西北大学化工原理电子教案

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1、西北大学化工原理电子教案 11. 液液萃取 11.1 概述 11.1.1 液液萃取过程 液液萃取机理 ? 定义： 液液萃取是分离液体混合物的一种方法。 利用液体混合物各组分在某溶剂中溶解度的差异而实现分离。 ? 萃取过程 如图 11-1 所示： 设有一溶液内含 A、B 两组分，为将其分离可加入某溶剂 S。该溶剂 S 与原溶液不互溶或只是部分互溶，于是混合体系构成两个液相。为加快溶质 A 由原混合液向溶剂的传递，通过搅拌使两相混合，并产生相际传质。然后停止搅拌，两液相因密度差沉降分层。这样，溶剂 S 中出现了 A 和少量 B，称为萃取相；而原溶液中溶入了少量溶剂 S，称为萃余相。 若以 A 表示

2、原混合物中的易溶组分，称为溶质，以 B 表示难溶组分，通常称稀释剂。由此可知，所使用的溶剂 S 必须满足两个基本要求： 溶剂不能与被分离混合物完全互溶，只能部分互溶； 溶剂对 A、B 两组分有不同的溶解能力，或者说，溶剂具有选择性： yA/yBxBA/xBB即萃取相内A、B两组分浓度之比yA/yB。大于苹余相内A、B两组分浓度之比xBA/xBB工业萃取过程 以稀醋酸水溶液的分离为例： 若将稀醋酸水溶液提浓制取无水醋酸可采用图 11-2 所示的流程通过萃取及恒沸精馏的方法完成。 稀醋酸连续加入萃取塔顶， 作为萃取溶剂的醋酸乙酯自塔底加入进行逆流萃取，离开塔顶的萃取相为醋酸乙酯与醋酸的混合物，其中

3、也含有少量溶于溶剂的水。为取1西北大学化工原理电子教案 出萃取相中的醋酸， 可采用恒沸精馏。 利用萃取相中的醋酸乙酯与水形成非均相桓沸物这一特点，在恒沸精馏塔中水被醋酸乙酯带至塔顶，塔底可获得无水醋酸。塔顶蒸出的恒沸物经冷凝后分层，上层酯相一部分作为回流另一部分可作为萃取溶剂循环使用。离开萃取塔底的萃余相主要是水，其中溶有少量溶剂，恒沸精馏塔顶分层器放出的水层中也溶有少量溶剂可将两者汇合一并加入一提馏塔，以回收其中所含的溶剂。在提馏塔内，溶剂与水的恒沸物从塔顶蒸出，废水则从塔底排出。 萃取过程的经济性 由上可知， 萃取过程本身并未宣接完成分离任务 而只是将一个难于分离的混合杨转变为两个易于分离

4、的混合物。 因此 萃取过程在经济上是否优越取决于后继的两个分离过程是否较原溶液的直接分离更容易实现。 一般说来， 在下列情况下采用萃取过程较为有利： 混合液的相对挥发度小或形成恒沸物，用一般精馏方法不能分离或很不经济； 混合液浓度很稀采用精馏方法须将大量稀释剂 B 汽化，能耗过大； 混合液含热敏性物质(如药物等)，采用萃取方法精制可避免物料受热破坏。 11.1.2 两相的接触方式 萃取设备按两相的接触方式可分成两类，即微分接触式和分级接触式。 微分接触 图 11-3 所示的喷洒式萃取塔是一种典型的微分接融式萃取设备。料液与溶剂中的较重者（称为重相）自塔顶加入，较轻者（轻相）自塔底加入。两相中有

5、一相（图中所示为轻相）经分布器分散成液滴，另一相保持连续。液滴在浮升或沉降过程中与连续相呈逆流2西北大学化工原理电子教案 接触进行物质传递，最后轻重两相分别从塔顶与塔底排出。 级式接触 级式萃取设备常采用混和沉降槽。图 11-4 为单级连续萃取装置，它包括混合器和沉降槽两个部分，常称为混和沉降槽。料液和溶剂连续加入混合器，在搅拌浆作用下，一相被分散成小液滴， 均匀的分布于另一相中。 自混和器流出的两相混合物在沉降槽内分层并分别排出。 11.2 液液相平衡 11.2.1 三角形相图 溶液组成的表示方法 在双组分溶液的萃取分离中，萃取相及萃余相一般都是三组分溶液。表示三组分溶液的组成可用三角形相图

6、。如图 11-6 所示的三角形范围内可表示任何三元溶液的组成。 三角形的三个顶点分别表示三个纯组分， 而三条边上的任何一点则表示相应的双组分溶液。 表示溶液组成的三角形图可以是等腰的或等边的，也可以是非等腰的。当萃取操作中溶质 A 的质量分数很低时，常将 AB 边的比例放大， 以提高图示的准确度。 物料衡算与杠杆定律 设有组成为xA、xB、xS3西北大学化工原理电子教案 （R点）的溶液R kg及组成为yA、yB、yBS（E点）溶液E kg，若将两溶液互相混合，形成的混合物总量为M kg，组成为zA、zBB、zS，此组成可用图 11-6 总的M点表示。对该体系进行物料衡算，可得衡算式如下： 式（

7、11-4）为物料街算的简捷图示方法，称为扛杆定律。根据杠杆定律，可较方便地在图上定出 M 点的位置，从而确定混合液的组成。 混合物的和点与差点 图 11-6 中的点 M 可表示溶液 R 与溶液 E 混合之后的数量与组成， 称为 R、E 两溶液的和点。反之，当从混合物 M 中移去一定量组成为 E 的液体，表示余下的溶液组成的点 R 必在 EM 联线的延长线上，其具体位置同样可由杠杆定律确定： E/MRM/RE （11-5） 因 R 点可表示余下溶液的数量和组成，故称为溶液 M 溶液 E 的差点。 11.2.2 部分互溶物系的相平衡 萃取操作中的溶剂 S 必须与原溶液中的组分 B 不相溶或部分互溶

8、。在全部操作范围内。物系必包含以溶剂 S 为主的萃取相及组分 B 为主的萃余相。现讨论溶质 A 在此两相中的分配，即当两相互成平衡时溶质 A 在两相中的浓度关系。 萃取操作常按混合液中的 A、B、S 各组分互溶度的不同而将混合液分成两类： 第 I 类物系：溶质 A 可完全溶解于 B 及 S 中，而 B、S 为一对部分互溶的组分； 第类物系：溶质 A、B 可完全互溶，而 B 中，而 B、S 及 A、S 为两对部分互溶的组分。 以下主要讨论第 I 类物系的液-液相平衡。 4西北大学化工原理电子教案 溶解度曲线 在三角形烧瓶中称取一定量的纯组分 B， 逐渐滴加溶剂 S， 不断摇动使其溶解。由于 B

9、中仅能溶解少量溶剂 S， 故滴加至一定数量后混合液开始发生混浊， 即出现了溶剂相。记取所滴加的溶剂量，即为溶剂 S 在组分 B 中的饱和溶解度。此饱和溶解度可用直角三角形相图（图 11-8）中的点 R 表示该点称为分层点。在上述溶液中滴加少量溶质 A。溶质的存在增加了 B 与 S 的互溶度，使混合液变成透明，此时混合液的组成在 AR 联线上的 H点。如再滴加数滴 S，溶液再次呈现混浊，从而可算出新的分层点 R1 的组成，此 R1 必在SH 的联线上。 在溶液中文替滴加 A 与 S， 重复上述实验 可获得若干分层点 R2、 R3等。 同样 在另一烧瓶中称取一定量的纯溶剂 S，逐步滴加组分 B 可

10、获得分层点 E。再交替滴加溶质 A与 B，亦可得若于分层点。将所有分层点联成一条光滑的曲线，称为溶解度曲线。因 B、S的互溶度与温度有关，上述全部实验均须在恒定温度下进行。 平衡联结线 利用所获得的溶解度曲线。可以方便地确定溶质 A 在互成平衡的两液相中的组成关系。现取组分 B 与溶剂 S 的双组分溶液，其组成以图 11-9 中的 M1 点表示，该溶液必分为两层，其组成分别为 E1 和 R1。 在此混合液中滴加少量溶质 A。 混合液的组成将沿联线 AM1 移至点 M2。 充分摇动，使溶质 A 在两相中的组成达到平衡。静置分层后取两相试样进行分析其组成分别在点 E2、R2。互成平衡的两相称为共扼

11、相，E2、R2 的联线称为平衡联结线，M2 点必在此平衡联结线上。 在上述两相混合液中逐次加入溶质 A，重复上述实验，可得若干条平衡联结线，每一条平衡联结线的两端为互成平衡的共扼相。 因 11-9 中溶解度曲线将三角形相图分成两个区。 该曲线与底边 R1EI 所围的区域为分层区或两相区，曲线以外是均相区。若某三组分物系的组成位于两相区内的 M 点,该混合液可分为互成平衡的共扼相 R 及 E，故溶解度曲线以内是萃取过程的可操作范围。 同一曲系的平衡联结线的倾斜方向一般相同。 少数物系， 在不同浓度范围内平衡联结线的倾斜方向不同，图 11-10 所示的吡啶氯苯水系统即为一例。 5西北大学化工原理电

12、子教案 相平衡关系的数学描述 由上可知，液液相平衡给出如下两种关系。 (1)分配曲线 平衡联结线的两个端点表示液液平衡两相之间的组成关系。 A 在两相中的平衡组成也可用下式表示： kA称为组分A的分配系数。同样，对组分B也可写出类似的表达式： kByBBB/xB (11-7) BkB称为组分B的分配系数。分配系数一般不是常数，其值随组成和温度而异。类似于气（汽） 液相平衡， 可将组分A在液液平衡两相中的组成yBA、 xA之间的关系在直角坐标中表示，如图 11-12 所示，该曲线称为分配曲线。图示的分配曲线可用某种函数形式表示。即：yaf(xA) (11-8) 此即为组分A的相平衡方程。由于实验

13、的困难，直接获得平衡两相的组成值其实验点数目有限，分配曲线是离散的。在使用时，可采用各种内插方法以求得指定yA的平衡组成xA。 (2)溶解度曲线 临界混溶点右方的溶解度曲线表示平衡状态下萃取相中溶质yA与溶剂ys之间的关系，即： ys(yA) 类似地将临界混溶点左方的溶解度曲线表示为： xs=(xA) 11.2.3 液液相平衡与萃取操作的关系 溶剂的选择性系数 同为单级萃取，若所用的溶剂能使萃取液与萃余液的溶质 A 含量差别6西北大学化工原理电子教案 越大，则萃取效果越佳。溶质 A 在两液体中含量的差异可用选择性系数 表示，其定义为； 可见，选择性系数 相当于精馏操作中的相对挥发度。其值与平衡

14、联结线的斜率有关。当某一平衡联结线延长恰好通过 S 点，此时 l，这一对共扼相不能用萃取方法进行分离，此种情况恰似精馏中的恒沸物。因此，萃取溶剂的选择应在操作范围内使选择性系数 I。当组分 B 不溶解于溶剂时， 为无穷大。 11.3 萃取过程计算 本节主要介绍级式萃取过程的计算。 11.3.1 萃取级内过程的数学描述 和精馏过程一样， 级式萃取过程的数学描述也应以每一个萃取级作为考察单元， 即原则上应对每一级写出物料衡算式，热量衡算式及表示级内传递过程的特征方程式。但是，物质在两相之间传递所产生的热效应一般较小， 萃取过程基本上是等温的， 故无须作热量街算及传热速率计算。只需对单一萃取级进行物料衡算即可。 在级式萃取设备内任取第 m 级(从原料液入口端算起)作为考察对象，进、出该级的各物料流量及组成如图 11-17 所示。对此萃取级作物料衡算可得： 7西北大学化工原理电子教案 11.3.2 单级萃取 单级萃取的解析计算 单级萃取可以连续操作，也可以间歇操作。进、出萃取器的各股物料与组成如图 11-18a 所示，则物料衡算式（11-14）至式（11-16）可表达为： 在设计型