本文格式為Word版，下載可任意編輯——化工原理電子教案第八章固液萃取

12萃取

本章學習要求

1.熟練把握萃取過程的原理；部分互溶物系的液-液相平衡關系；萃取過程（包括單級萃取、多級錯流萃取和多級逆流萃?。┑挠嬎?；對于組分B、S部分互溶體系，要會熟練地利用杠桿規(guī)則在三角形相圖上迅速確鑿的進行萃取過程計算；對于組分B、S不互溶體系，則可仿照吸收的計算方法。

2.理解溶劑選擇的原則；影響萃取操作的因素；萃取劑和操作條件的合理選擇；萃取過程的加強措施。

3.了解萃取操作的經(jīng)濟性；萃取操作的工業(yè)應用；液-液萃取設備及選用。

12.1概述

液－液萃取又稱溶劑萃取，是向液體混合物中參與適當溶劑(萃取劑)，利用原混合物中各組分在溶劑中溶解度的差異，使溶質組分A從原料液轉換到溶劑S的過程，它是三十年代用于工業(yè)生產的新的液體混合物分開技術。隨著萃取應用領域的擴展，回流萃取，雙溶劑萃取，反應萃取，超臨界萃取以及液膜分開技術相繼問世，使得萃取成為分開液體混合物很有生命力的單元操作之一。

蒸餾和萃取均屬分開液體混合物的單元操作，對于一種具體的混合物，要會經(jīng)濟合理化的選擇適合的分開方法。

一般工業(yè)萃取過程分為如下三個基本階段：

1.混合過程將一定量的溶劑參與到原料液中，采取措施使之充分混合，以實現(xiàn)溶質由原料向溶劑的轉移的過程；

2.沉降分層分開出萃取相與萃余相。

3.脫出溶劑獲得萃取液與萃余液，回收的萃取劑循環(huán)使用。

萃取過程可在逐級接觸式或微分接觸式設備中進行，可連續(xù)操作也可分批進行。

12.2液液相平衡

12.2.1三角形相圖

根據(jù)組分間的互溶度，三元混合體系可分為兩類：

（1）Ⅰ類物系組分A、B及A、S分別完全互溶，組分B、S部分互溶或完全不互溶；

（2）Ⅱ類物系組分A、S及組成B、S形成兩對部分互溶體系

本章重點探討Ⅰ類物系連續(xù)操作的逐級接觸萃取過程。

12.2.1三元體系的相平衡關系

萃取過程以相平衡為極限。相平衡關系是進行萃取過程計算和分析過程影響因素的基本依據(jù)之一。

對于組分B、S部分互溶物系，相的組成、相平衡關系和萃取過程的計算，采用等腰三角形相圖最為便利。常用質量百分率或質量分率表示相組成。1相組成在三角形相圖上的表示

三角形的三個頂點分別表示純組分A、B、S。

三角形的邊AB、AS和SB依次表示組分A與B、A與S以及S與B的二元混合液。

三角形內任意一點代表三元混合液的組成。

2相平衡關系在三角形相圖上的表示

⑴溶解度曲線、聯(lián)結線、輔助曲線和臨界混熔點

要能夠根據(jù)一定條件下測得的溶解度數(shù)據(jù)和共軛相的對應組成在三角形相圖上確鑿作出溶解度曲線、聯(lián)結線、輔助曲線（又稱共軛曲線），并確定臨界混溶點。會利用輔助曲線由一已知相組成點確定與之平衡的另一相組成點的坐標位置。溶解度曲線將三角形分成單相區(qū)（均相區(qū)）與兩相區(qū)，萃取操作只能在兩相區(qū)中進行。

①不同物系在一致溫度下具有不同形狀的溶解度曲線。

②同一物系，當溫度變化時．可引起溶解度曲線和兩相區(qū)面積的變化，甚至發(fā)生物系的轉化。一般溫度升高，組分間互溶度加大，兩相區(qū)面積縮小，不利于萃取分開。

一定溫度下，同一物系的聯(lián)結線傾斜方向隨溶質組成而變，即各聯(lián)結線一般互不平行，少數(shù)物系聯(lián)結線的傾斜方向也會發(fā)生改變（等溶度體系）。⑴分派系數(shù)和分派曲線

①分派系數(shù)在一定溫度下，溶質A在平衡的萃取相和萃余相中組成之比稱為分

配系數(shù)，即

同樣，對干組分B也可寫出相應表達式：

在操作條件下，若組分B、S互不相溶，則以質量比表示相組成的分派系數(shù)可改寫成如下式，即

②分派曲線若主要關心溶質A在平衡的兩液相中的組成關系，則可在直角坐標圖上表示相組成，即在直角坐標圖畫出X－y關系曲線，此即分派曲線。在操作條件下，若組分B、S不互溶，則可仿照吸收中平衡曲線的方法作出以質量比表示相組成的XY相圖。再若在操作范圍內，以質量比表示相組成的分派系數(shù)K為常數(shù)，平衡關系可表示為直線方程，即

分派曲線為通過原點的直線。

3萃取過程在三角形相圖上的表示

（1）萃取過程的三個基本階段

萃取過程的三個基本階段可在三角形相圖上明了地表達出來。

①混合

將Skg的萃取劑加到Fkg的料液中并混勻，即得到總量為Mkg的混合液，其組成由點M的坐標位置讀取。

式中，F(xiàn)為料液量，kg或kg／s；S為萃取劑的量，kg或kg／s；M為混合液的總量，kg或kg／s；xF為原料液中溶質的質量分率；ys為溶劑中溶質的質量分率，對于純溶劑，ys=0

Xm為混合液中溶質的質量分率。

②沉降分層

混合液沉降分層后，得到平衡的兩液相E、R，其組成由圖上讀得，各相的量由杠桿規(guī)則及總物料衡算求得，即

式中E為萃取相的量，kg或kg/s；

R為萃余相的量，kg或kg/s

、分別代表線段的長度。

圖中的M點稱為和點，R、E或F、S稱為差點。

③脫除溶劑和萃余液，若將得到的萃取相及萃余相完全脫除溶劑，則得到萃取液其組成由圖上讀得，其量利用杠桿規(guī)則確定，即

或

F=+杠桿規(guī)則是物料衡算過程的圖解表示，萃取過程在三角形相圖上的表示和計算，關鍵在干熟練地運用杠桿規(guī)則。

（2）萃取劑的選擇

萃取劑的選擇是萃取操作分開效果和是否經(jīng)濟的關鍵。選擇萃取劑時時主要考慮如下因素。

①萃取劑的選擇性和選擇性系數(shù)

選擇性是指萃取劑S對原料液中兩個組分溶解能力的差異，

可用選擇性系數(shù)來表示，其對應于蒸餾中的相對揮發(fā)度，統(tǒng)稱為分開因子。萃取操作中值均應大于1。值越大，越有利于組分的分開；若=1，萃取相和萃余相脫除溶劑S后將具有一致的組成，且均等于原料液的組成，無分開能力，說明所選擇的萃取劑是不適合的。

當在操作條件下組分B、S可視作不互溶時，

②組分B、S間的互溶度

組分B、S間的互溶度愈小愈有利萃取分開，完全不互溶為理想狀況。③萃取劑回收的難易

易于回收可降低能量消耗。

④其它

兩相密度差要大，界面張力適中，粘度與凝固點要低，化學及熱穩(wěn)定，無毒不易燃，來源充，價格低廉等。=0，選擇性系數(shù)趨于無窮大。

12.2萃取過程的計算

重點探討級式接觸萃取過程的計算，且假設各級均為理論級。

1．單級接觸萃取

單級萃取操作中，尋常有兩種類型計算：

（1）已知原料液組成及其處理量，規(guī)定萃余相組成，要求計算萃取劑用。量、萃余相的量及、萃取相的組成

萃取劑的用量可利用杠桿規(guī)則確定：

或

萃取相的組成由其坐標位置從圖上讀得，E相和R相的量用杠桿規(guī)則和物料衡算式計算。

（2）已知原料液的組成及其處理量、要求計算萃取相、萃余相的量及兩相的組成。此類計算需利用輔助曲線通過和點M試差法作聯(lián)結鮮．兩相組成由聯(lián)結線兩端的坐標位置讀得，兩相的量用杠桿規(guī)則和物料衡算式計算。

當組分B、S可視作完全不互溶時，則以質量比表示相組成的物料衡算式為

一般可由點S作溶解度曲線的經(jīng)過單級萃取后所能獲得的最高萃取液組成

切線而確定。

2．多級錯流接觸萃取

多級錯流接觸萃取操作的特點是：每級都參與新鮮溶劑，前級的萃取相為后級的原料，傳質推動力大。只要級數(shù)足夠多，最終可獲得所希望的萃取率，其缺點是溶劑用量較多。

多級錯流接觸萃取設計型計算中，尋常已知F、XF。及各級溶劑用量Si，規(guī)定最終萃余相組成，要求計算所需理論級數(shù)。

根據(jù)組分B、S的互溶度，萃取理論級數(shù)的計算有如下三種方法：

①

②組分B、S不互溶時的直角坐標圖解法

設各級溶劑用量相等，則各級萃取相中的溶劑和萃余相中的稀釋劑B均可視作常量，在X#0;Y坐標上求解萃取級數(shù)十分簡便。

錯流萃取的操作線方程式為

在X－Y坐標圖上求解萃取理論級數(shù)的步驟略。

③解析法求解理論級數(shù)

若在操作條件下，組分B、S可視作完全不互溶，且以質量比表示相組成的分派系數(shù)K可視作常數(shù)，再若各級溶劑用量相等，則所需萃取級數(shù)可用下式計算：

⑶多級逆流接觸萃取

多級逆流接觸萃取操作的特點是：大多為連續(xù)操作，平均推動力大、分開效率高、達到規(guī)定萃取率溶劑用量最少。

多級逆流萃取的設計型計算中，原料液處理量F及其組成

成均由工藝條件規(guī)定，溶劑用量S及其組成

所需的理論級數(shù)。、最終萃余相組由經(jīng)濟權衡而選定，要求計算

根據(jù)組分B、S的互溶度及平衡關系，理論級數(shù)的計算可分別采用如下方法。①組分B、S部分互溶時的圖解計算法

對于組分B、S部分互溶物系，常在三角形坐標圖上利用平衡關系和操作關系，用逐級圖解法求解理論級數(shù)。

多級逆流萃取的操作線方程式為

式中的稱為操作點，為各條操作線上的共同點，可將其視為通過各級的“凈流量〞。

為虛擬量，尋常由與的延長線交點來確定點的位置。

若萃取過程所需理論級數(shù)較多時，可在直角坐標圖上繪出分派曲線與操作線，在操作線與分派曲線之間畫階梯求解理論級數(shù)。

②組分B、S不互溶時理論級數(shù)的計算

根據(jù)平衡關系狀況，可用圖解法和解析法求解理論級數(shù)。

在X－Y坐標圖上求解理論級數(shù)的方法與脫吸計算十分相像。此時的操作線方程式為

若在操作范圍內以質量比表示相組成的分派系數(shù)為常數(shù)時，可用下式求解理論級數(shù)：

再若分派曲線與操作線為相互平行的直線時（即

為

），所需理論級數(shù)可表示

③溶劑比（或）和萃取劑的最小用量

和精餾中的回流比R、吸收中的液氣比L／V相對應，萃取中的溶劑比S／F（或S／B）表示了萃取用量對設備費和操作費的影響，達到指定分開程度需要無窮多個理論級時所對應的萃取劑用量為最小溶劑用量，用

在三角形相圖上，出現(xiàn)某條操作線與聯(lián)結線重合時對應的

量。表示。即為最小萃取劑用

在X－y或X－Y坐標圖上，出現(xiàn)某操作線與分派曲線相交或相切時對應的為最小萃取劑用量。

對于組分B、S完全不互溶的物系，萃取劑的最小用量可用下式計算：

即

適合的萃取劑用量尋常取為S=1，1～2.0

⑷微分接觸逆流萃取

微分接觸逆流萃取操作常在塔式設備內進行。塔式設備的計算和氣液傳質設備一樣，即要求確定塔高及塔徑兩個基本尺寸。

①塔高的計算

塔高的計算有兩種方法，即

（a）理論級當量高度法

。

式中HETS為理論級當量高度，m；

h為萃取段的有效高度，m；

n為逆流萃取所需理論級數(shù)，無因次

（b）傳質單元法（以萃取相為例）假設在操作條件下組分B、S完全不互溶，用質量比表示相組成，再若在整個萃取段內體積傳質系數(shù)

萃取段的有效高度可用下式計算：

式中

為萃余相的總傳質單元高度，m；

可視作常數(shù)，則

為總體積傳質系數(shù)，kg/(m3h△

x)

為萃余相的總傳質單元數(shù)；

萃取相的總傳質單元高度或總體積傳質系數(shù)由試驗測定，也可從手冊查得。萃余相的總傳質單元數(shù)可用圖解積分法求得。當分派系數(shù)K為常數(shù)時，平均推動力法或萃取因子法計算。萃取因子法的計算式

可用

當時，。

2．塔徑的計算

塔徑的尺寸取決于兩液相的流量及適合的操作速度，可用下式計算：

式中

分別為連續(xù)相與分散相的體積流量，m3/s；

分別為連續(xù)相與分散相的空塔氣速，m/s；

實際設計時，空塔速度可取液泛速度的50％～80％。關于液泛速度，大量研究者針對不同類型的萃取設備提出了經(jīng)驗或半經(jīng)驗的公式，還有的繪制成關聯(lián)線圖。

12.3液一液萃取設備

12.3.1概述

和氣液傳質過程相類似，在液一液萃取過程中，要求萃取相和萃余相在設備內密切接觸，以實現(xiàn)有效的質量傳遞；今后，又能使兩相快速、完善分開，以提高分開效率。由于萃取操作兩相密度差較小，對設備提出了更高的要求。

1.為使兩相密切接觸、適度湍動、高頻率的界面更新，可采用外加能量，如機械攪拌、射流和脈沖等；

2.為兩相完善分開，除重力沉降分開外，還可采用離心分開（離心分開機、旋液分開器等）；

3.萃取設備的分類屬兩相接觸方式，可分為逐級接觸式和微分接觸式兩類；根據(jù)有無外功參與，可分為有回水量和無外加能量兩種。工業(yè)上常用萃取設備的分類狀況見相關章節(jié)

萃取設備的選擇根據(jù)物系性質、分開的難易和程度、設備特性等合理選取萃取設備類型和尺寸。

12.3.2萃取設備的選擇

各種不同類型的萃取設備具有不同的特性,萃取過程中物系性質對操作的影響錯綜繁雜.對于具體的萃取過程選擇適合設備的原則是:首先滿足工藝條件和要求,,然后進行經(jīng)濟核算,使設備費和操作費總和趨于最低.萃取設備的選擇,應考慮如下的因素:

1.所需的理論級數(shù)

當所需的理論級數(shù)不大