5.2萃取过程的计算
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5.2 萃取过程的计算
单级萃取计算：杠杆规则 如图所示，将质量为mR、组成为xA、xB 、xS的混合物系R与质量为mE、组成为yA、 yB 、 yS 的混合物系 E 相混合，得到一个质 量为 m 、组成为 xA 、 xA 、 xA 的新混合物系 M ，其在三角形坐标图中分别以点 R 、E 和 M 表示。 M 点称为 R 点与 E点的和点， R点与E 点称为差点。
乙醛氧化制醋酸工艺中醋酸的分离
氧化液组成：醋酸、水、甲酸、乙醛等
氧化液－脱轻组分－脱重组分－脱水
-脱轻组分：沸点低于醋酸的组分从塔顶分 离，粗醋酸流出，作为脱重组分塔的进 料； -脱重组分：醋酸从塔顶抽出，作为产品； -脱水：系统中集中在脱轻组分塔的塔顶馏 分中，进入脱水塔，脱除水分，保持体 系的水平衡。
萃取相为轻相，其中含有溶剂和已被萃 取的醋酸，萃取率达 99.8% ；从萃取塔底排 出的萃余相（重相）主要为水，仅含有 0.05wt% 的醋酸。萃取过程后续为两个精馏 过程，分别对萃取相进行溶剂和醋酸分离， 获得高纯度的冰醋酸，以及从萃余相中回收 溶剂。溶剂（饱和了水的乙酸乙酯）则循环 使用。
例题： 用苯作萃取剂在喷淋塔内萃取水溶液中 的 醋 酸 。 已 知 塔 高 H=1.4m ， 塔 截 面 积 A=4.5×10-3(m2) ，萃取相进出口的醋酸浓 度分别为 y1=0.00397 ，y0=0.0115，萃余相 进 出 口 醋 酸 浓 度 分 别 为 x0=0.688 ， x1=0.683 ( 均 为 kmol/m3) 。 苯 的 流 率 E=5.67×10-6 m3/s ， 萃 取 平 衡 关 系 为 ：y=0.0247x。 试求：(1)萃取相总传质单元数； (2)萃取相体积传质系数Koa。
该方程为非线形方程，用迭代方法求解 H=5.26 m 效率=（HTU）ox（NTU）ox / H = 4×0.9144 / 5.26 ×100% = 69.5%
补充材料:萃取应用与设备
现在萃取技术已在各方面获得了广泛的应 用： 炼油和石化工业中石油馏分的分离和 精制，如烷烃和芳烃的分离、润滑油 精制等； 湿法冶金，铀、钍、钚等放射性元素 、稀土、铜等有色金属、金等贵金属 的分离和提取；
解: 设萃取塔中传质速率为N。 则 N = E(y0 － y1) = 5.67×10-6 (0.0115 － 0.00397)=4.269×10-8 kmol/s 塔顶和塔底的萃取相平衡浓度为： y0*=0.0247×0.688=0.01699 kmol/m3 y1*=0.0247×0.683=0.01687 kmol/m3 塔顶、塔底的传质推动力为： y0*-y0=0.01699-0.0115=0.00549 kmol/m3 y1*-y1=0.01687-0.00397=0.01290 kmol/m3
磷和硼等无机资源的提取和净化； 医药工业中多种抗生素和生物碱的分离
提取； 食品工业中有机酸的分离和净化； 环保处理中有害物质的脱除等。
一些工业萃取过程ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
工业萃取过程举例
--醋酸萃取
醋酸是一种常用的化学品。在醋酸的生 产和使用过程中，经常需要进行醋酸 - 水的 分离。通常，可以用普通精馏的方法进行醋 酸（b.p.=118.1℃）和水（b.p.=100.0℃） 的分离。当溶液中醋酸含量较低时，由于水 的汽化潜热很大，精馏的能耗很高，此时采 用萃取的方法从经济上更为有利。
5.2 萃取过程的计算
5.2.1逆流萃取计算的集团法
定义 ΦE为进料中组分 i 被 萃取的分数
逆流萃取塔
各式可用质量单位或摩尔单位。由于在 绝热萃取塔中温度变化一般都不大，因此一 般不需要焓平衡方程，只有当原料与溶剂有 较大温差或混和热很大时才需考虑。
5.2.2 微分逆流萃取的计算
一﹑活塞流模型 活塞流模型是一个完全理想化的微分逆流 萃取模型。它假定塔内同一截面上任一点每 一相的流速相等，两相在塔内作活塞流动； 两相的传质只发生在水平方向上，在垂直方 向上，每一相内没有物质传递。
和点 M 与差点 E 、 R 之间的关系可用杠杆规 则描述，即 ：
(1) 几何关系：和点 M 与差点 E 、 R 共线。 即：和点在两差点的连线上；一个差点 在另一差点与和点连线的延长线上。
(2) 数量关系：和点与差点的量之间的关 系符合杠杆原理，即，
根据杠杆规则，若已知两个差点，则可确定 和点；若已知和点和一个差点，则可确定另 一个差点。
精馏法分离醋酸工艺流程
á× Ç é· ÖÁ ó· Ö ×Ë ´ á² úÆ · Ë ®
×Ò » ¼ ìË á Í Ñ Ç á × é · Ö Ë þ õ» Ñ ¯Ò º ô· Õ ¢Æ ÷ ¥¸ È ß· ÐÎ ï» ØÊ Õ Ö´ ´ ×Ë á Í Ñ Ö Ø × é · Ö Ë þ
Í Ñ Ë ® Ë þ
对数平均浓度差为：
因此得：
则
此塔萃取相的总传质单元数为 0.869，其萃取相的体积传 质系数Koa等于7.816×10-4 1/s。
5.2.2 微分逆流萃取的计算
二﹑轴向扩散模型 轴向扩散模型做了如下假设： ①每相的返混可用一恒定的轴向扩散系数 E 来描述； ②各相的表观速度在横截面上处处相同，在 轴向上是恒定的； ③仅仅是溶质在两相间传质，各相体积总传 质系数为一常数； ④溶质的分配系数为一常数；
例题：
在实验室对某稀溶液物系进行萃取实验，活 塞流工况下测得（ HTU ） ox=0.9144m 。现放 大设计一个工业塔，已知 : （ NTU ） ox=4 、 Pex=19、Pey=50、E=0.5。求塔高是多少？ 解：对于活塞流 , 塔高 H 活塞流 = （ HTU ） ox （NTU）ox ，将已知数据代入式（4-39）：
本图显示了一个醋酸 萃取的实例。在该实 例中，欲分离的料液 为含醋酸22wt%的水溶 液，流量 13,726kg/h （ 30,260lb/h ） ； 使 用 乙 酸 乙 酯 （ b.p.=77.1℃) 为 溶 剂 （萃取剂），流量 32,250kg/h （ 71,100lb/h ） ， 溶 剂 中已饱和了水。
单级萃取计算：杠杆规则 如图所示，将质量为mR、组成为xA、xB 、xS的混合物系R与质量为mE、组成为yA、 yB 、 yS 的混合物系 E 相混合，得到一个质 量为 m 、组成为 xA 、 xA 、 xA 的新混合物系 M ，其在三角形坐标图中分别以点 R 、E 和 M 表示。 M 点称为 R 点与 E点的和点， R点与E 点称为差点。
乙醛氧化制醋酸工艺中醋酸的分离
氧化液组成：醋酸、水、甲酸、乙醛等
氧化液－脱轻组分－脱重组分－脱水
-脱轻组分：沸点低于醋酸的组分从塔顶分 离，粗醋酸流出，作为脱重组分塔的进 料； -脱重组分：醋酸从塔顶抽出，作为产品； -脱水：系统中集中在脱轻组分塔的塔顶馏 分中，进入脱水塔，脱除水分，保持体 系的水平衡。
萃取相为轻相，其中含有溶剂和已被萃 取的醋酸，萃取率达 99.8% ；从萃取塔底排 出的萃余相（重相）主要为水，仅含有 0.05wt% 的醋酸。萃取过程后续为两个精馏 过程，分别对萃取相进行溶剂和醋酸分离， 获得高纯度的冰醋酸，以及从萃余相中回收 溶剂。溶剂（饱和了水的乙酸乙酯）则循环 使用。
例题： 用苯作萃取剂在喷淋塔内萃取水溶液中 的 醋 酸 。 已 知 塔 高 H=1.4m ， 塔 截 面 积 A=4.5×10-3(m2) ，萃取相进出口的醋酸浓 度分别为 y1=0.00397 ，y0=0.0115，萃余相 进 出 口 醋 酸 浓 度 分 别 为 x0=0.688 ， x1=0.683 ( 均 为 kmol/m3) 。 苯 的 流 率 E=5.67×10-6 m3/s ， 萃 取 平 衡 关 系 为 ：y=0.0247x。 试求：(1)萃取相总传质单元数； (2)萃取相体积传质系数Koa。
该方程为非线形方程，用迭代方法求解 H=5.26 m 效率=（HTU）ox（NTU）ox / H = 4×0.9144 / 5.26 ×100% = 69.5%
补充材料:萃取应用与设备
现在萃取技术已在各方面获得了广泛的应 用： 炼油和石化工业中石油馏分的分离和 精制，如烷烃和芳烃的分离、润滑油 精制等； 湿法冶金，铀、钍、钚等放射性元素 、稀土、铜等有色金属、金等贵金属 的分离和提取；
解: 设萃取塔中传质速率为N。 则 N = E(y0 － y1) = 5.67×10-6 (0.0115 － 0.00397)=4.269×10-8 kmol/s 塔顶和塔底的萃取相平衡浓度为： y0*=0.0247×0.688=0.01699 kmol/m3 y1*=0.0247×0.683=0.01687 kmol/m3 塔顶、塔底的传质推动力为： y0*-y0=0.01699-0.0115=0.00549 kmol/m3 y1*-y1=0.01687-0.00397=0.01290 kmol/m3
磷和硼等无机资源的提取和净化； 医药工业中多种抗生素和生物碱的分离
提取； 食品工业中有机酸的分离和净化； 环保处理中有害物质的脱除等。
一些工业萃取过程ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
工业萃取过程举例
--醋酸萃取
醋酸是一种常用的化学品。在醋酸的生 产和使用过程中，经常需要进行醋酸 - 水的 分离。通常，可以用普通精馏的方法进行醋 酸（b.p.=118.1℃）和水（b.p.=100.0℃） 的分离。当溶液中醋酸含量较低时，由于水 的汽化潜热很大，精馏的能耗很高，此时采 用萃取的方法从经济上更为有利。
5.2 萃取过程的计算
5.2.1逆流萃取计算的集团法
定义 ΦE为进料中组分 i 被 萃取的分数
逆流萃取塔
各式可用质量单位或摩尔单位。由于在 绝热萃取塔中温度变化一般都不大，因此一 般不需要焓平衡方程，只有当原料与溶剂有 较大温差或混和热很大时才需考虑。
5.2.2 微分逆流萃取的计算
一﹑活塞流模型 活塞流模型是一个完全理想化的微分逆流 萃取模型。它假定塔内同一截面上任一点每 一相的流速相等，两相在塔内作活塞流动； 两相的传质只发生在水平方向上，在垂直方 向上，每一相内没有物质传递。
和点 M 与差点 E 、 R 之间的关系可用杠杆规 则描述，即 ：
(1) 几何关系：和点 M 与差点 E 、 R 共线。 即：和点在两差点的连线上；一个差点 在另一差点与和点连线的延长线上。
(2) 数量关系：和点与差点的量之间的关 系符合杠杆原理，即，
根据杠杆规则，若已知两个差点，则可确定 和点；若已知和点和一个差点，则可确定另 一个差点。
精馏法分离醋酸工艺流程
á× Ç é· ÖÁ ó· Ö ×Ë ´ á² úÆ · Ë ®
×Ò » ¼ ìË á Í Ñ Ç á × é · Ö Ë þ õ» Ñ ¯Ò º ô· Õ ¢Æ ÷ ¥¸ È ß· ÐÎ ï» ØÊ Õ Ö´ ´ ×Ë á Í Ñ Ö Ø × é · Ö Ë þ
Í Ñ Ë ® Ë þ
对数平均浓度差为：
因此得：
则
此塔萃取相的总传质单元数为 0.869，其萃取相的体积传 质系数Koa等于7.816×10-4 1/s。
5.2.2 微分逆流萃取的计算
二﹑轴向扩散模型 轴向扩散模型做了如下假设： ①每相的返混可用一恒定的轴向扩散系数 E 来描述； ②各相的表观速度在横截面上处处相同，在 轴向上是恒定的； ③仅仅是溶质在两相间传质，各相体积总传 质系数为一常数； ④溶质的分配系数为一常数；
例题：
在实验室对某稀溶液物系进行萃取实验，活 塞流工况下测得（ HTU ） ox=0.9144m 。现放 大设计一个工业塔，已知 : （ NTU ） ox=4 、 Pex=19、Pey=50、E=0.5。求塔高是多少？ 解：对于活塞流 , 塔高 H 活塞流 = （ HTU ） ox （NTU）ox ，将已知数据代入式（4-39）：
本图显示了一个醋酸 萃取的实例。在该实 例中，欲分离的料液 为含醋酸22wt%的水溶 液，流量 13,726kg/h （ 30,260lb/h ） ； 使 用 乙 酸 乙 酯 （ b.p.=77.1℃) 为 溶 剂 （萃取剂），流量 32,250kg/h （ 71,100lb/h ） ， 溶 剂 中已饱和了水。