10.1 液 - 液萃取概述

新乡学院化工原理精品课程

10.1 　液 - 液萃取概述 10.1.1 萃取的原理与流程

第十章液 - 液萃取和液 - 固浸取


一、萃取过程的原理

形成两相体系的方法引入一液相（萃取剂）分离物系液体混合物

萃取原理

液体混合物 (A + B)

引入另一液相（萃取剂 S ）

各组分在萃取剂中溶解度不同

液相 E( 萃取相 )(S + A+ 微量 B)

液相 R( 萃余相 ) (B + 微量 A 、 S)

示例用苯萃取分离醋酸和水混合物


二、萃取操作流程

萃取操作示意图


10.1.1 萃取的原理与流程10.1.2 萃取的分类与应用

10.1 　液 - 液萃取概述



一、萃取过程的分类

按有无化学反应分类

萃取化学萃取

物理萃取 √

按萃取级数分类

多级逆流萃取萃取多级萃取

单级萃取 √

多级并流萃取


按萃取技术分类

双溶剂萃取

单溶剂萃取 √

膜萃取

凝胶萃取

超临界萃取

一、萃取过程的分类

萃取

反向胶团萃取

按萃取组分数目分类

萃取多组分萃取

单组分萃取 √


二、萃取操作的应用

萃取操作应用场合

溶质浓度很低 , 且为难挥发组分物系的分离

热敏性物系的分离

相对挥发度物系的分离1


10.2 液 - 液相平衡关系10.2.1 　液 - 液平衡相图




一、组成在三角形相图上的表示方法

萃取为三元物系的分离过程

溶质 A

原溶剂 B

萃取剂 S

三角形坐标图

等边三角形坐标图

等腰三角形坐标图

非等腰三角形坐标图

√


组成在三角形坐标图上的表示方法

M 点

A 0.40x B 0.30x S 0.30x

D 点

A 0.40x

S 0.60x

A

B S

DM


二、各组分量之间的关系－杠杆规则

杠杆规则

M =

A

B

M

M

AM

M

BM

M

O

和点

A

差点

B

差点

MA MBM

MA + MB

OA

OB

AB

OB

AB

OA


杠杆规则的应用

A

B S

M

R

E

Ax

Sx

Bx

Ay

By

SyAz

Sz

Bz

液相 R r kg

xA 、 xS 、 x

B 液相 E e kg

yA 、 yS 、 y

B

液相 M m kg

zA 、 zS 、 z

B erm

EM

RM

r

e

A A

A A

x z

z y

ER

RM

m

e

A A

A A

x z

x y


三、液 - 液平衡相图 ( 溶解度曲线 )

根据萃取操作中各组分的互溶性，三元物系分为以下情况，即

Ⅰ类物系

Ⅱ类物系

√

1. 溶解度曲线的两种形式

① A 完全溶于 B 及 S ， B 与 S 不互溶

② A 完全溶于 B 及 S ， B 与 S 部分互溶

③ A 完全溶于 B ， A 与 S 部分互溶 B 与 S 部分互溶


溶解度曲线 (1) －已知联结线

共轭相

均相区

两相区

溶解度曲

线

临界混溶

点

联结线


溶解度曲线 (2) －已知辅助曲线

辅助曲线

溶解度曲

线


两种溶解度曲线的互换

由联结线求辅助曲线


两种溶解度曲线的互换

1E

2E1R

2R

由辅助曲线求联结线


2. 温度对溶解度曲线的影响

温度 T 溶解度两相区～～

不利于萃取操作

三、液 - 液平衡相图 ( 溶解度曲线 )




10.2.2 液 - 液平衡方程与分配曲线



一、以质量分数表示的平衡方程

气液平衡方程A A Ay k x

液液平衡方程 A A Ay k x

萃取相中溶质分数

萃余相中溶质分数

分配系数

AA

A

yk

x B

BB

yk

x


若 S 与 B 完全不互溶

萃取相中不含 B ， S 的量不变

萃余相中不含 S ， B 的量不变用质量比计算方便

液液平衡方程A A AY K X

二、以质量比表示的平衡方程

萃取相中溶质的质量比

分配系数

萃余相中溶质的质量比


三、分配曲线

以 xA 为横坐标， yA 为纵坐标，在直角坐标图上，每一对共轭相可得一个点，将这些点联结起来，得到曲线称为分配曲线。

溶解度曲线分配曲线


分配曲线的作法

PP

xy

x

y




10.2.2 液 - 液平衡方程与分配曲线10.2.3 萃取剂的选择



一、萃取剂的选择性与选择性系数萃取剂的选择性是指萃取剂 S 对原料液中两个组分溶解能力的差异。

选择性系数

B萃余相中的质量分数A萃余相中的质量分数

B萃取相中的质量分数A萃取相中的质量分数

A A A B

B B A B

y x y yy x x x


A A Ay k x因为

所以 BA

B

xk

y A

B

k

k

萃取效果β

萃取操作 B

B

1x

y 1

β ＝ 1 不能实现萃取分离

一、萃取剂的选择性与选择性系数

～


二、萃取剂的选择

萃取剂选择考虑的主要因素

选择性系数 β

原溶剂 B 与萃取剂 S 的互溶度萃取剂回收的难易萃取剂的其他物性

密度表面张力黏度萃取剂的稳定性、安全性、经济性


10.1 萃取过程概述 10.2 液 - 液相平衡关系10.3 液 - 液萃取过程的计算10.3.1 单级萃取的计算



一、 B 与 S 部分互溶物系

已知：原料量 F 、原料组成 xF 溶剂组成 yS

规定：萃余相组成 xR

计算：萃取剂量 S 萃取相量 E 、组成 yE

萃余相量 R 萃取液量、组成萃余液量、组成

E Ey

RxR


单级萃取图解

xF

纯溶剂

F

xR

RE

M

yE

Ey

Rx

E

R


ERSFM

MS

MFFS ×=

RE

RMME

EMR

ER

FRFE

EFR

min

FGS F

GS max

FHS F

HS min maxS S S

一、 B 与 S 部分互溶物系


练习题目

思考题

作业题 : 1 、 2

1. 萃取操作的基本原理是什么？ 2. 共轭相、联结线、临界混溶点、辅助曲线各表示何意义？ 3. 分配系数和选择性系数各表示何意义？4. 溶解度曲线和分配曲线有何联系？


10.1 萃取过程概述 10.2 液 - 液相平衡关系10.3 液 - 液萃取过程的计算10.3.1 单级萃取的计算一、 B 与 S 部分互溶物系



二、 B 与 S 不互溶物系

若 B 与 S 完全不互溶

萃取相中不含 B ， S 的量不变萃余相中不含 S ， B 的量不变

用质量比计算方便

XF

YE

XR

YS

— 原料液中组分 A 的质量比， kgA / kgB— 萃取相中组分 A 的质量比， kgA / kgS

— 萃余相中组分 A 的质量比， kgA / kgB

— 萃取剂中组分 A 的质量比， kgA / kgS


对溶质 A 质量衡算

F S E RBX SY SY BX

E S R F( )B

Y Y X XS

－－－

操作线方程

斜率S

B

过点 F S( , )X Y

直角坐标图图解法

B

FX

S

SY

BRX

R

ES

EY

二、 B 与 S 不互溶物系


单级萃取图解计算

斜率 – B/S

SY

EY

R R(1 )R B BX B X E E(1 )E S SY S Y

FXRX


10.3 液 - 液萃取过程的计算10.3.1 单级萃取的计算10.3.2 多级错流萃取的计算



一、多级错流萃取的流程

多级错流萃取操作的特点

每一级均加入新鲜萃取剂前一级的萃余相为后一级的原料液

原料液从第 1 级加入

每级为新萃取剂，传质推动力大，溶剂用量大一般为间歇操作，生产能力小


多级错流萃取流程示意图

多级错流萃取的总溶剂用量为各级溶剂用量之和，当各级溶剂用量相等时，达到一定的分离程度所需的总溶剂用量最少。

1 2 nFFx

1S

1R1x

1E 1y

2S

2R

2x

2E 2y

1nR

1nx

nS

nR

nx

nE ny


1. B 与 S 部分互溶物系

已知：

三角形相图图解法

原料量 F

原料组成 xF

各级萃取剂用量 Si

规定：最终萃余相组成 xn

计算：萃取级数 n

二、多级错流萃取的计算


多级错流萃取三角形相图图解计算

xF

F

S1

M1

R1

E1

M2

R2

E2

M3

R3

E3

n=3

S2

S3

x n 计算 ≤ x n 规

定


2. B 与 S 不互溶物系(1) 直角坐标图解法设

第 1 级作溶质 A 的质量衡算

F S 1 1BX SY BX SY

1 S 1 F( )B

Y Y X XS

1 2 nS S S S

整理得



第 n 级作溶质 A 的质量衡算

S 1( )n n n

BY Y X X

S

操作线方程斜率

S

B

过点 1 S( , )nX Y

直角坐标图图解法



XF

YS

斜率 – B/S

M L

多级错流萃取直角坐标图图解计算

Y1

X1

Y2

X2

Y3

X3


定 n=3

N


(2) 解析法KXY 设平衡关系为

第一级的相平衡关系为 11 KXY

由操作线方程 1 S 1 F( )B

Y Y X XS

联立得 F S

1

1

SX Y

BXKSB



令 mA KS B

F S

1m1

SX Y

BXA

对第二级 F S S

2 2m m

( )

(1 ) 1

S SX Y Y

B BXA A

对第 n 级F S S S

n n n 1m m m

( )

(1 ) (1 ) (1 )

S S SX Y Y Y

B B BXA A A

…

萃取因子



整理得

计算内容

由 xn 级数 n

由 n 组成 xn

由 n 、 xn 溶剂用量 S

F S

m S

X - (Y /K)1ln[ ]

ln(1 A ) X - (Y /K)n

n


多级错流萃取级数


多级错流萃取算图



10.3 液 - 液萃取过程的计算10.3.1 单级萃取的计算10.3.2 多级错流萃取的计算10.3.3 多级逆流萃取的计算


一、多级逆流萃取的流程

多级逆流萃取操作的特点

萃取剂从第 n 级加入前一级的萃余相为后一级的原料液

原料液从第 1 级加入

后一级的萃取相为前一级的萃取剂萃取剂循环使用，传质推动力大，溶剂用量小连续操作，生产能力大


多级逆流萃取流程示意图

1 2 nF Fx 1R 1x

1E 1y

2R 2x

3E 3y

1nR 1nx nR nx

nE ny S2E 2y Sy


1. B 与 S 部分互溶物系

三角形相图图解法

已知：原料量 F

原料组成 xF

萃取剂用量 S

规定：最终萃余相组成 xn

计算：萃取级数 n

萃取剂组成 ys

二、多级逆流萃取的计算


物料衡算关系

1 nF E R S 211 EREF 3221 ERER 1n n nR E R S

1 1 2 2 3 nF E R E R E R S


净流量差操作点


多级逆流萃取三角形相图图解计算

xFM

xn

nR

1 nF S E R M

F1E

1 1 2 2 3 nF E R E R E R S

1R2E

2R3E

3R 4E


定

n=4


溶剂比的影响S / F 较小

FM

nR

1E

△在左侧


溶剂比的影响S / F 较大

F

M

nR

1E

△在右侧


溶剂比的影响S / F 为某数值

F

M

nR

1E

△ 在无穷远处



在第 1 级至第 i 级之间进行质量衡算

F 1 1i iBX SY BX SY

2. B 与 S 不互溶物系的计算(1) 直角坐标图图解法

1 iB FX B 1X

S 1Y

B 1iX B iX

S iY SS 2Y 1iY


整理得

1 1 F( )i i

B BY X Y X

S S

操作线方程斜率

S

B

过点 F 1( , )X Y

n S( , )X Y



XF

J

多级逆流萃取直角坐标图图解计算

Xn


定 n=4

YS

Y1

D

斜率 B/S

1

2

34


(2) 解析法KXY 设平衡关系为

类似于逆流吸收

F S

m m n S m

/1 1 1ln[(1 ) ]

ln /

X Y Kn

A A X Y K A

)(S

S( )Y

)(B

F( )X)(S)( 1Y

)(B( )nX

V1Y

S2X

S1X

V2Y

*1 2

T *2 2

1 1 1ln[(1 ) ]

ln

Y YN

A A Y Y A


萃取因子


(3)适宜溶剂量的确定

处理量 F 一定

S S/F操作费

n～设备费

( ) min0.2~1.1 SS =


～根据工程经验

适宜溶剂用量


XF

最小溶剂用量

Xn

YS

Y1

1Y

SB /)/( SB

1Y

max

minmax SBmaxmin BS

*1 S

maxF n

Y Y

X X


练习题目

思考题

作业题 : 3 、 4 、 5

1. 单级萃取如何进行计算？2. 多级错流萃取有何特点，其级数如何计算？3. 多级逆流萃取有何特点，其级数如何计算？



10.3 液 - 液萃取过程的计算10.3.1 单级萃取的计算10.3.2 多级错流萃取的计算10.3.3 多级逆流萃取的计算10.3.4 微分接触逆流萃取的计算


一、微分接触逆流萃取的流程

连续相分散相重相轻相

微分接触逆流萃取流程


分散相选择的原则

用填料塔时，两相黏度相差较大时，安全角度考虑，

一、微分接触逆流萃取的流程

两相流量相差较大时，流量大的作为分散相

润湿性能差的作为分散相

黏度大的作为分散相

易燃、易爆的液体作为分散相


二、萃取塔工艺尺寸的确定

1. 萃取塔有效高度的确定(1) 等板高度法

H n HETS

提示： HETS 与 HETP 不一定相等。

与填料吸收塔类似

TZ N HETP 萃取级数

等板高度


(2)传质单元数法

1

2

n,VOG OG

Y

d

*

Y

Y

q XZ H N

K a Y Y

与填料吸收塔类似

F

nOR OR

X

d

*

X

X

B XH H N

K a X X


萃余相总传质单元数

萃余相总传质单元高

度


萃余相总传质单元数的计算

*F

OR *m m

m

1 1 1ln (1 )

11

n

n n

X XN

A X X AA

与填料吸收塔类似*

1 2OG *

2 2

1ln (1 )

1

Y YN S S

S Y Y



2. 萃取塔塔径的计算

V,C V,D

C D

4 4q qD

U U

UC 、 UD 连续相和分散相的表观速度， m/s

萃取塔塔径


V,Cq V,Dq


C Cf0.5 ~ 0.8U U

UCf 连续相的液泛表观速度， m/s

连续相表观速度的计算

一相的流速过大，将另一相夹带由其自身的入口处流出塔外。


萃取塔液泛


填料萃取塔的液泛速度关联图

横坐标

0.2 1.5C

C

( ) ( )a

纵坐标0.5 2

Cf D C C

C

[1 ( / ) ]U U U

a

CfU


10.1 萃取过程概述


10.2 液 - 液相平衡关系10.3 液 - 液萃取过程的计算10.4 液 - 液萃取设备10.4.1 萃取设备的基本要求与分类


一、萃取设备的基本要求

萃取设备的基本要求

两相充分的接触并伴有较高程度的湍动有利于液体的分散与流动有利于两相液体的分层

新乡学院化工原理精品课程二、萃取设备的分类

液体分散的动力逐级接触式微分接触式

重力差筛板塔喷洒塔填料塔

外加能量

脉冲脉冲混合－澄清器脉冲填料塔液体脉冲筛板塔

旋转搅拌

混合澄清器夏贝尔塔

转盘塔 (RDC)

偏心转盘塔(ARDC)

库尼塔往复搅拌往复筛板塔

离心力卢威式离心萃取器 POD 离心萃取机



10.4 萃取设备10.4.1 萃取设备的基本要求与分类10.4.2 萃取设备的主要类型


萃取设备的主要类型 ( 自学 )

自学要求

① 掌握 5 种以上主要萃取设备的名称。② 了解主要萃取设备的结构形式。③ 了解主要萃取设备的工作原理。


10.4 萃取设备10.4.1 萃取设备的基本要求与分类10.4.2 萃取设备的主要类型10.4.3 萃取设备的选择



萃取设备选择考虑的因素

生产能力物系的物性

物系的稳定性和液体在设备内的停留时间

萃取设备的选择

需要的理论级数

其他

密度差界面张力腐蚀性

能源供应场地条件


10.1 萃取过程概述 10.2 液 - 液相平衡关系10.3 液 - 液萃取过程的计算10.4 液 - 液萃取设备

10.5.1 超临界流体萃取10.5 其他萃取技术简介



一、超临界萃取的基本原理

1．超临界流体如果某种气体处于临界温度之上，则无论压力增至多高，该气体也不能被液化，称此状态的气体为超临界流体。

超临界流体

二氧化碳乙烯乙烷丙烷

√


2. 超临界流体的基本性质

超临界流体的基本性质

密度

黏度

自扩散系数

接近于液体。

接近于气体。

介于气体和液体之间，比液体大 100倍左右。



3. 超临界流体的溶解性能物质在超临界流体中的溶解度 C 与超临界流体的密度 ρ 的关系

mkC lnln

ρ ～ C

超临界流体既具有与液体相近的溶解能力，萃取时又具有远大于液态萃取剂的传质速率。

比例系数

常数



不同物质在二氧化碳中的溶解度

1-甘氨酸；2-弗朗鼠李甙；3-大黄素；4- 对羟基苯甲酸；5-1,8- 二羟基蒽醌；6- 水杨酸；7- 苯甲酸


液体 (或固体 )混合物

压缩到超临界状态

升温、降压溶剂与萃取组分分离

萃取剂在超临界状态下，压力微小变化引起密度变化很大，使溶解度增大。

萃取剂回用萃取组分


3. 超临界萃取的原理


二、超临界萃取的典型流程

超临界萃取过程分为萃取和分离两个阶段，按分离方法不同分为三种流程。

超临界萃取的流程

等温变压流程

等压变温流程

等温等压吸附流程


超临界萃取等温变压流程

1- 萃取器； 2-膨胀阀； 3- 分离槽； 4-压缩机

T1 = T2

p1 > p2


1- 萃取器； 2-加热器； 3- 分离槽； 4-泵； 5-冷却器

T1 < T2

p1 = p2

超临界萃取等压变温流程


1- 萃取器； 2-吸附剂； 3- 分离槽； 4-泵

T1 = T2

p1 = p2

超临界萃取等温等压吸附流程


三、超临界萃取的特点

超临界萃取的特点

超临界流体密度接近于液体，溶解能力与液体溶剂基本相同超临界流体具有气体的传递特性，具有更高的传质速率适合于热敏性、易氧化物质的分离或提纯操作压力高，设备投资较大


四、超临界萃取的应用示例

超临界萃取是具有特殊优势的分离技术。多年来，众多的研究者以炼油、食品、医药等工业中的许多分离体系为对象开展了深入的应用研究。在石油残渣中油品的回收、咖啡豆中脱除咖啡因、啤酒花中有效成分的提取等工业生产领域，超临界萃取技术已获得成功地应用。


用超临界 CO2从咖啡中提取咖啡因的流程

1- 萃取塔； 2- 水洗塔； 3-蒸馏塔； 4-脱气罐


活性炭超临界再生流程

1 、 2-再生器； 3- 换热器； 4- 分离器；

5-压缩机； 6-冷却器


10.5.1 超临界流体萃取10.5 其他萃取技术简介

10.5.2 回流萃取 ( 选读 )10.5.3 化学萃取 ( 选读 )

10.6 液 - 固浸取 ( 选读 )



练习题目

思考题

作业题 : 7 、 8

1. 微分逆流接触萃取的计算与逆流吸收有何异同？2. 何为超临界流体，超临界流体有何特性？3. 超临界流体萃取的原理是什么？


本章小结

本章重点掌握内容萃取过程的液 - 液相平衡关系

组成在三角形相图上的表示方法溶解度曲线平衡方程与分配系数选择性系数

萃取过程的计算单级萃取过程的计算

Documents

10.1 液 - 液萃取概述