化工原理(下)第四章 萃取426

第四章萃取4.3部分互溶物系的萃取計算回顧1、萃取的依據:

利用混合物中各組分在某一溶劑中的溶解度之間的差異。2、三角坐標表示方法：▲各頂點表示純組分；▲每條邊上的點為兩組分混合物；▲三角形內的各點代表不同組成的三元混合物。ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.83、杠桿定律描述兩個混合物C和D形成一個新的混合物M時，或者一個混合物M分離為C和D兩個混合物時，其質量之間的關系。

分量與合量的質量與直線上相應線段的長度成比例，即：ABSDCMABSDM4、液-液平衡關系ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.20.40.60.8REM單相區(qū)兩相區(qū)組成落在單相區(qū)的三元混合物形成一個均勻的液相；組成落在雙相區(qū)的三元混合物所形成的兩互成平衡的液相，被稱為共軛相，其組成分別由R和E點表示；聯(lián)結線：聯(lián)結E、R兩點的直線。對任何B、S的兩相混合物，當加入A的量使混合液恰好變?yōu)榫嗟狞c稱為混溶點。兩個共軛相組成相同時的混溶點被稱為臨界混溶點

。①溶解度曲線②聯(lián)結線③混溶點:④臨界混溶點(褶點)⑤萃取相和萃余相:5、輔助曲線ABSR1E1PR2E2E3E4R3R4ABSR1E1PR2E2E3E4R3R4已知共軛相中任一相的組成，可利用輔助線得出另一相的組成。6.溫度對相平衡的影響相圖上兩相區(qū)的大小，不僅取決于物系本身的性質，而且與操作溫度有關。一般情況下，溫度上升，互溶度增加，兩相區(qū)減小，不利于萃取操作。溫度特別高時，兩相區(qū)會完全消失，致使萃取分離不能進行。取A組分在萃取相中的濃度為y，在萃余相中的濃度為x，繪制曲線，即分配曲線，斜率等于分配系數。7、分配曲線：8、分配系數（Distributioncoefficient）一般kA

不為常數，而隨溫度、溶質A的濃度變化。在A濃度變化不大和恒溫條件下，kA

可視為常數（平衡常數m），其值由實驗測得。一定溫度下，A組分在互成平衡的兩液相中的濃度比9.萃取劑的選擇性與選擇性系數（Selectivitycoefficient）兩相平衡時，萃取相E中A、B組成之比與萃余相R中A、B組組成之比的比值。10.萃取劑S與稀釋劑B的互溶度B、S互溶度小，分層區(qū)面積大，可能得到的萃取液的最高濃度ymax’較高。B、S互溶度愈小，愈有利于萃取分離。4.3部分互溶物系的萃取計算4.3.1萃取在三角形坐標圖上的表示法1、混合在只含有組分A與B的原料液F中加入一定量的萃取劑S后，得到新的混合液M，由杠桿規(guī)則知F、S和M之間的關系為ABSREME’R’FE’maxEmax2.分層M靜置分層得萃取相E和萃余相R，其質量關系為3.脫溶劑從萃取相E中除去萃取劑S后得萃取液E’；從萃余相R中除去萃取劑S后得萃余液R’；

單級萃取中，萃取相能達到的最大A組分含量為Emax點的組成，對應的萃取液組成點為E’max。4.3.2萃取過程的計算

理論級：離開萃取器的萃取相與萃余相互成平衡。對分級式萃取過程，可先求出所需理論級數，然后由基于質量傳遞速度的級效率確定所需的實際級數。由相際傳質所產生的熱效應較小，可視為等溫過程。單級萃取的計算萃取相E,yE萃余相R,xR料液F,xF萃取劑S,yS萃取液E’,y’E萃余液R’,x’R脫除S脫除S1、特點

原料液與溶劑一次性接觸。

萃取相與萃余相達到平衡。2、計算操作型：給定S的用量mS

及M組成，求萃取相E與萃余相R的量mE

和mR

及組成y、x。設計型：根據給定的原料液F及規(guī)定的分離要求，求溶劑S用量。1、單級萃取的計算：萃取劑與稀釋劑部分互溶計算方法有解析法和圖解法。圖解法根據平衡數據作出溶解度曲線及輔助線。已知xF,在AB邊上定出F點，由萃取劑組成確定S

點。聯(lián)結FS，代表原料液與萃取劑的混合液M點必在FS線上。具體位置未定ABSFM單級萃取圖解法Sa）依S的用量mS

及F的量mF

和組成xF

確定和點M：試差法：先定出R點，再由R點利用輔助曲線求出E點，則RE與FS

線的交點即為混合液的組成點M。如果不對，再次假設R點。根據杠桿法則——

溶劑比yE、xM、xR、x’R、y’E可由相圖讀出。ABSREE’R’FM單級萃取圖解法S0b）確定E，R的量及組成若知R’

點，連SR’

線與溶解度曲線的交點即為R點c)確定萃取液與萃余液的組成及量ABSREE’R’FM單級萃取圖解法SD點：最小溶劑用量，SminG點：最大溶劑用量，Smax萃取只能在分層區(qū)內進行。對單級萃取，原料量F及組成一定：萃取操作S應滿足下列條件：ABSREFM單級萃取圖解法S0DGB、最小溶劑用量和最大溶劑用量C、萃取液的最大濃度

當S=Smin時，E的濃度yA最大，但y’A一般不是最大。過S點作溶解度曲線的切線得點E，求得R，得M點，于是得：ABE2SFR2ME’2E’y’maxy’2

圖解萃取液的最大組成E1R11.01.00

注意：如果M點在兩相區(qū)外相交，說明超出萃取范圍，不能進行萃取操作，由R1點確定的溶劑用量為該操作條件下的最小溶劑用量mS,min。ABSE1FERR1M’y’A計算與吸收相似。質量比Y(kgA/kgS)和

X(kgA/kgB)表示的平衡關系為：單級系統(tǒng)的物料衡算：2、單級萃取的計算：萃取劑與稀釋劑完全不互溶體系

適用于萃取劑與稀釋劑互溶度很小，且在操作范圍內溶質組分對B、S的互溶度又無明顯影響的體系?！?/p>

單級萃取操作的操作線方程

Y10分配曲線YSX1XF-B/S例4-2：在25℃下，以水（S）為萃取劑從醋酸（A）與氯仿（B）的混合液中提取醋酸，已知原料液流量為1000kg/h，其中醋酸的質量百分率為35％，其余為氯仿。用水量為800kg/h。操作溫度下，E相和R相以質量百分數表示的平衡數據如附表所示：試求（1）經單級萃取后E相與R相的組成及流量；（2）若將E相和R相中的溶劑完全脫除，再求萃取液及萃余液的組成和流量；（3）操作條件下的選擇行系數β。解：根據題目數據，在等腰直角三角形中做溶解度曲線和輔助曲線，如圖所示（1）兩相的組成和流量根據醋酸在原料液中的質量百分率為35％，在AB邊上確定F點，聯(lián)結點F,S，按F、S的流量用杠桿定律在FS線上確定和點M。因為E和R相的組成均未知，需要借助輔助線用試差法確定M點的聯(lián)結線ER。由圖讀得兩相的組成為：E相yA＝27％yB＝1.5％yS＝71.5％R相xA＝7.2％yB＝91.4％yS＝1.4％根據物料守恒得到計算得到：M=F+S=1000+800=1800kg/h由圖量得RM=45.5mm，及RE=73.5mm，用式4.8求E相的量（2）萃取液、萃余液的組成和流量聯(lián)結S,E，并延長到AB交與E’，由圖得到y(tǒng)E’=92%。

連接點S，R，并延長SR與AB邊交于R’，由圖得到xR’＝7.3％。萃取液和萃余液的流量可由式4-12及4-13求得：（3）選擇行系數β

用式4-4求，即由于該物系的氯仿，水的互溶度很小，所以β較高，得到的萃取液濃度很高。4.3.2多級錯流萃取的計算：萃取劑與稀釋劑部分互溶單級萃取分離程度有限，可采用多級萃取進一步降低萃余相中溶質的濃度。多級錯流的計算只是單級的多次重復。第一級：F+S0M1，M1E1+R1（平衡相）第二級：R1+S0M2，M2E2+R2（平衡相）第三級：R2+S0M3，M3E3+R3（平衡相）依次計算，直到萃余相中溶質的濃度等于或小于所要求的濃度為止，標繪的聯(lián)結線數目即為理論級數。萃取劑S,yS料液F,xF萃取相Extract萃余相RaffinateM1M2M3MnE1R1E2E3EnR2R3Rn-1Rn設各級萃取劑用量均為S0（2）特點△溶劑耗量較大，溶劑回收負荷增加,△設備投資大。（3）計算①設計型計算已知：Ｆ、xF，規(guī)定各級Ｓ量，求：達到一定的分離要求所需的理論級數Ｎ。②操作型問題已知：理論級數估計：分離能力。說明：解決方法基本相同。M1(FS上)M2(R1S上)M3(R2S上)ABSR1E1FM1多級錯流萃取圖解法E2R2M3M2E3R3三角形坐標圖圖解法例25℃丙酮(A)-水(B)-三氯乙烷(S)系統(tǒng)以質量分數表示的溶解度和聯(lián)結線數據如本題附圖所示。用三氯乙烷為萃取劑在三級錯流萃取裝置中萃取丙酮水溶液中的丙酮。原料液的處理量為500kg/h，其中丙酮的質量分數為40%，第一級溶劑用量與原料液流量之比為0.5，各級溶劑用量相等。試求丙酮的回收率——操作線方程

平衡關系：任一級系統(tǒng)的物料衡算：2.多級錯流萃取的計算：萃取劑與稀釋劑完全不互溶體系由平衡數據繪出X~Y平衡曲線，由每一級物料衡算得出操作線，直到第n級萃余相中的濃度XR

滿足要求為止。Y10Y*=f(X)Y0X1XF-B/S1X2Y2X3Y3-B/S2-B/S3注意：若要求S用量，已知N時，需試差。b）解析法分配曲線：設：——萃取因子如果各級加入等量溶劑，由物料衡算推導得：多級錯流萃取N~XN的關系曲線104103102101100091243567810NAm=0.10.20.40.60.81.01.22.01.53.06.0Am=20例：丙酮（A）-水（B）-三氯乙烷（S）體系中，水和三氯乙烷可視為完全不互溶。在操作條件下，丙酮的分配系數可視為常熟，即K=1.71。原料液中丙酮的質量分數為25%，其余為水，處理量為1200kg/h。萃取劑中丙酮的質量分數為1%，其余為三氯乙烷。采用五級錯流萃取，每級中加入的萃取劑量都形態(tài)，要求最終萃余相中丙酮的質量分數不大于1%。試求萃取劑的用量及萃取相中丙酮的平均組成104103102101100091243567810NAm=0.10.20.40.60.81.01.22.01.53.06.0Am=204.3.3多級逆流萃取的計算：萃取劑與稀釋劑部分互溶萃取劑S,yS料液F,xF萃取相萃余相M1M2M3MnE1R1E2E3EnR2R3Rn-1RnE4（2）特點連續(xù)逆流操作，分離程度較高。（3）計算設計型問題：已知S的組成，F(xiàn)、xF,

規(guī)定S/F

（溶劑比）和分離要求，求N。解決方法：每級內平衡。

即Ei和Ri平衡，若能確定Ri組成xi和E

i+1

組成yi+1之間的關系，即可求得理論級數（逐級計算)

。iR

i-1E

i+1RiEii=1F+E2=R1+E1或F-E1=R1-E2i=2F+E3=R2+E1或F-E1=R2-E3i=n

F+S=Rn+E1或F-E1=Rn-SF-E1=R1-E2=R2-E3=．．．=Rn-1-En=Rn-S=Δ離開每級的R

與進入該級的E

流量之差為一常數。>0，流動方向與R相同，<0，流動方向與E

相同。每一級的“凈流量”物料衡算萃取劑S,yS料液F,xF萃取相萃余相M1M2M3MnE1R1E2E3EnR2R3Rn-1RnE41.多級逆流萃取的計算：萃取劑與稀釋劑部分互溶F-E1=R1-E2=R2-E3=R3-E4．．．=Rn-1-En=Rn-S=ΔF+S=M=E1+Rn由給定的F、S和Rn可得出E1ABS多級逆流萃取圖解法S0E2E3E4R1R4R2RnR3A.三角形相圖上的圖解方法FME11、M點是F、S的和點，也是E1、RN的和點2、E1和RN

不是共軛相3、各級間的物流之差為一常數，且Δ為各級物流的公共差點（極點）。4、極點Δ的位置與聯(lián)接線斜率，F(xiàn)，xF，S，yS等因素有關，極點Δ可以在三角形左側也可以在右側。當其他條件一定時，只與溶劑比（S/F）決定。S/F小，極點Δ在三角形左側，R點為和點；S/F大，極點Δ在三角形右側，E點為和點。說明：ABSE1FM1多級逆流萃取圖解法S01Rn2M2E1溶劑比（S/F）對極點的影響例4-5

在多級逆流萃取中，用純溶劑S處理含A、B兩組分的原料液。原料液流量F為1000kg/h，其中溶質A的質量分數為30%，要求萃取余相重溶質質量分數不超過7%。溶劑用量S=350kg/h。試求1.所需的理論級數2.若將最終萃取相重的溶劑全部脫除，最終萃取也的流量E’和y’。操作條件下的溶解度曲線和輔助曲線如本題附圖所示ABSE1FM多級逆流萃取圖解法S0E2E3E4R1R4R2RnR3——

操作線方程S0,ySmnEm

,

ymEnRm-1,

xm-1RmRn-1Rn

,

xnEm-1對A組分作物料衡算：B.直角坐標圖上的圖解方法N較多時，三角形相圖內作圖不準確。ABSE1FM多級逆流萃取圖解法S0EmRm-1(1)確定Rn及E1點，由E1F線與S0Rn線確定點。Rn(2)在FE1及RnS0兩線間，過點作任意操作線與溶解度曲線相交于Rm-1與Em，得操作線上一點（xm-1、ym），重復上述步驟可得操作線。操作線的作法(3)在分配曲線與操作線之間，從點N(xF，y1)開始畫梯級，直至某一梯級所指萃余相組成x≤xn為止，所繪的梯級數即為萃取所需的理論級數。(1)由平衡數據繪出分配曲線；xy0分配曲線PNy1xFxnySxm-1ym操作線理論級數(2)由操作線數據畫操作線。分配曲線求多級逆流萃取的理論級數C.組分B、S部分互溶時的解析計算參考：例4-6——

操作線方程S,Yi+11mS

,Y1SB

,

XFBBB

,

XiS式中：XF——料液中溶質A的濃度，kgA/kgB；

Y1——最終萃取相E1中溶質A的濃度，kgA/kgS；

Xi——離開m級萃取相中溶質A的濃度，kgA/kgB;Yi+1——進入m級萃取相中溶質A的濃度，kgA/kgS;

B——原料液中純稀釋劑的流量，kg/h;

S——原始萃取劑組分純S的流量，kg/h。物料衡算2.多級逆流萃取的計算：萃取劑與稀釋劑不互溶在Y－X坐標圖上作出分配曲線及操作線，然后在此兩線間作梯級便可得到所需的理論級數。XY0分配曲線NY1XFXnYSX2Y2操作線理論級數解析法當分配曲線為通過原點的直線時，由于操作線為直線，萃取因子Am是常數，可以仿照脫吸計算設：作業(yè)P23943.溶劑比對逆流萃取理論級數的影響

A、溶劑比定義：溶劑比=S/F說明：溶劑比的變化，引起差點Δ的變化，導致理論級數的變化◆S/F較大，M→S，E1為F和Δ的和點，Δ點在三角形相圖右側，凈物流向左流動?！鬝/F減小，M→F，E1升高，Δ點遠離S。Δ點移到無窮遠時Δ

=0，級聯(lián)線互相平行?！鬝/F再減小，F(xiàn)為E1和Δ的和點，Δ點落在三角形相圖左側，凈物流向右流動?？梢姡悍峙淝€操作線132PxFy溶劑比對操作線的影響B(tài)、最小溶劑比分配曲線操作線132PxFy溶劑比對操作線的影響最小溶劑比的求法

Δmin的位置，既和平衡關系