化工原理 7章液液萃取ppt课件.ppt

化工原理principles of chemical engineering,第一章 液液萃取,延安大学化学与化工学院,第七章 液液萃取,第一节 概述第二节 液液萃取相平衡 第三节 液液萃取过程的计算 第四节 超临界气体萃取简介 第五节 液液萃取设备,第一节 概述液-液萃取（抽提）：利用液体混合物中各组分对溶剂溶解度的 差异来分离或提纯物质的传质过程。目的: 分离液-液混合物。依据: 利用混合物中各组分在某一溶剂中的溶解度之间的差异。（1）几个基本概念 萃取剂(溶剂)S：所用的溶剂； 原料液F：所处理的混合液； 溶质A：原料液中易溶于溶剂的组分； 原溶剂B：原料液中较难溶于溶剂的组分。,（2） 萃取过程的简单流程, 混合传质过程： F（A+B）及S 充分接触,组分发生相转移； 沉降分相过程： 形成两相E、R，由于密度差而分层； 脱除溶剂过程,萃取相Extract,萃余相Raffinate,料液A+BFeed,萃取剂Solvent,混合澄清槽Mixer-settler,两相,萃取相 E, y溶剂相中出现 (S+A+B),萃余相 R, x原溶剂相中出现 (B+S+A),萃余相脱除溶剂得萃余液 R, x,脱溶剂后,萃取相脱除溶剂得萃取液 E, y,（3）实现萃取操作的基本要求 选择适宜的溶剂。溶剂能选择性地溶解各组分，即对溶质具有显著的溶解能力，而对其他组分和原溶剂完全不溶或部分互溶。 原料液与溶剂充分混合、分相，形成的液-液两相较易分层。 脱溶剂得到溶质，回收溶剂。溶剂易于回收且价格低廉。,(4) 萃取后组成之间的变化 萃取后:,使组分A、B得到一定程度的分离。,应用 液体混合物中各组分的相对挥发度接近 1，采用精馏的办法不经济； 混合物蒸馏时形成恒沸物； 欲回收的物质为热敏性物料； 混合物中含有较多的轻组分，利用精馏的方法能耗较大； 提取稀溶液中有价值的物质； 分离极难分离的金属。,脱出溶剂后：,萃取操作在化学和石油化学工业上得到广泛发展,如：乙酸乙酯溶剂萃取石油馏分氧化所得的稀醋酸-水溶液 以SO2为溶剂从煤油中除去芳香烃。,19世纪，用于无机物和有机物的分离，如1842年用二乙醚萃取硝酸铀酰，用乙酸乙脂类的物质分离水溶液中的乙酸等。石油化工：链烷烃与芳香烃共沸物的分离。例如用二甘醇从石脑油裂解副产汽油中或重整油中萃取芳烃, 如苯、甲苯和二甲苯（尤狄克斯法）。工业废水处理：用二烷基乙酰胺脱除染料厂、炼油厂、焦化厂废水中的苯酚。有色金属冶炼：萃取是湿法冶金中溶液分离、浓缩和净化的有效方法。例如铌-钽、镍-钴、铀-钒体系的分离，以及核燃料的制备。制药工业：从复杂的有机液体混合物中分离青霉素、链霉素以及维生素等。,萃取应用举例,第二节 液液萃取相平衡 7.2.1 三角形坐标图及杠杆定律 （1）三角形坐标 三元混合液的表示方法：,等边三角形,直角三角形（常用等腰直角三角形）,三角形坐标,任意三角形, 表示方法 习惯表示法： 各顶点表示纯组分； 每条边上的点为两组分混合物； 三角形内的各点代表不同组成的三元混合物。,A点 ： xA=0.6K点 ： xA=0.6 xB=0.4 P点 ： xA =0.3 xB =0.3 xS=0.4,注意：组成的归一性，即,1.0,S, 组成的单位 常用质量分率表示(原则上可用任意单位)。,任意三角形坐标,直角三角形坐标,（2）杠杆定律 三元混合物 mR（xA, xB, xs）和mE（yA, yB, ys ）混合 形成新的混合物mM, ( zA, zB, zs) ：,物料衡算,将方程整理成如下形式：,此式说明，三个组成点M、R、E在一条直线上, 即M点位于RE 点的连接线上。, 称为杠杆定律,或：, 求和点已知R点、E点，求和点 M。,能否将该图美化？,1.0,1.0, 求差点 即从其混合液M中分出组成为(xA, xB, xS)， 质量为mR的三元混合物,求剩余的组成及质量。,1.0,1.0,7.2.2 三角形相图 萃取相、萃余相的相平衡关系是萃取设计、计算的基本条件，相平衡数据来自实验或由热力学关系推算。讨论的前提: 各组分不发生化学反应。（1）溶解度曲线及平衡联结线 相平衡数据的测定：,再加入一定量A，搅拌均匀,静止分层,得到互呈平衡的液-液两相(共轭相)，得到另一组平衡数据.,加入的B 、S适量，搅拌均匀，静止分层，得到互呈平衡的液-液两相(共轭相)，得到一组平衡数据。,混合澄清器,单项区,两项区,Rn,B、S部分互溶三角形相图,En,联结线,溶解度曲线,S,A,B,M,K,Mn,（2）数据标绘及各区的状态 溶解度曲线:各平衡组成点连成一条曲线，称为溶解度曲线； 联结线:各对共轭相组成点之间的联线，称为联结线； 混溶点: 曲线内为两相区，曲线外为单相区，曲线上的点称 为混溶点； 临界混溶点(褶点) :共轭相的组成相同，其位置和物系有关； 萃取相和萃余相: 以原溶剂为主的相称为萃余相，以溶剂为 主的相称为萃取相。,（3）几类物系的相图 部分互溶物系，A、B，A、S 完全互溶，而B、S部分互 溶；,三角形相图, 完全不互溶物系， A、B，A、S 完全互溶，而B、S完全不互溶。 共轭相中，一相 S=0 另一相 B=0；, 第二类物系 (具有两对部分互溶物的物系，A、 B 完全互溶， A、S，B、S部分互溶),两相区,单相区,溶解度曲线,联结线,温度较高时第二类物系三角形相图,两相区,溶解度曲线,A,S,B,1.0,1.0,0,（4）温度、压力对相平衡的影响, 压力的影响： 压力的影响较小，可忽略；,根据相律：, 温度的影响： 温度的影响敏感，温度升高， 溶解度增大，两相区小， 不利于萃取操作。,(5) 辅助曲线问题： 已知一相的组成，如何求取其它共轭相的组成？解决办法：辅助曲线作图法:使用辅助曲线，已知一相的组成可求得另一相的组成。,辅助曲线作法：,利用辅助曲线求取共轭相组成,辅助线在三角形相图外：,要求溶剂具有一定的选择性，即对A的溶解度要大，对其它组分的溶解度要小。 评价指标选择性系数：,脱除溶剂后，A ，B组分含量比不变，因此：,7.2.3 萃取剂的选择,（2）溶剂萃取容量 定义：部分互溶物系的褶点处或第二类物系溶解度最大时， 萃取相中单位溶剂可能达到的最大溶质负荷。,（3）溶剂与原溶剂的互溶度,B 、S 互溶度越小，两相区越大，萃取操作范围也越大， 对萃取有利。,（4）溶剂的可回收性 回收采用的方法是：蒸馏，蒸发，结晶等方法。,（5）溶剂的物理性质 主要物理性质：密度差，界面张力，粘性 要求：密度差大，界面张力适中，粘度较低。,（6）稳定性，腐蚀性，价格 良好的稳定性，腐蚀性小，毒性低，资源充足，价格适宜等。,计算任务：确定各种萃取过程中分离程度，以及为达到分离要求所需要的萃取剂用量和萃取理论级数。,分类：（1）级式接触式：单级，多级错流，多级逆流（2）连续（微分）接触式,基本工具：物料衡算和相平衡关系，计算萃取实际级数和连续逆流萃取设备高度时还需用传质速率方程。（萃取过程热效应较小，可认为是等温操作，不作热量衡算）,理论萃取级：即无论进入该级的两股液流（原料、溶剂或前一级的萃余相和后一级的萃取相）的组成如何，经过萃取后，从该级流出的萃取相和萃余相为互成平衡的两个相。,第三节 液液萃取过程的计算,7.3.1 单级萃取计算 (1) 流程,单级萃取流程示意图,（2）特点 原料液与溶剂一次性接触。 萃取相与萃余相达到平衡。（3）计算 已知原料液的处理量及组成（生产工艺给定），计算： 操作型：给定S 的用量mS 及组成，求萃取相E与萃余 相R的量mE 和mR 及组成 y、x。 设计型：根据给定的原料液F及规定的分离要求， 求溶剂S用量。, 操作型计算求解方法 a）依S的用量 mS 及 F 的量 mF 和组成 xF 确定和点M：,b）确定E，R的量及组成 采取图解试差法确定E，R的组成。,由杠杆定律确定E和R的量：,c) 确定萃取液与萃余液的组成及量,脱除溶剂量为：,A,A, 设计型计算求解方法一般规定萃余相R的x或萃余液R的x. 解法：由R得到E，连接F、得交点；,溶剂用量：,进而，得到萃取液、萃余液的量和组成。,（3） 最大溶剂用量及最小溶剂用量,减小S，则靠近 F，当达到R2时混溶，故位于R2时的溶剂用量为 mS min。,当 mS=mSmax 时,当 mS=mSmin时,单级萃取的溶剂范围：mSmin mS mSmax,增加S，则靠近 S，当M点达到1时混溶，故位于1时的溶剂用量为 mS max。,（4）萃取液的最大浓度,当S=Smin时，E的浓度yA最大，但yA一般不是最大。,过S点作溶解度曲线的切线得点E， 求得R，得M点，于是得：,萃取液的最大浓度确定:,注意： 如果M点在两相区外相交，说明超出萃取范围，不能进行萃取操作，由R1点确定的溶剂用量为该操作条件下的最小溶剂用量m S,min。,7.3.2 多级错流萃取的计算 （1）流程,（2）特点 溶剂耗量较大，溶剂回收负荷增加, 设备投资大。（3）计算 设计型计算 已知： qm、xF， 规定各级qm量， 求：达到一定的分离要求所需的理论级数。 操作型问题 已知：理论级数 估计：分离能力。 说明：解决方法基本相同。,多级错流萃取图解计算：,7.3.3 多级逆流萃取的计算 （1）流程,（2）特点 连续逆流操作，分离程度较高。（3）计算 设计型问题：已知S的组成，qmF、xF, 规定 qmS/qmF （溶剂比）和分离要求，求 N 。 解决方法：每级内平衡。,即Ei和Ri平衡，若能确定Ri 组成 xi 和 E i+1 组成 yi+1之间的关系， 即可求得理论级数（逐级计算) 。,a）总物料衡算,说明：M点是F、S的和点，也是E1、RN的和点。,利用杠杆定律：,注意: E1和 RN 不是共轭相。, 三角形相图图解法,b）各级的物料衡算 第一级,第二级,第 N级,于是：,此式说明：各级间的物流之差为一常数， 且D为各级物流的公共差点（极点）。,c）逐级图解过程 已知F、S可确定M，由M、RN可确定E1。,由E1通过平衡关系确定R1，R1和D连线确定E2 ,多级逆流萃取图解法,如此交替直至萃余相组成小于规定要求，则N为理论级数。, 利用分配曲线 N较多时，三角形相图内作图不准确。 a）画分配曲线； b）画操作线； 过D点画级联线，求得,c）画梯级得理论级数。,（4）溶剂比对操作的影响 溶剂比和最小溶剂比 定义：溶剂比=qmS/qmF,说明：溶剂比的变化，引起差点D的变化，导致理论级数的变化。, qmS/qmF 较大， MS， E1为F和D的和点，D点在 三角形相图右侧，净物流向左流动。 qmS/qmF减小，MF ，E1升高，D点远离S。 D点移到无穷远时D=0，级联线互相平行。 qmS/qmF 再减小，F为E1和D的和点，D点落在 三角形相图左侧，净物流向右流动。,可见：, 最小溶剂比的求法,的位置，既和平衡关系有关，又和分离要求有关。,夹紧点与Dmin的关系：,最小溶剂比的确定：操作范围内的联结线延长，与RNS相交， D点在右侧，则取离S最近的点； D点在左侧，则取离S最远的点。,连接F、Dmin点，与溶解度曲线相交于E1点，,F,E1,则RNE1与FS的交点为和点M。,M,最小溶剂比：,实际溶剂比的确定： 实际溶剂比取最小实际溶剂比的倍数。,多级错流萃取与多级逆流萃取的比较： 分离要求、溶剂一定时：多级逆流萃取比多级错流萃取板数少。板数一定时：多级逆流萃取比多级错流萃取溶剂用量少。 生产上多采用逆流萃取操作。,指：萃取相和萃余相逆流微分接触，使两相中的溶质浓度沿流 动方向发生连续的变化。,完成规定分离要求所需塔高或填料层高度的计算。,8.3.4 微分接触式逆流萃取,（1）理论级当量高度法,理论级当量高度Hth：与物系、操作条件和设备形式有关， 其值由实验确定。,（2）传质单元数法,取微元高度dH,7.3.5 回流萃取 逆流萃取上部增加增浓段，塔顶有萃取液回流。,第四节 超临界气体萃取简介定义： 利用超过临界温度、临界压力状态下的气体具有的特异溶解能力，选择性地溶解混合液体或固体中的溶质，分离液体或固体混合物的单元操作。,（1）超临界萃取基本原理,C点：体系的界面消失，成为均相体系，称为临界点对应的温度临界温度对应的压力临界压力,超临界状态下体系的特点：既非气体，亦非液体，却既具有近似气体的粘度和渗透能力，又具有接近液体的密度和溶解能力。,常用的超临界萃取溶剂 CO2,（2）超临界萃取的原则流程,流程主要分为两部分： 在超临界状态下，溶剂气体与原料接触进行萃取获得萃取相； 将萃取相进行分离，脱除溶质，再生溶剂。,改变压力或温度的超临界萃取流程,采用吸附分离的超临界萃取流程：,超临界萃取的特点： 操作温度一般较低，接近室温； 过程易于调节； 分离工艺流程简单； 萃取效率一般高于液体萃取，不会引起被萃取物质的污染且不进行溶剂蒸馏； 体系的沸点和溶解度与溶剂和溶质的种类有关； 萃取过程在高压下进行，设备及工艺技术要求较高，投资大. 间歇操作，无法连续操作。,（3）超临界流体萃取的应用,化学工业：废水中微量有机物的去除、共沸物的分离等；医药工业：药品有效成分的萃取、脂肪质的分离精制等；食品工业：植物油的萃取、咖啡和茶的脱咖啡因等。,第五节 液液萃取设备 要求：提供适宜的传质条件，使两相充分有效地接触并伴有较高程度的湍流，保证两相之间迅速有效地进行传质，并使两相得到及时、完善的分离。 分类： （1）按两相接触方式划分 逐级接触浓度呈阶跃式变化， 微分接触式浓度连续变化。 （2） 按外界是否输入机械能划分 重力流动设备、外加能量的设备。 （3）按设备结构特点和形状划分 组件式由单级萃取设备组合； 塔式板式塔、喷洒塔、填料塔。,7.5.1 萃取设备的基本要求与分类,一、 混合澄清槽,（1）结构,7.5.2 常用萃取设备简介,（2）优点 处理量大，级效率高； 结构简单，容易放大和操作； 两相流量比范围大，运转稳定可靠，易于开、停工； 对物系的适应性好，对含有少量悬浮固体的物料也能处理； 易实现多级连续操作，便于调节级数。不需高大的厂房和 复杂的辅助设备。,（3）缺点 占地大，溶剂储量大。 需要动力搅拌和级间物流输送设备，设备费和操作费较高。,（4）应用 适用于所需级数少、处理量大的场合。,Elgin,型喷淋萃取塔,二、塔式萃取设备 （1）喷洒塔（喷淋塔）,特点：无塔内件，阻力小，结构简单，投资少易维护。但两相很难均匀分布，轴向反混严重，理论级数不超过12级，传质系数小。,（2）筛板萃取塔,筛板塔,塔板上两相流动情况：,为保证筛板塔正常操作，应考虑以下几点： 分散相应均匀地通过全部筛孔，防止连续相短路而降低分离效率；两相在板间分层明显，而且要有一定高度的分散相累积层。,（3）填料萃取塔,特点：填料萃取塔结构简单，造价低廉，操作方便，级效率较低，在工艺要求的理论级小于3，处理量较小时可考虑采用。,（4）转盘萃取塔,特点：结构简单，造价低廉，维修方便，操作弹性和通量较大，应用较广。,（5）搅拌填料塔,三、 离心萃取器,优点：处理量大，效率较高，提供较多理论级，结构紧凑，占地面积小，应用广泛。缺点：能耗大，结构复杂，设备及维修费用高。应用：适用于要求接触时间短，物流滞留量低，易乳化，难分相的物系。,离心萃取器,离心萃取器,离心萃取器,7.5.3 萃取设备的选择,选择原则：（1）稳定性及停留时间 稳定性差 停留时间尽可能短离心萃取器； 伴有较慢的化学反应时停留时间长混合-澄清槽。（2）所需理论级数 需理论级数少（23级） 各种萃取设备； 需理论级数45级 转盘塔、脉冲塔和振动筛板塔； 需理论级更多 离心萃取器或多级混合-澄清槽。（3）物系的分散与凝聚特性 物系易乳化，不易分相 离心萃取器； 物系界面张力较小，或两相密度差较大 重力流动式。,（4）生产能力 生产处理量小 填料塔或脉冲塔； 生产处理量大 筛板塔，转盘塔，混合-澄清槽等。（5）防腐蚀及防污染要求 具有腐蚀性 结构简单的填料塔； 具有污染性 屏蔽性能良好的脉冲塔。（6）建筑物场地要求 空间高度有限 混合-澄清槽； 占地面积有限 塔式萃取设备。,