化工原理第12章 萃取-精品文档资料整理.ppt

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1、化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 9112.1 萃取的基本概念萃取的基本概念一、液液萃取简介一、液液萃取简介 1. 萃取原理萃取原理 利用利用液体混合液液体混合液中中各组分在萃取剂中的溶解度差异各组分在萃取剂中的溶解度差异实现分离的一种单元操作。实现分离的一种单元操作。 溶质溶质 A ：混合液中欲分离的组分混合液中欲分离的组分 混合液中的溶剂混合液中的溶剂 稀释剂（原溶剂）稀释剂（原溶剂）B： 化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 92萃取剂萃取剂S： 所选用的溶剂所选用的溶剂 2. 基本过程描述基本过程描述原料液原料液 萃取剂萃取剂 S S A+B 萃取液萃取液 E 萃取相萃取相

2、 E A(大量大量),B(少量少量) S+A+B S 萃余相萃余相 R B+A+S 萃余液萃余液 R B(大量大量),A(少量少量)12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 933. 分离对象分离对象液液混合物液液混合物1）相对挥发度等于或者接近）相对挥发度等于或者接近1 (烷烃烷烃/芳烃芳烃)；2）重组分含量少，轻组分含量多；）重组分含量少，轻组分含量多；3）混合液含热敏性物质（药物）混合液含热敏性物质（药物）12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 94 二、二、 三角形相图三角形相图 组分的浓度以摩尔分率，质量分

3、率表示均可。组分的浓度以摩尔分率，质量分率表示均可。常用常用 xA、xB、xS分别表示分别表示 A、B、S 的质量分率。的质量分率。 1. 三元组成的表示法三元组成的表示法等腰直角三角形等腰直角三角形等边三角形等边三角形不等腰直角三角形不等腰直角三角形12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 95ABS0.80.60.40.20.20.40.60.8ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8三个三个顶点顶点分别表示分别表示A、B、S三个三个纯组分纯组分。每条每条边边代表某代表某二元混合物二元混合物的组成，不含第三组分。的

4、组成，不含第三组分。E 点：点： xA =0.4， xB =0.6 三角形内任一点三角形内任一点代表某代表某三元混合物三元混合物的组成。的组成。EEMMFGS%A%B%S%A%B%100% SBA12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念FGH化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 96 A B S 和点差点差点杠杆R E REF M 2. 三角形相图中的杠杆定律三角形相图中的杠杆定律萃取物料衡算的依据萃取物料衡算的依据三点共线三点共线 M点：和点点：和点 F、S：差点：差点线段成比例线段成比例 FMSSFMEMRRME12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0

5、0 97 A F M B S 和 点差 点差 点杠杆Note: 杠杆原理的杠杆原理的实质即物料衡算实质即物料衡算物料衡算：物料衡算：MFMxSFxMSF 0 MFxSFFx 0MFMxFSxx三角形相图的应用：三角形相图的应用：1. 查取浓度；查取浓度；2. 表示表示混合、分离混合、分离等过程；等过程；3. 定量计算定量计算-杠杆原理。杠杆原理。12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念MSFMG化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 98 A B S B、S 部分互溶时P临界混溶点（褶点）两相区均相区A R(B层层) E(S 层层)B多多S少少S多多B少少+A+A1. 溶解度曲线溶解度曲线溶溶

6、解解度度曲曲线线 三、三、 三角形相图中的相平衡关系三角形相图中的相平衡关系MRE辅助线思考：思考：若若B B与与S S互溶度变大，互溶度变大，则两相区范围如何变化？则两相区范围如何变化？共轭线（联结线）共轭相：共轭相： 互成平衡的两相互成平衡的两相萃取剂的加入量应使萃取剂的加入量应使总总组成点落在两相区内组成点落在两相区内利用辅助曲线可求任一利用辅助曲线可求任一已知平衡液相的共轭相已知平衡液相的共轭相12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 99 2. 分配系数和分配曲线分配系数和分配曲线1）分配系数）分配系数 相中的组成在组分相中的组成在组分RAEAk

7、AAAxyBBBxyk 分配系数表达了某一组分在两个平衡液相中的分配关系。分配系数表达了某一组分在两个平衡液相中的分配关系。 kA值与联结线的斜率有关。值与联结线的斜率有关。 12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 910联结线的斜率联结线的斜率0 kA1，yAxA 联结线的斜率联结线的斜率=0 kA =1，yA=xA 联结线的斜率联结线的斜率0 kA1， yAxA kA值愈大，萃取分离的效果愈好。值愈大，萃取分离的效果愈好。 12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 911 2）分配曲线）分配曲线)(AAxfy12

8、.1 萃取的基本概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 9124. 温度对相平衡关系的影响温度对相平衡关系的影响 物系的温度升高，组分间的互溶度加大物系的温度升高，组分间的互溶度加大 温度升高，分层区面积缩小温度升高，分层区面积缩小 T1T2T312.1 萃取的基本概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 913四、三角形相图在单级萃取中的应用四、三角形相图在单级萃取中的应用FMMSMFFSREMEMRREERER FRE FmaxE对应对应最大最大萃取萃取液浓液浓度度12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念ERF化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 9

9、14五、萃取剂的选择五、萃取剂的选择 1. 萃取剂的选择性和选择性系数萃取剂的选择性和选择性系数 1）萃取剂的选择性）萃取剂的选择性 在萃余相中的质量分率在萃余相中的质量分率在萃取相中的质量分率在萃取相中的质量分率BABABABAxxyy BBAAxyxyBAkk12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 915=1 ，ABAByyxxA、B两组分不能用萃取分离；两组分不能用萃取分离； 1，组分组分A在萃取相中浓集，在萃取相中浓集，越大，组分越大，组分A与与B萃取分离的效果越好。萃取分离的效果越好。 2）选择性系数和分配系数的关系）选择性系数和分配系数的关系

10、 kA愈大，愈大，kB愈小，选择性系数愈大愈小，选择性系数愈大 选择性系数表示萃取剂对组分选择性系数表示萃取剂对组分A，B溶解能力差别的大小溶解能力差别的大小2. 萃取剂萃取剂S与稀释剂与稀释剂B的互溶度的互溶度 组分组分B与与S的互溶度影响的互溶度影响溶解度曲线的形状和分层面积。溶解度曲线的形状和分层面积。 12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 916maxEmaxE B、S互溶度互溶度小，小，分层区面积分层区面积大，大，可能得到的萃取液的最可能得到的萃取液的最高浓度高浓度ymax较高。较高。 B、S互溶度愈小，愈有利于萃取分离。互溶度愈小，愈有利于

11、萃取分离。 12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 9173. 萃取剂回收的难易萃取剂回收的难易 被分离体系相对挥发度被分离体系相对挥发度大，用蒸馏方法分离；大，用蒸馏方法分离；如果如果接近接近1，可用反萃取，结晶分离等方法。，可用反萃取，结晶分离等方法。4. 萃取剂的其它性质萃取剂的其它性质 1）萃取剂的密度）萃取剂的密度萃取剂与被分离混合物应有较大的密度差萃取剂与被分离混合物应有较大的密度差2）界面张力）界面张力首要考虑的还是满足分层的要求。首要考虑的还是满足分层的要求。一般不选界面张力过小的萃取剂。一般不选界面张力过小的萃取剂。12.1 萃取的基本

12、概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 9183）粘度）粘度 粘度小对萃取剂有利粘度小对萃取剂有利 5. 一般工业要求一般工业要求 化学稳定性好、不易聚合、分解、腐蚀性小、无毒、化学稳定性好、不易聚合、分解、腐蚀性小、无毒、来源容易，价格便宜等来源容易，价格便宜等 12.1 萃取的基本概念萃取的基本概念化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 919一、单级萃取的流程与计算一、单级萃取的流程与计算 1. 单级萃取的流程单级萃取的流程 原料液FFx萃取剂Ssy萃余相RRx萃取相EEy2. 单级萃取的计算单级萃取的计算1）萃取剂与稀释剂部分互溶的体系）萃取剂与稀释剂部分互溶的体

13、系 12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算 理论理论萃取萃取级级离开的两相离开的两相Ri、Ei呈相平呈相平衡关系衡关系化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 920FREMMFSFMSRMEEMRFSREMERFEFRREFRE DDSFDFSminGGSGFFSmax最小萃取最小萃取剂用量剂用量最大萃取最大萃取剂用量剂用量 确定点确定点F、S（或（或S0）、点）、点R，点，点E，作联结线，找到点，作联结线，找到点M，利用杠杆原理求各量。利用杠杆原理求各量。12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 9212）萃取剂与稀释剂不互溶的

14、体系）萃取剂与稀释剂不互溶的体系 萃取相中溶质萃取相中溶质A的浓度的浓度 ( )( )kg AYkg S萃余相中溶质萃余相中溶质A 的浓度的浓度 )()(BkgAkgX REFBXSYSYBX0)()(0FREXXBYYS0)(YXXSBYRFE)( 0FRXXSBY（质量比）（质量比）（质量比）（质量比）类似于吸收中类似于吸收中 ()BbaabSGXXYYL由由物料衡算物料衡算12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 922当萃取剂为纯溶剂时，当萃取剂为纯溶剂时，)(FREXXSBY单级萃取的操作线方程单级萃取的操作线方程 XYXFSBE1X

15、RYEY0=0 过点（过点（XF，0），），斜率为斜率为BS相相平平衡衡关关系系： REXfY 12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 923 A B S 例例1 单级萃取单级萃取 采用纯溶剂进行单级萃取。已知料液组成采用纯溶剂进行单级萃取。已知料液组成xF=0.3 (质量质量分率，下同分率，下同)，选择性系数为，选择性系数为6，在萃余相中，在萃余相中 ，kA 1，求：，求： （1）萃取液与萃余液的量；）萃取液与萃余液的量； （2）选择性系数）选择性系数 ；12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0

16、 0 927二、多级错流接触萃取的流程与计算二、多级错流接触萃取的流程与计算 1. 多级错流接触萃取的流程多级错流接触萃取的流程 12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 928M10011F SS MFMR1E1M2R2E2M3E3R3特点：特点： 每一级均用新鲜萃取剂，故传质推动力较大；每一级均用新鲜萃取剂，故传质推动力较大； 萃取剂用量大，操作费用高。萃取剂用量大，操作费用高。可以证明，若相平衡关系为可以证明，若相平衡关系为线性，线性，B与与S不互溶，不互溶，则当则当S1=S2=S3=SN时，萃取剂用时，萃取剂用量最少。量最少。2. 多级

17、错流萃取的计算多级错流萃取的计算 1）S和和B部分互溶的体系部分互溶的体系 RNxx 如此反复，直至如此反复，直至共轭线的个数即理论级数。共轭线的个数即理论级数。12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 9292）萃取剂和稀释剂不互溶的体系）萃取剂和稀释剂不互溶的体系 对第一级对第一级 ：)(1101FXXSBYY第第2到到N级级 ：.)(12202XXSBYY)(1NNNonXXSBYY错流萃取每一级的操作线方程错流萃取每一级的操作线方程 a）直角坐标图解法）直角坐标图解法12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2

18、0 0 92 0 0 930OEY0XFV-B/S1E1X1Y1U-B/S2E2X2Y2-B/S312.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 931b）解析法）解析法KXY 分配曲线：分配曲线：设：设：BKSAm萃取因子萃取因子)ln()1ln(1KYXKYXAnSnsFm（对应吸收中的脱吸因子）（对应吸收中的脱吸因子）交替应用交替应用 和和1()noNNNYYB SXX KXY （类似吸收中（类似吸收中克列姆塞尔方程克列姆塞尔方程的推导）的推导）物料衡算关系物料衡算关系相平衡关系相平衡关系操作线方程操作线方程分配曲线方程分配曲线方程12.2 萃

19、取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 932三、多级逆流萃取的流程与计算三、多级逆流萃取的流程与计算 1. 多级逆流萃取的流程多级逆流萃取的流程 特点：特点：传质推动力较为均匀传质推动力较为均匀，分离效率高，分离效率高， 溶剂用量少，工业中广泛应用。溶剂用量少，工业中广泛应用。12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 9332. 多级逆流萃取的计算多级逆流萃取的计算1）萃取剂与稀释剂部分互溶的体系）萃取剂与稀释剂部分互溶的体系 NREMSF1对第一级作总物料衡算对第一级作总物料衡算 211112EREF

20、EREF或对第二级作总物料衡算对第二级作总物料衡算 32212231ERERREER或依此类推，对第依此类推，对第n级作总物料衡算级作总物料衡算 SRERERSRNNNNNN11或12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 934FRNME1R1E2R2E3NNiiEREREREREF1132211SRN操作点操作点 如此反复，直至（指定）如此反复，直至（指定）为止，为止，共轭线的个数即共轭线的个数即为理论级数为理论级数操作线操作线12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 935Note: 点点的

21、位置与的位置与联接线斜率、原料液的流量和组成、联接线斜率、原料液的流量和组成、 萃取剂用量和组成、最终萃余相组成萃取剂用量和组成、最终萃余相组成等有关。等有关。其它条件一定时，点其它条件一定时，点的位置由溶剂比决定：的位置由溶剂比决定：S/F较小时，点较小时，点在左侧，在左侧，S用量越小，用量越小， 越靠近越靠近S；S/F较大时，点较大时，点在右侧，在右侧，S用量越大，用量越大， 越靠近越靠近S；2）萃取剂与稀释剂不互溶的体系）萃取剂与稀释剂不互溶的体系a）直角坐标图解法）直角坐标图解法对第对第 i 级级N 级作物料衡算：级作物料衡算： SiNiYYSXXB 1 SNiiYXXSBY 112.

22、2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 936XYOEXFY1P1XNSE1P212.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 937b）解析法）解析法1)11ln(ln1mSnSFmmAKYXKYXAAn3）多级逆流萃取的最小溶剂用量）多级逆流萃取的最小溶剂用量 XYOEXNXFk1k2kminminminSkBFNFSXXYY12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 938 B，XF X1 X2 B，XN 1 2 N S，Y1 Y2 Y3 S，YS例例

23、 在在多级逆流多级逆流接触式萃取器中，每小时用接触式萃取器中，每小时用40kg纯溶剂纯溶剂S对某对某A、B两组分混合液进行萃取分离。在操作条件下，两组分混合液进行萃取分离。在操作条件下，B与与S完全不互溶，以质量比表示的分配系数为完全不互溶，以质量比表示的分配系数为1.5。已知。已知稀释剂稀释剂B的流量为的流量为30kg/h，原料液中，原料液中A的质量比组成的质量比组成XF=0.3kgA/kgB，要求最终萃余相质量比，要求最终萃余相质量比XN=0.05 kgA/kgB。试求：完成分离任务所需的理论级数。试求：完成分离任务所需的理论级数。12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理

24、化工原理2 0 0 92 0 0 939解解 一一 ：逐逐级级计计算算BXF + SYS = SY1 + BXNY1 =4030(0.3-0.05)+0 = 0.1875X1=Y1/kA=0.125Y2=SB(X1-XN)+YS=0.05625X2=0.0375 XN =0.05 共需共需 2 个理论级个理论级解解二二：1.540230mKSAB 共需共需 2 个理论级个理论级1.8111ln(1)lnSFSmmmnYXKnYAAAXK12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 940补充作业补充作业 拟设计一多级逆流接触萃取塔。在操作范围内所用

25、的纯拟设计一多级逆流接触萃取塔。在操作范围内所用的纯溶剂溶剂S与料液中稀释剂与料液中稀释剂B完全不互溶；以质量比表示的分配完全不互溶；以质量比表示的分配系数为系数为2。已知入塔顶。已知入塔顶F=100kg/h，其中含溶质，其中含溶质A为为0.2（质量分率），要求出塔底的萃余相中（质量分率），要求出塔底的萃余相中A的浓度降为的浓度降为0.02（质量分率）。试求：（质量分率）。试求： （1）最小的萃取剂用量）最小的萃取剂用量Smin； （2）若实际采用的萃取剂量为）若实际采用的萃取剂量为60kg/h，则离开第二，则离开第二理论级的萃取相和萃余相的组成。理论级的萃取相和萃余相的组成。Note：在总溶

26、剂用量相同的条件下，优先采用逆流萃：在总溶剂用量相同的条件下，优先采用逆流萃取。当萃取操作中取。当萃取操作中可能有晶体析出时需采用错流流程。可能有晶体析出时需采用错流流程。12.2 萃取过程的流程和计算萃取过程的流程和计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 941 有有外外加加能能量量的的萃萃取取设设备备无无外外加加能能量量的的萃萃取取设设备备液液液液传传质质设设备备液液传质的特点：液液传质的特点： (1)液液两相液液两相密度差异小密度差异小； (2)液体液体表面张力较大表面张力较大，液滴易于合并而难于破，液滴易于合并而难于破裂；常裂；常需外界提供能量需外界提供能量以分散液滴，如加搅拌、

27、以分散液滴，如加搅拌、振动脉冲等。振动脉冲等。 (3)易于产生易于产生返混返混现象，而使现象，而使传质推动力下降传质推动力下降。12.3 萃取设备萃取设备如填料塔、筛板塔如填料塔、筛板塔如转盘塔、脉冲塔如转盘塔、脉冲塔输入能量的常用方式：输入能量的常用方式： 转动式、脉冲式转动式、脉冲式化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 942接触方式接触方式逐级接触式逐级接触式连续接触式连续接触式如筛板塔如筛板塔如填料塔如填料塔1. 萃取设备的选用依据萃取设备的选用依据 P163例：对于密度差很小且要求接触时间短的体系宜选例：对于密度差很小且要求接触时间短的体系宜选用的萃取设备为用的萃取设备为 ，对于有固体存在的体系宜，对于有固体存在的体系宜选用选用 。2. 萃取设备中，分散相的形成可借助那些作用实现？萃取设备中，分散相的形成可借助那些作用实现？3. 转盘塔和脉冲塔的重要操作参数？转盘塔和脉冲塔的重要操作参数？