《化工单元操作》萃取与萃取设备课件.ppt

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1、化工单元操作化工单元操作萃取与萃取设备萃取与萃取设备8.1 概述概述: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使之分离。1几个基本概念几个基本概念:(1)萃取剂(溶剂)：所用的溶剂。(2)溶质：原料液中易溶于溶剂的组分。(3)原溶剂：原料液中较难溶于溶剂的组分。萃取过程的简单流程萃取过程的简单流程:萃取过程的简单流程萃取过程的简单流程:混合过程:F（A+B）及S 充分接触,组分转移；澄清过程:形成两相,由于密度差而分层。萃取相E,y溶剂相中出现(S+A+B)萃余相R,x原料液中出现溶剂(B+S+A)萃取相脱除溶剂得萃取液E,y 萃余相脱除溶剂得萃余液R,x

2、脱除溶剂:在两分离塔中,脱除溶剂3.萃取后组成之间的变化萃取后组成之间的变化:结果,使组分得到一定程度的分离。4对萃取剂的基本要求对萃取剂的基本要求:(1)能选择性地溶解各组分,即对各组分具 有不同的溶解度；(2)该溶剂与原溶剂能部分互溶或完全不溶,且混凝后部分互溶的液-液两相较易分层。5.应用范围应用范围:（1）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；（2）混合物蒸馏时形成恒沸物；（3）欲回收的物质为热敏性物料；（4）混合物中含有较多的轻组分,利用精馏的 方法能耗较大；例:青霉素的生产；（5）提取稀溶液中有价值的物质。8.2 液液-液相平衡关系液相平衡关系8.2.1 三

3、角形坐标及杠杆定律三角形坐标及杠杆定律 三元混合液的表示方法一、三角形坐标三角形坐标三组分用三角形坐标表示:等边三角形；直角三角形等；等腰直角三角形（常用）。习惯表示法：（1）各顶点表示纯组分（2）每条边上的点为两组分混合物（3）三角形内各点代表不同组成的三元混合物 注意组成的归一性注意组成的归一性 ix=1K点：xA=0.6 xB=0.4 P点：xA=0.3 xB=0.2 xS=0.5 B1、表示方法表示方法组成的单位组成的单位 原则上可用任意单位 常用质量分率表示 二、杠杆定律杠杆定律 质量分别为mR和mE的两种三元混合物,其组成分别为xA,xB,xs和yA,yB,ys,两者混合物M的质量

4、为mM,其总组成如何?(zA,zB,zs)。物料衡算:mM=mR+mE将方程整理成如下形式：此式说明,三个组成点在一条直线上,即M点位于R E 点的连接线上,且称为杠杆定律。在工程上常用图解法,即杠杆定律:ABSREMR点、E点的和点M对应组成为总组成。相反的问题,求差点差点,即从其混合液M中分出组分(xA,xB,xS)质量为mR的三元混合物,求剩余的组成yA,yB,yS,及质量mE。mE=mM-mR 8.2.2 三角形相图三角形相图萃取相、萃余相的相平衡关系是萃取的基本问题。相平衡数据来自实验。讨论的前提:A在B和S中可全溶；B与S部分互溶或完全不溶(第一类物系)；各组分不发生化学反应。一、

5、溶解度曲线及平衡联结线溶解度曲线及平衡联结线 1、相平衡数据的测定、相平衡数据的测定: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。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.(1)总组成点在两相区内；(2)能得到完整的平衡数据。ABSR0E0MR1E1R2E2EnRnK2、数据标绘及各区的状态数据标绘及各区的状态（1）溶解度曲线:各平衡组成点连成一条曲线；（2）联结线:各对共轭相组成点之间的联线；（3）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；（4）临界混溶点(褶点):共轭相的

6、组成相同,其位置 和物系有关；（5）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、几类物系的相图几类物系的相图（1）部分互溶物系A、B，A、S 完全互溶，而B、S部分互 溶；（2）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；（3）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)。4、温度、压力对相平衡的影响、温度、压力对相平衡的影响 相律:（1）压力的影响 压力的影响较小,可忽略；（2）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。二、辅助曲线

7、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？解决问题的办法：辅助曲线。使用辅助曲线，已知一相的组成可求得另一相的组成。8.2.3 分配曲线及分配系数分配曲线及分配系数 三元混合物系相平衡关系的另一种表示方法。1、分配曲线分配曲线横座标：萃余相中溶质的组成 纵坐标：萃取相中溶质的组成共轭相中的组成标绘如图 共轭相组成转换到直角坐标中得到的曲线称为分配曲线（可由三角形相图转换）。xAyAy=xABSK第一类物系：平衡联结线倾斜方向不一致：第二类物系：REy=x2、分配系数分配系数 A组分在两相中的分配系数 yA=kA xA kA和温度有关，温度升高，kA下降；与浓度有关，溶质浓度升高

8、，kA下降 浓度较低时,kA可视为常数。原溶剂的分配系数 REABSkA1REABSkA=1REABSkA1联结线斜率对分配系数的影响对于完全不互溶物系,浓度常用比质量分数X Y表示3、脱溶剂基分配曲线脱溶剂基分配曲线 将R，E 两相脱去溶剂S，得萃余液及萃取液。yAxAyA=xAABSK 8.3 部分互溶物系的萃取计算部分互溶物系的萃取计算8.3.1 单级萃取单级萃取一一、流程流程 二、特点：二、特点：原料液与溶剂一次性接触。萃取相与萃余相达到平衡。三、计算：计算：已知原料液的处理量及组成（生产工艺给定）,计算：1.给给定定溶剂S的的用用量量mS及及组组成成，求求萃萃取取相相E与与萃萃余相余

9、相R的量的量mE和和mR及组成及组成y、x。方法：方法：（1）依S的用量mS及F的量mF和组成xF确定和点M。ABSFM.(2）确定E，R的量及组成。采取图解试差法确定E，R的组成。试差过程试差过程ABSFMER由杠杆定律确定E和R的量。.(3)确定萃取液与萃余液的组成及量ABSFMERER脱除溶剂量为：2、根据给定的原料液根据给定的原料液F及规定的分离要求，求溶剂及规定的分离要求，求溶剂S用量用量 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；ABRREFMS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最大溶剂用量及最小溶剂用量ABFS

10、ME1R1 减小S，当达到R2时，混溶，故位于R2时的溶剂用量为 S minR2E2当S=Smax时：当S=Smin时：单级萃取的溶剂范围：单级萃取的溶剂范围：SminSSmax4、萃取液的最大浓度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。yA=yAmax时溶剂用量的求法：ABS 过S点作溶解度曲线的切线得点E，求得R，得M点，于是得：yAmaxERFM对比：yA与yAmaxyA可见：yAyAmax 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 8.3.2 多级错流萃取多级错流萃取 一

11、、一、流程流程 二、特点二、特点萃取相溶质的回收率较高，溶剂耗量较大，溶剂回收负荷增加,设备投资大。三、计算计算（）设计型计算（）设计型计算已已知知qm、xF，在规定各级qm量后，求达到一定的分离要求所需的理论级数。（）操作型问题（）操作型问题 已知理论级数，估计其分离能力。方法基本相同。ABSFM1R1E1M2R2E2M3R3E3R38.3.3多级逆流萃取多级逆流萃取一流程流程：二特点二特点 连续逆流操作，分离程度较高三计算三计算 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。解法：每级内平衡 iR i-1E i+1RiEi即Ei和Ri平衡，若能确定

12、Ri组成xi和Ei+1组成yi+1之间的关系，即可求得理论级数（逐级计算)1物料衡算：物料衡算：M点是F、S的和点，也是E1、RN的和点ABSFMRNRNE1利用杠杆定律：注意注意E1和和RN不是共轭相不是共轭相2各级的物料衡算各级的物料衡算 第一级 第二级第 N级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）。3逐级图解逐级图解（1）相图：Ri 和Ei互成平衡 已知F、S可确定M，由M、RN可确定E1AFMRNRNE1DBSAFMRNRNE1DR1E2F S RN E1 DF S M RN E1(差点差点)R1 E2（2）利用分配曲线）利用分配曲线 N较多,三角形相图内作

13、图不准确。画分配曲线画分配曲线；画操作线画操作线:过D点画级联线，求得画梯级得理论级数 示意图示意图图8-31 在直角坐标中图解下场论基数NABFRnRnE1yi+1xiM12iDS(a)xfxiyi+1y1xn操作线y分配曲线x123456iCi(b)0四、溶剂比对操作的影响溶剂比对操作的影响1溶剂比和最小溶剂比溶剂比和最小溶剂比 定义：溶剂比=qmS/qmF 溶剂比的变化，引起差点D的变化，导致理论级数的变化。示意图示意图p2、最小溶剂比的求法最小溶剂比的求法 的位置，既和平衡关系有关，又和分离要求有关。最小溶剂比的确定：所有的联结线延长，与级联RNS相交，D点在右侧，则取离S最近的点；反

14、之，D点在左侧，则取离S最远的点。RNRN连接F、Dmin点，与溶解度曲线相交于E1点，FE1则RNE1与FS的交点为和点M。M最小溶剂比：实际溶剂比取最小实际溶剂比的倍数。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。作业：P265 5、6作业：P265 1、4复习复习:部分互溶物系的萃取计算部分互溶物系的萃取计算1.单级萃取单级萃取 已知S用量,求分离程度(需试差*)ABSFMER.已知分离要求,求S用量(不必试差)ABRREFMSABSFMERER 确定萃取液与萃余液的组成及量 最大溶剂用量及最小溶剂用量ABFSME1R1R2E

15、2 萃取液的最大浓度ABSyAmaxERFMyA 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,min2.多级错流萃取设计型计算:已知分离要求、各级S用量，求N操作型计算：已知N、各级S用量，求分离要求ABSFM1R1E1M2R2E2M3R3E3R38.3.3多级逆流萃取多级逆流萃取一流程流程：二特点二特点 连续逆流操作，分离程度较高三计算三计算 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RN，求N。解法：解法：每级内平衡每级内平衡 iR i-1E i+1RiEiEi和Ri平衡，若能确

16、定Ri组成xi和Ei+1组成yi+1之间的关系，即可求得理论级数（逐级计算)。1物料衡算：物料衡算：M点是F、S的和点，也是E1、RN的和点ABSFMRNRNE1利用杠杆定律：注意注意E1和和RN不是共轭相不是共轭相由F，S确定M，由M和RN，确定 E1AFMRNRNE1DBSD为差点2各级的物料衡算各级的物料衡算第二级第 N级 第一级 各级间的物流之差为一常数，D为各级物流的公共差点（极点）。直线 DEi+1Ri-级联线。3逐级图解逐级图解（1）相图：Ri 和Ei互成平衡 已知F、S可确定M，由M、RN可确定E1AFMRNRNE1DBSAFMRNRNE1DR1E2F S RN E1 DF S

17、 M RN E1(差点差点)R1 E2由E1通过平衡关系确定R1，R1和D连线确定E2,如此交替直至xixN,则N为理论级数。（2）利用分配曲线）利用分配曲线 N较多,三角形相图内作图不准确。画分配曲线画分配曲线 画操作线画操作线:过D点画级联线，得 画梯级得理论级数画梯级得理论级数 示意图示意图图8-31 在直角坐标中图解下场论基数NABFRnRnE1yi+1xiM12iDS(a)xfxiyi+1y1xn操作线y分配曲线x123456iCi(b)04.溶剂比对操作的影响溶剂比对操作的影响(1)溶剂比和最小溶剂比 定义：溶剂比=qmS/qmF 溶剂比的变化，引起差点D的变化，导致理论级数的变化

18、。示意图示意图DqmS/qmF 较大 MS,D是E1和F的差点,净物流向左流动，D点必在三角形相图右侧。qms/qmF MF,E1升高，D点远离S点。qms/qmF qmD=0,D点移到无穷远时,级联线互相平行。qms/qmF 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。(qms/qmF)操作线斜率,趋于分配曲线的斜率(qmS/qmF)(qms/qmF)min-最小溶剂比 P点（夹紧点）所对应的两相联结线和级联线重合,yi=yi+1 夹紧点附近各级无分离能力，N p(2)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。Dmin的确定：的确定：所有的联结线延长，与级

19、联线RNS相交:D点在右侧，取离S最近的点；D点在左侧，取离S最远的点。RN连接F、Dmin点，与溶解度曲线相交于E1点，FE1RNE1与FS的交点为和点M。M最小溶剂比：实际溶剂比取最小实际溶剂比的倍数。实际溶剂比取最小实际溶剂比的倍数。分离要求、溶剂一定时：分离要求、溶剂一定时：多级逆流萃取比多级错流萃取级数少。多级逆流萃取比多级错流萃取级数少。级数一定时：级数一定时：多级逆流萃取比多级错流萃取溶剂用量少。多级逆流萃取比多级错流萃取溶剂用量少。8.4 完全不互溶物系的萃取计算完全不互溶物系的萃取计算 B和S完全不互溶，S和B在两相中的流率不变。以S为基准的比质量分数以B为基准的比质量分数定

20、义：操作线方程操作线方程 实质问题，是利用操作关系和平衡关系确定X、Y 8.4.1 单级萃取单级萃取 mmmm（1）给）给S量，求量，求E、R的浓度的浓度YX0分配曲线XFY0C斜率为（-mB/mS）操作线DXY 由C（，），斜率（-mB/mS）作直线，与分配曲线的交点即为共轭相组成。（2）给定分离要求）给定分离要求X，求，求S用量用量依操作线的斜率求溶剂用量mS。斜率=(-mB/ms)YX0分配曲线XFY0CXYD-mB/mS8.4.2 多级错流萃取mmmmmmmmmmmmmmimSi,Y0mB,Xi-1mS,YimB,Xi1、操作线方程2计算计算1级 (XF,Y0),(X1,Y1)2级 (

21、X1,Y0),(X2,Y2)n级 (XN-1,Y0),(XN,YN)操作型问题操作型问题 已知已知S用量，及理论级数用量，及理论级数N，求分离，求分离 结果。结果。试差计算。直至，则N为理论级数。XY0XFY0-mB/mSX1X2X4X3Y1Y2Y3Y4-mB/mS8.4.3 多级逆流萃取多级逆流萃取mmmSmYi+1mB、mS 流率恒定流率恒定物料衡算物料衡算：mB/mS2理论级数的确定理论级数的确定 图解法3最小溶剂比最小溶剂比(mS/mB)min(mS/mB)minmB/mS或 一般在F、S、分离要求一定时，逆流比错流萃取所需的N少；N相同时逆流所用的S量较小，故生产上多采用逆流萃取。8

22、.5 溶剂的选择及其它萃取方法溶剂的选择及其它萃取方法8.5.1 溶剂的选择溶剂的选择1溶剂的选择性溶剂的选择性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。或脱除溶剂后，A、B组分含量比不变。选择性系数2 溶剂与原溶剂的互溶度溶剂与原溶剂的互溶度3溶剂的可回收性溶剂的可回收性采用的方法是：蒸馏，蒸发，结晶等方法。4溶剂的物理性质溶剂的物理性质 密度差，界面张力，粘性 密度差大，界面张力适中，粘度较低。5稳定性，腐蚀性，价格。稳定性，腐蚀性，价格。8.5.2 其它萃取方法简介其它萃取方法简介 1 1回流萃取逆流萃取上部增加增浓段，塔顶有萃取液回流。2、双溶剂萃取双溶剂萃

23、取新溶剂S*与S 基本不互溶，S对A溶解度较大，S*对B溶解度大。8.6 浸取与超临界萃取浸取与超临界萃取8.6.1浸取 固-液之间的萃取。8.6.2 超临界萃取超过临界温度、临界压力状态下的气体具有特异溶解能力，可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。(CO2超临界萃取）温度压力固体液体气体超临界流体 8.7 萃取设备萃取设备 8.7.1 分类分类 1.逐级接触和微分接触式 逐级接触-浓度呈阶跃式变化，微分接触式-浓度连续变化。2.是否需要外加功。3.组件式和塔式 （1）结构 （2）工作原理 （3）特点 8.7.2 混合澄清槽混合澄清槽8.7.3 塔式萃取设备塔式萃取设备 一喷洒塔一喷洒塔 二筛板萃取塔筛板萃取塔 （1）结构（2）工作原理（3）特点：结构简单，造价低。（4）处理量大，级效率较低。三填料萃取塔填料萃取塔四四.转盘萃取塔转盘萃取塔五五.搅拌填料塔搅拌填料塔六六.脉冲萃取塔脉冲萃取塔七七.振动筛板塔振动筛板塔 8.7.3 离心萃取器离心萃取器