[实践]__萃取过程及设备的选择与操作

[实践]__萃取过程及设备的选择与操作 萃取过程及设备的选择与操作 学习目标 1(了解液-液萃取操作在化工生产中的重要性，熟悉化工生产过程中常见的液-液萃取 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ; 2(熟悉萃取剂的选择原则，掌握萃取剂的选择方法。会根据萃取相图等知识确定萃取剂用量并能进行单级萃取过程的计算。 3(掌握萃取设备的分类及萃取典型设备，能够根据萃取任务进行萃取设备的选择。 4(掌握连续逆流萃取过程及计算，萃取剂最少用量的计算。 5(掌握实训萃取装置的结构，萃取操作的要点及注意事项。能够独立进行萃取装置的操作。通过测定原料液和萃余相的浓度，对萃取效果进行评价。 引 言 前已介绍，非均相物系的分离一般用沉降、过滤等操作方法;均相物系中气体混合物的分离则用吸收与解吸的方法来完成，那么均相液体混合物又该如何分离呢,本学习情境四开始介绍均相液体混合物的分离方法。 均相液体混合物的分离方法目前常用的有三种:蒸发、蒸馏和萃取。 当形成溶液的各组分中，至少有一种组分是不挥发的，通常选用蒸发的方法将不挥发性的组分与挥发性的溶剂分离。 当形成均相混合物的溶液中各组分的均具挥发性，且各组分之间挥发性相差较大时，如果分离任务量大，且不需要很高的温度就能使各组分汽化时，这类均相液体混合物的分离一般采用蒸馏的方法。 萃取也是分离均相液体混合物的常用方法。一般用于以下几种情况: (1)混合液中各组分之间的挥发性相近，沸点相近，相对挥发度接近于1，甚至形成恒沸物时，用一般的蒸馏方法难以达到或不能达到分离要求的纯度。 (2)需分离的组分浓度很低且沸点比稀释剂高，用蒸馏方法需蒸出大量稀释剂，消耗能量很多。 (3)溶液中要分离的组分是热敏性物质，受热易于分解、聚合或发生其它化学变化。 需要说明的是当分离液体混合物用蒸馏或萃取方法均可应用时，其选择操作方式的依据主要是由经济性来确定。与蒸馏比较，整个萃取过程的流程比较复杂，且萃取相中萃取剂的回收往往还要应用精馏操作。但是萃取过程是在常温下操作，无相变化以及选择适当溶剂可以获得较好的分离效果等优点，在很多情况下，仍显示出技术经济上的优势。 本学习情境主要学习萃取过程的有关知识。下面我们基于双氧水生产工艺中氧化液分离任务的完成来学习有关萃取操作的知识。 制定从蒽醌氧化液中分离出双氧水的方案 双氧水是重要的无机化工产品，广泛应用于国民经济各个领域。目前国内双氧水生产主要采用蒽醌法，蒽醌法生产双氧水较电解法生产双氧水具有能耗少、成本低和易于实现大规模生产等优点。近20年，蒽醌法生产双氧水的能力迅速增加，国内陆续投产了几十套生产装置，尤其近几年，国内多家年产100kt(HO质量分数为27.5%，下同)和22 200kt大型双氧水企业的投产，大大促进了双氧水生产工艺和技术的进步。 某化工厂采用蒽醌法生产双氧水，工艺过程示意框图如下: 图4-1 双氧水生产过程示意图 上图中以2-乙基蒽醌为载体，溶解于芳烃和磷酸三辛脂按一定比例组成的溶剂中(又称工作液)，工作液中的2-乙基蒽醌在钯的催化作用下，在氢化反应器中与氢气进行氢化反应，生成2-乙基氢蒽醌和四氢-2-乙基氢蒽醌的混合液(又称氢化液)，氢化液经过氢化床袖筒和氢化液过滤器后，在氧化塔里与氧气进行氧化反应，生成含双氧水、2-乙基蒽醌和四氢-2-乙基氢蒽醌 (又称氧化液)，氧化液经分离处理，获得浓度大于303g/L的双氧水，通过净化处理即为27.5%的双氧水成品。 请拟定:从氧化液分离出双氧水的方案。 任务分析 本任务的主要目的就是:从含有双氧水、2-乙基蒽醌和四氢-2-乙基氢蒽醌 、芳烃和磷酸三辛脂均相液体混合物(氧化液)中分离出双氧水，可见这是一典型的均相液体混合物的分离任务。 由于物系中各个组分均具挥发性，其中2-乙基蒽醌和四氢-2-乙基氢蒽醌 、芳烃和磷酸三辛脂均为沸点较高的有机物，混合液的沸点在185?左右，与双氧水的沸点(158?)相差不大，而过氧化氢为热敏性物质，加热易分解。 显然要将氧化液中的过氧化氢与其他物质分离，是不可能采用蒸发和蒸馏的方法。因此实际生产中一般采用萃取的方式。 那么什么是萃取,萃取操作是如何进行的,在萃取过程中要解决哪些基本问题,怎样解决这些问题,这是化工专业技术人员必须掌握的知识和技能。 萃取过程和萃取方案的认识 一、液-液萃取基本工作过程的认识 萃取就是在欲分离的液体混合物中加入一种与其不溶或部分互溶的液体溶剂，形成两相系统，利用混合物中各组分在两相中分配差异的性质，易溶组分较多地进入溶剂相从而实现混合液分离的操作称为液液萃取。 萃取操作的基本过程如图4-2所示。将一定的溶剂(萃取剂)加到被分离的混合液(原料液)中，采取措施(如搅拌)使原料液和萃取剂充分混合，在混合过程中溶质通过相界面由原料液相向萃取剂相中扩散。待两相充分混合后，再利用沉降使两液相分层，加以分离。 图4-2 萃取基本操作示意图 在萃取过程中，所用的溶剂称为萃取剂，混合液体为原料液，原料液中欲分离的组分称为溶质，其余组分称为稀释剂(或称原溶剂)。萃取操作中所得到的溶液称为萃取相，其成分主要是萃取剂和溶质，剩余的溶液称为萃余相，其成分主要是稀释剂，还含有残余的溶质等组分。 萃取后得到的萃取相需要用精馏或反萃取等方法进行分离，得到含溶质的产品(萃 ，取液E)和萃取剂，萃取剂供循环使用。萃余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。 用三氯乙烷在萃取装置中萃取丙酮水溶液中的丙酮～分析并指出在这个案例 中的原料液、萃取剂、萃取相、萃余相、溶质、稀释剂。 二、液-液萃取方案的认识 液-液萃取的最早实际应用是1883年Goeing用乙酸乙酯之类的溶剂由醋酸的稀溶液制取浓醋酸。1908年Edeleanu首先将溶剂萃取应用于石油工业中。他用液态二氧化硫作为溶剂从煤油中萃取除去芳香烃。20世纪30年代初期，开始有人研究稀土元素的萃取分离问题，但是在很长的时间内没有获得具有实际价值的成果。20世纪40年代以后，随着原子能工业的发展，基于生产核燃料的需要，大大促进了对萃取化学的研究。特别是在20世纪40年代末期采用TBP(磷酸三丁酯，tributyl phosphate)作为核燃料的萃取剂以后，萃取过程得到了日益广泛的应用和发展。 近年来，由于萃取设备的改进，回流萃取流程的推广以及电子计算机的应用，更加提高了萃取效率，从而为萃取过程的广泛应用创造了更为有利的条件。 目前萃取操作在无机化工、石油化工、精细化工、原子能化工和环境保护等方面已被广泛应用。下面分别介绍无机萃取和有机萃取的典型实例。 (一)无机化工中的液-液萃取过程 萃取过程在无机化学工业生产过程中最重要的应用就是在水法冶金过程中提取、分离各种金属元素。下面以稀有金属锆、铪的分离过程为例。 锆、铪分离原则流程如图4-3所示。 图4-3 金属锆、铪分离过程 据统计，至今已经对周期表中94种元素的萃取性能进行了研究。萃取技术适用于冶金过程的不同处理阶段，其中包括: (1)从矿石浸出液中提取金属; (2)分离性质相近的金属元素; (3)从工业废液中回收有价金属元素 随着萃取技术的不断改进，随着开采各种低品位矿的需求的增加，以及对环境保护的日益强烈的要求，将会促使采用萃取过程选择性地生产某种特定金属(包括锌(铝，钼、铋等)的新方法不断发展，萃取过程将在冶金工业中得到更加广泛的应用。 (二)有机化工中的液-液萃取过程 萃取过程在有机化学工业中的应用也相当广泛。例如，在石油和石油化学工业中，用于芳烃抽提、丙烷脱沥青、糠醛精制，以及利用石油基作原料合成醋酸、生产丙烯酸等多种工艺过程。在煤焦油工业中，用于从煤焦油馏分中萃取苯酚和分离苯酚同系物等过程。在制药工业中，用于从发酵液中回收抗菌素(青霉素的生产是最好的例证)和各种生物碱(如马钱子碱、二甲马钱于碱、奎宁)的生产。在油脂工业中，用于动物油和植物油的净化和肥皂的生产等过程。在食品工业中，应用于磷酸三丁酯从发酵液中萃取柠檬酸等过程。表4-1综合了萃取法在有机化工中的部分应用实例 表4-1 萃取法在有机化工中的部分应用 行业 原料 溶剂 萃取物 汽油和煤油馏分 环丁砜 芳香烃 催化重整物、直馏汽油或煤二甲基亚砜 芳香烃 油 石油工业 含重渣油的石蜡 丙烷 石蜡及沥青 C4碳氢化合物 二甲基甲酰胺 丁二烯 石脑油 糠醛、糠醇、水 重芳香族化合物 焦炉油 二甘醇和水 芳香烃 炼焦工业 粗焦馏物 甲醇、水和己烷 焦油酸 煤气水洗液 重苯溶剂油N503 酚 不饱和甘油酯和植物油和动物脂 丙烷 油脂工业 维生素 植物油 糠醛 不饱和甘油酯 麻黄草浸渍液 苯、二甲苯 麻黄素 医药工业 含青霉素发酵液 醋酸丁酯 青霉素 醋酸稀溶液 乙酸乙酯 醋酸 其他 催化裂化石油厂废水 轻催化油 酚 此外，液-液萃取在生物化工、分析、环保等方面也有广阔的应用，例如，发酵液中酶的提取及各种酶之间的分离;核酸的分离及纯化;又例如，大量钍中微量铀的测定，就经常用某种萃取剂(TRPO)先萃取分离铀、钍，然后再进行铀的比色测定。 在液-液萃取技术不断扩大其应用领域的同时，还不断地发展了若干新技术，除了前已叙述的方法之外，随着回流萃取、双溶剂萃取、液膜萃取、超临界萃取等技术的问世，以及萃取与其他分离手段相结合的技术，使得液-液萃取技术成为具有广阔发展前景的单元操作之一。 常用的液体混合物分离方式除了液-液萃取外还有哪些,液-液萃取较 这些分离方式有何优点, 三、实现液-液萃取生产所涉及的主要问题 从上面液-液萃取在无机化工和有机化工应用的例子中我们已经看出，在不同的场合，处理对象不同，所用萃取剂也不相同，萃取过程所采用的工艺条件更是千变万化。但作为萃取过程本身，其实质都是一样的。无论是哪种分离体系，哪一种流程，它们具有如下共性问题: (1)萃取体系的选择:即是采用什么样的萃取剂从哪一种介质中进行萃取，能够满足萃取分离的要求，并且对被萃取组分的提取和分离最为有利。 (2)工艺和操作条件的确定:即是在确定萃取体系之后，研究采用什么样的条件进行萃取，对被萃取组分的提取和分离最为有利。 (3)萃取方式的确定和萃取流程的建立。 (4)萃取设备的选型和 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 。 显然，上述每个问题都着眼于取得较好的萃取效果，满足对具体处理对象所提出来的提取或分离的要求，并使之在生产实践中付诸实现。后面我们将针对这些方面进行专门的学习。 01(液-液萃取主要应用于哪些方面，并举例。 02(在表4-1中选取一个萃取实例，通过查找资料，画出该实例的萃取操作示意图。 模块二 萃取剂的选择与萃取用量的确定 通过引言及模块一，我们接触了大量的萃取实例，对萃取的过程已经有了基本的认识。要完成引言中从氧化液中分离出双氧水萃取任务，我们应该选择什么样的物质作为萃取剂量呢,选择萃取剂时应考虑的因素有哪些,对不同的原料液，如何选择萃取剂及萃取剂的用量如何确定，是萃取操作的核心问题。下面我们学习相关知识。 一、萃取剂的选择 萃取溶剂的选择是萃取操作的关键，它直接影响到萃取操作能否进行，对萃取产品的产量、质量和过程的经济性也有重要的影响。因此，当准备采用萃取操作时，首要的问题，就是萃取溶剂的选择。一个溶剂要能用于萃取操作，首要的条件是它与料液混合后，能分成两个液相，其次溶剂对溶质有较大的溶解度。但要选择一个经济有效的溶剂，还必须从以下几个方面作分析、比较。 1、萃取剂的选择性系数 为了更好地说明一个溶剂的萃取分离特征，就要综合考虑到溶剂对溶质和原溶剂的溶解度，比较通用的参数叫做溶剂的选择性系数β，表示为: yy/，，yx/ABAA,,, (4-1)xxyx//，，ABBB 式中 ——是萃取相E中溶质(A)和稀释剂(B)的浓度比;yy/AB xx/——是萃余相R中溶质(A)和稀释剂(B)的浓度比;AB 选择性系数β是溶质(A)和稀释剂(B)分别在萃取相E和萃余相R中的分配系数的比值。 当β>1，萃取操作能够实现，β越大，分离操作越容易。 当β<1，萃取操作也能够实现，只是萃取分离出来的是稀释剂(B)，而不是溶质(A)。 若β=1，即萃取相和萃余相脱去溶剂后，得到的萃取液和萃余液有相同的组成， 并和原溶液一样，也就不可能进行萃取分离。 从溶剂的选择性系数考虑，要选择β值较大的溶剂，使萃取操作容易实现。 对于萃取剂S与稀释剂部分互溶的体系，选择性系数的大小，反映互溶度的大小。互溶度越小，选择性系数大，对萃取操作有利。图4-4表示两种不同的溶剂S和S’对A和B的混合液进行萃取的情况，图4-4(a)表示B和S的互溶度小，而图4-4(b)表示B和S’互溶度较大。过S和S’分别作溶解度曲线的切线，得到两种情况的萃取液的组成E和E’，显然E>E’，采用萃取剂S比S’更有利于组分A的分离。maxmaxmaxmax 图4-4 溶剂与稀释剂的互溶度影响 2、萃取剂的物理性质 (1)密度 在液液萃取中，两相间应保持一定的密度差，以利于两液相在萃取器中能以较高的相对速度逆流和两相的分层;此外萃取设备还可达到较大的生产能力。 (2)界面张力 萃取物系的界面张力较大时，细小的液滴比较容易聚结，有利于两相的分离，但界面张力过大，液体不易分散，难以使两相混合良好，需要较多的外加能量。界面张力小，液体易分散，但易产生乳化现象使两相难分离，因此应从界面张力对两液相混合与分层的影响综合考虑，选择适当的界面张力，一般说不宜选用张力过小的萃取剂。 两种纯液体的界面张力可用滴重法和气泡最大压力法来测定，常用体系界面张力数值可在文献中找到。有人建议,将溶剂和料液加入分液漏斗中,经充分剧烈摇动后,两液相最多在5min以内要能分层,以此作为溶剂界面张力σ适当与否的大致判别 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 (3)粘度 溶剂的粘度低，有利于两相的混合与分层，也有利流动与传质，因而粘度小对萃取有利。有的萃取剂粘度大，往往需加入其他溶剂来调节其粘度。 3、萃取剂的化学性质 萃取剂需有良好的化学稳定性，不易分解、聚合，并应有足够的热稳定性和抗氧化稳定性。对设备的腐蚀性要小。 4、萃取剂回收难易 通常萃取相和萃余相中的萃取剂需回收后重复使用，以减少溶剂的消耗量。回收费用取决于回收萃取剂的难易程度。有的溶剂虽然具有以上很多良好的发生，但往往由于回收困难而不被采用。 最常用的回收方法是蒸馏，因而要求被分离体系相对挥发度α大，如果α接近于1，不宜用蒸馏，可以考虑用反萃取，结晶分离等方法。 5、其它指标 如萃取剂的价格、来源、毒性、以及是否易燃、易爆等等，均为选择溶剂需要考虑的问题。 当没有一种萃取剂能满足以上要求时，可以采用几种溶剂组成的混合萃取剂以获得较好的性能。 6、温度对萃取剂性能的影响 在讨论萃取剂和稀释剂互溶度时指出，对于萃取过程互溶度愈小愈好。温度对互溶度有显著影响，通常温度升高溶解度增加。 图4-5所示为二十二烷-二苯基己烷-糠醛体系的相图。二十二烷与糠醛部分互溶。从图中可以看出，温度从45?上升到140?，两相区不断减少若温度继续上升，则变成三组完全互溶体系而无法进行萃取操作。 某些体系，温度改变时，溶解度曲线的形状会发生较大的变化，例如图4-12示的甲基环戊烷(A)-正己烷(B)-苯胺(S)体系，在三个不同温度下(T>T>T)的溶解321度曲线。随着温度升高，该体系的溶解度曲线由第?类物系转变为第?类物系。 也有一些体系温度变化时溶解度曲线无明显变化。温度对萃取剂的粘度，表面张力等物性有较大影响，因而在萃取操作中选择什么温度应该仔细考虑。 图4-5 温度对分层区大小的影响 双氧水生产中萃取剂的选择 从氧化塔出来的氧化液是 2-乙基氢蒽醌和四氢-2-乙基氢蒽醌、芳烃和磷酸三辛脂和过氧化氢的混合物。在这个混合物中，只有过氧化氢溶解与水，其它组分几乎不溶于水，可见水对过氧化氢有很好选择性。水的粘度低，只要措施得当容易与工作液(原料 3左右，与水的密度液)混合，也有利流动与相际传质。由于氧化液的密度在900kg/m 相差较大，当水中溶有双氧水后，密度更大，因此水相与油相很容易分开。更重要的是产品双氧水溶液的溶剂本身就是水，因此可直接使用水做萃取剂，可减少后续处理的环节。 鉴于上述几个原因，可见从氧化液中出过氧化氢并获得产品双氧水溶液用水作为萃取剂是最合适的。 2+特别提示:由于过氧化氢遇到F会分解，所以作为萃取剂使用的水一定要使用无e 离子的纯净水～～ 下面是某厂的萃取流程和萃取工艺参数 萃取流程见图4-6。萃取流程的核心为萃取塔～塔顶 进料S1为萃取剂水～塔底进料S2为氧化液～塔顶出料S3 为萃余液～塔底出料S4为萃取液,粗双氧水,。萃余液经 后处理后循环使用～萃取液净化后即得产品。 萃取过程中氧化液,双氧水、三甲苯、磷酸三辛酯、 3/烷基蒽醌、四氢烷基蒽醌,流量为470mh～双氧水浓度 37.3g/L～萃取剂水的量在10m/h以内～萃余液中双氧水浓 度控制在不大于0.3g/L的范围内。萃取后～萃取液中含双 氧水375g/L～双氧水和水占总萃取液组成的99.99%以上～ 萃余液中含双氧水小于0.lmg/L～含水小于25mg/L～产量 为100kt/a 。 图4-6 双氧水萃取流程 图 3从双氧水萃取方案中可以看到，萃取剂水的流量为10m/h，萃取设备使用的是填料式萃取塔。那么水的流量是怎么确定的,为什么使用填料萃取塔，除了填料萃取塔外还有哪些萃取设备，它们各有什么特点用于什么场合, 二、萃取剂用量的确定 确定萃取剂水的用量及萃取相浓度(双氧水浓度)需要掌握三角形相图;溶解度曲线及联结线;辅助曲线及临界混溶点;分配系数及分配曲线;杠杆规则等基本萃取知识。 1、三角形相图 在萃取过程中至少要涉及三个组分，原料液中的两个组分即溶质(A)和稀释剂(B)以及加入的溶剂即萃取剂(S)。三元物系的相平衡关系不仅可以三角形坐标图上表达，而且通过该图可以计算出它们各自的组成和数量关系。 三角形坐标图一般采用等边三角形或直角三角形，溶液组成通常用质量百分数或质量分率表示。其表示的平衡组成图即为三角形相图。三角形的三个顶点分别表示某一种纯物质，如A点表示只有一个组分(纯溶质)，含量为100%，B点则表示只有稀释剂一种组分，S点则为纯溶剂。 在三角形相图中，每条边上的任一点代表一个二元混合物的组成，其中不含有第三 组分，二元混合物的组分的含量可以直接由图上读出。例如在图4-7(a)中AB边上的E点所表达的含A(溶质)50%，含B(稀释剂)50%。 x,EA,0.5x,EA,0.5x，x,0.5，0.5,1.0ABAB 图4-7 三元物系(三元混合液)的组成在三角形相图中的表示方法 在三角形内的任一点代表某三元混合物的组成。例如图4-7中M点所代表的混合物中含有40%的组分A，含有40%的组分B，含有20%的组分S。其查法是由点M至AB边的垂直距离代表组分S在M中的质量分率=20%，由点M至BS边的垂直距离代表组分AxS 在M中的质量分率=40%。同样由点M至AS边的垂直距离代表组分B在M中的质量分xA 率=40%。所以xxx，，=0.4+0.4+0.2=1.0 xABSB 2、溶解度曲线与联结线 在萃取操作，按三组分间的互溶度的不同，可以分为以下两类: 第?类物系:溶质A可溶于稀释剂B和萃取剂S中，但稀释剂与萃取剂部分互溶或完全不互溶。如图4-8。 图4-8 有一对组分(B与S)部分互溶的溶解曲线与联结线 第?类物系:溶质A与稀释剂B互溶，但稀释剂与萃取剂部分互溶，同时溶质A与溶剂S也是部分互溶。如图4-9，第I类物系在萃取操作中较为普遍，故下面主要讨论第?类物系。 图4-9 两对组分(B与S、A与S)均为部分互溶的溶解度曲线及联结线 图4-8是第?类物系的典型相平衡图。图中曲线是溶解度曲线，它将三角形相图分为两个区:曲线上部为均相区，曲线下部为两相区。两相区是萃取过程的可操作范围，溶解度曲线是在恒定温度时通过实验测定的，例如可以采用下列方法测定。 在恒温下，将一定量的稀释剂B和萃取剂S加到试验瓶中，此混合物组成如图4-10上的M点所示，将其充分混合，两相达平衡后静置分层，两层的组成可由图中的点R和点E表示。然后在瓶中滴加少许溶质A，此时瓶中总物料的状态点为M，经充分混合，1两相达到平衡后静置分层，分析两层的组成，得到E和R两液相的组成，E和R为一对1111呈平衡的两相称为共轭相(或平衡液)，E和R两点的联结的直线称为联结线。然后再11 加入少量溶质A，进行同样的操作可以得到E、R，E、R„„等若干对共轭相，当A的2233 加入量增加到某一程度时，混合液的组成抵达图中N点处，分层现象就完全消失。将诸平衡液层的状态点R、R、R、R、N、E、E、E、E连接起来的曲线即为此体系在该温123321 度下的溶解度曲线。 图4-10 溶解度曲线和联结线绘制 图4-11 吡啶―氯苯―水体系的联结线 通常联结线都不互相平行，各条联结线的斜率随混合液的组成而异。一般情况下各联结线是按同一方向缓慢地改变其斜率，但有少数体系，当混合液组成改变时，联结线斜率改变较大，能从正到负，在某一组成联结线为水平线，例如吡啶一氯苯一水体系就是这种情况，如图4-11所示。 不同物系有不同形状的溶解度曲线，对于同一物系，在不同温度下，由于物质在溶剂中的溶解度不同，因而分层区的大小也相应地改变，而使溶解度曲线形状发生变化。 图4-12 溶解度曲线形状随温度的变化情况 图4-12所示的为甲基环戊烷(A)-正己烷(B)-苯胺(S)系统在温度t=20?，1t=34.5?，t=45?条件时的溶解度曲线。一般情况下，当温度升高时，溶质在溶剂中23 的溶解度增加，温度降低时溶质的溶解度减少。 在溶解度数据表中，三元混合物组成有时也省略掉稀释剂的组成数据，因为它可以从x=1-x-x中计算得到。 BAS 3、辅助曲线与临界混溶点 在一定温度下测得的溶解度平衡数据是由实验的次数决定的，也是有限的。为了得 到其它组成的液液平衡数据，可以应用内插法进行图解求得。通常这种内插法利用若干对已知平衡数据绘制出一条辅助曲线进行。 辅助曲线的作法如图4-13所示。已知联结 线ER，ER，ER。从E点作AB轴的平行线，1122331 从R点作BS轴的平行线，得一交点H。同样从1 E，E分别作AB轴的平行线，从R，R分别作2323 BS轴的平行线，分别得到交点K，J，联结各交 点，所得的曲线HKJ即为该溶解度曲线的辅助 曲线。 利用辅助曲线可求任一平衡液相的共轭 相。如求液相R的共轭相，如图4-13所示，自 R作点BS轴的平行线交辅助曲线于G点，再由 G点作AB轴的平行线，交溶解度曲线于E点， 则E是R的共轭相。 图4-13 三元物系的辅助曲线 在作辅助线时，将辅助线延长与溶解度曲 线相交在P点，该点称为临界混溶点，它将溶解度曲线分为两部分，靠溶剂S一侧为萃取相即E相，含溶剂较多，靠稀释剂B一侧为萃余相即R相，含稀释剂较多。临界混溶点一般不在溶解度曲线的最高点，其准确位置的确定较为困难，只有当已知的其轭相接近临界混溶点时才较准确。 4、分配曲线与分配系数 (1)分配曲线与联结线的关系 将三角形相图上各组相对应的平衡液层中溶质A的浓度转移到x-y直角坐标上，所得的曲线为分配曲线。对第?类物系即有一对组分部分互溶时的分配曲线如图4-14，对第?类物系即有二对组分部分互溶时的分配曲线如图4-15表示。 分配曲线表达了溶质A在相互平衡的R相与E相中的分配关系。 图中x——溶质A在R相(萃余相)中的质量分率。 A y——溶质A在E相(萃取相)中的质量分率。 A 分配曲线也可在X-Y直角坐标图上绘出，横坐标X是溶质A的量与稀释剂B的量之比，即kg(A)/kg(B);纵坐标Y是溶质A的量与萃取剂S的量之比，即kg(A)/kg(S)。在绘图前只须将x,y的数值换算成X，Y的数值即可绘图。 图4-14 分配曲线与联结线间的关系，第?类物系相图，三角形坐标 图4-15 分配曲线与联结线间的关系，第?类物系相图，三角形坐标 例如在图4-7(b)中已知M点的组成，若取该组成的量为1kg，则溶质A的质量是0.4kg，稀释剂B的量0.4kg，萃取剂的量是0.2kg，所以 溶质A的量0.4 X,,,1稀释剂B的量0.4 溶质A的量0.4 Y,,,2萃取剂B的量0.2 其换算关系为: xxAAX,Y, xxBS (2)分配系数 分配系数是表达溶质A在两平衡相中的分配关系。在一定温度条件下，溶质A在E相中的浓度y与它在R相中的浓度x之比，称为分配系数，以k表示，即AAA y溶质A在E相中的浓度A (4-2) k,,A溶质A在R相中的浓度xA 5、杠杆规则(混合规则) 如图4-16所示，将Rkg的R相与Ekg的E相相混合，即得到总组成为Mkg的混合液。点M所代表的混合液可分为两个液层R和E。M点称为和点，R点和E点称为差点。三点如图所示，处于同一直线上。M点与R、E的关系可用杠杆规则描述，见下式: RME线段长以ME表示，， (4-3),E，，RM线段长以RM表示 根据相似三角形的比例关系得: x,xMEEM ,x,xRMMR 所以得到 x,xRMEEM,, (4-4)图4-16 杠杆规则的应用 Ex,xRMMR 式中x——溶质A在E相中的质量分率。 E x——溶质A在R相中的质量分率。 R x——溶质A在混合液M中的质量分率。 M 上式称为杠杆规则 由总物料衡算可得: R+E=M 若于A、B二元料液中加入纯溶剂S，则混合液总组成的坐标M点沿SF线而变，具体位置由杠杆规则确定，即: MFS, (4-5) MSF 杠杆规则是物料恒算的图解表示方法，为以后将要讨论的萃取操作中物料恒算的基础。 6、单级萃取的过程及计算 单级接触萃取可用于间歇操作，也可用于连续生产，流程较简单，其过程如图4-17所示。原料液F与萃取剂(即溶剂S)一起加入到萃取器内，充分搅拌，使两相混合，经过一定时间的萃取后(假设萃取达到平衡)，将混合液M送入澄清器，分离为萃取相E和萃余相R两层，再将萃取相与萃余相分别送入溶剂回收设备以回收溶剂(萃取剂)，相应地得到萃取液E’和萃余液R’。 单级萃取过程的计算，一般已知的条件是:所要求处理的原料液的量和组成，溶剂的组成，体系的相平衡数据，萃余相(或萃余液)的组成。要求计算所需萃取剂的用量，萃取相和萃余相的量与萃取相的组成，通常根据三角形相图用图解法进行计算。 图4-17 单级萃取流程示意图 图4-18中各物流量及组成的符号表示为: F——原料液的量，kg或kg/h， S——萃取剂的量，kg或kg/h， M——混合液(原料液+萃取剂)的量，kg或kg/h E——萃取相的量，kg或kg/h， R——萃余相的量，kg或kg/h， E’——萃取液的量，kg或kg/h， R’——萃余液的量，kg或kg/h， 图4-18 单级接触萃取操作图解法 x——原料液中溶质A的质量分数， F x——混合液中溶质A的质量分数， M x——萃余相中溶质A的质量分数， R x——萃余液中溶质A的质量分数， R’ y——萃取剂中溶质A的质量分数， S y——萃取相中溶质A的质量分数， E y——萃取液中溶质A的质量分数。 E’ 图解法的计算步骤如下: (1)根据已知平衡数据在直角三角形坐标图中画出溶解度曲线及辅助曲线。 (2)在三角形坐标的AB边上根据原料液的组成x确定F点(如图4-18)，根据所用F 萃取剂的组成y在图上确定S点(设为纯溶剂在三角形右顶点上。有时溶剂是经过回收S 循环使用的，其中会含有少量的组分A与B，则萃取剂的组成点落在三角形之内)。联接FS，则代表原料液与萃取剂的混合液的点M必定落在FS的联线上。 (3)由已知的x在图上定出R点(也可用萃余液组成x定出R’点，联接SR’线，RR’ 与溶解度曲线交于R点)，再利用辅助曲线由R点画联结线交溶解度曲线E点，则RE与FS两直线的交点即为混合液的组成点M，而E是R的共轭相。根据杠杆规则，求出所需萃取剂的量S: SMF, (4-6)FMS MFS,,F (4-7)MR MF式中原料液量F为已知，与线段的长度可从图中量出或坐标的读数求出。MS (4)求萃取相量E和萃余相量R，根据杠杆规则: RME, (4-8)EMR 根据系统的总物料衡算: F+S=R+E=M (4-9) 联立上二式即可解出R与E，并从图4-17中读出y。 E (5)求萃取液E’和萃余液R’的量: 过E、S两点作直线交三角形AB边于E’点，过R、S两点作直线交三角形AB边于R’点，根据杠杆规则: 'ESEES' ; (4-10)E,,S,''SEEEE 'RRSRS' ,; R,,S (4-1''SRRRR 1) '' (4-12)R，E,F 以上三式是假设萃取剂从萃取相及萃余相中全部脱除，如未全部脱除，E’和R’两点不在三角形AB边上，而在三角形内部的ES及RS联线的延长线上。 【例4-1】 以水为萃取剂，从醋酸一氯仿原料液中萃取出醋酸。25?时两液相(萃取相E和萃余相R)以质量百分数表示的三元平衡数据列于本例附表中。已知原料液的量为1000kg，醋酸浓度为35%，用纯水作萃取剂。要求萃取后萃余相中含醋酸不超过7.0%。计算(1)萃取剂水的用量，(2)萃取后的水层和氯仿层的量及水层中醋酸浓度，(3)若水完全脱除后所得萃取液，萃余液的量及醋酸的浓度。 例4-1 附表 氯 仿 层 (R相) 水 层 (E相) 醋 酸 水 醋 酸 水 0.00 0.99 0.00 99.16 6.77 1.38 25.10 73.69 17.22 2.24 44.12 48.58 25.72 4.15 50.18 34.71 27.65 5.20 50.56 31.11 32.08 7.93 49.41 25.39 34.16 10.03 47.87 23.28 42.5 16.5 42.50 16.50 例4-1 附图 解:(1)根据平衡数据在直角三角形坐标图中绘出溶解度曲线并作出辅助曲线。在AB坐标上根据原料液中醋酸的组成35%确定F点。因萃取剂是纯水，则萃取剂的点在三角形的右顶点上，联接F、S两点得直线FS。再由萃余相中含醋酸浓度为7.0%在临界点左边的溶解度曲线上确定R点，从R点作平行于三角形BS边的直线交辅助曲线于L点，再从L点作平行于三角形AB边的直线交溶解度曲线于E点，联接R、E两点的直线与FS MF直线交于M点，并在图中分别量出线段和的长度为5.3及5.3。由杠杆规则:MS SMF, FMS 5.3得 S,，1000,1000kg5.3 R2.7MRME,(2)由图量得=5.0，=2.7代入式(4-8)得: E5.0 由式(4-9)得: R+E=F+S=1000+1000=2000kg 联解两式，得: R=701.3kg, E=1298.7kg 由图中E点查得: y=24.0% E ES (3)过E、S两点及R、S两点分别作直线交AB边得两点E’和R’并在图中量得 '和的线段长度分别为3.5和10.0，代入式(4-10)得: EE ES3.5' E,,S,，1000,350kg'10.0EE ''由式(4-12)得: R,F,E,1000,350,650kg y,92.3%由图查得: ， x,7.1%''ER 01.萃取剂的选择性( ) A、是液液萃取分离能力的表征; B、是液固萃取分离能力的表征 、是吸收过程分离能力的表征; D、是吸附过程分离能力的表征C 02.三角形相图内任一点，代表混合物的( )个组分含量。 A、一; B、二; C、三; D、四 03.在溶解曲线以下的两相区，随温度的升高，溶解度曲线范围会( )。 A、缩小; B、不变; C、扩大; D、缩小及扩大 04.单级萃取中，在维持料液组成x、萃取相组成y不变条件下，若用含有一定溶质AFA 的萃取剂代替纯溶剂，所得萃余相组成x将( )。 R A、增高; B、减小; C、不变; D、不确定 05.进行萃取操作时，应使溶质的分配系数( )1。 A、等于; B、大于; C、小于; D、无法判断 06.萃取剂的加入量应使原料与萃取剂的和点M位于( )。 A、溶解度曲线上方区; B、溶解度曲线下方区; C、溶解度曲线上; D、任何位置均可 01(三角形相图中三个顶点分别代表什么物质,溶解度曲线将相图分成两个部分，这两 个区域的名称是什么,萃取操作在哪个区域里进行, 02(联结共轭液相组成坐标的直线称为联结线，举例说明联结线在萃取计算中的作用。 03(萃取剂必须满足的两个基本要求是什么, 01(一定温度下，溶质A的分配系数=1.5，溶质A的质量为1000kg，则在萃取相和kA 萃余相中，分别有多少公斤溶质A。 02(在单级萃取器中以异丙醚为萃取剂，从醋酸组成为0.50(质量分率)的醋酸水溶液中 萃取醋酸。平衡数据见下表，醋酸水溶液量为500kg，异丙醚量为600kg，试作以下 各项: 在萃余相R(水层)中 在萃取相E(异丙醚层)中 醋酸%(A) 水%(B) 异丙醚%(S) 醋酸%(A) 水%(B) 异丙醚%(S) 0.69 98.1 1.2 0.18 0.5 99.3 1.4 97.1 1.5 0.37 0.7 98.9 2.7 95.7 1.6 0.79 0.8 98.4 6.4 91.7 1.9 1.9 1.0 97.1 13.30 84.4 2.3 4.8 1.9 93.3 25.50 71.1 3.4 11.40 3.9 84.7 37.00 58.6 4.4 21.60 6.9 71.5 44.30 45.1 10.6 31.10 10.8 58.1 46.40 37.1 16.5 36.20 15.1 48.7 (1)在直角三角形相图上绘出溶解度曲线与辅助曲线; (2)确定原料液与萃取剂混合后，混合液的坐标位置; (3)萃取过程达平衡时萃取相与萃余相的组成与量; (4)萃取相与萃余相间溶质(醋酸)的分配系数及溶剂的选择性系数; (5)两相脱除溶剂后，萃取液与萃余液的组成与量; 03(某混合液含溶质A0.4，稀释剂B0.6(均为质量分率)，处理量为100kg，用纯溶剂 进行单级萃取，试求: (1)可能操作(开始分层)的最大溶剂量，萃余相和萃取相的量，以及萃取液和萃 余液的组成; (2)可能操作的最小溶剂量，萃取相和萃余相的量，以及萃取液和萃余液的组成; (3)萃取液浓度最大时的溶剂量。 操作条件下的相平衡数据如下表: 萃余相(质量分数) 萃取相(质量分数) A B S A B S 0 0.98 0.02 0 0.1 0.9 0.05 0.92 0.03 0.14 0.05 0.81 0.10 0.86 0.04 0.22 0.045 0.735 0.15 0.80 0.05 0.295 0.045 0.66 0.20 0.738 0.062 0.355 0.06 0.585 0.25 0.675 0.075 0.405 0.08 0.515 0.30 0.61 0.09 0.445 0.103 0.452 0.35 0.535 0.115 0.48 0.13 0.39 0.40 0.45 0.15 0.495 0.175 0.33 0.45 0.365 0.185 0.50 0.22 0.28 0.48 0.30 0.22 0.495 0.25 0.255 04(在20?的操作条件下，用纯异丙醚作为溶剂，在单级萃取器中，对含醋酸0.20(质 量分数)的水溶液中萃取醋酸。处理量为100kg，要求萃余相醋酸含量不超过0.10(质量分数)，求所需溶剂量。若原料的醋酸组成变为0.4，溶剂比不变，所得萃余相组成为多少,若仍要求萃余相醋酸组成不超过0.10，所需溶剂比为多少,(操作条件下平衡数据见计算题2) 05(365kg未知浓度的料液含水(B)、醋酸(A)及异丙醚三种组分，在一单级萃取器中与124kg混合液相接触，该混合液的组成为醋酸0.20，异丙醚0.78，水0.02(皆为质量分数)，萃取相为320kg，含醋酸0.20，试估算料液组成及萃取相组成。操作条件下的平衡数据见计算题2。 模块三 萃取设备的确定 双氧水生产中萃取操作的主要设备为萃取塔，在萃取流程图4-4中。塔顶进料S1为萃取剂水，塔底进料S2为氧化液，塔顶出料S3为萃余液，塔底出料S4为萃取液。萃 3取过程中氧化液(双氧水、三甲苯、磷酸三辛酯、烷基蒽醌、四氢烷基蒽醌)流量为470m/h， 3双氧水浓度7.3g/L，萃取剂水的量在10m/h以内，萃余液中双氧水浓度控制在不大于0.3g/L的范围内。萃取后，萃取液中含双氧水375g/L，双氧水和水占总萃取液组成的99.99%以上，萃余液中含双氧水小于0.lmg/L，含水小于25mg/L，产量为100kt/a 。 根据上述生产条件，实现上述生产目标，我们要解决以下几个问题: 1、萃取中，选用何种萃取操作方式。 2、选用何种类型的萃取设备，此设备的各种参数; 3、萃取中的工艺条件，温度，压力，是否需要机械混合等 下面我们就来学习相关的知识。 一、萃取设备的分类 工业上所采用的各种类型的萃取设备已达30多种，而且还不断开发出新型的萃取设备。这些液-液萃取设备无论有何种特点和形状，其必须具备两项基本功能: (1)在萃取设备内能使两相密切接触和适度地湍动，以实现两相之间的物质传递。 (2)传质后，又能使两相较快地分离，以提高萃取分离效果。 萃取设备的类型很多，分类的方法也可以根据不同的标准。例如 1、从传质设备不同进行分类，可根据两液相接触的方式分为逐级接触式和连续接触式。前者既可用于间歇操作，又可用于连续操作，后者一般为连续操作。 2、根据构造特点和形状，可分为组件式和塔式。组件式设备一般为逐级式，可以根据需要灵活地增减级数;塔式设备可以是逐级式的，如筛板塔，也可以是连续接触式，如填料塔。 3、还可以根据是否从外界输入机械能量来划分。如未从外界加入能量的填料塔，塔内的两相逆流和液滴的表面更新都是由于密度差异导致的重力之差，故不输入机械能的 设备也称为重力流动设备。但这一重力差相当小，当两液相间的界面张力较大时，液滴就易于合并而难于破裂，使两相接触面积小而传质效果差，故常需以不同的方式输入机械能，如进行搅拌、振动等。 二、萃取操作的几种方式 从前面所学知识可知，萃取操作主要是实现原料液与萃取剂进行有效的接触，完成溶质从原料液中转移到萃取剂中的过程，实现这个目的，有多种操作方式可以选择，下面介绍几种典型的操作方式。 1、单级萃取 单级萃取前文已作叙述，这里不再讲解。 2、多级错流萃取 多级错流萃取示意图如图4-19所示 图4-19多级错流萃取示意图 多级错流萃取操作中，每级都加入新鲜溶剂，前级的萃余相为后级的原料，这种操作方式的传质推动力大，只要级数足够的多，最终可得到溶质组成很低的萃余相，但溶剂的用量较多。 3、多级逆流萃取 图4-20为多级逆流萃取操作示意图 图4-20多级逆流萃取示意图 多级逆流萃取操作一般是连续的，萃取剂循环使用，其中常含有少量的组分A和B，故最终萃余相中可达到的溶质最低组成受溶剂组成限制，最终萃取相中溶质的最高组成受原料液中溶质组成的制约。多级逆流萃取操作分离效率较高，溶剂用量较少，在工业中运用最为广泛。 4、微分逆流萃取 微分接触逆流萃取主要是在塔式设备(填料塔、振动筛板塔)内进行。塔式萃取设备内，料液和萃取剂逆流流动，并在连续逆流过程中进行萃取。两相的分离式在塔的两端实现的。操作示意图见图4-21。 图4-21 微分逆流萃取示意图 三、一些典型萃取设备 1、混合-澄清槽 混合-澄清槽是一种组件的级式萃取设备。图4-21中示意的为连续操作的厢式设备的一个级，它分为混合室和澄清室。原料液和萃取剂进入混合室后受搅拌而能良好接触，在室内停留一定时间，经充分传质后流入澄清室，两液相的混合物在此借重力分为轻、重两液层，使萃取相和萃余相得以分别流出。 图4-22 厢式混合-澄清槽 1-搅拌器;2-两液相的混合物;3-轻液相;4-轻液溢流口;5-重液层;4-重液出口 混合室大多应用机械搅拌，有时也可将压 缩气体通入室底进行气流式搅拌，根据生产需 要，可以将多个混合-澄清级串连起来组成多级 逆流或错流的流程。多级设备一般是前后排列， 但也可以将几个级上下重叠。 混合-澄清槽对大、中、小型生产都能适用， 特别在湿法冶金中用得广泛。 2、填料萃取塔 填料萃取塔的结构与吸收和精馏使用的 填料塔基本相同，如图4-23所示。在塔内充填 充物，连续相充满整个塔中，分散相以滴状通 过连续相。填料可以是拉西环，包尔环，鞍形 填料，丝网填料等。填料的材料有陶瓷，金属 图4-23 填料萃取塔 或塑料。为了有利于液滴的形成和液滴的稳定性，所用的填料材料应被连续相优先润湿。一般瓷质填料易被水优先润湿，石墨和塑料填料则易被大部分有机液优先润湿，对于金属填料易被水溶液优先润湿，应由试验决定。在应用丝网填料时，为了防止转相，应被 11分散相所润湿。为了减少壁效应，填料尺寸应小于塔径的。由于塔径增大后，轴,810 向混和增加，填料塔较高时，液体易发生沟流，因此为减少液体的轴向混和与沟流，通常在塔高3~5米的间距，设置液体再分布装置。为防止过早的液泛，送料嘴必须穿过填料支撑器25~50mm，而填料支撑器必须具有尽可能大的自由截面，以尽量减少压力降及沟流。 填料塔结构简单，造价低廉，操作方便，故在工业中仍有一定的应用。虽然填料塔不宜处理含固体的流体，但适用于处理腐蚀性流体。在处理量比较小的物系中，应用仍较广泛。与喷淋塔相比，由于填料增进了相际间的接触，减少了轴向混和，因而提高了传质速率，但是效率仍较小。工业萃取塔高度一般为20~30米，因而在工艺条件所需的理论级数小于三的情况下，可以考虑选用。 对于标准的工业填料，在液液萃取中有一个临界的填料尺寸。大多数液液萃取系统，填料的临界直径约为12mm或更大些。工业上，一般可选用15或25mm直径的填料，以保证适当的传质效率和两相的流通能力。 各种填料的处理能力和传质性能各有不同，对一个新的萃取过程，最适宜的填料型式，应由试验决定。 3、筛板塔 筛板(多孔板)塔，结构如图4-24。 它与孔板蒸馏塔的结构相似，但是孔板的 孔径要比蒸馏塔的小，孔板间距也和蒸馏 塔稍有不同。如果轻液为分散相，如图 4-25(a)，轻液由底部进入，经孔板分散 成液滴，在塔板上与连续相密切接触后， 分层凝聚，并积聚在上一层筛板的下面， 然后借助压力的推动，再经孔板分散，最 后由塔顶排出。重液连续相由上部进入， 经降液管至筛板后，经溢流堰流入降液管 进入下面一块筛板。依次反复，最后由塔 底排出。如果重液是分散相，如图4-25 (b)，则塔板上的降液管须改为升液管， 连续相(轻液)通过升液管进入上一层塔 图4-24 筛板塔 板。 因为连续相的轴向混和被限制在板与板之间范围内，而没有扩展至整个塔内，同时分散相液滴在每一块塔板上进行凝聚和再分散，使液滴的表面得以更新，因此筛板塔的萃取效率比填料有所提高。由于筛板塔结构简单，价格低廉，尽管级效率较低，仍在许多工业萃取过程中得到应用。尤其是在萃取过程所需理论级数少，处理量较大及物系具有腐蚀性的场合。国内在芳烃抽提中，应用筛板塔，效果良好。 为了提高板效率，使分散相在孔板上易于形成液滴，筛板材料必须优先被连续相所润湿，因此有时需应用塑料或将塔板涂以塑料，或者分散相由板上的喷嘴形成液滴。同时选择体积流量大的流体为分散相。 (a) (b) 图4-25 筛板工作过程示意图 为了保证筛板塔的正常操作，在设计中，应考虑以下几点: (1)分散相应均匀地通过全部筛孔，防止连续相短路而导致板效率降低。 (2)选择适当的筛孔流速。筛孔流速过低，易形成分散相滴状流出;筛孔流速过高，易产生分散相喷射，对传质均不利。 (3)两相在板间明显分层，并且要有一定高度的分散相积累层。 (4)连续相经降液管(或溢流管)流动时，所夹带的分散液滴要少，以避免过大的轴向混和。 4、转盘萃取塔 转盘萃取塔是装有搅拌圆盘的萃取设备，结构如图4-26所示。塔体呈圆筒形，其内壁上装有固定环，将塔分隔成许多小室，塔的中心从塔顶插入一根转轴，转盘即装在其上。转轴由塔顶的电动机带动。 在固定环与转盘之间有一自由空间，这一自由空间不仅能提高萃取速率，增加流通量，而且能保证使转盘装入固定环开孔部分中央，在必要时，还可将转轴从塔顶抽出。塔的顶部和底部是澄清区，它们同塔中段的萃取区有的用格栅相隔。互相接触的两种液体，可以间歇加入，也可以连续加入，一般都用连续加入的方法。当采用并流操作时，两种液体同时从塔顶或者塔底加入塔内，当采用逆流操作时，不管间歇加料还是连续加料，都是重液从塔顶进入，轻液从塔底进入，这时，轻液和重液哪一种都可作为连续相。为了避免扰乱流型，当塔径在0.6米以上时，液体最好以转盘转动的切线方向加入。 当变速电机起动后，圆盘高速旋转，并带动两相 一起转动，因而在液体中产生剪应力。剪应力使连续 相产生涡流，处于湍动状态，使分散相破裂，形成许 多大小不等的液滴，从而增大了传质系数及接触界面。 固定环的存在，在一定程度上抑制了轴向混和，因此 转盘塔萃取效率较高。 转盘塔结构简单，造价低廉，维修方便。由于它 的操作弹性大，通量大，因而在石油化学工业中，转 盘塔应用比较广泛。除此之外，也可作为化学反应器。 由于它很少会发生堵塞，因此也适用于处理含有固体 物料的场合，其应用的方面，归纳如下: (1)液液萃取:糠醛精制润滑油，二氧化硫萃取煤 油，丙烷脱沥青，废水脱酚，苯、甲苯、二甲苯的萃 取，食用油的精制，香兰素的提纯等。 (2)除去微量杂质:如用水洗法除去汽油中的硫醇 图4-26 转盘塔 溶解加速剂。 四、萃取设备的选用 因为各种萃取设备具有不同的特性，而且萃取过程及萃取物系中各种因素的影响也是错综复杂的。因此，对于某一新的液液萃取过程，选择适当的萃取设备是十分重要的。萃取设备的选择，可参考以下一些原则: (1)稳定性和停留时间; (2)溶剂物系的澄清特性; (3)所需要的理论级数; (4)设备投资费和维修费; (5)设备装置所占地面积和建筑高度; (6)处理量或通量; (7)各种萃取设备特性的了解; (8)系统的物理性质。 在液液萃取中，系统的物理性质，对设备的选择比较重要。在无外能输入的萃取设备中，液滴的大小及其运动情况及界面张力σ与两相密度差Δρ的比值(σ/Δρ)有关。若σ/Δρ大，液滴较大，两相接触界面减少，降低了传质系数。因此，无外能输入的设备仅宜用于σ/Δρ较小，即界面张力小，密度差较大的系统。当σ/Δρ较大时，应选用有外能输入的设备，使液滴尺寸变小，提高传质系数。对密度差较大的系统，离心萃取器比较适用。 对于腐蚀性强的物系，宜选取结构简单的填料塔，或采用由耐腐蚀金属或非金属材料如塑料、玻璃钢内衬或内涂的萃取设备。对于放射性系统，应用较广的是脉冲塔。 如果物系有固体悬浮物存在，为避免设备堵塞，一般可选用转盘塔或混和澄清器。 对某一液液萃取过程，当所需的理论级数为2,3级，各种萃取设备均可选用。当 ,5级时，一般可选择转盘塔，往复振动筛板塔和脉冲塔。当需要的理所需的理论级数4 论级数更多时，一般只能采用混和澄清器。 根据生产任务和要求，如果所需设备的处理量较小时，可用填料塔，脉冲塔;处理量较大时，可选用筛板塔，转盘塔以及混和澄清器。 物系的稳定性与停留时间，在选择设备时也要考虑，例如在搞菌素生产中，由于稳定性的要求，物料在萃取器中要求的停留时间短，这时离心萃取器是合适的。但若萃取物系中伴有慢的化学反应，要求有足够的停留时间，选用混和澄清器较为有利。 典型的萃取设备对比情况见表4-2。 表4-2 典型萃取设备情况对比表 01(填料塔中填料可用 、 、 和 等。 02(在萃取设备中，对密度差很小且接触时间要求宜短的体系，宜选用设备为 。对有固体悬浮物存在的体系，宜选用 。 03(萃取装置中，根据构造特点和形状的不同，可分为 和 。筛板塔属于 ，填料塔属于 。 04(液-液萃取设备应具有什么基本功能, 05(常用萃取设备有哪些,各自的特点是什么,萃取设备选用的原则是什么, 模块四 萃取操作技能训练 一、实训目的及要求 1、熟悉所用萃取装置的流程及萃取设备的结构; 2、掌握萃取设备的工作原理; 3、熟练掌握萃取装置的开停车;掌握原料液、萃余液苯甲酸含量的分析方法;能会排除萃取操作中一般故障; 4、掌握萃取回收率计算方法，熟悉影响萃取回收率的因素。 二、影响萃取效果的因素 萃取设备内两相流体的流动和它们间的传质，与气液相之间的情况有较大差异，现从几个方面作简要说明。 1、分散相的形成和凝聚 为了有效地进行多级萃取，分散相的形成和凝聚是两个重要因素。 许多萃取设备中分散相是靠外部机械作功的方法形成的，像搅拌桨，离心泵等等。它们的共同特点是靠机械作功使流体在高度湍流中形成液滴。 分散相的液滴直径不宜过小，太小则难于凝聚，使轻重相不易分离，增加沉清所需的时间，并且还导致液滴被连续相所夹带，造成返混而降低传质效率。 液-液分散体系同其他分散体系一样是热力学不稳定系统，大量液滴形成了很大的相际界面，有减小界面的自发倾向。所以小液滴凝聚成大液滴，最后得到沉清分层是一种能自发进行的过程。在萃取设备中，要考察的是凝聚速率的快慢。液滴凝聚是一个复杂过程，首先大液滴互相靠拢，将液滴之间的连续相排出，然后使两个液滴接触并破裂而形成大液滴，大液滴容易在重力场或离心力作用下得到沉清。有许多因素，如液滴的尺寸和表面形状、两相间的密度差、两相间的粘度比值、界面张力、温度、杂质的存在等等，都影响凝聚过程的进行。很小的液滴凝聚特别困难，有时可使其通过一层填料或滤网，使液滴长大而便于分离。 2、液泛 分散相和连续相在萃取塔内作逆向流动时，它们之间的流动阻力随两流速的增加而增加，当流速增加到一定程度，两流体相互之间产生严重夹带而发生液泛。液泛是萃取操作的负荷极限。单液滴为连续相所夹带的现象与固体粒子为气流所夹带的现象相似，可用颗粒流体力学来分析。但在萃取过程中，许多液滴同时存在，互相发生干扰，并且不同的萃取设备内连续相的运动方式也各不相同，它们都对液泛现象产生影响。因此，各种萃取设备的泛点关联形式也不相同。 3、萃取设备内的传质 萃取设备内液-液相间的传质阻力有连续相一侧和液滴内两个方面，有人曾采用双重阻力的加和性模型来处理传质。即认为(1)在相界面上没有传质阻力，两相呈平衡状态;(2)紧靠界面两侧是两层滞流液膜;(3)传质总阻力由两液膜阻力叠加所构成，与吸收中的双膜模型类似。但采用这一模型来处理萃取过程的传质，有时并不正确，因另有许多因素影响传质过程的进行。 在萃取过程的液滴形成和聚并阶段中，由于相际表面得到更新并产生强烈湍动，其传质速率比已形成的液滴的传质速率要高，因此许多萃取设备采用了多次分散和凝聚的分级接触式，以提高传质效率。 液滴在连续相中运动时，直径小的液滴能保持球形状态，对较大的液滴则往往变成椭圆形，滴内液体会发生内部环流，并且还使液滴发生抖动这种环流和抖动能减小传质阻力，增加传质系数。但当溶液中有少量表面活性物质存在时，它能迅速抑制这种环流运动，使传质速率降低。 在萃取过程中，萃取质和其他杂质在相际扩散时，不断地改变界面上的组成，往往对界面张力发生较大影响，改变界面的稳定性，使界面上的液体流动和传质都受到影响，当某些杂质一经吸附在液滴表面之后，还会形成界面对萃取质的扩散阻力而降低传质速率。 4、萃取塔内的返混 在萃取塔内，如果连续相和分散相都各自以均一的速度逆向流动，即两相都呈活塞式流动时，液体之间没有返混，这时，传质的推动力最大，效率最高。在实际塔内，液体的流动并不理想，如以密度较小的液体为连续相、密度较大的液体为分散相的逆向流动系统为例，当连续相向上运动时，由于受有塔壁的磨擦阻力，致使近壁区的液体为分散相的速度比中心区的速度要慢，中心区的液体以较快速度通过塔内，在塔内的停留时间较少，而近壁区的液体则因速度较低，在塔内有较长的停留时间。这种停留时间的不均匀分布可理解为流体的一种短路现象，是液体返混的一种原因。分散相在塔内运动时也发生返混现象，例如直径较大的液滴以较大的速度通过塔内，它的停留时间较短，而直径较小的液滴由于速度较小，在塔内停留时间就长。更小的液滴甚至还可以被连续相所夹带，产生反方向运动。在塔内的液体还可由于无规则的旋涡流动而产生局部的返混现象。液相返混使两相液体各自沿轴向的浓度梯级减小，从而也减小了塔内任一横截面上两相液体间的浓度差，即减小了传质推动力，使塔的传质效率下降。萃取塔的液体返混是影响塔效率的重要因素。 三、实训装置 1、萃取操作装置流程 萃取操作装置流程如图4-27所示。 本装置流程以水为萃取剂，从煤油中萃取苯甲酸。水相是重相且为操作中的连续相;煤油相是轻相，是操作中的分散相。 轻相煤油相由塔底进入，作为分散相身上流动，经塔顶分层分离后，由塔顶流出;重相由塔顶进入，作为连续相向下流动至塔底后再经?形管流出;轻重两相在塔内逆向流动。轻相入口处苯甲酸在煤油中的浓度应保持在0.0015~0.0020kg苯甲酸/kg煤油之间为宜。在萃取过程中，苯甲酸部分地从油相转移至水相。出塔的水相为萃取相(用字母E表示)，出塔的油相为萃余相(用字母R)。原料煤油中的苯甲酸、萃取相及萃余相中的苯甲酸含量均用容量分析研究法测定。考虑到煤油和水完全不互溶，且苯甲酸在两相中的浓度都很低，可以认为在萃取过程中两相液体的体积流量不发生变化。 图4-27萃取流程示意图 2、装置主要设备参数 (1)萃取塔的几何尺寸:塔径,,37mm，塔高,,,m，塔的有效高度,,750mm。 (2)水泵、油泵均为,,型磁力驱动泵。型号16CQ-8，电压380V，功率180W，扬程8m，流量30L/min，转速2800r/min。 (3)转子流量计:不锈钢材质，型号LZB-4，流量1~10L/h，精度1.5级。 (4)无级调速器:调速范围0~1500r/min，无级调速，调速平稳。 四、萃取操作技能训练 1、萃取装置的操作规程 (1)开车前的准备及检查 ?检查设备及管道阀门是否泄漏。 ?检查仪器、仪表是否能正常工作。 ?检查水、电是否处于正常供给状态。 ?检查分析用药品是否准备齐全。 ?将配制好的原料液煤油含苯甲酸的混合物(饱和或近饱和)灌入轻相槽内;接通水管，将水(溶 剂)灌入重相槽内。 ?关闭所有阀门。 (2)开车与操作(手动操作) ?接通总电源、打开仪表开关。 ?打开磁力泵进口阀门，全开开重相(水相)进泵阀门，打开重相泵电源开关，全开重相出泵阀门，用磁力泵将水送入萃取塔内，当塔内水面快上升至重相入口与轻相出口间中点时，将水流量调整到指定值(,L/h)，并缓慢改变?型管高度，使塔内液位稳定在重相与轻相出口之间的中点位置上。 ?将调整装置的旋钮调至零位，然后接通电源，开动电机，再慢慢调至某一固定的转速。调速时应小心谨慎，慢慢地升速，绝不能调节过快致使马达产生“飞转”而损坏设备～ 通过调节转盘转速来控制外加能量的大小，在操作时转速逐步加大，中间会跨越一个临界转速(共振点)，一般转速控制在500r/min以下。 ?水在萃取塔内搅拌流动，并连续运行5min后，打开分散相——煤油泵进口阀门，打开煤油泵电源开关，打开煤油泵出口阀门，将煤油相流量调到指定值(如,L/h)，待分散相在塔顶凝聚一定厚度的液层后，应及时通过调节连续相出口管路中Π形管上的阀门开度，始终保持塔顶分离段两相的相界面位于重相入口与轻相出口之间的中点位置～ ?在操作过程中，要绝对避免塔顶的两相界面过高或过低。若两相界面过高，到达轻相出口的高度，则将重相水混入萃余相贮罐。 ?操作稳定30分钟后，用锥形瓶收集轻相进出口样品各约40mL，重相出口样品约50mL，以便分析浓度之用。 ?用容量分析法测定各样品的浓度。具体操作如下:用移液管分别移取各样品(煤油相样品取10m,、水相样品时取25mL)，以酚酞作指示剂，用0.01mol/L左右NaOH标准溶液;或者以溴百里酚兰作指示剂，用0.03mol/L左右KOH-CHOH标准溶液滴定样品3 中的苯甲酸。注意:在滴定煤油样品时应在样品中加数滴非离子型表面活性剂(脂肪醇 聚乙烯醚硫酸酯钠盐也称为醚磺化AES)，并剧烈摇动，滴定至终点。 ?分析处理有关数据，计算萃取率。 特别说明:请改变转速多测几次数据，分别计算萃取效率η，从而分析转速大小对萃取过程的影响。 (3)停车 ?关小油相流量计进口阀，切断磁力油泵电源，关闭油泵、最后再关死油相流量计进口阀。 ?将调速器慢慢调至,位，使浆叶停止转动。 ?稍开大重相水流量，提升两相界面位置，尽量将轻相煤油压出去，注意小心:水不能从轻相出口出去，两相界面位置不能高于轻相出口～～ ?待两相界面位置接近轻相出口处时，切断水泵电源关闭磁力水泵，最后再关死水相流量计进口阀。 ?关闭仪表柜电源，关闭总电源 ?整理现场:滴定分析过后煤油应集中存放加以回收。洗净分析仪器，一切复原。 注意: 若操作后，塔长时不用，请利用排净阀排净塔内和油箱、水箱中的物料，注意分类收集～。 2、萃取效果的检测测方法 萃取效果的好坏，可以通过回收率(η)来进行计算，回收率(η)是指原料液中溶质和萃余液中溶质的质量之差，与原料液中溶质的质量之比。可用下列公式表示: FxRx,,,FR,，,100% (4-13)Fx,F F-----原料液流量 x-----原料液浓度 F R------萃余液流量 x-----萃余相浓度 R (1)x、x的测定方法: FR 用酸碱滴定法测定原料液浓度x和萃余相的浓度x : FR 对于煤油苯甲酸相,水相体系，采用酸碱中和滴定的方法测定原料液浓度x、萃余F液浓度x，即苯甲酸的质量分率，具体步骤如下: R ?用移液管量取待测样品10mL，放入250mL三角烧瓶中，加3,4滴溴百里酚兰指示剂; ?用吸耳球将0.03mol/mL的标准溶液KOH-CHOH吸入滴定管至刻度0处，滴定至终3 点则所测浓度为: CV,,,122 (4-14) x,，100%100.8， 式中, C——KOH-CHOH溶液的摩尔浓度，mol/mL; 3 ,V——滴定用去的KOH-CHOH溶液体积量，ml。 3 苯甲酸的分子量为122 g/mol，煤油密度为0.8 g/ml，样品量为10mL。 (2)苯甲酸回收率η的计算: CV,,,122F?原料液浓度 x,，100%F100.8， CV,,,122R?萃余液浓度 x,，100%R100.8， FxRx,,,FR,，,100%?苯甲酸的回收率 Fx,F xx,FR,,，100%对稀溶液的萃取过程，因为，所以有: (4-15)FR,xF 3、操作过程的注意事项 萃取操作时应注意以下事项: (1)调节浆叶转速时一定要谨慎，应慢慢地升速，千万不能增速过猛，使马达产生“飞转”而损坏设备。最高转速机械上可达600r/min。从流体力学性能考虑，若转速太高，容易液泛，操作不稳定。因此，对于煤油—水—苯甲酸物系，建议在500r/min以下操作～～ (2)在整个操作过程中，塔顶两相界面一定要控制在轻相出口和重相入口之间的适宜位置并保持不变～ (3)煤油流量流量太大或太小，太小会使煤油出口的苯甲酸太低，从而导致分析误差较大;太大会使煤油消耗量增加。建议水流量取4L/h，煤油流量6L/h。 (4)煤油的实际体积流量并不等于流量计的读数。在需要煤油的真实流量时，必须使用流量修正公式对流量计的读数进行修正～ 五、数据 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 和结果处理 附表一 萃取实训开车前的检查记录表 组号: 学生姓名: 、 、 、 设备号 实训日期: 年 月 日 操作时间 开始 时 分 结束 时 分 超时情况 标准溶液浓水 电 仪表 度 设备 型号 型号 型号 完好情况 油泵 水泵 电机 状态 状态 状态 附表二 原始数据、分析数据记录与结果处理表 组号: 学生姓名: 、 、 、 设备号 实训日期: 年 月 日 操作 时测量及记录 阶段 间 原料液中苯甲酸浓度测定数据 配制 液位(%) KOH标准溶液 KOH消耗量 原料液取原料液浓度起: 原料浓度(mol/L) (mL) 量(mL) (mol/L) 止: 液 萃取 时间 重相轻相 转盘 萃余相苯甲酸浓度 萃 操作 流量流量转速 KOH 取KOH 萃余萃余相 (L/h) (L/h)) (r/min) 率消耗浓度相量浓度(%) 量(mol/L) (mL) (mol/L) (mL) 起: (1) 止: 起: (2) 止: 分析 当转速降低后，萃取率将 (变化)，说明传质效果随转速增大而 比较 (变化)。 停车 顺序 六、实训操作考核要求 1、考核内容与要求 在60分钟内完成萃取液的配制、萃取操作。并做好原料、产品的分析工作。具体任务和要求如下: (1)配制原料液(苯甲酸和煤油);原料液量超原料槽的1/2处，原料液浓度配制至饱和状态(苯甲酸颗粒出现沉淀)或接近饱和状态(取苯甲酸煤油混合溶液10mL，用0.1mol/L的KOH甲醇溶液滴定，约消耗30,40mLKOH甲醇溶液)(另外水槽中加水2/3。 (2)萃取操作。首先从塔顶通入重相,水，流量为8L/h左右。塔中水位没过转盘上位后，开启转盘(转速约为300rpm)，从塔底通入轻相——苯甲酸煤油溶液，流量为10L/h左右。两相在塔中逆流接触进行萃取。萃取后轻相从塔顶流入萃余相槽，萃取相——水从塔底排放。萃取操作进行至两相分界面稳定20分钟后取萃余相进行含量分析。 (3)停车;停转盘及进出料，并将塔内煤油用水顶至萃余相槽，最后将塔内余水放尽。 注:原料及萃余相含量分析采用KOH甲醇溶液滴定法测定。KOH甲醇溶液考核前由教师配制。 (4)填写操作记录，并对萃取变化规律进行分析。 2、考核评分表(教师用) 表三:萃取操作考核评分表(教师用) 组号: 学生姓名: 、 、 、 设备号 实训日期: 年 月 日 超时情考核时间 开始 时 分 结束 时 分 况 序得分 考核 考核分项 分项要求 号 标准 得分 穿着符合岗位规定、精神饱满、坚守岗位、不大1 考生面貌 5 声喧哗、不违反岗位纪律等，违反一条扣1分 检查水、电、仪表、泵、塔、阀门等。每项扣12 装置检查 5 分 按要求配制原料液注入储槽，装入量不少于储槽 原料液的容量的1/2;水槽内注水，装入量为水槽容量 3 配制及物2/3。分析原料液浓度。不会配制原料液，扣315 料检查 分，将苯甲酸倒入储槽、水溢出储槽、不会分析 扣5分，装料量不符合要求每项扣2分 要求开车顺序、流量调节，转速控制恰当，每项4 萃取开车 操作不规范扣2分。流量控制不稳定扣3分。不15 会操作者全扣。 调节两相界面高度，维持两相界面高度恒定;稳5 稳定操作 定一段时间后，调节转速，观察并记录现象的变15 化。每项操作不当扣5分 两相稳定后取样，分析萃余相浓度，并进行结果6 取样分析 计算。取样，分析不当扣5-10分，计算结果不20 正确每项扣5分 停进料、出料;搅拌;塔内油料处理;塔内余水7 停车操作 处理;操作台电源、总电源等。每项操作不规范10 扣2分。不会操作者全扣。 考核时间60分。每超5分钟，扣1分，直至扣8 考核时间 10 完。 记录准确、认真。每一项不对，扣1分。直至扣9 记录情况 5 完。 合计 100 注:以上操作以熟练程度酌情打分，有重大操作错误一次扣10-20分 01.为使溶质更快地从原料液进入 ，必须使两相间具有 的接触表面积。 ?萃取相 ?萃余相 ?萃取剂 ?稀释剂 ?小 ?大 02.分散相液滴越 ，两相的接触面积越 ，传质越快，相对流动 越 ，聚合分层越 。 ?小 ?大 ?快 ?慢 ?易 ?难 03.影响萃取分离效果的主要因素为:(1) ;(2) ; (3) 。 04.在萃取设备中实现液液萃取过程的基本条件是 。 01.绘制本次萃取操作示意图，指出萃取剂、溶质、稀释剂、萃取相、萃余相。 02.为什么煤油的进口在萃取塔的下部，而出口却在上部;水的进口在上部而出口却在下部。 03.转盘式萃取塔中的转盘起什么作用,为什么在萃取塔中只有中间有转盘，而没有自上 而下贯穿整个萃取塔。 04.在操作中，规定了水与煤油溶液的流速，如果加大水的流量，会出现什么现象呢, 05.实验测定提高转盘转速有利于溶质回收率的提高，是否可以无限制的提高转盘转速来 提高溶剂回收率呢, 拓展知识模块 一、超临界流体萃取技术 超临界流体萃取过程是利用处于临界低压和临界温度以上的流体具有特异增加的溶解能力而发展出来的化工分离新技术，人们发现处于临界压力和临界温度以上的流体对有机化合物溶解增加的现象是非常惊人的。一般能增加几个数量级，在适当条件下甚至可达到按蒸气压计算所得浓度的1010倍(油酸在超临界乙烯中的溶解度)。但是应用这一特殊溶解能力的新型分离技术一超临界流体萃取过程却是近20年的事情。 1、超临界流体萃取过程简介 将萃取原料装入萃取釜。采用二氧化碳为超临界溶剂。二氧化碳气体经热交换器冷凝成液体，用加压泵把压力提升到工艺过程所需的压力(应高于二氧化碳的临界压力)，同时调节温度，使其成为超临界二氧化碳流体。二氧化碳流体作为溶剂从萃取釜底部进入，与被萃取物料充分接触，选择性溶解出所需的化学成分。含溶解萃取物的高压二氧化碳流体经节流阀降压到低于二氧化碳临界压力以下进入分离釜(又称解析釜)，由于二氧化碳溶解度急剧下降而析出溶质，自动分离成溶质和二氧化碳气体二部分，前者为过程产品，定期从分离釜底部放出，后者为循环二氧化碳气体，经过热交换器冷凝成二氧化碳液体再循环使用。整个分离过程是利用二氧化碳流体在超临界状态下对有机物有特异增加的溶解度，而低于临界状态下对有机物基本不溶解的特性，将二氧化碳流体不断在萃取釜和分离釜间循环，从而有效地将需要分离提取的组分从原料中分离出来。 2 、超临界流体萃取技术的特点 (1)具有广泛的适应性 由于超临界状态流体溶解度特异增高的现象是普遍存在。因而理论上超临界流体萃取技术可作为一种通用高效的分离技术而应用。 (2)萃取效率高，过程易于调节 超临界流体兼具有气体和液体特性，因而超临界流体既有液体的溶解能力，又有气体良好的流动和传递性能。并且在临界点附近，压力和温度的少量变化有可能显著改变流体溶解能力，控制分离过程。 (3)分离工艺流体简单 超临界萃取只由萃取器和分离器二部分组成，不需要溶剂回收设备，与传统分离工艺流程相比不但流程简化，而且节省耗能。 (4)分离过程有可能在接近室温下完成(二氧化碳)，特别适用于过敏性天然产物 (5)必须在高压下操作，设备及工艺技术要求高，投资比较大 在过去20年中，国际上在超临界流体萃取分离领域上投人大量研究工作。并在食品和香料加工领域取得一批有价值的应用成果，引起广泛关注。但超临界流体萃取并没有像有些人所期望那样取代传统的分离方法，特别是90年代以来发展趋势渐缓，没有新的，有影响力的工业化成果出现，综观其原因，超临界流体萃取存在着以下弊端: ?分离过程在高压下进行，设备一次性投资大。 ?萃取釜无法连续操作，造成装置的时空产生率比较低。 ?过程消耗指标不容忽视。 因此，超临界流体萃取技术的开发，应充分考虑其经济性能，只有那些能充分发挥该技术固有优点的过程才具有工业实用性。 二、连续逆流萃取过程及计算 在化工生产过程中，萃取操作通常是在塔设备中两相流体呈连续逆流流动实现溶质从一相转入另一相的传质过程。一般较重的一相流体(称为重相，如原料液)，从塔顶加入在塔内向塔底流动，较轻的一相流体(称为轻相，如萃取剂)，从塔底引入向塔顶流动，两相连续接触，进行传质，轻相从塔顶排出为萃取相，重相从塔底排出则是萃余相。(若原料液为轻相而萃取剂为重相时，情况就相反)。 用连续逆流萃取来实现一个分离过程，其计算内容是解决所需的理论级数N(如同T精馏中的理论板数一样)，然后再乘以理论级当量高度H，即得塔高H:e H,N,H (4-15)Te 理论级数是指完成一定的分离任务在计算过程中所用平衡关系的次数。在前面介绍的单级萃取计算中只运用了一次平衡关系。 1―萃取塔; 2―萃取剂回收塔;3―再沸器;4―冷凝器 图4-28 塔式液—液萃取设备流程图 理论级当量高度的物理意义是分离效果等于一个理论级的萃取塔段的高度，它是反映萃取传质特性的一个参数，它与两液相的物性，设备的结构型式和两相流速等操作条件有关，由实验研究确定或根据生产实际装置的操作数据求得。 连续逆流萃取过程理论级数的求解是用逐级计算法求理论级数，其过程如图4-29所示。原料液从第一级进入，逐级流过系统，最终萃余相从第N级流出，新鲜萃取剂从第N级进入，在每一级中两液相充分接触，进行传质。当两相达平衡后，两相分离，各进入其随后的级中，最终的萃取相从第一级流出。 由于两相是逆流，在第一级中，萃取相与含溶质最多的原料液接触，故第一级出来的最终萃取相中溶质的含量高，可达接近与原料液呈平衡的程度，而在第N级中萃余相与含溶质最少的新鲜萃取剂接触，故第N级出来的最终萃余相中溶质的含量低，可达接近与新鲜萃取剂呈平衡的程度。因此连续逆流萃取可用较少的萃取剂达到较高的萃取率，在工业上应用很广。 计算理论级数，通常已知原料液量F及其组成x，萃取剂组成y，最终萃余相的组FS 成x,并选择萃取剂用量S用图解法进行计算。 R 图4-29 连续逆流萃取理论级模型过程示意图 (1)用三角形坐标图解求理论级数 在三角形相图上逐级图解法的步骤如下: ?根据平衡数据在三角形坐标图上，作出溶解度曲线及辅助曲线。 ?由已知的组成x与x在图上定出原料液和从塔底流出的萃余相的状态点F和R。FRn由萃取剂的组成y定出状态点S的位置，连SF线，并根据给定的F和选定的萃取剂量S，S 按照杠杆规则确定混合后的总量及其状态点M的位置，连接RM，并延长与溶解度曲线n 交于E点的状态点。 1 ?应用溶解度曲线与物料衡算关系，逐级计算求理论级数。 做第一级的物料衡算(见图4-29): F+E=R+E 211 得 F-E=R-E 112 同理，做第一、二级的物料衡算可得: F-E=R-E123 做第一级到第n级的物料衡算: F-E=R-S 1n 由以上各式可得: F-E=R-E=R-E=„„=R-En=Rn-S=?(常数) (4-16)11223n-1 当用式(14-9)表示的Δ为负值时，可将上式改写为以下形式: S-R=E-F=E-R=„„=E-R=? (4-17)n121nn-1 以 以上两式表示任意二级间相遇的萃取相与萃余相间的关系，称为逆流萃取操作线方程，它表明离开任一级的萃余相量R与进入该级的萃取相流量E之差为一常数，以Δii+1 值表示，此Δ值所示的量可认为通过每一级的“净流量”。因Δ是F与E点的差点，则F、1E与Δ三点共线，所以Δ应位于EF的延长线上。同理，点Δ也是Rn与S，R与E，R111122与E„„R与E的差点，因此Δ也应位于各组两点的延长线上。由此可见，在三角形3n-1n 相图上，任二级间相遇的萃取相和萃余相的状态点的连线必通过Δ点。根据此特性就可以很方便地进行逐级计算以确定逆流萃取所需的理论级数。作法如下，见图4-29，首先作E与F和S与R的联线，并延长使其相交于Δ，然后从E开始，先作联结线求出R1n11点，联Δ、R两点并延长与溶解度曲线交于E，再作联结线求出R点，联Δ、R并延长1222与溶解度曲线交于E„„这样反复利用平衡线(溶解度曲线)与操作线，连续作图，当3 第n根联结线所得到的R的组成x等于或小于塔底出口萃余相组成x时，则n就是所要nnR求的理论级数。从图4-30可看出R中溶质A的组成x已小于规定量x，表明4个理论44R级就可以达到萃取要求。 图4-30 连续逆流萃取理论级的图解计算 由于点Δ为各操作线的交点，所以点Δ称为操作点。操作点的位置与这四股物流的量与组成等因素有关，它可能在三角形相图的左侧，也可能在三角形相图的右侧，而计算理论级数的方法都是一样的。 (2)用直角坐标中的分配曲线图求理论级数 当多级逆流萃取所需的理论级数较多时，如用三角形坐标图图解法求解，线条密集不很清晰，此时可用直角坐标图上的分配曲线进行图解计算，其步骤如下: ?在直角坐标图上，根据已知相平衡数据绘出分配曲线。 ?在三角形坐标图上，按前述多级逆流图解法，根据E与F和S与R诸点求出Δ点。1on如图4-31(a)所示。 ?在三角形坐标图上，直线ΔFE及ΔRS两线之间，从Δ点出发作若干条直线，均no 与溶解度曲线相交于两点R和E，其组成为x和y，对应地在直角坐标图上可找出一m-1mm-1m 个操作点。将若干个操作点连一根曲线，即得直角坐标图上逆流多级萃取的操作线(图 4-31(b))。 ?在分配曲线与操作线之间，从点N(x,y)开始画直角阶梯，直至某一梯级所指F1 萃余相组成x等于或小于要求的最终萃余相组成x为止，所绘的梯级数即为萃取所需的R 理论级数。 图4-31 用分配曲线图解理论级数 上述画阶梯求逆流萃取所需理论级数的过程与精馏、吸收中求理论级数的方法类似。两者不同之点只在于精馏，吸收操作时，认为逆流两相的量是常数，故在y-x图上操作线方程是一条直线。而在部分互溶体系的萃取过程中，稀释剂与萃取剂之间的互溶度随溶质A的浓度变化，逆流两相的质量比不是常数，故操作级不是直线，是一条随浓度变化的曲线。 【例4-2 】 以异丙醚为萃取剂，用逆流萃取塔萃取醋酸水溶液中的醋酸。原料液的处理量为2000kg/h，原料液中醋酸含量为30%(质量%)。萃取剂用量为5000kg/h，要求最终萃取余相中醋酸含量不大于2%(质量%)，操作温度为20?，试用x-y直角坐标求所需理论级数。 20?时醋酸-水-异丙醚系统的联结线数据如下表所示(表中数据均为质量%): 例4-2 附表(一) 在萃余相R(水层)中 在萃取相E(异丙醚层)中 醋酸%(A) 水%(B) 异丙醚%(S) 醋酸%(A) 水%(B) 异丙醚%(S) 0.69 98.1 1.2 0.18 0.5 99.3 1.4 97.1 1.5 0.37 0.7 98.9 2.7 95.7 1.6 0.79 0.8 98.4 6.4 91.7 1.9 1.9 1.0 97.1 13.30 84.4 2.3 4.8 1.9 93.3 25.50 71.1 3.4 11.40 3.9 84.7 37.00 58.6 4.4 21.60 6.9 71.5 44.30 45.1 10.6 31.10 10.8 58.1 46.40 37.1 16.5 36.20 15.1 48.7 解:(1)首先在三角形图上依题给联结数所绘出溶解度曲线，如附图(a)所示。依原料液组成x=0.3在附图(a)上确定F点，联SF线。已知F=2000kg/h，S=5000kg/h，F 由杠杆定律得 FMS5000 ,,,2.5SMF2000 按上述比值，可在SF线上确定和点M。 例4-2附图(a) (2)联FE级及RS线并延长之，此二直线相交于Δ点。过Δ点作任意几条操作线1n 与溶解度曲线相交于e与r ，e与r，e与r以及e与r诸点。从图上读出以上各点11223344 相应的坐标列于附表(二)。 例4-2 附表(二) y 0.1 0.075 0.05 0.028 0.014 0 x 0.3 0.225 0.18 0.12 0.075 0.02 (3)依题给联结线数据可在x-y直角坐标上绘出分配曲线，如本例题附图(b)所示。再依本例题附表(二)所列x-y数据在附图(b)上绘出操作线。 例4-2附图(b) (4)从x=x=0.3与y=y=0.1的点N开始在分配曲线与操作线之间作直角梯级直至xf1 等于或小于x(x=2%)为止。由附图(b)可看出本题所给条件下萃取需用的理论级数为nn 7。 三、萃取剂最少用量的计算 在萃取过程中，当萃取剂用量少时，可以减少回收溶剂所消耗的能量或处理费用，以降低操作成本。但是，萃取剂用量越少，则完成同样分离任务所需的理论级数就越多，从而增加了萃取设备投资。所以应依经济衡算确定适宜的萃取剂用量。所谓最少萃取剂的用量S，是指一种极限情况，即当所用萃取剂的量减少到S时，所需的萃取理论级minmin 数已达无穷多。实际的萃取剂用量必须大于此极限值。参看图4-32，若用ε代表操作线的斜率，即ε=B/S。萃取剂S值越少，则ε值越大。对两组分B和S基本不互溶的A、B、S三元物系，其操作线与分配曲线关系可依质量比浓度X及Y绘于X-Y直角坐标上。在图4-32中，OPQ曲线为某A、B、S三元物系的分配曲线，NM、NM与NM时的操作线，12min各操作线的斜率分别为ε、ε与ε(ε为使用最少量萃取剂时的操作线的斜率)。12maxmax 图4-32 最少萃取剂用量 如图示，当萃取剂用量为S时，在分配曲线与操作线NM间图解理论级数为二级。11 当萃取剂用量减少为S时，操作线为NM，图解理论级数为五级。若萃取剂用量继续减22 少，则操作线斜率ε继续增大，并向分配曲线靠近。当操作线与分配曲线出现交点，即出现了夹紧区，此时类似蒸馏图解理论板层数时出现的夹紧区一样，理论级数需无穷多，相应的萃取剂量即为最少萃取剂用量S，其值可依下式求算: min S=B/ε (4-18)minmax 应予指出，在三角形图上，观察操作线与联结线位置之间的关系，可以发现当萃取剂用理愈少，则操作线与联结线的斜率愈接近，即意味萃取剂用量愈少，所需理论级数愈多。当萃取剂用量减少至S时，出现操作线与联结线重合的情况，也即两者斜率相min 同，此时所需理论级数为无穷多。S的数值可依物料衡算与杠杆规则求得。min 【例4-3 】 15?时，丙酮(A)-苯(B)-水(S)系统的分配曲线如本例附图所示。丙酮与苯的混合液中含有丙酮40%(质量%)、苯60%(质量%)。用水作萃取剂萃取丙酮。萃余相中要求丙酮含量不大于4%，苯与水可视为完全不互溶。试在X-Y直角坐标图上求: (1)若每小时处理原料液的量为1000kg,水的用量为1200kg/h，所需的理论级数。 (2)上述条件下，最少萃取剂用量为多少kg/h, 例4-3附图 解:依已知数据首先求出溶质在各流股中的质量比组成。 40原料液的组成 X,,0.667kgA/kgBF60 4萃余相的组成 X,,0.0417kgA/kgBn100,4 原料液中苯的质量流量 B=1000(1-0.4)=600kg/h (1)每小时用1200kg水进行萃取，则操作线的斜率为: B/S=600/1200=0.5 最终萃余相中溶质的质量比组成X=0.0417，已知萃取剂中溶质的质量比组成Y=0，nS于本题图中标绘此二值，即为图上的点N。过点N作斜率为0.5的直线NPM。此直线与X=0.667的直线相交于P点。从点P开始在分配曲线OQE与操作线NPM之间作梯级，当F 作至第5级时所得萃余相的组成X已小于X，故知此萃取过程需用五个理论级。5n (2)依最少萃取剂用量定义知，X=X直线与分配曲线的交点Q与点N间所联的直线F (如图中虚线所示)，即为最少萃取剂用量时的操作线。由图知其斜率为: B/S=0.65 min 所以: S=B/0.65=600/0.65=923kg/h min