萃取原理

第八章萃取

§1 概述

8-1 萃取概念及应用

我们以手工洗衣服为例,打完肥皂、揉搓后,如何将肥皂沫去除呢？用清水多次漂洗,这就是人们熟知的过程。多次漂洗的过程即为化工中的液-固萃取过程。如图8-1所示,漂洗次数越多,衣服与肥皂沫分离越完全,衣服越干净。

图8-1的衣物漂洗过程为错流萃取过程。清水称作萃取剂,含沫水为萃取相,衣物与沫为萃余相。皂沫为溶质A。经验还告诉我们,每盆水揉搓的时间越长(即萃取越接近平衡),拧得越干(即萃取与萃余相相分离越彻底),所用漂洗次数越少(即错流级数越少)。

图8-1 错流萃取示意图

萃取——利用混合物各组分对某溶剂具有不同的溶解度,从而使混合物各组分得到分离与提纯的操作过程。

例如用醋酸乙酯萃取醋酸水溶液中的醋酸。如图8-2所示。

图8-2萃取示意图

萃取用于沸点非常接近、用一般蒸馏方法分离的液体混合物。主要用化工厂的废水处理。如染料厂、焦化厂废水中苯酚的回收。萃取也用于法冶金中,如从锌冶炼烟尘的酸浸出液中萃取铊、锗等。制药工业中,许多复杂有机液体混合物的分离都用到萃取。为使萃取操作得以进行,一方面溶剂S对稀释剂B、溶质A要具有不同的溶解度,另一方面S与B必须具有密度差,便于萃取相与萃余相的分离。当然,溶剂S具有化学性质稳定,回收容易等特点,则将为萃取操作带来更多的经济效益。

萃取过程计算,习惯上多求取达到指定分离要求所需的理论级数。若采用板式萃取塔,则用理论级数除以级效率,可得实际所需的萃取级数。若采用填料萃取塔,则用理论级数乘以等级高度,可得实际所需的萃取填料层高度。等级高度就是指相当于一个理论级分离效果所需的填料层高度,等级高度的数据十分缺乏,多需由实验测得。

萃取理论级数的计算,仍然离不开相平衡关系的物质平衡关系。

§2 萃取溶解度曲线 8-2 三角形相图表示法

以A 、B 、S 作为三个顶点组成一个三角形。三角形的三个顶点表示纯物质,一般上顶点表示溶质A,左下顶点表示稀释剂B,右下顶点表示溶剂S 。三角形的三条边表示二元混合物的组成,例如AB 连线表示溶质A 与稀释剂B 的二元组成。三角形内的平面表示三元混合物的组成。如图8-3所示。

图8-3 三角相图溶解度曲线

三角形相图作图复杂,用于萃取计算时,易引入较大误差;若为组成就是大于3的几元物系,三角相图亦无能为力;加之有关化工单元操作的书藉均有三角相图的详细论述,所以,本教程讨论从略。

8-3 直角坐标表示法

若稀释剂B 与溶剂S 不互溶或互溶性很小时,可以认为萃取相中只有组分A 与S,萃余相中只有组分A 与B 。萃取相中溶A 的含量可用质量比组成Y 表示,Y 的单位为][1

S kg kgA -⋅。萃余相中溶质A 的含量用X 表示,X 的单位为][1

B kg kgA -⋅。当物系达于平衡时,得到一组对应的X 与Y 。将若干组X 、Y 值,描绘在X —Y 座标图上,可得一曲线,此即液—液萃取溶解度曲线,或称分配曲线。用数学式表示为

)(X f Y =

有时亦有用质量分率y 、x 来表达溶解度曲线的,此时y 表示溶质A 在萃取相中的质量分率,x 表示溶质A 在萃余相中的质量分率。在x —y 座标图上描绘的曲线,亦称为分配曲线。用数学式表达为

)(x f y '=

大多数物系在低浓度情况下,x 与y 成线性关系,即

n A n x k y = (Ⅰ)

式中A k 称为分配系数,式(Ⅰ)称为能斯特分配定律。

同理,在低浓度情况下,对于大多数物系,Y 与X 亦近似成线性关系,即

n n mX Y = …………(Ⅰa )

如果某物系服从能斯特分配定律,即服从式(Ⅰ)与式(Ⅰa )的关系,则将使我们的萃取过程计算大为简化。

8-4溶解度曲线举例

【例8-1】 以三氯乙烷为溶剂,由丙酮一水溶液中萃取丙酮。其溶解度平衡数据如表8-1所示。试将其换算为质量比组成,标绘在直角坐标图上,并求出近似的分配系数m 值。

表8-1 丙酮—水—三氯乙烷系统平衡数据(质量百分率)

解:以第一组数据计算为例,

0962.093

.9075

.8,0637.052

.9396

.5==

==

Y X 现将计算结果列在表8-2中,再将表8-2数据标绘在图8-4中,得Y =1、62X ,即m =16、2。

表8-2 【例8-1】附表

图8-4 丙酮—水—三氯乙烷相平衡曲线

§3 错流萃取操作 8-5 错流萃取公式推导

错流萃取流程如图8-5所示。组成为f X 的原料液与组成为s Y 的萃取剂接触萃取,出第一级组成为X 1的萃余相,又与新鲜萃取剂接触萃取,依此类推,……直到出第N 级的萃余相组成X N ,达到指定的分离要求为止。

图8-5 多级错流萃取流程示意图

假设稀释剂B 与萃取剂S 的互溶性可以忽略,对图8-5的虚线范围作溶质A 的物料衡算得

)()(1s n n n n Y Y S X X B -=-- (Ⅱ)

∴ )(1---

=-n n n

s n X X S B

Y Y …………(Ⅱa ) 式中,1-n X ,n X ——进、出第n 级的萃余相质量比组成,B kg kgA 1

-⋅; s Y ,n Y ——进、出第n 级的萃余相质量比组成,S kg kgA 1

-⋅;

B ——稀释剂质量流率,1

-⋅r h kgB ; n S ——第n 级的萃取剂质量流率,1

-⋅r h kgS

式中(Ⅱ)、(Ⅱa )均为错流萃取的物料衡算方程,或称错流萃取操作线方程。

式(Ⅱa )表示,离开任一级的萃取相组成n Y 与萃余相组成n X 之间的关系。在直角坐标图上,它为一直线方程。此直线通过点(1-n X ,s Y ),其斜率为n S B /-。且与分配曲线之交点为点(n X ,n Y )。

当n=1时,则式(Ⅱa )为)(11

1f s X X S B

Y Y --=-,此方程通过(f X ,s Y ),且斜率为1/S B -, 此线与相平衡曲线交点为(1X ,1Y )。

当n=2时,则式(Ⅱa )为)(122

2X X S B

Y Y s --=-,此方程通过(1X ,s Y ),且斜率为2/S B -, 此线与相平衡曲线交点为(2X ,2Y )。

依此类推,当时,n X ＜N X 时,停止作图,每利用一次操作线与一次平衡线,即为一个理论级数。上述即为图解法求错流萃取理论级方法的简要介绍。如图8-6所示。

图8-6 多级错流萃取图解法

若为等溶剂错流萃取,就就是说每次所用萃取剂用量都相等,即

S S S S n ==== 21 ………… (a )

代入式(Ⅱ)得,

)()(1s n n n Y Y S X X B -=-- …………(b )

若分配曲线为一直线,其方程为