化工原理 第七章 萃取

《化工原理 第七章 萃取》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《化工原理 第七章 萃取（79頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第四章 液液萃取1 概述2 三元體系的液液相平衡3 萃取過(guò)程的計(jì)算5 液液萃取設(shè)備4.1 概述1、萃取操作的基本原理和過(guò)程液液萃?。ǔ樘幔涸谝后w混合物中加入一種與其不溶或部分互溶的液體溶劑，經(jīng)過(guò)充分混合，分相，利用混合液中各組分在溶劑中溶解度的差異而實(shí)現(xiàn)分離的一種單元操作。又稱溶劑萃取。目的: 分離液-液混合物。依據(jù): 利用混合物中各組分在某一溶劑中的溶解度之間的差異?；旌蟼髻|(zhì)過(guò)程：充分接觸，相界面?zhèn)髻|(zhì)；沉降分相過(guò)程：密度差分相E、R；脫除溶劑過(guò)程：精餾、蒸發(fā)、結(jié)晶等。幾個(gè)概念：萃取劑(溶劑)S：所用的溶劑原料液F：所處理的混合液（ A+B ）溶質(zhì)A：原料液中易溶于溶劑的組分；原溶劑（稀釋劑

2、）B：難溶或不溶組分。2、萃取分離的適用場(chǎng)合 1：如芳烴與脂肪烴； 混合物蒸餾時(shí)形成恒沸物； 欲回收的物質(zhì)為熱敏性物料；稀溶液，精餾能耗大：如稀醋酸制備無(wú)水醋酸； 稀有元素及環(huán)境治理：廢水脫酚； 分離極難分離的金屬：核燃料等。3、萃取操作的特點(diǎn) 外界加入萃取劑形成第二相，故萃取劑與混合液只能部分互溶或完全不溶； 不能直接得到純產(chǎn)品過(guò)渡操作； 常溫操作，適合熱敏性組分且節(jié)能； 三元或多元體系，相平衡關(guān)系復(fù)雜，通常需在三角形相圖上表示；4.2 三元體系的液液相平衡4.2.1組成在三角形相圖中的表示方法組分濃度常用質(zhì)量分率表示，有時(shí)也用體積分率或摩爾分率。各頂點(diǎn)表示純組分（A、B、S）；任一邊上的點(diǎn)

3、表示相關(guān)二元混合物；習(xí)慣上，AB邊以A的質(zhì)量分率作為標(biāo)度，BS邊以B的質(zhì)量分率作為標(biāo)度，SA邊以S的質(zhì)量分率作為標(biāo)度。三角形內(nèi)的點(diǎn)代表三元混合物。M點(diǎn)的組成：過(guò)M點(diǎn)做BS的平行線，得ED，則BE（SD）為含有的溶質(zhì)A；過(guò)M點(diǎn)做AS的平行線，得HG，則AH（SG）為含有的稀釋劑B；過(guò)M點(diǎn)做AB的平行線，得KF，則AK（BF）為含有的萃取劑S。4.2.2液液相平衡關(guān)系按組分互溶度，將三元混合液分為： A完全溶于B及S中，而B、S不互溶； A完全溶于B及S中，而B、S部分互溶； A與B互溶，B與S和A與S部分互溶。習(xí)慣上，將、兩種情況的物系稱為第類物系，而將情況的物系稱為第類物系。工業(yè)上常見的第類物

4、系有：丙酮(A)水(B)甲基異丁基酮(S)、醋酸(A)水(B)苯(S)丙酮(A)氯仿(B)水(S)；第類物系有：甲基環(huán)己烷(A)正庚烷(B)苯胺(S)、苯乙烯(A)乙苯(B)二甘醇(S)。在萃取操作中，第類物系較為常見，以下主要討論這類物系的相平衡關(guān)系。1.溶解度曲線和聯(lián)結(jié)線設(shè)溶質(zhì)A可完全溶于B及S，但B與S部分互溶。相平衡數(shù)據(jù)測(cè)定：加入的B 、S適量攪拌均勻，靜止分層，得到互呈平衡的液-液兩相)，得到一組平衡數(shù)據(jù)。在總組成為F的二元混合液中加入一定量A(B、S的質(zhì)量比不變)，三元混合液的組成點(diǎn)將沿AF線變化；A的量逐漸增加，直至不再分相混溶點(diǎn)（分層點(diǎn)）。改變總組成，重復(fù)上述步驟，得到溶解度曲

5、線。兩相區(qū)內(nèi)的混合物為兩個(gè)液相，達(dá)到平衡時(shí)，兩個(gè)液層稱為共軛相，連接共軛液相組成坐標(biāo)的直線稱為聯(lián)結(jié)線。通常聯(lián)結(jié)線的斜率隨混合液的組成而變，但同一物系其聯(lián)結(jié)線的傾斜方向一般是一致的，有少數(shù)物系，例如吡啶氯苯水，當(dāng)混合液組成變化時(shí)，其聯(lián)結(jié)線的斜率會(huì)有較大的改變2. 輔助曲線與臨界混溶點(diǎn) 有限個(gè)共軛組成 得到的聯(lián)結(jié)線可按 一定方法作出輔助 曲線； 臨界混溶點(diǎn)P：過(guò)該點(diǎn)的聯(lián)結(jié)線無(wú)限短，處于分相的臨界點(diǎn)。不一定是頂點(diǎn)（因?yàn)槁?lián)結(jié)線有一定斜率）； 臨界混溶點(diǎn)需實(shí)測(cè)，一般不能外推。3、分配系數(shù)和分配曲線1）分配系數(shù)：一定溫度下，在平衡的兩相中，某組分在E相與R相中的組成之比稱為該組分的分配系數(shù)，以k表示： A

6、A Ayk x BB Byk xyA、yB萃取相E中組分A、B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；xA、xB萃余相R中組分A、B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。kA表明了組分在共軛相中的分配關(guān)系；kA=f(物系，T，濃度)。T 、濃度kA ；恒溫、恒壓、低濃時(shí)， kA =可視為常數(shù)。2）分配曲線yAxA圖有一對(duì)組分部分互溶時(shí)的分配曲線kA1，聯(lián)結(jié)線斜率0，曲線在y=x上方；kA1，聯(lián)結(jié)線斜率1。若kA1，則一定有1；若kA1，則可能大于1或接近1；效果S用量能耗產(chǎn)品純度；=1，脫S后組成與料液相同，不能用萃取分離。類似于，溶質(zhì)A在萃取液與萃余液中的組成關(guān)系也可用類似于蒸餾中的汽液平衡方程表示：2、萃取劑S與稀釋劑B的互溶度組分B與S的互

7、溶度影響溶解度曲線的形狀和分層面積。互溶度分層面積ymax。B、S互溶度愈小，愈有利于萃取分離。3、萃取劑回收的難易與經(jīng)濟(jì)性 回收費(fèi)用在萃取中比重大； 常用蒸餾分離：大且無(wú)共沸，組成小的易揮發(fā)，若溶劑作易揮發(fā)則汽化熱要小節(jié)能；若接近1，可用反萃或結(jié)晶分離等方法。 萃取能力大，減少S用量； S在B中溶解度小，減少浪費(fèi)。4、萃取劑的其它物性 密度：密度差大，容易分相處理能力（特別是無(wú)外加能量的設(shè)備）； 表面張力：大易聚結(jié)易分相難分散；反之，難分層，易乳化； 黏度： 對(duì)萃取有利。 一般工業(yè)要求：化學(xué)及熱穩(wěn)定性，腐蝕性，無(wú)毒，來(lái)源，價(jià)格等。例 一定T，測(cè)得A、B、S平衡數(shù)據(jù)。試求：作溶解度曲線和輔助曲

8、線；臨界互溶點(diǎn)組成；xA=20%時(shí)的kA和；F=100kg, xF=30%, 混合液開始分層時(shí)S=?; 對(duì) 中料液， 欲得yA=36%，xA=?，xM=?作溶解度曲線和輔助曲線；臨界互溶點(diǎn)組成；xA=20%時(shí)的kA和；F=100kg, xF=30%, 混合液開始分層時(shí)S=?;對(duì) 中料液， 欲得yA=36%，xA=?，xM=?4.3萃取過(guò)程的計(jì)算萃取設(shè)備：分級(jí)式與連續(xù)式；分級(jí)式：?jiǎn)渭?jí)萃取和多級(jí)萃取假設(shè)條件：離開每級(jí)的萃取相和萃余相相互平衡。單級(jí)萃取流程特點(diǎn)： 一次接觸，兩相平衡；連續(xù)或間歇；組成：x、y。4.3.1單級(jí)萃取的計(jì)算1、萃取過(guò)程在三角形相圖上的表示1）混合S加到原料液F中，M點(diǎn)在SF

9、線上，由杠桿規(guī)則確定，應(yīng)落在兩相區(qū)2）分層得到平衡相：E相與R相（利用輔助曲線，且過(guò)M點(diǎn)）由杠桿規(guī)則確定量3）脫溶劑脫除溶劑S后，得到E和R，在AB線上，數(shù)量關(guān)系用杠桿規(guī)則， E FR E FRR FFE R E 萃取液最大濃度ymax從S點(diǎn)做溶解度曲線的切線與AB線交于EmaxS與B互溶度分相范圍 ymax。T 互溶度 ymax ，但也會(huì)造成和表面張力，D，因此溫度選擇要適當(dāng)。2、單級(jí)萃取的計(jì)算1）計(jì)算任務(wù)：已知：F、xF、xR求：S、E、R及yE。2）計(jì)算方法：物料衡算、平衡關(guān)系和杠桿規(guī)則。1）先確定點(diǎn)F和點(diǎn)R2）由R點(diǎn)和輔助線得E點(diǎn)，RE與SF交于M點(diǎn)；3）E和R為脫除溶劑后的萃取液和萃

10、余液組成；總物料衡算：F+S=R+E=M各流股的量由杠桿定律： MFS F MSMRE M RER FE F R E 分物料衡算式：1 1( )( ) ( ) ( )F S E R MM RE RF RE RF SFx Sy Ey Rx MxM x xE y xF x xE y xR F EB X X S Y Y 例：在25下，用水(S)萃取醋酸(A)氯仿(B)中的醋酸，F(xiàn)=1000 kg/h，xF =35%，S=800 kg/h。試求：?jiǎn)渭?jí)萃取后E及R的流量和組成；E和R的流量及組成；。B,S若視作不互溶，K=3.4，要求原料液中80%的溶質(zhì)A進(jìn)入E相，求S/B?作溶解度曲線和輔助曲線；由杠

11、桿規(guī)則確定M點(diǎn)借助輔助曲線，試差定E和R點(diǎn)，讀出組成，量圖計(jì)算流量。作SE,SR的延長(zhǎng)線，讀圖，確定萃取液和萃余液組成及流量。/A BA By yx x 4.3.2多級(jí)錯(cuò)流接觸萃取每級(jí)均加入新鮮S，前一級(jí)的R做為后一級(jí)的原料液。特點(diǎn)：推動(dòng)力大；級(jí)數(shù)足夠多，萃余相（xn ）就可足夠低；S用量大，回收負(fù)荷、投資大。1、B,S部分互溶時(shí)的三角形坐標(biāo)圖解法單級(jí)圖解的重復(fù)例：在25下，已知丙酮(A)-水(B)-氯仿(S)平衡數(shù)據(jù)。三級(jí)錯(cuò)流，F(xiàn)=500 kg/h，xF=40%，各級(jí)Si相同，S1=0.5F試求丙酮回收率2、B,S不互溶時(shí)的理論級(jí)數(shù)計(jì)算直角坐標(biāo)圖解法不互溶，則E中的S與R中的B為常數(shù)，濃度可

12、用質(zhì)量比表示：同一級(jí)的兩相處于平衡，滿足平衡關(guān)系；同時(shí)也應(yīng)該符合物料平衡，即滿足相應(yīng)的操作關(guān)系。因此，在XY坐標(biāo)中，組成點(diǎn)應(yīng)是二者的交點(diǎn)。對(duì)每一級(jí)作物料衡算：作圖方法：1）作分配曲線；2）確定V點(diǎn)；由V點(diǎn)定E1點(diǎn)；3）過(guò)E1點(diǎn)作垂線得到U點(diǎn)E2；4）以此類推，直到X達(dá)到要求為止。說(shuō)明：1）操作線數(shù)即為理論級(jí)數(shù)；2）Si相等，則各操作線平行；3）使用純?nèi)軇r(shí)Ys =0；4）單級(jí)萃取，亦可用直角坐標(biāo)圖解；5）使用條件：完全不互溶體系。解析法適用：Y = KX （K為常數(shù)）4.3.3多級(jí)逆流接觸萃取特點(diǎn)：連續(xù)、高效、S用量??；S一般循環(huán)使用，常含少量A和B，故最終R相最低組成受循環(huán)溶劑組成限制，E相

13、最高組成受料液組成限制。B、S部分互溶體系的圖解計(jì)算 三角形相圖上逐級(jí)圖解法1）作平衡曲線及輔助曲線；2）確定F、S，并由溶劑比S/FM；3）由xnRn，由Rn、M延長(zhǎng)確定E1；4）由平衡關(guān)系及物料衡算n。4.5液液萃取設(shè)備分類：逐級(jí)接觸和微分接觸 有外加能量和無(wú)外加能量1、混合澄清槽優(yōu)點(diǎn)： 處理量大，級(jí)效率高； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易放大和操作； 流量比范圍大，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，易于開、停工；對(duì)物系的適應(yīng)性好，對(duì)含有少量懸浮固體的物料也能處理； 易實(shí)現(xiàn)多級(jí)連續(xù)操作，便于調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)。不需高大廠房和復(fù)雜的輔助設(shè)備。缺點(diǎn)： 占地大，溶劑儲(chǔ)量大。 需動(dòng)力攪拌和級(jí)間物流輸送設(shè)備，設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)較高。2、塔式萃取設(shè)備 噴灑塔無(wú)內(nèi)構(gòu)件。返混嚴(yán)重，效率低。填料萃取塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適于處理腐蝕性物料。僅靠密度差產(chǎn)生逆向流動(dòng)，流速低，湍動(dòng)程度低。為改善，采用脈沖填料萃取塔（往復(fù)泵或壓縮空氣） 篩板萃取塔塔板減少返混，多次分散聚結(jié)，提高效率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，適于腐蝕性物料。 脈沖篩板萃取塔往復(fù)篩板萃取塔 轉(zhuǎn)盤萃取塔及偏心轉(zhuǎn)盤萃取塔