1、1PPT课件萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 v均相液体混合物的分离方法目前常用的有三种：均相液体混合物的分离方法目前常用的有三种：蒸发、蒸馏和萃取。蒸发、蒸馏和萃取。v当形成溶液的各组分中，至少有一种组分是不当形成溶液的各组分中，至少有一种组分是不挥发的，通常选用蒸发的方法将不挥发性的组分挥发的，通常选用蒸发的方法将不挥发性的组分与挥发性的溶剂分离。与挥发性的溶剂分离。v当形成均相混合物的溶液中各组分的均具
2、挥发当形成均相混合物的溶液中各组分的均具挥发性，且各组分之间挥发性相差较大时，如果分离性，且各组分之间挥发性相差较大时，如果分离任务量大，且不需要很高的温度就能使各组分汽任务量大，且不需要很高的温度就能使各组分汽化时，这类均相液体混合物的分离一般采用蒸馏化时，这类均相液体混合物的分离一般采用蒸馏的方法。的方法。引引 言言萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 v（1）混合液中各组分之间的挥发性相近，沸点）混合液中各组分之间的挥发性相近，沸点相近，相对挥发度接近于相近，相对挥发度接近于1，甚至形成恒沸物时，甚至形成恒沸物时，用一般的蒸馏方法难以达到或不能达到分离
3、要求用一般的蒸馏方法难以达到或不能达到分离要求的纯度。的纯度。v（2）需分离的组分浓度很低且沸点比稀释剂高，）需分离的组分浓度很低且沸点比稀释剂高，用蒸馏方法需蒸出大量稀释剂，消耗能量很多。用蒸馏方法需蒸出大量稀释剂，消耗能量很多。v（3）溶液中要分离的组分是热敏性物质，受热）溶液中要分离的组分是热敏性物质，受热易于分解、聚合或发生其它化学变化。易于分解、聚合或发生其它化学变化。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 v萃取与蒸馏的区别萃取与蒸馏的区别:萃取过程的流程比较复杂，且萃取相萃取过程的流程比较复杂，且萃取相中萃取剂的回收往往还要应用精馏操中萃取剂的回
4、收往往还要应用精馏操作。作。萃取过程是在常温下操作，无相变化萃取过程是在常温下操作，无相变化以及选择适当溶剂可以获得较好的分以及选择适当溶剂可以获得较好的分离效果等优点。离效果等优点。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 v需要说明的是当分离液体混合物用蒸馏或萃取需要说明的是当分离液体混合物用蒸馏或萃取方法均可应用时，其选择操作方式的依据主要是方法均可应用时，其选择操作方式的依据主要是由经济性来确定。与蒸馏比较，整个萃取过程的由经济性来确定。与蒸馏比较，整个萃取过程的流程比较复杂，且萃取相中萃取剂的回收往往还流程比较复杂，且萃取相中萃取剂的回收往往还要应用精
5、馏操作。但是萃取过程是在常温下操作，要应用精馏操作。但是萃取过程是在常温下操作，无相变化以及选择适当溶剂可以获得较好的分离无相变化以及选择适当溶剂可以获得较好的分离效果等优点，在很多情况下，仍显示出技术经济效果等优点，在很多情况下，仍显示出技术经济上的优势。上的优势。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 模块一模块一 萃取过程和萃取方案的认识萃取过程和萃取方案的认识一、液一、液-液萃取基本工作过程的认识液萃取基本工作过程的认识图图4-2 萃取基本操作示意图萃取基本操作示意图萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 萃取操作的基
6、本过程如图萃取操作的基本过程如图4-24-2所示。将一定量所示。将一定量萃取剂加入原料液中，然后加以搅拌使原料液与萃萃取剂加入原料液中，然后加以搅拌使原料液与萃取剂充分混合，溶质通过相界面由原料液向萃取剂取剂充分混合，溶质通过相界面由原料液向萃取剂中扩散，所以萃取操作与精馏、吸收等过程一样，中扩散，所以萃取操作与精馏、吸收等过程一样，也属于两相间的传质过程。搅拌停止后，两液相因也属于两相间的传质过程。搅拌停止后，两液相因密度不同而分层：一层以溶剂密度不同而分层：一层以溶剂S S为主，并溶有较多为主，并溶有较多的溶质，称为萃取相，以的溶质，称为萃取相，以E E表示；另一层以原溶剂表示；另一层以原
7、溶剂（稀释剂）（稀释剂）B B为主，且含有未被萃取完的溶质，称为主，且含有未被萃取完的溶质，称为萃余相，以为萃余相，以R R表示。若溶剂表示。若溶剂S S和和B B为部分互溶，则为部分互溶，则萃取相中还含有少量的萃取相中还含有少量的B B，萃余相中亦含有少量的萃余相中亦含有少量的S S。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 v1 1、萃取的定义、萃取的定义v 在欲分离的液体混合物中加入一种与其不溶或部分互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，形成两相系统，利用混合物中各组分在两溶的液体溶剂，形成两相系统，利用混合物中各组分在两相中分配差
8、异的性质，易溶组分较多地进入溶剂相从而实相中分配差异的性质，易溶组分较多地进入溶剂相从而实现混合液分离的操作现混合液分离的操作v2 2、基本述语：、基本述语：v 原料原料=溶质溶质+稀释剂（或称原溶剂）。稀释剂（或称原溶剂）。v 萃取相萃取相=萃取剂萃取剂+溶质溶质+少量稀释剂，少量稀释剂，v 萃余相萃余相=稀释剂稀释剂+残余的溶质残余的溶质+少量萃取剂。少量萃取剂。v举例：用苯萃取废水中的苯酚举例：用苯萃取废水中的苯酚 萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 二、液二、液-液萃取方案的认识液萃取方案的认识v（一）无机化工中的液（一）无机化工中的液-液萃取过程
9、液萃取过程v（二）有机化工中的液（二）有机化工中的液-液萃取过程液萃取过程表4-1 萃取法在有机化工中的部分应用行业行业原料原料溶剂溶剂萃取物萃取物石油工业汽油和煤油馏分环丁砜芳香烃催化重整物、直馏汽油或煤油二甲基亚砜芳香烃含重渣油的石蜡丙烷石蜡及沥青C4碳氢化合物二甲基甲酰胺丁二烯石脑油糠醛、糠醇、水重芳香族化合物炼焦工业焦炉油二甘醇和水芳香烃粗焦馏物甲醇、水和己烷焦油酸煤气水洗液重苯溶剂油N503酚油脂工业植物油和动物脂丙烷不饱和甘油酯和维生素植物油糠醛不饱和甘油酯医药工业麻黄草浸渍液苯、二甲苯麻黄素含青霉素发酵液醋酸丁酯青霉素其他醋酸稀溶液乙酸乙酯醋酸催化裂化石油厂废水轻催化油酚萃取过程
10、及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 模块二模块二 萃取剂的选择与萃取剂用量的确定萃取剂的选择与萃取剂用量的确定v一、萃取的液液相平衡一、萃取的液液相平衡v二、萃取剂选择的原则二、萃取剂选择的原则v三、萃取剂用量的计算三、萃取剂用量的计算萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 一、液液相平衡1、三角形相图v 在三角形坐标图中均以在三角形坐标图中均以A A表示溶质，以表示溶质，以B B表示稀释剂，以表示稀释剂，以S S表示萃取表示萃取剂。三角形坐标图可采用等边三角形或直角三角形，溶液组成通常用剂。三角形坐标图可采用等边三角形或直角三角
11、形，溶液组成通常用质质量百分数或质量分率表示。量百分数或质量分率表示。其表示的平衡组成图即为三角形相图。三角其表示的平衡组成图即为三角形相图。三角形的三个顶点分别表示某一种纯物质，如形的三个顶点分别表示某一种纯物质，如A A点表示只有一个组分（纯溶点表示只有一个组分（纯溶质），含量为质），含量为100%100%，B B点则表示只有稀释剂一种组分，点则表示只有稀释剂一种组分，S S点则为纯溶剂。点则为纯溶剂。v 在三角形相图中，每条边上的任一点代表一个二元混合物的组成，在三角形相图中，每条边上的任一点代表一个二元混合物的组成，其中不含有第三组分，二元混合物的组分的含量可以直接由图上读出。其中不含
12、有第三组分，二元混合物的组分的含量可以直接由图上读出。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 第第类物系：溶质类物系：溶质A可溶于稀释剂可溶于稀释剂B和萃取剂和萃取剂S中，但中，但稀释剂与萃取剂部分互溶或完全不互溶。稀释剂与萃取剂部分互溶或完全不互溶。一、液液相平衡2.2.溶解度曲线与联结线溶解度曲线与联结线萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 第第类物系：溶质类物系：溶质A与稀释剂与稀释剂B互溶，但稀释剂与萃取剂部分互互溶，但稀释剂与萃取剂部分互溶，同时溶质溶，同时溶质A与溶剂与溶剂S也是部分互溶。如图也是部分互溶。如图-
13、，2.溶解度曲线与联结线萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 一、液液相平衡3.3.溶解度曲线与联结线的绘制溶解度曲线与联结线的绘制图4-10 溶解度曲线和联结线绘制萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 3.3.溶解度曲线和联结线绘制溶解度曲线和联结线绘制v 在恒温下，将一定量的稀释剂在恒温下，将一定量的稀释剂B B和萃取剂和萃取剂S S加到试验瓶加到试验瓶中，此混合物组成如图中，此混合物组成如图4-104-10上的上的M M点所示，将其充分混合，点所示，将其充分混合，两相达平衡后静置分层，两层的组成可由图中的点两相达平衡
14、后静置分层，两层的组成可由图中的点R R和点和点E E表示。然后在瓶中滴加少许溶质表示。然后在瓶中滴加少许溶质A A，此时瓶中总物料的状，此时瓶中总物料的状态点为态点为M1M1，经充分混合，两相达到平衡后静置分层，分析，经充分混合，两相达到平衡后静置分层，分析两层的组成，得到两层的组成，得到E1E1和和R1R1两液相的组成，两液相的组成，E1E1和和R1R1为一对呈为一对呈平衡的两相称为共轭相（或平衡液），平衡的两相称为共轭相（或平衡液），E1E1和和R1R1两点的联结两点的联结的直线称为联结线。然后再加入少量溶质的直线称为联结线。然后再加入少量溶质A A，进行同样的，进行同样的操作可以得到操
15、作可以得到E2E2、R2R2，E3E3、R3R3等若干对共轭相，当等若干对共轭相，当A A的加入量增加到某一程度时，混合液的组成抵达图中的加入量增加到某一程度时，混合液的组成抵达图中N N点点处，分层现象就完全消失。将诸平衡液层的状态点处，分层现象就完全消失。将诸平衡液层的状态点R R、R1R1、R2R2、R3R3、N N、E3E3、E2E2、E1E1、E E连接起来的曲线即为此体系在连接起来的曲线即为此体系在该温度下的溶解度曲线。该温度下的溶解度曲线。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 v通常联结线都不互相通常联结线都不互相平行，各条联结线的斜平行，各条
16、联结线的斜率随混合液的组成而异。率随混合液的组成而异。一般情况下各联结线是一般情况下各联结线是按同一方向缓慢地改变按同一方向缓慢地改变其斜率，但有少数体系，其斜率，但有少数体系，当混合液组成改变时，当混合液组成改变时，联结线斜率改变较大，联结线斜率改变较大，能从正到负，在某一组能从正到负，在某一组成联结线为水平线，例成联结线为水平线，例如图如图4-114-11中的吡啶一氯中的吡啶一氯苯一水体系就是这种情苯一水体系就是这种情况况 萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 温度对溶解度曲线的影响温度对溶解度曲线的影响v对于同一物系，在不同温度对于同一物系，在不同温度
17、下，由于物质在溶剂中的溶下，由于物质在溶剂中的溶解度不同，因而分层区的大解度不同，因而分层区的大小也相应地改变，而使溶解小也相应地改变，而使溶解度曲线形状发生变化。图度曲线形状发生变化。图4-4-1212所示的为甲基环戊烷（所示的为甲基环戊烷（A A）-正己烷（正己烷（B B）-苯胺（苯胺（S S）系）系统在温度统在温度t t1 1=20=20，t t2 2=34.5=34.5，t t3 3=45=45条件时的溶解度曲线。条件时的溶解度曲线。一般情况下，当温度升高时，一般情况下，当温度升高时，溶质在溶剂中的溶解度增加，溶质在溶剂中的溶解度增加，温度降低时溶质的溶解度减温度降低时溶质的溶解度减少
18、。少。图图4-12 溶解度曲线形状随温度的变化情况溶解度曲线形状随温度的变化情况萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 通常物系的温度升高，溶通常物系的温度升高，溶质在溶剂中的溶解度增大，反质在溶剂中的溶解度增大，反之减小。因此，温度明显地影之减小。因此，温度明显地影响溶解度曲线的形状、联结线响溶解度曲线的形状、联结线的斜率和两相区面积，从而也的斜率和两相区面积，从而也影响分配曲线的形状。右图所影响分配曲线的形状。右图所示为温度示为温度对第对第类物系溶解度类物系溶解度曲线和联结线的影响。显然，曲线和联结线的影响。显然，温度升高，分层区面积减小，温度升高，分层区
19、面积减小，不利于萃取分离的进行。不利于萃取分离的进行。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 4.4.辅助曲线与临界混溶点辅助曲线与临界混溶点 在作辅助线时，将在作辅助线时，将辅助线延长与溶解度曲辅助线延长与溶解度曲线相交在线相交在P P点，该点称为点，该点称为临界混溶点，它将溶解临界混溶点，它将溶解度曲线分为两部分，靠度曲线分为两部分，靠溶剂溶剂S S一侧为萃取相即一侧为萃取相即E E相，含溶剂较多，靠稀相，含溶剂较多，靠稀释剂释剂B B一侧为萃余相即一侧为萃余相即R R相，含稀释剂较多。相，含稀释剂较多。其准确位置的确其准确位置的确定较为困难，只有当已知的
20、其轭相接近临界混溶点时才较准确。定较为困难，只有当已知的其轭相接近临界混溶点时才较准确。一、液液相平衡4.4.辅助曲线与临界混溶点。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 n一定温度下，测定体一定温度下，测定体系的溶解度曲线时，系的溶解度曲线时，实验测出的联结线的实验测出的联结线的条数（即共轭相的对条数（即共轭相的对数）总是有限的，此数）总是有限的，此时为了得到任何已知时为了得到任何已知平衡液相的共轭相的平衡液相的共轭相的数据，常借助辅助曲数据，常借助辅助曲线（亦称共轭曲线）线（亦称共轭曲线）萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情
21、境四(1)(1)分配曲线与联结线的关系分配曲线与联结线的关系第类物系相图 n图中xA溶质A在R相（萃余相）中的质量分率。n yA溶质A在E相（萃取相）中的质量分率。一、液液相平衡5.5.分配曲线与分配系数萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 图4-15 分配曲线与联结线间的关系，第类物系相图，三角形坐标萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 工程上衡量萃取剂萃取效果工程上衡量萃取剂萃取效果v 分配系数是表达溶质分配系数是表达溶质A A在两平衡相中的分配关系。在一在两平衡相中的分配关系。在一定温度条件下，溶质定温度条件下，溶质
22、A A在在E E相中的浓度相中的浓度y yA A与它在与它在R R相中的浓度相中的浓度x xA A之比，称为分配系数，以之比，称为分配系数，以k kA A表示，即表示，即AAAxyRAEAk相中的浓度在溶质相中的浓度在溶质v当当S与与B 不互溶时不互溶时 分配系数分配系数kA相当于气液平衡中的相平衡常数相当于气液平衡中的相平衡常数m。v对于对于S与与B部分互溶的物系，部分互溶的物系，kA与联结线的斜率有关。联结线的斜率为正与联结线的斜率有关。联结线的斜率为正(0)时，时，kA大于大于1，联结线的斜率为负，联结线的斜率为负(11，萃取操作能够实现，萃取操作能够实现，越大，分离操作越容易。越大，分
23、离操作越容易。当当1 EEmaxmax，采用萃取剂，采用萃取剂S S比比SS更有利于组分更有利于组分A A的分离。的分离。图4-4 溶剂与稀释剂的互溶度影响 萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 2 2、萃取剂的物理性质、萃取剂的物理性质v（1 1）密度）密度v在液液萃取中，两相间应保持一定的密度差，以利于两液相在萃取器中能在液液萃取中，两相间应保持一定的密度差，以利于两液相在萃取器中能以较高的相对速度逆流和两相的分层；此外萃取设备还可达到较大的生产能以较高的相对速度逆流和两相的分层；此外萃取设备还可达到较大的生产能力。力。v（2 2）界面张力）界面张力v萃
24、取物系的界面张力较大时，细小的液滴比较容易聚结，有利于两相的分萃取物系的界面张力较大时，细小的液滴比较容易聚结，有利于两相的分离，但界面张力过大，液体不易分散，难以使两相混合良好，需要较多的外离，但界面张力过大，液体不易分散，难以使两相混合良好，需要较多的外加能量。界面张力小，液体易分散，但易产生乳化现象使两相难分离，因此加能量。界面张力小，液体易分散，但易产生乳化现象使两相难分离，因此应从界面张力对两液相混合与分层的影响综合考虑，选择适当的界面张力，应从界面张力对两液相混合与分层的影响综合考虑，选择适当的界面张力，一般说不宜选用张力过小的萃取剂。一般说不宜选用张力过小的萃取剂。v两种纯液体的
25、界面张力可用滴重法和气泡最大压力法来测定，常用体系界两种纯液体的界面张力可用滴重法和气泡最大压力法来测定，常用体系界面张力数值可在文献中找到。有人建议面张力数值可在文献中找到。有人建议,将溶剂和料液加入分液漏斗中将溶剂和料液加入分液漏斗中,经充经充分剧烈摇动后分剧烈摇动后,两液相最多在两液相最多在5min5min以内要能分层以内要能分层,以此作为溶剂界面张力以此作为溶剂界面张力适适当与否的大致判别标准。当与否的大致判别标准。v（3 3）粘度）粘度v溶剂的粘度低，有利于两相的混合与分层，也有利流动与传质，因而粘度溶剂的粘度低，有利于两相的混合与分层，也有利流动与传质，因而粘度小对萃取有利。有的萃
26、取剂粘度大，往往需加入其他溶剂来调节其粘度小对萃取有利。有的萃取剂粘度大，往往需加入其他溶剂来调节其粘度 萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 3 3、萃取剂的化学性质、萃取剂的化学性质4 4、萃取剂回收难易、萃取剂回收难易v萃取剂需有良好的化学稳定性，不易分解、聚合，并应萃取剂需有良好的化学稳定性，不易分解、聚合，并应有足够的热稳定性和抗氧化稳定性。对设备的腐蚀性要小。有足够的热稳定性和抗氧化稳定性。对设备的腐蚀性要小。v4 4、萃取剂回收难易、萃取剂回收难易v通常萃取相和萃余相中的萃取剂需回收后重复使用，以通常萃取相和萃余相中的萃取剂需回收后重复使用，以
27、减少溶剂的消耗量。回收费用取决于回收萃取剂的难易程减少溶剂的消耗量。回收费用取决于回收萃取剂的难易程度。有的溶剂虽然具有以上很多良好的发生，但往往由于度。有的溶剂虽然具有以上很多良好的发生，但往往由于回收困难而不被采用。回收困难而不被采用。v最常用的回收方法是蒸馏，因而要求被分离体系相对挥最常用的回收方法是蒸馏，因而要求被分离体系相对挥发度发度大，如果大，如果接近于接近于1 1，不宜用蒸馏，可以考虑用反，不宜用蒸馏，可以考虑用反萃取，结晶分离等方法。萃取，结晶分离等方法。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 5 5、其它指标、其它指标v5 5、其它指标、其它
28、指标v如萃取剂的价格、来源、毒性、以及是否易燃、易爆等如萃取剂的价格、来源、毒性、以及是否易燃、易爆等等，均为选择溶剂需要考虑的问题。等，均为选择溶剂需要考虑的问题。v当没有一种萃取剂能满足以上要求时，可以采用几种溶剂组当没有一种萃取剂能满足以上要求时，可以采用几种溶剂组成的混合萃取剂以获得较好的性能。成的混合萃取剂以获得较好的性能。v6 6、温度对萃取剂性能的影响、温度对萃取剂性能的影响v在讨论萃取剂和稀释剂互溶度时指出，对于萃取过程互溶在讨论萃取剂和稀释剂互溶度时指出，对于萃取过程互溶度愈小愈好。温度对互溶度有显著影响，通常温度升高溶解度度愈小愈好。温度对互溶度有显著影响，通常温度升高溶解
29、度增加。增加。v图图4-54-5所示为二十二烷所示为二十二烷-二苯基己烷二苯基己烷-糠醛体系的相图。二十二糠醛体系的相图。二十二烷与糠醛部分互溶。从图中可以看出，温度从烷与糠醛部分互溶。从图中可以看出，温度从4545上升到上升到140140，两相区不断减少若温度继续上升，则变成三组完全互，两相区不断减少若温度继续上升，则变成三组完全互溶体系而无法进行萃取操作。溶体系而无法进行萃取操作。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 图4-5 温度对分层区大小的影响萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 二、萃取剂用量的确定二、萃取剂用
30、量的确定v.杠杆规则杠杆规则v、单级萃取过程的计算、单级萃取过程的计算萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 右下图点R代表某已知三元混合物的组成点，其质量为Rkg。若向R中加入另一已知三元混合物Ekg（其组成由E点表示），所得新混合液为Mkg，其组成点M必在RE联线上，具体位置（M点的组成）由R、E的量与图中线段长度之间的关系决定，即：.杠杆规则RMMERMRMMEMEER表示以线段长表示以线段长RMMExxxxRMMEERRME EM MRMERxxxxRMMEERRMME，,根据相似三角形的比例关系得：所以得到R+E=M萃取过程及设备的选择与操作萃取过程
31、及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 单级萃取过程、单级萃取过程及计算萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 n图4-?单级萃取流程示意图n1萃取器，2澄清器，3，4溶剂回收设备单级萃取流程萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四（）单级萃取过程的计算 图4-?单级接触萃取操作图解法nF原料液的量，kg或kg/h，nS萃取剂的量，kg或kg/h，nM混合液（原料液+萃取剂）的量，kg或kg/hnE萃取相的量，kg或kg/h，nR萃余相的量，kg或kg/h，nE萃取液的量，kg或kg/h，nR萃余液的量，kg或kg/h，nxF原
32、料液中溶质A的质量分数，nxM混合液中溶质A的质量分数，nxR萃余相中溶质A的质量分数，nxR萃余液中溶质A的质量分数，nyS萃取剂中溶质A的质量分数，萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 MSMFFSMSF MFMSSFMSMFFS求出所需萃取剂的量S 或原料的用量萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 求萃取相量E和萃余相量R REMRSFREMRMEERMESFERMEMRMRMEERERM)()(萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四（3）求萃取液E和萃余液R的量 RRRR RSSE
33、EESSEESRRSRRRRSSRSEESEEEESSERE,RESSS萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 例题例题-1-1讲解讲解v以水为萃取剂，从醋酸一氯仿原料液中萃取出醋酸。以水为萃取剂，从醋酸一氯仿原料液中萃取出醋酸。25时两液相时两液相（萃取相（萃取相E和萃余相和萃余相R）以质量百分数表示的三元平衡数据列于本例）以质量百分数表示的三元平衡数据列于本例附表中。已知原料液的量为附表中。已知原料液的量为1000kg，醋酸浓度为，醋酸浓度为35%，用纯水作萃取，用纯水作萃取剂。要求萃取后萃余相中含醋酸不超过剂。要求萃取后萃余相中含醋酸不超过7.0%。计算
34、（。计算（1）萃取剂水的）萃取剂水的用量，（用量，（2）萃取后的水层和氯仿层的量及水层中醋酸浓度，（）萃取后的水层和氯仿层的量及水层中醋酸浓度，（3）若）若水完全脱除后所得萃取液，萃余液的量及醋酸的浓度。水完全脱除后所得萃取液，萃余液的量及醋酸的浓度。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 氯 仿 层 （R相）水 层 （E相）醋 酸水醋 酸水0.000.990.0099.166.771.3825.1073.6917.222.2444.1248.5825.724.1550.1834.7127.655.2050.5631.1132.087.9349.4125.39
35、34.1610.0347.8723.2842.516.542.5016.50萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 v 解：（解：（1 1）根据平衡数据在直角三角形坐标图中绘出溶）根据平衡数据在直角三角形坐标图中绘出溶解度曲线并作出辅助曲线。在解度曲线并作出辅助曲线。在ABAB坐标上根据原料液中醋酸坐标上根据原料液中醋酸的组成的组成35%35%确定确定F F点。因萃取剂是纯水，则萃取剂的点在三点。因萃取剂是纯水，则萃取剂的点在三角形的右顶点上，联接角形的右顶点上，联接F F、S S两点得
36、直线两点得直线FSFS。再由萃余相中。再由萃余相中含醋酸浓度为含醋酸浓度为7.0%7.0%在临界点左边的溶解度曲线上确定在临界点左边的溶解度曲线上确定R R点，点，从从R R点作平行于三角形点作平行于三角形BSBS边的直线交辅助曲线于边的直线交辅助曲线于L L点，再从点，再从L L点作平行于三角形点作平行于三角形ABAB边的直线交溶解度曲线于边的直线交溶解度曲线于E E点，联接点，联接R R、E E两点的直线与两点的直线与FSFS直线交于直线交于M M点，并在图中分别量出线点，并在图中分别量出线段和的长度为段和的长度为5.35.3及及5.35.3。由杠杆规则：。由杠杆规则：MSMFFSkgS1
37、00010003.53.5萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 v（2）由图量得）由图量得=5.0，=2.7代入式（代入式（4-8）得：）得：v由式（由式（4-9）得：）得：R+E=F+S=1000+1000=2000kgv联解两式，得：联解两式，得：R=701.3kg,E=1298.7kgv由图中由图中E点查得：点查得：yE=24.0%v（3）过）过E、S两点及两点及R、S两点分别作直线交两点分别作直线交AB边得两边得两点点E和和R并在图中量得和的线段长度分别为并在图中量得和的线段长度分别为3.5和和10.0，代入式（代入式（4-10）得：）得：0.57.
38、2ERkgSEEESE35010000.105.3由式（4-12）得：kgEFR6503501000由图查得：%3.92Ey%1.7Rx萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 ERMF单级萃取过程计算示意图单级萃取过程计算示意图ER萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 2 2、连续逆流萃取过程及计算、连续逆流萃取过程及计算v 在化工生产过程中，萃取操作通常是在塔设备中两相流在化工生产过程中，萃取操作通常是在塔设备中两相流体呈连续逆流流动实现溶质从一相转
39、入另一相的传质过程。一般体呈连续逆流流动实现溶质从一相转入另一相的传质过程。一般较重的一相流体（称为重相，如原料液），从塔顶加入在塔内向较重的一相流体（称为重相，如原料液），从塔顶加入在塔内向塔底流动，较轻的一相流体（称为轻相，如萃取剂），从塔底引塔底流动，较轻的一相流体（称为轻相，如萃取剂），从塔底引入向塔顶流动，两相连续接触，进行传质，轻相从塔顶排出为萃入向塔顶流动，两相连续接触，进行传质，轻相从塔顶排出为萃取相，重相从塔底排出则是萃余相。（若原料液为轻相而萃取剂取相，重相从塔底排出则是萃余相。（若原料液为轻相而萃取剂为重相时，情况就相反）。为重相时，情况就相反）。n 用连续逆流萃取来实现
40、一个分离过程，其计算内容是解决所需的理论级数NT（如同精馏中的理论板数一样），然后再乘以理论级当量高度He，即得塔高H：eTHNHeTHNHn 理论级数是指完成一定的分离任务在计算过程中所用平衡关系的次数。在前面介绍的单级萃取计算中只运用了一次平衡关系。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 1萃取塔；2萃取剂回收塔；3再沸器；4冷凝器 图16-13 塔式液液萃取设备流程图萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 v理论级当量高度的物理意义是分离效果等于一个理理论级当量高度的物理意义是分离效果等于一个理论级的萃取塔段的高度，它是
41、反映萃取传质特性的论级的萃取塔段的高度，它是反映萃取传质特性的一个参数，它与两液相的物性，设备的结构型式和一个参数，它与两液相的物性，设备的结构型式和两相流速等操作条件有关，由实验研究确定或根据两相流速等操作条件有关，由实验研究确定或根据生产实际装置的操作数据求得。生产实际装置的操作数据求得。计算理论级数，通常已知原料液量计算理论级数，通常已知原料液量F F及其组成及其组成x xF F，萃，萃取剂组成取剂组成y yS S，最终萃余相的组成，最终萃余相的组成x xR R,并选择萃取剂用量并选择萃取剂用量S S用图解法进行计算。用图解法进行计算。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作
42、学习情境四学习情境四 图16-14 连续逆流萃取理论级模型过程示意图F+E2=R1+E1F-E1=R1-E2 F-E1=R2-E3F-E1=Rn-S F-E1=R1-E2=R2-E3=Rn-1-En=Rn-S=（常数）萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四(1)用三角形坐标图解求理论级数v在三角形相图上逐级图解法的步骤如下：在三角形相图上逐级图解法的步骤如下：v1 1、根据平衡数据在三角形坐标图上，作出溶解、根据平衡数据在三角形坐标图上，作出溶解度曲线及辅助曲线。度曲线及辅助曲线。v2 2、由已知的组成、由已知的组成xFxF与与xRxR在图上定出原料液和从在图
43、上定出原料液和从塔底流出的萃余相的状态点塔底流出的萃余相的状态点F F和和RnRn。由萃取剂的组。由萃取剂的组成成ySyS定出状态点定出状态点S S的位置，连的位置，连SFSF线，并根据给定的线，并根据给定的F F和选定的萃取剂量和选定的萃取剂量S S，按照杠杆规则确定混合后，按照杠杆规则确定混合后的总量及其状态点的总量及其状态点M M的位置，连接的位置，连接RnMRnM，并延长与，并延长与溶解度曲线交于溶解度曲线交于E1E1点的状态点点的状态点.v3 3、应用溶解度曲线与物料衡算关系，逐级计算、应用溶解度曲线与物料衡算关系，逐级计算求理论级数。做第一级的物料衡算（见图求理论级数。做第一级的物
44、料衡算（见图16-1416-14）：）：萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 例16-2 萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四(2)用分配曲线求理论级数图？用分配曲线图解理论级数萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 3、萃取剂最少用量的计算。v在萃取过程中，当萃取剂用量少时，可以减少回收溶剂在萃取过程中，当萃取剂用量少时，可以减少回收溶剂所消耗的能量或处理费用，以降低操作成本。但是，萃取所消耗的能量或处理费用，以降低操作成本。但是，萃取剂用量越少，则完成同样分离任务所需的理论级数就越多，
45、剂用量越少，则完成同样分离任务所需的理论级数就越多，从而增加了萃取设备投资。所以应依经济衡算确定适宜的从而增加了萃取设备投资。所以应依经济衡算确定适宜的萃取剂用量。萃取剂用量。所谓最少萃取剂的用量Smin，是指一种极限情况，即当所用萃取剂的量减少到Smin时，所需的萃取理论级数已达无穷多。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 三、超临界流体萃取1、超临界流体图中高于临界温度和临界压力的有阴影线的区域属于超临界流体状态。气-液的分界面消失 超临界流体具有显著的特点：是对溶质的溶解能力很大，而且具有选择性地溶解液体或固体混合物中溶质的能力，萃取过程及设备的选择与
46、操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 2、超临界流体萃取过程 萃取操作时，将欲进行萃取分离的混合物装入萃取器，排出所有杂质气体后，注入超临界流体，并使其在压缩机驱动下，在萃取器和分离器之间循环。萃取器顶部离开的溶有萃取质的高压气体经节流阀节流，使其降压将溶质析出，并进入分离器，溶质自分离器底部排出，超临界流体则进入压缩机，经压缩后进入萃取器循环使用。图中没有示出因节流和压缩所引起的温度变化而需设置的换热设备。图-？分批操作的超临界流体萃取流程示意图 萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 v 在超临界流体萃取操作中，萃取器内的溶质在超临界流体萃取
47、操作中，萃取器内的溶质溶解于超临于超临界流体的过程界流体的过程属于自发过程，并不耗能。节流阀上的。节流阀上的节流膨胀属于属于等焓过程，亦亦不耗能。如采用膨胀机代替节流阀，。如采用膨胀机代替节流阀，还可望回收部分能量。分离器则仅系机械分离操作，则仅系机械分离操作，不耗能。v 在流程中主要的耗能设备是压缩机，在流程中主要的耗能设备是压缩机，压缩机的功率决定决定于于压缩比和和流体的循环量。在超临界流体萃取中所用的。在超临界流体萃取中所用的压缩比一般不会大，而流体的循环量则决定于超临界流体对溶质而流体的循环量则决定于超临界流体对溶质的溶解能力，溶解度愈大，所需超临界流体的循环量就少，的溶解能力，溶解度
48、愈大，所需超临界流体的循环量就少，能耗就低。能耗就低。v 如将溶剂气体在临界点附近液化，对原料作近临界流体萃如将溶剂气体在临界点附近液化，对原料作近临界流体萃取取,这时需要将萃取相中的溶剂蒸出供循环使用，并提取萃取这时需要将萃取相中的溶剂蒸出供循环使用，并提取萃取质。在这种情况下，因临界点附近流体的气化潜热很小，所质。在这种情况下，因临界点附近流体的气化潜热很小，所以蒸发所需的热量很少以蒸发所需的热量很少,且溶剂和溶质间的挥发度差异很大，且溶剂和溶质间的挥发度差异很大，分离十分方便，所以操作所需的能耗也是低的。分离十分方便，所以操作所需的能耗也是低的。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的
49、选择与操作学习情境四学习情境四 n 与精馏相比，液液萃取是一种节能的化工分离方法它的操作过程简单，温度较低，操作压力不算高，可对热敏物质分离。n 它的应用前景很广，在有机溶液的分离，高分子聚合，分级，脱溶剂和脱挥发成分上的应用，含有机物的废水处理，食品工业,植物中的药物，香精，调味品等的提取获得较好的成果。萃取过程及设备的选择与操作萃取过程及设备的选择与操作学习情境四学习情境四 液液萃取设备的必要条件：液液萃取设备的必要条件：v(1)两相液体之间具有很大的接触面积，这种界面通常是将一种，这种界面通常是将一种液相分散在另一种液相中所形成。分散成滴状的液相称为分散相，液相分散在另一种液相中所形成。
50、分散成滴状的液相称为分散相，另一个呈连续的液体相称为连续相。显然，另一个呈连续的液体相称为连续相。显然，液滴越小，两相的接触面积越大，传质越快。为此，在萃取设备内装有喷嘴或筛孔为此，在萃取设备内装有喷嘴或筛孔板，或填料，或机械搅拌装置。板，或填料，或机械搅拌装置。v(2)(2)为获得萃取过程有较大的传质推动力，为获得萃取过程有较大的传质推动力，两相流体在萃取设备内以逆流流动方式进行操作。一、概述一、概述 使两液相产生相对流动的基本条件是两相流体的密度差。通常两液相的密度差较小，不如在精馏、吸收中两相流体密度差很大，所以在重力作用下两液相间的相对流速较小。为了提高两液相的相对流速，为了提高两液相
