化工原理-萃取

图 连结线斜率的变化
二.相平衡关系在三角形相图上的表示方法
1.溶解度曲线与联接线 一定温度下，测定体 系的溶解度曲线时，实验 测出的联结线的条数（即 共轭相的对数）总是有限 的，此时为了得到任何已 知平衡液相的共轭相的数 据，常借助辅助曲线（亦 称共轭曲线） 。
图 辅助曲线
2.辅助曲线和临界混溶点
第二节
液液相平衡
一. 三角形坐标图及杠杆规则 1.三角形坐标图 等边三角形 等腰直角三角形 不等腰直角三角形
一般而言，在萃取过程中很少遇到恒摩尔流的简化情况， 故在三角形坐标图中混合物的组成常用质量分数表示。 习惯 上，在三角形坐标图中，AB边以A的质量分率作为标度，BS 边以B的质量分率作为标度，SA边以S的质量分率作为标度。 三角形坐标图的每个顶点分别代表一个纯组分，即顶点A表示 纯溶质A，顶点B表示纯原溶剂（稀释剂）B，顶点S表示纯萃 取剂S。 三角形坐标图三条边上的任一点代表一个二元混合 物系，第三组分的组成为零。例如AB边上的E点，表示由A、 B组成的二元混合物系，由图可读得：A的组成为0.40，则B 的组成为（1.0-0.40）= 0.60，S的组成为零。
3. 分配系数和分配曲线
（1）分配系数 一定温度下，某组分在互相平衡的 E 相与 R 相中的组成之比称为该组分的分配系数，以 yA k表示，即溶质A
kA
yB 原溶剂B k B xB
xA
式中 yA、yB ——萃取相E中组分A、B的质量分数； xA、xB——萃余相R中组分A、B的质量分数。
分配系数kA表达了溶质在两个平衡液相中的分
第五章
▲ 第一节 概述
萃取
▲ 第二节 液液相平衡 ▲ 第三节 萃取分离效果及主要影响因数
▲ 第四节 萃取过程的计算

4.4.1 理论级当量高度法
萃取段的有效高度h h=n×(HETS)
n—理论级数;反映萃取的难易或过程要求达到的 分离要求。 HETS- 塔内相当于一个理论级分离能力的高度 称为理论级当量高度。大小由物系性质、操作条 件、设备型式决定，可由实验获得。反映塔的效 率。
4.4.1.1传质单元数法：
B与S完全不互溶，溶质组成较稀
HOR——萃余相总传质单元高度 NOR——萃余相总传质单元数。
4.4.2 常用萃取设备简介 混台—澄清槽
混合—澄清榴有以下优点
(1)处理量大，传质效率高，一般单级效率 在80％以上； (2)结构简单，容易放大和操作；
(3)两相流量比范围大，运转稳定可调，易 于开、停工；对物系适应性好，对含有少 量悬浮固体的韧料也能处理； (4)易实现多级连续操作，便于调节级数。
轻相从筛板下横向流过，从升液管 进入上一层板。而重相在重力作用下分 散成细小液滴，在轻相层中沉降，进行 传质。穿过轻相层的重相液涡开始合并、 凝聚，聚集下层筛板。通过多次分散和 凝聚实现两相分离，其过程和轻相是分 散相完全类似。
(3)填料萃取塔
填料萃取塔结构简单， 造价低廉，操作方便， 适合于处理腐蚀性料 液，尽管传质效率较 低，在工业上仍有一 定应用。一般在工艺 要求的理论级小于3， 处理量较小时、可考 虑采用填料萃取塔
4.3.2 Ｂ与Ｓ不溶
对全过程作溶质的物料衡算
4.3.３溶剂比（Ｓ／Ｆ）和萃取剂最小用量
当Ｓ／Ｆ小到 Ｓmin时，某 一操作线与联 接线重合，操 作线与分配线 相交或相切， 所用理论级数 为无穷多
4.4 微分接触式逆流萃取的计算


微分接触式逆流萃取操作是萃取相和萃 余相逆流微分接触，通常在塔式设备(如 喷洒塔、脉冲筛板塔等)中进行，其流程 如图所示。重相(如原料液)从塔顶进入塔 中，从上向下沉动，与自下向上流动的 轻相(如萃取剂)逆流连续接触，进行传质， 萃取结束后，两相分别在塔顶、塔底分 离，最终的萃取相从塔顶流出，最终的 萃余相从塔底流出。

4.1.3 分配系数和分配曲线
（2）分配曲线
由相律可知，温度、压力一定时，三组分体系两液相呈平
衡时，自由度为1。故只要已知任一平衡液相中的任一组分的组
成，则其它组分的组成及其共轭相的组成就为确定值。换言之，
温度、压力一定时，溶质在两平衡液相间的平衡关系可表示为
yA f (xA)
（4-5）
x A ——萃取相E中组分A的质量分数；
y A——萃余相R中组分A的质量分数。
此即分配曲线的数学表达式。
4.1.3 分配系数和分配曲线
图4-7 有一对组分部分互溶时的分配曲线
4.1.3 分配系数和分配曲线
如图4-7所示，若以为 x横A 坐标，以 y为A 纵坐标，则可
在 x ~ y直角坐标图上得到表示这一对共轭相组成的点N。每一对 共轭相可得一个点，将这些点联结起来即可得到曲线ONP，称为 分配曲线。曲线上的P点即为临界混溶点。分配曲线表达了溶质A 在互成平衡的E相与R相中的分配关系。若已知某液相组成，则可 由分配曲线求出其共轭相的组成。 若在分层区内y均大于x，即分
图4-6 辅助曲线
4.1.2 三角形相图
辅助曲线与溶解度曲线的交点为P，显然通过P点的联结线无 限短，即该点所代表的平衡液相无共轭相，相当于该系统的临界 状态，故称点P为临界混溶点。P点将溶解度曲线分为两部分：靠 原溶剂B一侧为萃余相部分，靠溶剂S一侧为萃取相部分。由于联 结线通常都有一定的斜率，因而临界混溶点一般并不在溶解度曲 线的顶点。临界混溶点由实验测得，但仅当已知的联结线很短即 共轭相接近临界混溶点时，才可用外延辅助曲线的方法确定临界 混溶点。
成的增大而降低。一定温度下，仅当溶质组成范围变化不大时，kA 值才 可视为常数。对于萃取剂S与原溶剂B互不相溶的物系，溶质在两液相中

4、萃取液的最大浓度
当S=Smin时，E的浓度yA最大，但y’A一般不是最大。
y’A= y’Amax时溶剂用量的求法：
A
过S点作溶解度曲线的切线得点E，
求得R，得M点，于是得：
y’Amax
yA’
F
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
E
MF mS MS mF
RM
对比：y’A与y’Amax
B
S 可见： y’A＜y’Amax
9.5 溶剂的选择及其它萃取方法 9.5.1 溶剂的选择
（1）三角形坐标
（2）杠杆定律
求和点M：
mE RM mR ME
求差点R：
mE MR
mM
ER
（3） 三角形相图 ▲ 溶解度曲线、平衡联结线、辅助曲线 ▲ 温度、压力对相平衡的影响
（4）分配曲线
（5）分配系数
溶质：
kA
溶质A在E相中的组成 溶质A在R相中的组成
yA xA
原溶剂：
kB
yB xB
（6）脱溶剂基分配曲线
A
K F
M
B
S
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：
A
MR
mE ER mM
K F
ME R
B
S
单级萃取图解法
mR mM mE
c) 确定萃取液与萃余液的组成及量
FR' m'E E' R' mF
A
E’
m'R mF m'E
K
F
R’ R B
ME S
脱除溶剂量为：
mSE mE m'E
单级萃取图解法

选择性系数与kA、kB有关。 kA越大， kB越小，就越大， 说明：
A、B的分离也就越容易 凡是影响kA、kB的因素都影响（温度、组成） 若 =1，则萃取相和萃余相在脱除溶剂S后将具有相同的 组成，并且等于原料液的组成，故没有分离能力 萃取剂的选择性越高，对A的溶解能力就大，则一定的分离 任务，可越少萃取剂用量，降低回收溶剂操作的能耗，并且 可获得高纯度的产品A 当组分B、S完全不互溶时，则选择性系数趋于无穷大，这 是最理想的情况。
MF FN F ( xF xM ) (4 7) SF F xM y S MS NB
R'
B
（b）
S
EM
M ( xM x R ) 其中yE、xM、xR 由相图读出 y E xR R) 把4-6、4-7代入4-9得： E F ( xF x 其中xF、x' 'R、y''E由相图读出 y E x R R F E
表达了溶质在两个平衡液相中的分配关系。 A值愈大，萃取分离的效果 愈好 A值与联结线的斜率有关 不同的物系具有不同的分配系数 A值 同一物系， A值随温度和组成而变。 一定温度下，仅当溶质组成范围变化不大时， A值才可视为常数 Y KX 式中：Y——萃取相E中溶质A的质量比组成；
X ——萃余相R中溶质A的质量比组成； K——以质量比表示相组成时的分配系数
4.2.2 液-液相平衡关系
3、分配系数和分配曲线
分配曲线：若以xA为横坐标，以yA为纵坐标，则可在x-y直角坐标图上得到
表示互成平衡的一对共轭相组成的点N。将这些点联结起来即可得到曲线 ONP，称为分配曲线
曲线上的P点即为临界混溶点。 分配曲线表达了溶质A在互成平衡的E相与R相中的分配关系。若已知某液相组成， 则可由分配曲线求出其共轭相的组成。 若在分层区内y均大于x，即分配系数 A ＞1，则分配曲线位于y=x直线的上方，反 之则位于y=x直线的下方。 若随着溶质A组成的变化，联结线倾斜的方向发生改变，则分配曲线将与对角线出 现交点，这种物系称为等溶度体系

恒温条件下，在实验瓶中加入 A
恰当的B与S，使混合物的浓度
位于RE之间（d点），滴加少许
溶质A至 M1 点，充分混合后静 置分层，取两相试样分析，得
共轭相 E1 和 R1 的组成，联结
R1E1 线即为平衡联结线。
B R1
M1
E1
S
R
d
E
连接所有的E、R点即得溶解度曲线。
液-液相平衡
溶解度曲线将三角形相图分成两个区域，该曲线与底边 所围的区域为分层区域或两相区，曲线以外是均相区。
自由度
f N 2 32 2 3
T、P 一定时，互成平衡的两相组成的自由度为1。
液-液相平衡
溶解度曲线与平衡联结线 恒温条件下，在有纯组分B的
实验瓶中逐渐滴加溶剂 S 并不断摇动使其溶解，由于B、 S 仅部分互溶，S 滴加到一定数量后，混合液开始发生混 浊，即出现了溶剂相，得到的浓度即 S 在 B 中的饱和溶 解度（图中 R 点）。用类似的方法可得 E 点。
Ａ组分在萃取相中的浓度 kA Ａ组分在萃余相中的浓度
yA xA
kB
yB xB
分配系数一般不为常数，其值随浓度而异。 在 A 浓度变化不大和恒温条件下，kA 可视为常数 （平衡常数 m），其值由实验测得。
注意：kA 只反映 S 对 A 的溶解能力，不反映 A、B 的 分离程度。
液-液相平衡
液液平衡给出以下两种关系：
工业萃取过程
需解决的问题：
稀醋酸，A+B S+B
1. 选择一合适的萃 取剂；
2. 提供优良的萃取 设备；
恒
萃
沸 分层器
取
精
塔
萃取相，馏 S+A(B) 塔

第一节 液-液萃取的基本原理
图9－1 组成在三角形相图上的表示方法
第一节 液-液萃取的基本原理
此外，M点的组成也可由ME线段读出萃取剂S的含量， MF线段读出溶质A的含量，原溶剂B的含量不直接从图上读 出，而是可方便地计算出，即：B=100-(S+A)。
直角等腰三角形可用普通直角坐标纸绘制。有时，也 采用不等腰直角三角形表示相组成，只有在各线密集不便 于绘制时，可根据需要将某直角边适当放大，使所标绘的 曲线展开，以方便使用。
第一节 液-液萃取的基本原理
1．三组分系统组成的表示法
液-液萃取过程也是以相际的平衡为极限。三组分系 统的相平衡关系常用三角形坐标图来表示。混合液的组成 以在等腰直角三角形坐标图上表示最方便，因此萃取计算 中常采用等腰直角三角形坐标图。
在图9-1中，三角形的三个顶点分别表示纯组分。习 惯上以顶点A表示溶质，顶点B表示原溶剂，顶点S表示萃 取剂。三角形任何一个边上的任一点代表一个二元混合物， 如AB边上的H点代表由A和B两组分组成的混合液，其中A的 质量分数为0.7，B为0.3。三角形内任一点代表一个三元 混合物，如图M中的点，过M点分别作三个边的平行线ED、 HG与KF，其中A的质量分数以线段MF表示, B的以线段MK表 示，S的以线段ME表示。由图可读得：WA =0.4，WE=0.3， WS=0.3。可见三个组分的质量分数之和等于1。
（3）萃取剂回收的难易与经济性 萃取剂通常需要回 收后循环使用，萃取剂回收的难易直接影响萃取的操作费 用。回收萃取剂所用的方法主要是蒸馏。若被萃取的溶质 是不挥发的，而物系中各组分的热稳定性又较好，可采用 蒸发操作回收萃取剂。
在一般萃取操作中，回收萃取剂往往是费用最多的环 节，有时某种萃取剂具有许多良好的性能，仅由于回收困 难而不能选用。

B 借助塔内的填料，如填料塔。
C 借助外加能量，如转盘塔，振动塔，脉动塔，离心萃取器等。
液滴的尺寸除与物性有关外，主要决定于外加能量的大小。
(3)萃取塔的操作
萃取塔在开车时，应首先将连续相注满塔中，然后开启分散相，分散相必须经凝聚后才能自塔内排出。因此当轻相作为分散相时，应使分散相不断在塔顶分层段凝聚，当两相界面维持适当高度后，再开启分散相出口阀门，并依靠重相出口的π形管自动调节界面高度。当重相作为分散相时，则分散相不断在塔底的分层段凝聚，两相界面应维持在塔底分层段的某一位置上。
H 萃取塔的有效接触高度。
已知塔高H和传质单元数 ，可由上式取得 的数值。 反映萃取设备传质性能的好坏， 越大，设备效率越低。影响萃取设备传质性能 的因素很多，主要有设备结构因素，两相物性因素，操作因素以及外加能量的形式和大小。
4．外加能量的问题
液液传质设备引入外界能量促进液体分散，改善两相流动条件，这些均有利于传质，从而提高萃取效率，降低萃取过程的传质单元高度，但应该注意，过度的外加能量将大大增加设备内的轴向混合，减小过程的推动力。此外过度分散的液滴，滴内将消失内循环。这些均是外加能量带来的不利因素。权衡利弊两方面的因素，外界能量应适度，对于某一具体萃取过程，一般应通过实验寻找合适的能量输入量。
振动塔具有以下几个特点：1）传质阻力小，相际接触界面大，萃取效率较高；2）在单位塔截面上通过的物料速度高，生产能力较大；3）应用曲柄连杆机构，筛板固定在刚性轴上，操作方便，结构可靠。
五、实验操作原则及分析方法
1．操作原则
(1)应先在塔中灌满连续相——水，然后开启分散相——煤油，待分散相在塔顶凝聚一定厚度的液层后，通过连续相的出口π形管，调节两相的界面于一定的高度。

3 6 2
S
4
5
xC xD
1
F xF
1 加料磁力泵
2 水槽
3 煤油槽
4 转子流量计
5 振动筛板塔
6 振动泵
5 实验操作要点
（1) 首先开启连续相（水）的转子流量计（阀门）向塔中灌水，待萃取塔灌 满水后，再开启分散相（煤油）的转子流量计，并按照相比1∶1的要求将 两相的流量计读数调节至适当刻度。建议的连续相流量为4L/h； (2) 启动直流电机，在直流电压30-90伏的范围内适当分布实验点； (3) 待分散相在塔顶分层段凝聚一定厚度的液体后，通过连续相的出口“Π” 形管，将两相界面调节至适当高度； (4) 在某一直流电压（即振动频率）下，待系统稳定约20分钟左右，取样分 析x1和x2； (5) 在振动塔的振动频率和振幅一定时，若增大两相流量，塔内分散相的滞留 量也随之增大，液泛时滞留量可达到最大值。此时可观察到分散相不断合并， 最终导致转相，在塔底（或塔顶）出现第二界面。建议在实验数据测定结束后， 通过实验观察这一现象
振动筛板塔的外加能量以 a
f 为标志。当振幅 a 一定
时，振动频率 f 由外加电压 v 的大小所决定。 在一定的 F : S下（如 4 ：4 体积流量刻度值。数据处理 时须换算为重量流率之比），研究外加能量 v 对 响, 实验中做四、五个点。 的影

各套实验装置经验操作数据见后页。
HOR
设备号 1 2 3 4 5 6 7 8
N煤油 （N V ) NaOH V煤油 （ 25ml)
N煤油 M 苯钾酸 ( 122) G% 煤油 ( 800)
4. 数据处理 （1）用重量百分数和重量 流率进行计算。（K = 2.2)
水 K=2.2