理是在待分离的混合液中加入与之不互溶（或部分互溶）的萃取剂，形成共存的两个液相，并利用原溶剂与萃取剂对原混合液中各组分的溶解度的差别，使原溶液中的组分得到分离。
1．液-液传质的特点液-液萃取与吸收、精馏同属于相际传质操作过程，它们之间有很多相似之处。
但由于在液-液萃取系统中，两相的密度差和界面张力均较小，因而会影响传质过程中两相的充分混合。
为了强化两相的传质，在液 液萃取时需借助外力将一相强制分散于另一相中（如利用塔盘旋转的转盘塔、利用外加脉冲的脉冲塔等）。
然而两相一旦充分混合，要使它们充分分离也较为困难，因此，通常在萃取塔的顶部和底部都设有扩大的相分离段。
萃取过程中，两相混合与分离的好坏，将直接影响萃取设备的效率。
影响混合和分离的因素有很多，分离效果除了与液体的物性有关外，还与设备结构、外加能量和两相流体的流量等因素有关，以致于很难用数学方程直接求得，所以表示传质好坏的级效率或传质系数的值多用实验直接测定。
研究萃取塔性能和萃取效率时，应注意观察操作现象，实验时应注意了解以下几点：(1)液滴的分散与聚结现象。
(2)塔顶、塔底分离段的分离效果。
(3)萃取塔的液泛现象。
(4)外加能量大小(改变振幅、频率)对操作的影响。
2．液-液萃取塔的计算本实验以水为萃取剂，从煤油中萃取苯甲酸。
水相为萃取相（用字母E 表示，又称连续相、重相）。
煤油相为萃余相（用字母R 表示，又称分散相、轻相）。
在轻相入口处，苯甲酸在煤油中的浓度应保持在0.0015～0.0020（kg 苯甲酸/kg 煤油）之间。
轻相从塔底进入，作为分散相向上流动，经塔顶分离段分离后由塔顶流出；重相由塔顶进入，作为连续相向下流动至塔底经π形管流出。
轻、重两相在塔内呈逆向流动。
在萃取过程中，一部分苯甲酸从萃余相转移至萃取相。
萃取
《化工原理》第八章萃取一、填空题1.萃取过程是 .答案:在混合液中加入溶剂使溶质由原溶液转移到溶剂中的过程.2.萃取是利用原料液中各组分的差异而实现分离的单元操作.答案:在合适的溶剂中溶解度.3.溶解度曲线将三角形相图分为两个区域,曲线内为区,曲线外为区.萃取操作只能在区进行.答案：两相区；均相区；两相区4.萃取操作中选择溶剂的主要原则是，和。
答案：较强的溶解能力，较高的选择性，易于回收。
5.分配系数是指一定温度下，之比。
数学表达式为。
kA<1意味着。
答案：三元混合液中的两个液相达到平衡时，溶质A在萃取相E和萃余相R中的组成之比。
KA =yA/xA; yA> xA,即在萃取相中，稀释剂B的组成高于溶质A的组成。
6.选择性系数β与分配系数kA的关系是，选择性系数β与精馏中相当。
β值越小，越。
答案：β= kA xB/ yB；相对挥发度α；不利于组分的分离7.多级逆流萃取中，欲达到同样的分离程度，溶剂比越大则所需理论级越，操作点越 S点。
当溶剂比为最小值时，理论级数为，此时必有的重合。
答案：少；靠近；无穷大；连接线和操作线。
8.在B-S部分互溶物系中加入溶质组分A，将使B-S互溶度。
适当降低操作温度，B-S的互溶度将。
答案：增大，减少；。
9.萃取操作依原料液和萃取剂的接触方式可分为和两类。
答案：级式接触萃取，微分接触萃取。
10.萃取因子Am 的物理意义是，当Am=1时，说明，当Am=无穷大时，说明。
答案：平衡线斜率与操作线斜率之比；溶质A在萃取相中含量等于在萃余相中含量等于在萃余相中的含量；溶质A在萃取相中含量等于零。
11.萃取操作是利用原料液中各组分的差异实现分离的操作。
答案：溶剂中溶解度12.在溶解度曲线上萃取相与萃余相重合的点称为。
答案：溶点（或褶点）13.度曲线是封闭型曲线时，该物系应是第类物系。
答案：一）14.液-液萃取操作中常出现的影响分离效率的现象有液泛和。
答案：轴向返混15.多级逆流萃取操作线斜率为______________。
第八章液—液萃取
在萃取相中yA比yB大得多，在萃余相中xB比xA大得多 选择性系数
kA
yA xA
A在萃取相中的质量分数 B在萃取相中的质量分数
/
A在萃余相中的质量分数 B在萃余相中的质量分数
yA yB
/ xA xB
yA / yB xA xB
类似于
kA
xB yB
溶质A在萃取液与萃余液中的关系
或 kA / kB
yA
二、液—液相平衡关系
1、溶解度曲线和联结线 设A完全溶解于稀释剂B和溶剂S中 B与S部分互溶或不溶 Ⅰ类物系
Ⅱ类物系：A、S 与B、S均互溶
B与S部分互溶
B与S在一定温度下，以任意数量相 A 混合，得到互不相溶的液层，即L与J
均相区
联结共轭 相的直线
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
（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。 A
解：（1）溶解度曲线和辅助曲线
1
xA ( 1)xA
2、萃取剂S与稀释剂B的互溶度
A
A
y'max
y'ma度小
组分B与S2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
3、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，不应形 成恒沸物，最好是组成低的组分为易挥组分。
多种金属物质的分离（铜—铁的分离）、核工业材料的制 取、环境污染的治理（如废水脱酚）等。
液液萃取
(1) 流程
第二节 萃取过程的计算
mF, xF
mS
xE, y 混合器 mM, z mR, x
澄清槽
单级萃取流程示意图
（2）特点 ◇ ◇ （3）计算 已知原料液的处理量及组成（生产工艺给定），计算： 操作型：给定S 的用量mS 及组成，求萃取相E与萃余相R的量mE 和mR 及组成 y、x。 设计型：根据给定的原料液F及规定的分离要求，求溶剂S用 量。 原料液与溶剂一次性接触。 萃取相与萃余相达到平衡。
水包油（O/W）型
油包水（W/O）型
降低界面张力，降低表面自由能 界面电荷 界面膜 增大介质黏度
4）生物类料液引起的乳化现象
• 原因——蛋白质是一种天然乳化剂
• 种类——大多形成W/O型
5）去乳化方法
加热 稀释 离心 过滤 静电 电解质 顶替法 转型法
一、单级萃取
来决定。
根据萃取目标物质的介电常数，寻找极性相接近的溶剂 作为萃取溶剂，也是溶剂选择的重要方法之一。
三、萃取分离的影响因素
1.萃取剂的影响与选择原则
① 萃取剂的选择性 萃取剂的选择性系数β大，则此种萃取剂的选择性好 ② 萃取剂与原溶剂的互溶度 ③ 萃取剂的物理性质 萃取剂与稀释剂之间应有较大的密度差，且二者之间 的界面张力适中 ④ 萃取剂的化学性质 化学稳定性好，不易分解，闪点高，且对人体无毒性 或毒性低 ⑤ 萃取剂的回收 蒸馏 ⑥ 萃取剂经济好，价廉易得，且对设备腐蚀性小、安全性 好
第八章 萃取-萃取计算
I
P
R2 R1
B R • • • • •
E
S
O
x
三元体系的相平衡关系也可在直角坐标系中表达。 x：萃余相中的平衡组成； y：萃取相中的平衡组成。 曲线：OHIP即为一定温度下的分配曲线。 分配曲线位于y=x直线的上方。
8.2.4 分配曲线和分配系数
• 一定温度下，液液两相达到相平衡，组分A在萃取相与萃余相 中的组成之比为分配系数kA，即：
FR ' E' = F E'R'
式中，E’为萃取液量，kg或kg/h。
(F是E’和R’的和点。)
解析法： 物料衡算 总物料衡算： 组分A物料衡算： 有： F+S=E+R=M
Fx FA + Sy SA = Ey A + Rx A = Mz A
M (z A − xA ) E= yA − xA
F ( x FA − x' A ) E' = y ' A − x' A
M
G K zB
B
8.2.2 溶解度曲线和平衡联结线
A • 溶解度曲线RPE • 曲线以外：均相区 • 曲线以内及上：两相区 • 将两相区内的点M静置后得到 两平衡液相R2和E2. 二者成为 共轭相； • 联结R2E2的线称为联结线。 M2点为R2和E2的和点， R2(或E2)为M2与E2(或R2)的差 S 点。 •
8.2 三元体系的液液相平衡
8.2.1 三元体系在三角形相图中的组成表示
A C F zA D zS • 如右图： • 顶点：纯组分 • 三条边：任一点表示二元混 合物；如C点表示溶质A和稀 释剂B的混合物； • 三角形内部任一点表示一个 三元混合物，如图中M点。 • FB，KS，BD分别代表 A,B,S的百分含量。 S • zA+zB+zS=1.0
液液萃取-8-3.
2019/2/16
2、多级逆流萃取的计算
1）萃取剂与稀释剂部分互溶的体系
E1 F R1 R2 M
E2 E3
△
RN
2019/2/16
F S M E1 RN
对第一级作总物料衡算
F E2 R1 E1或F E1 R1 E2
对第二级作总物料衡算
R1 E3 E2 R2或R1 E2 R2 E3
Mmin E kmin k2 k1
3）多级逆流萃取的最小溶剂用量
Y
Smin B / kmin
O XR
2019/2/16
XF
X
四、连续逆流萃取的流程与计算
1、连续逆流萃取的流程
2019/2/16
2、连续逆流萃取的计算
1）理论级当量高度法
h n( HETS )
2）传质单元法
B dX XF h X n K X a X X
-B/S2
-B/S3 X2 U X1
-B/S1
V XF
2019/2/16
b）解析法 分配曲线： 设：
Y KX
——萃取因子
KS Am B
Ys XF 1 K) n ln( ln( 1 Am ) X YS n K
2019/2/16
三、多级逆流萃取的流程与计算
1、多级逆流萃取的流程
F M S0 M1 FS0
E1 R1 R2 ห้องสมุดไป่ตู้3 M1 M2 M3 E2 E3
2019/2/16
2）萃取剂和稀释剂不互溶的体系 a）直角坐标图解法
对第一级 ： Y1 Y0 B S1 ( X 1 X F )
第2到N级 ： Y Y B S ( X X ) 2 0 2 2 1
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第八章液液萃取
第一节概述
液液萃取是分离液体混合物的单元操作，它是依据待分离溶液中各组分在萃取剂中溶解
度的差异来实现传质分离的。
8-1-1 萃取的工艺流程
萃取过程通过加入第二相萃取剂的方法将一个难分离的液体混合物变成两个易分离的混
合物，萃取装置后通常还设有萃取相和萃余相的回收分离装置。
对于一个合理的萃取工业流
程，应着重解决下面三个问题：（1）选择一个合适的萃取剂；(2) 提供一个具有良好传质条件
的萃取设备；（3）完成萃取的后续分离过程。
8-1-2 萃取分离的应用场合
在下列情况下可以考虑采取萃取操作：
（1）分离沸点相近或有恒沸物的混合液。
（2）混合液中含有热敏物质，采用萃取方法可避免物料受热破坏
（3）混合液中溶质A的浓度很稀时
第二节液液相平衡
8-2-1 三角形相图
一、组成表示方法
三角形坐标图通常有等边三角形坐标图、等腰直角三角形坐标图两种。
在三角形坐标
图中，每个顶点分别代表一个纯组分，三条边上的任一点代表一个二元混合物系，第三组分
的组成为零。
三角形坐标图内任一点代表一个三元混合物系。
二、物料衡算和杠杆定律
物料衡算在三角形相图中满足杠杆定律，可由此得到组成和量的相互关系：
M
E
E
M
R
R
上式表明由溶液R和E混合后得到的混合液组成点M必定在直线RE上，其在线上的位置可由杠杆定律给出；反过来，若混合液M可以分为R和E两部分，已知点M和R（或E），可由杠杆定律在直线MR（或ME）上定出点E（或R）的位置和组成。
通常将M称为R与E的和点，而R（或E）为M与E（或R）的差点。
8-2-2 部分互溶体系的平衡相图
一、溶解度曲线、联结线及临界混溶点
溶解度曲线用来表示三元部分互溶体系的A、B和S的相平衡关系，它是在一定的温度
和压强下由实验测定的。
溶解度曲线将三角形相图分为两个区域，曲线以内为两相区，曲线以外为单相区。
处于两相区内状态点的溶液在达到平衡，静置后会形成两相，两相组成的坐标点应处于溶解度曲线上。
互为平衡的两相的组成点的连线为联结线。
两相区内的任意一点都可以作出一条联结线，联结线的两端为互成平衡的共轭相，因此两相区是萃取操作能够进行的范围。
通过实验测得的联结线
R 1E 1, R 2E 2, R 3E 3……,以联结线为斜边，过联结线的两个端点，分
别作AB 边和BS 边的平行线，两线相交得到交点
J,K,H ……, 连接这若干个交点所得的曲线
即为辅助曲线。
利用辅助曲线，由已知共轭相之一的组成，就可以很方便的求出共轭相的另一组成。
辅助曲线与溶解度曲线交点为临界混溶点或褶点。
二、分配系数与分配曲线
分配系数是选择萃取剂的一个重要参数，用符号
k A 表示，
x
y k A
对于某溶剂其值愈大，表明溶质更易在萃取相中富集，采用该溶剂做萃取剂进行萃取分离的效果愈好。
k A 一般不是一个常数，它随着物系的种类、操作温度和溶质组成的变化而
变化，但在低浓度时，
k A 的值变化较小可近似认为是常数。
以对角线
y=x 为辅助线，根据三角相图中共轭相
R 、E 中组分A 的组成，在直角坐标
x-y 图上定出对应点，将这若干个点连成的平滑曲线即为分配曲线。
由于联结线的斜率各不相同，所以分配曲线总是弯曲的，若联结线斜率为正值，分配曲线在对角线的上方，若斜率为负值，曲线就在对角线的下方。
斜率的绝对值越大，曲线距对角线越远，而分配曲线与对角线的交点即为临界混溶点
8-2-3 萃取剂的选择
萃取操作中，选择合适的萃取剂非常关键。
基于液液相平衡热力学，一般需要对以下参数进行综合考虑。
一、选择性
选择性系数β是组分A 与B 的分配系数之比，其意义类似于蒸馏中的相对挥发度α ,可
以作为萃取分离难易程度的判据。
若
β＞1，说明组分A 在萃取相中的相对含量比萃余相中的
高，即组分A 、B 得到了一定程度的分离
;当B 组分不溶解于萃取剂时，
β为无穷大。
若
β=1，A 、B 两组分不能用此萃取剂分离，即所选择的萃取剂是不适宜的。
二、萃取剂与原溶剂的互溶度
萃取剂与原溶剂的互溶度越小，则在相图上的两相区越大，萃取可操作的范围也越大。
因此选择与组分B 具有较小互溶度的萃取剂能够有较大的选择性，取得较好的分理效果。
一
般情况下，温度降低，互溶度减小，对萃取过程有利，但是温度降低会使液体的粘度增加，不利于输送及溶质在两相间的传递。
三、萃取剂回收的难易与经济性
要求萃取剂
S 与原料液中的各组分的相对挥发度要大，不应形成恒沸物，并且最好是组
成低的组分为易挥发组分。
若被萃取的溶质不挥发或挥发度很低时，则要求S 的汽化热要
小，以降低能耗。
四、萃取剂的其它物性
第三节
萃取过程计算
8-3-1 单级萃取过程一、原溶剂与萃取剂互溶
对此过程的计算，一般已知原料液的流量
F 和溶质A 的质量分数w FA ，萃取剂中A 的质量
分数w SA ，体系的相平衡数据和分离要求（萃余相的质量分数w RA ），要计算所需的萃取剂用
量S ，萃取相的量
E ，萃余相的量
R 和萃取相组成
w EA 。
对此过程，物料质量衡算满足：
M
R E S F MA
RA EA SA FA w M w R w E w S w F 萃余相R 和萃取相E 是达平衡的，则在三角相图上
w EA 和w RA 的组成点在一条联结线
上，因此利用三角相图和杠杆定律能够很方便求出未知量。
对于一定的原料液量，存在两个极限萃取剂用量，在此二极限用量下，原料液与萃取剂的混合物系点恰好落在溶解度曲线上，如教材附图8-9中的点G 和点H 所示，能进行萃取分
离的最小溶剂用量
S min （和点G 对应的萃取剂用量）和最大溶剂用量
S max （和点H 对应的萃
取剂用量），其值可由杠杆定律计算，即
S
G min
G F F
S 二、原溶剂与萃取剂不互溶
若萃取剂与原溶剂互不相溶，则在整个传质过程中，原溶剂B 和萃取剂S 的量是保持不
变的，将相平衡关系用分配曲线表示，两相中的组成用质量比表示。
此时溶质在两液相间的平衡关系可以用与吸收中的气液平衡类似的方法表示，即
RA
EA S FA X B Y S SY X B ＋S
F F
S H H max
或
S
FA RA
EA /Y X X S B Y ＋＝－上式表明
Y EA 和X RA 在X-Y 坐标系中为直线关系，这条直线通过点（
X FA ,Y S ），斜率为-
B/S,称为操作线。
将操作线延长与相平衡线相交，得到交点D(X 1,Y 1)，即为通过一个理论萃取
级后萃余相和萃取相中溶质
A 的浓度X 1和Y 1。
8-3-2 多级错流过程
在多级错流萃取操作中，原料依次通过各级萃取器，每级所得的萃余相进入下一级作为原料液，同时每一级均加入新鲜萃取剂。
如此萃余相经多次萃取，只要级数足够多，最终可得到溶质组成低于指定值的萃余相。
显然多级错流萃取的总溶剂用量为各级溶剂用量之和，原则上各级溶剂用量可以相等也可以不等。
在多级错流萃取过程的计算中，一般已知操作条件下的相平衡数据，原料液量F 及组成
w FA ，溶剂的量
S 和组成y S 和萃余相的组成
w RA ,要求所需理论级数
N 和离开各级的萃余相和
萃取相的量和组成。
这个求解过程对于原溶剂B 与萃取剂S 部分互溶的物系一般也是通过图
解法，它实质上是单级萃取图解法的多次重复。
其具体步骤如下（结合教材图
8-12）：
（1）由已知的平衡数据在三角形坐标图中绘出溶解度曲线及辅助曲线(图中未标出)，并
在此相图上标出
F 点。
（2）联结点F 、S 得FS 线，根据第一级F 、S 的量，依杠杆定律在
FS 线上确定混合物系点
M 1。
(3) 由于此时M1对应的平衡点R 1、E 1均不知，因此必须采用试差的方法借助辅助曲线作出
过M 1的联结线E 1R 1。
（4）第二级以R 1为原料液，加入量为S 的新鲜萃取剂，依杠杆定律找出二者混合点
M 2，按与(3)类似的方法可以得到
E 2和R 2，此即第二个理论级分离的结果。
（5）依此类推，直至某级萃余相中溶质的组成等于或小于规定的组成wRA 为止，
(6) 作出的联结线数目即为所需的理论级数。
对于原溶剂B 与萃取剂S 不互溶的物系，设每一级的溶剂加入量相等，则各级萃取相中
溶剂S 的量和萃余相中原溶剂
B 的量均可视为常数。
仍采用分配曲线表示相平衡关系，质量
比来表示两相组成，直角坐标图解法或解析法求取理论级数，其步骤如下：（1）根据X F 及Y S 在直角坐标内确定点L ，自点L 出发，作斜率-B/S 为的直线交分配曲线于
点E 1，LE 1即为第一级的操作线，
E 1点的坐标(X 1 ,Y 1)即为离开第一级的萃余相与萃取相的质。