1、第八章萃取第八章萃取应用化学专业-化学工程基础王华军华中科技大学化学与化工学院2011.6提纲 8.1。液液萃取过程概述 8.2。三元体系液液相平衡 8.3。萃取过程的计算教学重点：(1)三元体系液夜平衡相图，分配曲线(2) 萃取过程计算，单级，多级错流，多级逆流8.1 液液萃取过程8.1.1 萃取过程的原理 (1) 液液萃取是分离液体混合物的一种方法。 (2)在欲分离的液体混合物中加入一种与其不 溶或部分互溶的液体溶剂，经过充分混合， 利用混合液中各组分在溶剂中溶解度的差异 而实现分离的一种单元操作。 溶质 A ：混合液中欲分离的组分 稀释剂（原溶剂） B：混合液中的溶剂 萃取剂 S：所选用
2、的溶剂8.1.1 萃取过程的原理加料混合分相排除纯化和回收搅拌混合液A+B萃取剂(溶剂S)萃余相R (B+A+S)萃取相E (S+A+B)(3) 基本过程 (1) 萃取过程中相互接触的两相均为液相，在萃取设备中两相应先进行紧密接触，以加强并完成传质过程，然后依靠两相之间的密度差或外界输入能量 (精馏 )进行两相的分离。 (2) 萃取过程中两液相间的密度差、界面张力以及两液相的黏度等物理性质是十分重要的因素。 气液传质：填料表面，液相对表面润湿性能越好，分离效 果越好； 液液传质：分散相液滴群与连续相之间进行，要求填料能 很好的分散液滴群，且其表面不被分散相所润 湿，防止液滴群的聚集。 (3)
3、液液萃取过程中，通常两相密度差小、黏度和界面张力 大，因此，轴向混合对过程的不利影响比在精馏和吸收过程中更为严重。8.1.2 液液萃取过程的特点 常用萃取剂：中性含磷萃取剂，中性含氧萃取剂，中性含硫萃取剂，酸性有机磷类萃取剂，胺类萃取剂，螯合萃取剂，有机羧酸及有机磺酸萃取剂等。 (1) 选择性要高； (2) 具有较多的功能团和适宜的分子量，单位体积或单位质量 的萃取剂所能萃取物质的饱和容量大，试剂单耗和成本较 低； (3) 化学稳定性好； (4) 易与原料液相分层，不产生第三相和不发生乳化现象； (5) 萃取剂与被萃取物结合能力适中； (6) 经济，安全。8.1.3 萃取剂的选择 (1) 由萃
4、取原理可知，萃取过程不能直接完成分离任务，而是将难分离的原料转变为两个易分离的混合物。因此，后续两个混合物的分离是否较原溶液的直接分离更容易，就决定了萃取过程在经济上的优劣。 (2) 萃取操作适宜物系： 混合液相对挥发度小或形成恒沸物，一般精馏不能分离或 很不经济； (重油重整中芳烃和烷烃的分离，先萃取再精馏 ) 混合液中溶质浓度很稀，且为难挥发组分，采用精馏方法 须将大量稀释剂汽化，能耗过大； (稀苯酚水溶液回收苯酚 ) 物系含热敏性物质； (生化药品，食品，香料的分离 ) 多种金属物质的分离。 (湿法冶金，贫矿开采 )8.1.4 萃取过程的技术经济分析(3)、液液萃取在工业上的应用a、液液
5、萃取在石油化工中的应用1）分离轻油裂解和铂重整产生的芳烃和非芳烃混合物2）用酯类溶剂萃取乙酸，用丙烷萃取润滑油中的石蜡3）以HF-BF3作萃取剂，从C8馏分中分离二甲苯及其同分异构体b、在生物化工和精细化工中的应用1）以醋酸丁酯为溶剂萃取含青霉素的发酵液2）香料工业中用正丙醇从亚硫酸纸浆废水中提取香兰素3）食品工业中TBP从发酵液中萃取柠檬酸c、湿法冶金中的应用用溶剂LIX63-65等螯合萃取剂从铜的浸取液中提取铜 小知识： 湿法冶金就是金属矿物原料在酸性介质或碱性介质的水溶液进行化学处理或有机溶剂萃取、分离杂质、提取金属及其化合物的过程。 湿法冶金作为一项独立的技术是在第二次世界大战 时期迅
6、速发展起来的，在提取铀 等一些矿物质的时候不能采用传统的火法冶金，而只能用化学 溶剂把他们分离出来，这种提炼金属 的方法就是湿法冶金。 陈家镛 是我国最早从事湿法冶金的人，他用近半个世纪的时间奠定了我国湿法冶金事业的今天。 陈家镛 中科院院士、化学工程学家 四川成都人。 1943年毕业于中央大学化工系。 1951年获美国伊利诺大学 (尔班纳香槟校园 )化工系博士学位。后在美国麻省理工学院及伊利诺大学进行博士后研究，并在杜邦公司的研究所任研究工程师。曾对气溶胶过滤及聚酯连续聚合反应工程等方面做出重要贡献。 1956年回国、任中国科学院化工冶金研究所 (现名过程工程研究所 )研究员。与同事们一起，
7、曾在用湿法冶金 方法处理我国难选金属矿，制备新型复合涂层粉末，多 相反应工程以及金属、抗生素及酶的分离原理、技术及方法等方面，长期进行具有创新性的科研及发展工作。 如研究出高效萃取分离钒与铬、钨与钼等的新过程。 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。 zA+zB+zS=1.08.2 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ABSCFMGDKzSzBzA 溶解度曲线 RPE 曲线以外：均相区 曲线以内及上：两相区 将两
8、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)的差点。8.2.2 溶解度曲线和平衡联结线ABSM2PRR1R2R3E1E2E3E 一般情况下，溶解度曲线和联结线由实验测得。而通过辅助线，可方便的由已知相求出与之平衡的另一相。 如图，通过 Ri,Ei分别作 AS边和AB边的平行线，交于 L,M,N点，得辅助线PLMN 。 辅助线与溶解度曲线交于 P点，表明通过该点的联结线无限短。 P点为临界混溶点。此处，三元混合物已不能用萃取方法分开。8.2.2 溶解度曲线和平衡联结线ABSM
9、2PRR1R2R3E1E2E3ELMNR4E4 R相：R kg， xA,xB,xS(wt%) 萃余相 E相： E kg， yA,yB,yS萃取相 二者混合，总质量为 M kg, 组成： zA,zB,zS 物料衡算： M=E+R MzA=RxA+EyA Mzs=RxS+EyS 有： 通过上式，可确定M 点的组成。8.2.3 物料衡算和杠杆定律SSSSAAAAzyxzzyxzRE= 通过杠杆定律，可将物料衡算用图解的方式表达。 在以点 R代表的液体中，加入以点 E代表的液体，则： 有点R,M,E必在同一直线上，且 E相与R相的量与线段 MR和 ME成比例，即 和点M 的位置：8.2.3 物料衡算和
10、杠杆定律EMRMRE=EREMMR=ABSMREF 通过杠杆定律，若将纯溶剂S加到A,B 组成的混合液中，则混合点 M与 F及 S在同一条直线上，有：8.2.3 物料衡算和杠杆定律SMFMFS=ABSMREF 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ASBPRR1R2E1E2EOHIPxy 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： 分配系数反映了 A在两个平衡相中的分配情况。 kA值越
11、大，表示溶质组分越容易进入萃取相，分离效果越好。 kA值不是常数，影响因素较多，主要随温度和组成而变化。8.2.4 分配曲线和分配系数AAAxyk =8.3 萃取过程的计算8.3.1 单级萃取的流程与计算原料液 FFAx萃取剂 S sAy萃余相 RAx萃取相 EAyABSMREFRExFA已知： F,xFA,xA求： S,E,R,yA方法 :先作出联结线和溶解度曲线，辅助线。xFA,xAF,RM,E R,E脱除溶剂得到 R,E。根据杠杆定律可求萃取剂用量。同理：式中， E为萃取液量， kg或 kg/h。MSMFFS =RERMME =RERFFE =(F是E 和R 的和点。 )(M是F 和 S
12、的和点。 )(M是R和 E的和点。 )F+S=E+R=M解析法： 物料衡算总物料衡算：组分A物料衡算：AAASAFAMzRxEySyFx =+=+有：AAAAxyxzME=)(AAAFAxyxxFE)(= EFR =例 8-1 P1938.3.2 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1 2ND1D2F,xFAR1,x1AE1,y1AE2,y2AEN,yNAS1S2SNSRR2,x2ARN-1,xN-1,ARN,xNAR,xAE,yASE多级萃取过程，已知 F,xFA,Si,规定最终萃余组成 xnA，计算理论级数 N. 针对处理物系的性质不同，求法有异。8.3.2.1 B,
13、S部分互溶物系ABSF,xFAR1R2R3E1E2E3M1M2M3xnA假设原料液为A,B二元溶液，各级均用纯溶剂进行萃取。xFAFF,S1M1试差确定R1E1R1,S2M2试差确定R2E2如此重复，直到 xNAxnA所作平衡联结线即为理论板数。例 8-2 P194 (1) 图解法 (X-Y直角系 ) 萃取相：A,S 萃余相：B,A Y：萃取相中A与 S的质量比； X：萃余相中A与 B的质量比； 对任意 m级作物料衡算： 有：mmmSmmYSBXYSBX8.3.2.1 B,S完全不互溶物系+=+1+= SmmmmmYXSBXSBY1mRm-1,xm-1,AEm,ymASmRm,xmA 上式是多
14、级错流萃取的操作线方程，表示了离开任一级的萃取相组成 Ym与萃余相组成Xm之间的关系。 操作线是一组直线，斜率 -B/Sm,过点 (Xm-1,Ys)。又由理论级的假设，离开任一级的 Ym和 Xm处于平衡状态，故点 (Xm,Ym)同时符合平衡关系，位于分配线上，即操作线与分配曲线的交点。 于是，可在 X-Y直角坐标系中图解理论级数，如下图： 在直角坐标系中画出分配曲线； 确定 a1点 (XF,YS),过 a1点以 -B/S1为斜率作操作线，与分配线交于b1,此点坐标即为离开第一级的 E1和 R1的平衡组成 Y1和 X1. 过 b1点作 X轴的垂线与 Y=YS线交于 a2点 (X1,YS)，过 a
15、2点以-B/S2为斜率作操作线，与分配曲线交于点b2,此点即为离开第二级的E2和R2的平衡组成Y2和X2. 依次类推，在操作线与分配线之间作图，直到萃余相组成等于或小于指定的Xn为止。操作线数目即为理论级数。8.3.2.1 B,S完全不互溶物系8.3.2.1 B,S完全不互溶物系XFXnX4X3X2X10XY1Y2Y3Y4YSb1b5b4b3b2a1a5a4a3a2分配曲线-B/S1-B/S2-B/S3-B/S4-B/S5Y (2) 解析法 若分配曲线为过原点的直线，即分配系数K为一常数，则可通过解析计算确定多级错流萃取的理论级数。 任意m 级的两相平衡关系为 对第一级： 有：mmKXY8.3.2.1 B,S完全不互溶物系=+=SFYXSBXSBY111111111AYBSXXSF+=KBSA111=萃取因素
