10.3 液-液萃取过程的计算

第九章：液－液萃取第一节 概述利用原料液中各组分在适当溶剂中溶解度的差异而实现混合液中组分分离的过程称为液－液萃取，又称溶剂萃取。

液-液萃取, 它是30年代用于工业生产的新的液体混合物分离技术。

随着萃取应用领域的扩展,回流萃取,双溶剂萃取,反应萃取,超临界萃取及液膜分离技术相继问世, 使得萃取成为分离液体混合物很有生命力的操作单元之一。

一.萃取操作原理萃取是向液体混合物中加入某种适当溶剂，利用组分溶解度的差异使溶质A 由原溶液转移到萃取剂的过程。

在萃取过程中, 所用的溶剂称为萃取剂。

混合液中欲分离的组分称为溶质。

混合液中的溶剂称稀释剂，萃取剂应对溶质具有较大的溶解能力，与稀释剂应不互溶或部分互溶。

右图是萃取操作的基本流程图。

将一定的溶剂加到被分离的混合物中， 采取措施（如搅拌）使原 料液和萃取剂充分混合混合，因溶质在两相间不呈平衡，溶质在萃取相中的平衡浓度高于实际浓度， 溶质乃从混合液相萃取集中扩散，使溶质与混合中的其它组分分离，所以萃取是液、液相间的传质过程。

通常 ,萃取过程在高温下进行,萃取的结果是萃剂 提取了溶质成为萃取相，分离出溶质的混合液成为萃余相。

萃取相时混合物，需要用精馏或取等方法进行分离，得到溶质产品和溶剂，萃取剂供循环使用。

萃取相通常含有少量萃取剂，也需应用适当的分离方法回收其中的萃取剂，然后排放。

用萃取法分离液体混合物时，混合液中的溶质既可以是挥发性物质，也可以是非挥发性物质，（如无机盐类）。

当用于分离挥发性混合物时，与精馏比较，整个萃取过程比较复杂，譬如萃取相中萃取剂的回收往往还要应用精馏操作。

但萃取过程本身具有常温操作，无相变以及选择适当溶剂可以获得较高分离系数等优点，在很多的情况下，仍显示出技术经济上的优势。

一般来说，在以下几种情况下采取萃取过程较为有利：⑴ 溶液中各组分的沸点非常接近，或者说组分之间的相对挥发度接近于一。

⑵ 混合液中的组成能形成恒沸物酸， 用一般的精馏不能得到所需的纯度。

11 液液萃取（溶剂萃取）Liquid-liquid extraction(Solventextraction)11.1 概述一、液液萃取过程：1、液液萃取原理：根据液体混合物中各组分在某溶剂中溶解度的差异，而对液体混合物实施分离的方法，也是重要的单元操作之一。

溶质 A + 萃取剂 S——————〉S+A (B) 萃取相 Extract分层稀释剂 B B + A (S…少量) 萃余相 Raffinate（残液）一般伴随搅拌过程 => 形成两相系统，并造成溶质在两相间的不平衡则萃取的本质：液液两相间的传质过程，即萃取过程是溶质在两个液相之间重新分配的过程，即通过相际传质来达到分离和提纯。

溶剂 extractant（solvent)S 的基本条件：a、S 不能与被分离混合物完全互溶，只能部分互溶；b、溶剂具有选择性，即溶剂对A、B两组分具有不同溶解能力。

即（萃取相内）（萃余相内）最理想情况： B 与 S 完全不互溶 => 如同吸收过程： B 为惰性组分相同：数学描述和计算实际情况：三组分分别出现于两液相内，情况变复杂2 、工业萃取过程：萃取不能完全分离液体混合物，往往须精馏或反萃取对萃取相和萃余相进行分离，而溶剂可循环使用。

实质：将一个难于分离的混合物转变为两个易于分离的混合物举例：稀醋酸水溶液的分离：萃取剂：醋酸乙酯3 、萃取过程的经济性：取决于后继的两个分离过程是否较原液体混合物的直接分离更容易实现（ 1 ）萃取过程的优势：（与精馏的关系）ａ、可分离相对挥发度小或形成恒沸物的液体混合物；ｂ、无相变：液体混合物的浓度很低时，精馏过于耗能（须将大量 B 汽化）；ｃ、常温操作：当液体混合物中含有热敏性物质时，萃取可避免受热；ｄ、两相流体：与吸附离子交换相比，操作方便。

（ 2 ）萃取剂的选择——萃取过程的经济性a、分子中至少有一个功能基，可以与被萃取物质结合成萃合物；b、分子中必须有相当长的烃链或芳香环，可使萃取剂和萃合物容易溶解于有机相，一般认为萃取剂的分子量在350－500之间较为合适。

实验名称：萃取实验一、实验目的①了解转盘萃取塔的结构和特点；②掌握液—液萃取塔的操作；③掌握传质单元高度的测定方法，并分析外加能量对液液萃取塔传质单元高度和通量的影响。

二、实验器材萃取实验装置三、实验原理萃取是利用原料液中各组分在两个液相中的溶解度不同而使原料液混合物得以分离。

将一定量萃取剂加入原料液中，然后加以搅拌使原料液与萃取剂充分混合，溶质通过相界面由原料液向萃取剂中扩散，所以萃取操作与精馏、吸收等过程一样，也属于两相间的传质过程。

与精馏，吸收过程类似，由于过程的复杂性，萃取过程也被分解为理论级和级效率；或传质单元数和传质单元高度，对于转盘塔，振动塔这类微分接触的萃取塔，一般采用传质单元数和传质单元高度来处理。

传质单元数表示过程分离难易的程度。

对于稀溶液，传质单元数可近似用下式表示：nor?式中 nor------萃余相为基准的总传质单元数；x------萃余相中的溶质的浓度，以摩尔分率表示；x*------与相应萃取浓度成平衡的萃余相中溶质的浓度，以摩尔分率表示。

x1、x2------分别表示两相进塔和出塔的萃余相浓度传质单元高度表示设备传质性能的好坏，可由下式表示：hor?hnorlhor?x1dxx?x*x2 kxa?式中 hor------以萃余相为基准的传质单元高度，m; h------ 萃取塔的有效接触高度,m; kxa------萃余相为基准的总传质系数，kg/(m3?h?△x); l------萃余相的质量流量，kg/h;------塔的截面积,m2;已知塔高度h和传质单元数nor可由上式取得hor的数值。

hor反映萃取设备传质性能的好坏，hor越大，设备效率越低。

影响萃取设备传质性能hor的因素很多，主要有设备结构因素，两相物质性因素，操作因素以及外加能量的形式和大小。

图-1 转盘萃取塔流程1、萃取塔2、轻相料液罐3、轻相采出罐4、水相贮罐5、轻相泵6、水泵1、流程说明：本实验以水为萃取剂，从煤油中萃取苯甲酸。

实验八 液-液萃取操作实验一、实验目的1．了解液-液萃取设备的结构和特点。

2．熟悉液 液萃取塔的操作。

二、实验原理萃取是分离液体混合物的一种常用操作。

其工作原理是在待分离的混合液中加入与之不互溶（或部分互溶）的萃取剂，形成共存的两个液相，并利用原溶剂与萃取剂对原混合液中各组分的溶解度的差别，使原溶液中的组分得到分离。

1．液-液传质的特点液-液萃取与吸收、精馏同属于相际传质操作过程，它们之间有很多相似之处。

但由于在液-液萃取系统中，两相的密度差和界面张力均较小，因而会影响传质过程中两相的充分混合。

为了强化两相的传质，在液 液萃取时需借助外力将一相强制分散于另一相中（如利用塔盘旋转的转盘塔、利用外加脉冲的脉冲塔等）。

然而两相一旦充分混合，要使它们充分分离也较为困难，因此，通常在萃取塔的顶部和底部都设有扩大的相分离段。

萃取过程中，两相混合与分离的好坏，将直接影响萃取设备的效率。

影响混合和分离的因素有很多，分离效果除了与液体的物性有关外，还与设备结构、外加能量和两相流体的流量等因素有关，以致于很难用数学方程直接求得，所以表示传质好坏的级效率或传质系数的值多用实验直接测定。

研究萃取塔性能和萃取效率时，应注意观察操作现象，实验时应注意了解以下几点：(1)液滴的分散与聚结现象。

(2)塔顶、塔底分离段的分离效果。

(3)萃取塔的液泛现象。

(4)外加能量大小(改变振幅、频率)对操作的影响。

2．液-液萃取塔的计算本实验以水为萃取剂，从煤油中萃取苯甲酸。

水相为萃取相（用字母E 表示，又称连续相、重相）。

煤油相为萃余相（用字母R 表示，又称分散相、轻相）。

在轻相入口处，苯甲酸在煤油中的浓度应保持在0.0015～0.0020（kg 苯甲酸/kg 煤油）之间。

轻相从塔底进入，作为分散相向上流动，经塔顶分离段分离后由塔顶流出；重相由塔顶进入，作为连续相向下流动至塔底经π形管流出。

轻、重两相在塔内呈逆向流动。

在萃取过程中，一部分苯甲酸从萃余相转移至萃取相。

液-液萃取实验数据处理教程PS：本教程特别针对用桨叶旋转萃取塔完成的液-液萃取实验，若实验相关内容有出入的话各位看官自行脑补修改~！首先，总结一下得到的原始数据：测定的轻相（煤油）入口/原料样品、轻相出口/塔顶轻相样品、重相（水）入口/塔底重相样品消耗NaOH的体积，各相取样体积以及其他相关设备参数和试剂参数，后面会逐渐提到。

下面上图：实验原理：液-液两相在萃取塔中进行连续逆流接触，取高度为dH的微元体，对溶质组分做物料衡算后得：dH=d(SY)K Y a(Y e−Y)S T式中：a——单位设备体积的两相接触表面积，即比表面积，m2/m3；S——塔内任意横截面上萃取剂的质量流量，kg/s；K Y ——以(Y e −Y)为推动力的总传质系数，kg/(m 2·s) S T ——塔的横截面积，m 2；Y ——塔内任意横截面上萃取相中溶质组分A 的质量比，kgA/kgB ；Y e ——与塔内任意横截面上萃余相呈平衡的萃取相中溶质的质量比，kgA/kgB 。

对特定条件下的连续逆流萃取操作过程，S K Y aS T基本不变，作常数处理，将上式积分并整理后得：H =H OE N OE式中：H OE ——萃取相的总传质高度，m ；N OE ——萃取相的总传质单元数。

H OE =SK Y aS TN OE=∫dYe Y 1Y 2在Y-X 坐标系中做平衡曲线及操作线，在塔顶及塔底的浓度范围内任取一系列Y 值，可由操作线找出一系列的X 值，再用平衡曲线找出一系列的Y e 值，进而计算出对应的1(Y e −Y)值。

在直角坐标系上，以Y 为横坐标，1(Y e −Y)为纵坐标，绘制曲线，图解积分求传质单元数N OE ，H 为设备参数，进而得到H OE 。

体积总传质系数为：K Y a =S OE T~~~~~~~~~~~~~~~~~~~我是华丽丽的分割线~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 下面就根据实验原理将计算过程及要点展示如下：计算步骤1.根据滴定体积算出苯甲酸在各出入口的浓度（质量浓度）2.做出操作线，取一系列Y值得到一系列X值为纵坐标，绘制曲线3.根据平衡曲线算出Y e，进而以Y为横坐标，1(Y e−Y)4.在上述曲线中图解积分，最后得到相关计算量一、算出苯甲酸在各出入口的浓度（质量浓度）密度等数据大家要按照自己做实验时的温度来取，具体计算过程就略啦~主要就是注意区别溶剂以及计算单位（kgA/kgB）~下面上图：进水就是不含苯甲酸的水~二、操作线按照上述的X、Y对应的值即可得到两组（X，Y）的点，这两个点连线得到的就是操作线，如下图所示：在上述操作线的Y范围内取一系列值，然后算出对应的X值，以小编的数据来说就是取0~0.000212区间中的一系列值~。

思考题1 衡量分离效果的因素主要是哪些？2 试述影响萃取效果的主要因素？3 选择萃取溶剂时还应考虑哪些方面？4 请详述产生乳化的原因及消除乳化的具体措施？5 系统分析法中萃取操作中的三部位法和四部位法常用的溶剂各是何物？一液-液萃取法1 液－液萃取原理液-液萃取法即两相溶剂提取，是利用混合物中各组分在两种互不相溶的溶剂中分配系数的不间而达到分离目的的方法。

简单的萃取过程是将萃取剂加入到样品溶液中，使其充分混合，因某组分在萃取剂中的平衡浓度高于其在原样品溶液中的浓度，于是这些组分从样品溶液中向萃取剂中扩散，使这些组分与样品溶液中的其他组分分离。

组分A在两相间的平衡关系可以用平衡常数K来表示：K＝CA/C'A。

式中CA: 组分A在苯取剂中的浓度；C'A:组分A在原样品溶液中的浓度。

这就是分配定律。

对于液一液萃取，K通常称为分配系数，可将其近似地看做组分在萃取剂和原样品溶液中的溶解度之比。

物质在萃取剂和原溶液中的溶解度差别越大，K值越大，萃取分离效果越好。

当K≥100时，所用萃取剂的体积与原溶液体积大致相等时，一次简单萃取可将99%以上的该物质萃取至萃取剂中，但这种情况往往很少。

K值取决于温度、溶剂和被萃取物的性质，而与组分的最初浓度、组分与溶剂的质量无关。

萃取过程的分离效果主要表现为被分离物质的萃取率和分离纯度。

萃取率为萃取液中被萃取的物质与原溶液中该物质的溶质的量之比。

萃取率越高，表示萃取过程的分离效果越好。

1.1 影响萃取效果的因素影响分离效果的主要因素包括:萃取剂、被萃取的物质在萃取剂与原样品溶液两相之间的平衡关系(主要表现为被萃取物质在萃取剂与原样品溶液两相中的溶解度差别)、在萃取过程中两相之间的接触情况。

被萃取物质在一定的条件下，主要决定于萃取剂的选择和萃取次数。

1.1.1萃取溶剂的选择萃取剂对萃取效果的影响很大，萃取溶剂选择的主要依据是被萃取的物质的性质，相似相溶原理是萃取剂选择的基本规则。