化工原理第十三章萃取课件.ppt

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1、化工原理,任课教师：周 勇Prof. Dr. Zhou Yong,Principles of Chemical Engineering,化工原理任课教师：周 勇Principles of C,第十三章 萃 取 Chapter 13 Extraction,第十三章 萃 取 Chapter 13 Ex,概述（Introduction）,液-液萃取的目的和基本原理,目的：液体混合物的分离。原理：液体混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异,溶质：易溶组分，A；稀释剂：难溶组分，B。对溶剂（萃取剂）的基本要求：不能与被分离混合物完全互溶，只能部分互溶；对组分有不同的溶解能力，即溶剂具有选择性。,萃取过程,

2、原料,AB,溶剂S,萃取相S+A(B),萃余相B+A(S),因密度差分层,概述（Introduction） 液-液萃取的目的和基本原理,液-液萃取过程的分类,按性质可分为物理萃取和化学萃取；按萃取对象可分为有机物萃取和无机物萃取。,工业萃取过程,萃取塔,稀醋酸，A+B,醋酸已酯，S,萃取相，S+A(B),恒沸精馏塔,无水醋酸，A,分层器,萃余相B+A(S),提馏塔,废水B,需解决的问题：选择一合适的萃取剂；提供优良的萃取设备；完成萃取相萃余相的脱溶剂。,例：以醋酸乙酯为萃取剂，分离稀醋酸水溶液,S+B,概述（Introduction）,液-液萃取过程的分类按性质可分为物理萃取和化学萃取；按萃取

3、对,萃取过程的经济性：萃取过程在经济上是否优越取决于后续两个分离过程是否较原溶液直接分离更容易实现。,概述（Introduction）,一般来说，在下列情况下采用萃取过程较有利：混合液的相对挥发度小或形成恒沸物，用一般精馏方法不能分离或很不经济；混合液浓度很稀，采用精馏方法须将大量的稀释剂 B汽化，能耗大；混合液含热敏性物质，采用萃取方法精制可避免物料受热破坏。,萃取过程的经济性：概述（Introduction） 一般来说,级式接触,单级,按两相的接触方式,微分接触（连续接触）,多级错流,多级逆流,过程的经济性在很大程度上取决于萃取剂的性质。萃取剂的技术指标：溶解能力强；选择性高；与被分离组分

4、之间的相对挥发度要高；在混合液中的溶解度要小。,两相的接触方式,概述（Introduction）,级式接触单级按两相的接触方式微分接触（连续接触）多级错流多级,重相从塔顶加入，轻相从塔底加入，其中一液相分散成液滴（分散相相），另一液相保持连续（连续相）；液滴上浮或下沉过程中与连续相呈逆流接触进行物质传递，其浓度沿塔高呈连续微分变化；轻重两相分别从塔顶与塔底排出。,轻液出口Light Liquid outlet,轻液进口Lightliquid inlet,重液出口Heavy liquid outlet,重液进口Heavy liquid inlet,微分接触（连续接触）一般为塔式设备（喷淋塔、填料

5、塔、转盘塔、振动筛板塔等）。,概述（Introduction）,重相从塔顶加入，轻相从塔底加入，其中一液相分散成液滴（分散相,级式接触,单级萃取分离纯度不高。,萃取相Extract,萃余相Raffinate,料液A+BFeed,萃取剂Solvent,单级连续萃取,混合槽Mixer,澄清槽Settler,概述（Introduction）,级式接触单级萃取分离纯度不高。萃取相萃余相料液A+B萃取剂单,萃取剂Solvent,特点：萃取率比较高，但萃取剂用量较大，溶剂回收处理量大，能耗较大。,料液Feed,萃取相Extract,萃余相Raffinate,1,2,3,N,多级错流萃取,概述（Introd

6、uction）,萃取剂特点：萃取率比较高，但萃取剂用量较大，溶剂回收处理量大,萃取剂Solvent,特点：可用较少的萃取剂获得比较高的萃取率，工业上广泛采用。,料液Feed,萃取相Extract,萃余相Raffinate,1,2,3,N,多级逆流萃取,概述（Introduction）,萃取剂特点：可用较少的萃取剂获得比较高的萃取率，工业上广泛采,液-液相平衡,由于萃取剂与稀释剂一般为部分互溶，所以，萃取相和萃余相均为三组分溶液。三元混合物的平衡关系一般采用三角形坐标图来表示。,溶液组成表示法,三角形相图,溶液组成满足归一条件，,本章中 xA 、xB 、xS 分别表示 A、B、S 的质量分率。,

7、即三组分溶液的组成包含两个自由度。这样，三组分溶液的组成须用平面坐标上的一个点来表示。,液-液相平衡 由于萃取剂与稀释剂一般为部分互溶，所以，萃取相,A,B,S,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,在如图所示一等腰直角三角形中，三角形的三个顶点分别表示 A、B、S 三个纯组分。,三条边上的任一点代表某二元混合物的组成，不含第三组分。如，E 点：,三角形内任一点代表某三元混合物的组成。如M 点：,E,M,F,G,H,0,1.0,1.0,液-液相平衡,ABS0.80.60.40.20.20.40.60.8在如图,A,B,S,0.8,0.6,0.4,0.2,0.8,0.6

8、,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,E,M,可用等腰直角三角形，也可用等边三角形、不等腰直角三角形。,液-液相平衡,ABS0.80.60.40.20.80.60.40.20.2,C(xAC、xBC、xSC),xAC,D,C,M,xAM,xAD,xSC,xSM,xSD,物料衡算与杠杆规则,物料衡算,上式表明混合物组成点的位置必在C点与D点的连线上，且,杠杆定律,D(xAD、xBD、xSD),M( xAM、xBM、xSM ),混合,液-液相平衡,C(xAC、xBC、xSC)xACABSDCMxAMxADx,M 为 C、D 的和点；C 为 M 和 D 的差点；D 为 M 和 C 的差点

9、。,xAC,D,C,M,xAM,xAD,xSC,xSM,xSD,CD 线上不同的点代表 C、D 以不同质量比进行混合所得的混合物；混合物 M 可分解成任意两个分量，只要这两个分量位于通过 M 点的直线上，在 M 点的两边即可。,混合物的和点与差点,液-液相平衡,M 为 C、D 的和点；xACABSDCMxAMxADxSC,Q,Q1,P,P1,P2,AP 线： P1、P2 均为 A 与 P 的和点。 B、S 的相对比值相同。,Q2,SQ 线： Q、Q2 均为 Q1 与 S 的差点。A、B 的相对比值相同。,液-液相平衡,ABSQQ1PP1P2 AP 线：Q2 SQ 线：液-液相平,按组分间互溶度

10、的不同，可将三元混合液分为：(1) 溶质A可完全溶解于B及S中，而B、S不互溶；(2) 溶质A可完全溶解于B及S中，而B、S只能部分互溶；(3) 溶质A与B完全互溶，B与S和A与S部分互溶。萃取中(2)类物系较普遍，故主要讨论该类物系的液-液相平衡。,自由度,T、P 一定时，互成平衡的两相组成的自由度为1。,部分互溶物系的相平衡,液-液相平衡,按组分间互溶度的不同，可将三元混合液分为：自由度T、P 一定,恒温条件下，在实验瓶中加入恰当的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

11、即为平衡联结线。,R1,E1,M1,E,R,d,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。,液-液相平衡,连接所有的E、R点即得溶解度曲线。,恒温条件下，在实验瓶中加入恰当的B与S，使混合物的浓度位于R,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。,R,E,M,单相区,两相区,组成落在单相区的三元混合物形成一个均匀的液相；,组

12、成落在两相区的三元混合物形成的互成平衡的两相，称共轭相 (Conjugate phase)，其组成分别由 R 和 E 点表示。,液-液相平衡,当处于平衡状态的某一相中任一组分的质量分率已知，根据溶解度曲线及平衡连接线可唯一地确定该相及与其共轭的另一相的组成。,R,E,xA,ABS0.80.60.40.20.20.40.60.80.2,通常联结线不互相平行，其斜率随混合液的组成而异，一般是按同一方向缓慢地改变。有些物系在不同浓度范围内联结线斜率方向不同，如吡啶氯苯水体系。,液-液相平衡,通常联结线不互相平行，其斜率随混合液的组成而异，一般是按同一,对任何B、S的两相混合物，当加入A的量使混合液恰

13、好变为均相的点称为混溶点。,d1,d2,E,R,d3,d4,溶解度曲线上所有的点都是混溶点，既可能代表 E相，也可能代表 R相。,混溶点,液-液相平衡,ABS对任何B、S的两相混合物，当加入A的量使混合液恰好变为,P点将溶解度曲线分为萃取相区域与萃余相区域。一般临界混溶点并不是溶解度曲线的最高点，其准确位置的实验测定也很困难。,R1,E1,M1,E,R,d,两个共轭相组成相同时的混溶点。,P,临界混溶点 P（Plait point）,液-液相平衡,P点将溶解度曲线分为萃取相区域与萃余相区域。ABSR1E1M,辅助曲线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点 P。,R1,E1,P,方法一：,R2,E2,

14、E3,E4,R3,R4,平衡连接线的内插,液-液相平衡,辅助曲线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点 P。ABSR1E1,辅助曲线延长线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点P。,借助辅助曲线可求出任何一对共轭相的对应点，即可由一平衡液相的组成找出对应共轭相的组成。,R1,E1,P,方法二：,R2,E2,E3,E4,R3,R4,液-液相平衡,辅助曲线延长线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点P。借助辅助曲,x,y,0,yA A 组分在萃取相的浓度xA A 组分在萃余相的浓度,分配曲线,只要任一平衡相中的任一组分的组成一定，其它组分的组成及其共轭相的组成就为定值。,P,互成平衡的双液相三组分体系，T、P一定时

15、，自由度 f =1。,分配曲线与分配系数,液-液相平衡,xy0yA A 组分在萃取相的浓度分配曲线只要任一平衡相,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。,组分在互成平衡的两液相中的浓度比称为分配系数。,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,分配系数一般不为常数，其值随浓度而异。组分在互成平衡的两液相,利用此式，可根据处于平衡状态某相的溶质浓度确定与其共轭的另一相的溶质浓度。,液-液相平衡,（1）溶解度曲线,液液平衡给出以下两种关系：,对萃取相（E）,对萃余相（R

16、）,（2）平衡连接线,由上式可根据处于平衡状态的液体中溶质组分的浓度唯一地确定其溶剂组分的浓度。,yA,yS,xA,xS,利用此式，可根据处于平衡状态某相的溶质浓度确定与其共轭的另一,F（A+B）+S M,M 静置分层 E + R,R,E,M,E,R,F,Emax,E- S萃取液 E；R- S 萃余液 R。,Emax,将组成为F点的混合物分离成为含A较多的萃取液E和含A较少的萃余液R。,级式萃取过程的图示,液液相平衡与萃取操作的关系,杠杆规则,液-液相平衡,单级萃取中，萃取相能达到的最大 A 组分含量为 Emax 点的组成， 对应的萃取液组成点为 E max 。,F（A+B）+S MM 静置分

17、层 E + RABSREM,选择性系数 （Selectivity coefficient）, 1，能萃取分离 =1，平衡联结线的延长线过S点，不能萃取分离 ，B 与 S 不互溶,选择性系数 两表示溶质 A 在两液相中浓度的差异，即A、B的分离程度。,两相平衡时,液-液相平衡,选择性系数 （Selectivity coefficie,互容度越小，萃取的操作范围越大，Emax越大。一般，温度，互溶度，利于萃取。,互容度的影响,液-液相平衡,互容度越小，萃取的操作范围越大，Emax越大。互容度的影响,作业,p.2731,作业 p.273,液-液萃取的动力学特性,液-液传质与气-液传质类似，其传质速率

18、取决于相际接触面积、传质系数和传质推动力。,液-液萃取过程传质速率可表达为,NA萃取通量，kg/(m2s)； kx 萃余相的分传质系数，kg/(m2sx)； ky萃取相的分传质系数，kg/(m2sy)；x、xi 分别为萃余相主体、界面浓度；y、yi 分别为萃取相主体、界面浓度。,液-液萃取的动力学特性 液-液传质与气-液传质类似，其传质速,Ky以萃取相为基准的总传质系数，kg/(m2sy)；Kx以萃余相为基准的总传质系数，kg/(m2sx)；y* 与萃余相组成 x 成平衡的萃取相组成；x* 与萃取相组成 y 成平衡的萃余相组成。,液-液萃取的动力学特性,Ky以萃取相为基准的总传质系数，kg/(

19、m2sy)；,dp，a；dp，ut，a。分散相可以是轻相也可以是重相。,传质设备内单位容积的相际传质表面决定于滞液量和液滴尺寸,a单位体积液体混合物所具有的相际传质表面，m2/m3；分散相的滞液率；dp液滴平均直径，m。,液滴的分散,液-液萃取的动力学特性,dp，a；传质设备内单位容积的相际传质表面决定于滞液量和,液滴运动方向,液滴对连续相液体作相对运动时，界面上的摩擦力会诱导出滴内环流，这一环流大大提高了滴内的传质分系数。若液滴尺寸过小，会抑制这种环流。,液滴内的环流,液-液萃取的动力学特性,液滴运动方向液滴对连续相液体作相对运动时，界面上的摩擦力会诱,液滴外的连续相常处于湍流状态，由于湍流

20、固有的不规则性，连续相向表面输送或从表面移出溶质的速率也是不规则变化的。因此，在同一时刻液滴表面不同点或在不同时刻表面同一点的传质速率、溶质浓度及界面张力均不相同。界面张力不同，表面上液体质点受力不平衡，必沿表面产生不规则的抖动。液滴表面存在的这种不规则运动是由传质过程本身引起的，称为界面扰动现象。对传质过程的影响：1.增加了相界面附近的湍动程度，减小了传质阻力，提高了传质系数；2.界面张力的不均匀可影响液滴合并和再分散，从而改变液滴尺寸和相际传质界面的大小。,界面扰动,液-液萃取的动力学特性,液滴外的连续相常处于湍流状态，由于湍流固有的不规则性，连续相,萃取过程的计算,以一个萃取级作为考察单

21、元，即对每一级写出物料衡算式、热量衡算式及表示级内传递过程的特征方程。但萃取过程基本上是等温的，故无需作热量衡算。,级式萃取过程的基本计算式,物料衡算,传质过程的简化,理论级：离开萃取器的萃取相与萃余相互成平衡。,级效率：实际萃取级与理论级分离能力的差异。由理论级数结合级效率就可确定实际级数。,特征方程简化为：,萃取过程的计算 以一个萃取级作为考察单元，即对每一级写出物料,萃取过程的计算,单级萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶,萃取相E,萃余相R,料液F,萃取剂S,萃取液E, yE,萃余液R, xR,脱除 S,脱除 S,萃取过程的计算 单级萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶萃取相,解析计算,物

22、料衡算,F, xAF, xSF=0,S, zA, zS,R, xA, xS,E, yA, yS,特征方程（假设萃取器相当于一个理论级）,萃取过程的计算,解析计算 物料衡算F, xAF, xSF=0S, zA, z,设计型问题 已知：F，xAF；平衡关系；工艺要求规定 xA； 选择：zA，zS ； 求： S， E，yA，yS，R，xS。,操作型问题 已知：F，xAF，xSF，S， zA，zS； 求：E，yA，yS，R，xA ，xS 。,联立求解上述6个方程即可。由于溶解度曲线和分配曲线的拟合式为非线性，求解时须用试差法。,萃取过程的计算,设计型问题操作型问题联立求解上述6个方程即可。由于溶解度曲

23、线,(1)根据平衡数据在直角三角形坐标图中作出溶解度曲线及辅助线。,xAF（原料液组成）F；,图解法,R,E,E,R,F,M,单级萃取图解法,S0, 萃取剂的组成S0 ；, xA ( xA) R；, 平衡联结线 E；,由相图可读出yA、xAM、xA 、xA、yA,与 交于 M。,萃取过程的计算,(1)根据平衡数据在直角三角形坐标图中作出溶解度曲线及辅助线, 溶剂比,萃取过程的计算, 溶剂比 ABSREERFMS0萃取过程的计算,【例】单级萃取。含醋酸35%（质量百分数）的醋酸水溶液，在25下用纯异丙醚为溶剂进行萃取，料液的处理量为100kg/h，若要求萃余相中醋酸浓度为25%，求萃取剂的用量。

24、 25的平衡数据见表。,萃取过程的计算,【例】单级萃取。含醋酸35%（质量百分数）的醋酸水溶液，在2,解：由表中数据在三角形相图上作出溶解度曲线及若干条平衡连接线，同时画出辅助线。,由原料液组成 xAF=0.35在图中找到F点；,A,B,S,F,萃取剂为纯异丙醚，在图中找到S点；连接F、S；,由萃余相组成 xA=0.25，在图中找到R点；,R,E,M,利用辅助线，过R点作一条平衡连接线，得到E点；,FS与RE交点为M点。,由图读出各混合物的组成：,萃取过程的计算,解：由表中数据在三角形相图上作出溶解度曲线及若干条平衡连接线,萃取剂用量：,萃取过程的计算,萃取剂用量：萃取过程的计算,D点：最小溶

25、剂用量，Smin,G点：最大溶剂用量，Smax,最小溶剂用量和最大溶剂用量,萃取只能在分层区内进行。对单级萃取，原料量 F 及组成一定，萃取剂 S0 加入过多或过少，都可能使 M 点落在两相区之外。,萃取操作S应满足下列条件：,R,E,F,M,单级萃取图解法,S0,D,G,萃取过程的计算,D点：最小溶剂用量，SminG点：最大溶剂用量，Smax最小,多级错流的计算只是单级的多次重复。,在设计型问题中，平衡关系、原料流量及组成已知，溶剂用量及组成是选定，最终萃余相浓度由工艺条件规定。一般采用图解法求解，即可求出所需理论级数及萃取剂总用量。,萃取剂S, yS,料液F, xF,萃取相Extract,

26、萃余相Raffinate,M1,M2,M3,Mn,E1,R1,E2,E3,En,R2,R3,Rn-1,Rn,多级错流萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶,萃取过程的计算,多级错流的计算只是单级的多次重复。在设计型问题中，平衡关系、,M1,M2,M3,图解过程,R1,E1,F,M1,多级错流萃取图解法,S0,E2,R2,M3,M2,E3,R3,平衡联结线,R1、E1,平衡联结线,R2、E2,平衡联结线,R3、E3,直到萃余相中溶质浓度等于或小于所要求的浓度为止，标绘的联结线数目即为理论级数。,第1级：,第2级：,第3级：,萃取过程的计算,M1M2M3图解过程ABSR1E1FM1多级错流萃取图解法S

27、,作业,23,作业2,萃取剂S, ZA , ZS,料液F, xfA , xfS,萃取相,萃余相,M1,M2,M3,Mn,E1,R1,E2,E3,En,R2,R3,Rn-1,RN , xNA , xNS,E4,设计型问题已知：F、xfA、xfS及相平衡关系规定：xNA选定：S、zA、zS求：N、Ei、Ri、yiA、yiS、xiA、xiS对每一理论级列出物料衡算式与相平衡关系（6N个），联立求解可得。下述方法更简便。,逐级计算,多级逆流萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶,萃取过程的计算,萃取剂料液萃取相萃余相M1M2M3MnE1R1E2E3EnR,对第1至任意第m级作物料衡算,逐级求解物料衡算式与

28、相平衡关系式可计算所需理论级数、离开各级的萃取相与萃余相的流量和组成。,若理论级数已知，根据原料和溶剂的流量和组成，逐级求解物料衡算式与相平衡关系式可得到离开各级的萃取、萃余相的流量与组成。操作型问题,相平衡关系,萃取过程的计算,对第1至任意第m级作物料衡算逐级求解物料衡算式与相平衡关系式,三角形相图上的逐级图解法,F,M,多级逆流萃取图解法,S0,E1,（1）原料组成 F点,RN,M=F+S,或从物料衡算也可得上述结果,（2）xN（xN）RN点,溶剂比 S/F M点,延长RN与M的联线E1点,（3）确定操作点,注意：M1 M2 M3 M4 M,萃取过程的计算,三角形相图上的逐级图解法ABSF

29、M多级逆流萃取图解法S0E1,离开任一级的萃余相与进入该级的萃取相流量之差为一常数 。0 ，流动方向与萃余相相同， 0 ，流动方向与萃取相相同。, 可视为每一级的“净流量”，此股虚拟物料的组成也可在三角形相图上用一定点（ 点）表示，称为操作点，此点的位置可根据F、S、RN、E1的流量确定。,将联线 FE1 及 RNS 延长，交点 即为操作点。,萃取过程的计算,离开任一级的萃余相与进入该级的萃取相流量之差为一常数 。,E1,F,M,多级逆流萃取图解法,S0,E2,E3,E4,R1,R4,R2,Rn,R3,（4）过 E1 作平衡联结线得 R1 第一级；,（5）作直线 RN ，与溶解度曲线的交点为

30、E2，过 E2 作平衡联结线得 R2 第二级；,重复上述两步，至 xmA xNA ，得理论级 N = m。,萃取过程的计算,ABSE1FM多级逆流萃取图解法S0E2E3E4R1R4R,直角坐标图上的图解方法,（1）由相平衡数据在直角坐标图上绘制分配曲线；,（2）在三角形相图上按前述方法求得操作点；,（3）在 E1 至 RN范围内，过点 任意作若干条直线，每条直线与溶解度曲线有两个交点，取此两点的坐标 yA和xA在直角坐标系上绘出一个操作点。许多操作点的联线即为直角坐标系中逆流萃取的操作线（非直线）。显然，操作的起点为 H (xF、y1)，终点为 K (xN、zA)。,（4）交替使用操作线与分配

31、曲线从 H 点至 K 点依次作梯级，所得梯级数即为所需理论级数。,萃取过程的计算,直角坐标图上的图解方法（1）由相平衡数据在直角坐标图上绘制分,x,y,0,分配曲线,P,H,y1,xF,xn,yS,xm-1,ym,操作线,萃取过程的计算,K,xy0分配曲线PHy1xFxnySxm-1ym操作线萃取过程,在三角形坐标图上求理论级数，操作点 的位置与溶剂比有关，也反映了要完成分离任务所需理论级数的多少。,E1,F,M1,多级逆流萃取图解法,S0,1,Rn,2,M2,E1,溶剂比对逆流萃取理论级数的影响,萃取过程的计算,在三角形坐标图上求理论级数，操作点 的位置与溶剂比有关，,E1,F,M1,多级逆

32、流萃取图解法,S0,1,Rn,2,M2,E1,萃取过程的计算,ABSE1FM1多级逆流萃取图解法S01Rn2M2E1萃,操作线与平衡线的切点 e 既在平衡线上，又在操作线上。在三角形相图中，(S/F)min对应的操作线与平衡联结线重合。利用杠杆规则可求出最小溶剂比 (S/F)min 。,B 与 S 部分互溶物系的最小溶剂比 (S/F)min,x,y,0,分配曲线,P,H,y1,xF,xn,yS,操作线,e,萃取过程的计算,操作线与平衡线的切点 e 既在平衡线上，又在操作线上。B 与,当萃取剂与稀释剂互溶度很小，且在操作范围内溶质组分对 B、S 的互溶度又无明显影响时，可近似处理为完全不互溶体系

33、。其计算与吸收相似。,完全不互溶物系萃取过程的计算,X 组分 A 在萃余相中的比质量分率，kg-A/kg-B；Y 组分 A 在萃取相中的比质量分率，kg-A/kg-S；Z 组分 A 在溶剂中的比质量分率，kg-A/kg-S；B料液或萃余液中稀释剂的流量（kg/s）或数量（kg）；S溶剂或萃取相中纯容剂的流量（kg/s）或数量（kg）,萃取过程的计算,当萃取剂与稀释剂互溶度很小，且在操作范围内溶质组分对 B、S,平衡关系为：,物料衡算：,单级萃取操作的操作线方程,Y,0,分配曲线,Z,X,XF,-B/S,B、XF、Z一般为已知量选择 S，计算 X、Y；规定 X，计算 Y、S。,上述计算也可用图解

34、法代替。,单级萃取,萃取过程的计算,平衡关系为：物料衡算：单级萃取操作的操作线方程 Y0分配,操作线方程,平衡关系：,任一级系统的物料衡算：,由已知平衡数据在 XY 坐标上绘出平衡曲线，由每一级物料衡算得出操作线，直到第 n 级萃余相中的浓度 XR 满足要求为止。,Y1,0,Y*= f (X),Z,X1,XF,-B/S1,X2,Y2,X3,Y3,-B/S2,-B/S3,多级错流萃取,萃取过程的计算,操作线方程 平衡关系：任一级系统的物料衡算：由已知平衡数,从第1至第m级作物料衡算, 操作线方程,多级逆流萃取,对整个萃取设备作物料衡算有,萃取过程的计算,从第1至第m级作物料衡算 操作线方程多级逆

35、流萃取对整个萃,在YX坐标图上作出分配曲线及操作线，然后在此两线间作梯级便可得到所需的理论级数。,X,Y,0,分配曲线,H,Y1,XF,Xn,Z,X1,Y2,操作线,萃取过程的计算,在YX坐标图上作出分配曲线及操作线，然后在此两线间作梯级便,操作线斜率：B/S溶剂比：S/F,操作线与分配曲线相交，所需理论级数 。(B/S)max(S/F)min,萃取操作的实际溶剂比 (S/F)(S/F)min 。,B/S增加，操作线向分配曲线靠近，完成同样分离任务所需的理论级数增加。,X,Y,0,分配曲线,(B/S)max,Y2,XF,Xn,YS,Y1,(B/S)1,(B/S)2,溶剂比对逆流萃取理论级数的影

36、响,萃取过程的计算,操作线斜率：B/S操作线与分配曲线相交，所需理论级数 。,塔式萃取设备一般为逆流微分接触，两相在塔内连续接触传质，浓度沿塔高连续变化。塔径：取决于两液相的流量与塔中两相适宜的流速。塔高：理论级当量高度法和传质单元法 。,理论级当量高度法,理论级当量高度：两相逆流时，分离效果相当于一个理论级的萃取段高度，以 HETS 表示。若已知逆流萃取所需要的理论级数 NT，则塔高 H 为：,HETS反映萃取的传质效果。塔效率愈高，HETS愈小。NT 反映的是萃取分离要求的高低和分离的难易程度。HETS 与物系的物性、浓度、流量及塔型有关，需在相似条件下进行实验确定。,微分接触式逆流萃取,

37、萃取过程的计算,传质单元法,萃取相 E, y 经过逆流萃取塔中微元段 dH 后变为E+dE, y+dy。以微元段为控制体，对溶质组分作物料衡算有：,E萃取相的流量，kg/h、或kg/s； a单位塔体积的传质面积，m2/m3；塔截面积，m2；Ky以萃取相组成为推动力的总传质系数，kg/(m2hy)；y*与萃余相组成 x 呈平衡的萃取相组成，质量分率。,萃取过程的计算,传质单元法 萃取相 E, y 经过逆流萃取塔中微元段 dH,上式中 E、Ky 都是 y 的函数，积分比较困难。设 E 相中溶质总量为 EA，非溶质部分总量为 EBS，且 EBS 变化不大，则,传质单元高度,传质单元数,萃取过程的计算

38、,上式中 E、Ky 都是 y 的函数，积分比较困难。传质单元高,萃取相,萃余相,萃取液,原料,溶剂,萃取塔,回流,萃取相增浓段,萃余相提纯段,溶剂回收,回流萃取 （Reflux extraction）,萃取过程的计算,萃取相萃余相萃取液原料溶剂萃回流萃取相萃余相溶回流萃取 （R,超临界萃取 （supercritical fluid extraction）,以接近或超过临界点的低温、高压、高密度气体作为溶剂，从液体或固体中萃取所需组分，然后采用等压变温或等温变压等方法，将溶质与溶剂分离的单元操作。,超临界萃取的基本原理,超临界流体：状态在临界温度与临界压力以上的流体。,超临界流体的 p-V-T

39、性质,常用的超临界流体：二氧化碳、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和氨、正戊烷、甲苯等。,超临界萃取 （supercritical fluid ext,超临界萃取的基本原理,超临界流体的密度接近于液体，黏度接近于气体，扩散系数在气体和液体之间，比液体大100倍左右。超临界流体具有与液体相近的溶解能力，同时其传质速率远大于液体溶剂并能很快达到萃取平衡。,超临界流体的基本性质,超临界萃取的基本原理超临界流体的密度接近于液体，黏度接近于气,超临界萃取的基本原理,超临界流体的溶解能力与密度接有关，其关系如下：,超临界流体的溶解能力,式中 k 和 m 的数值与超临界流体及被萃取物质的化学性质有关。一般 k 为正值

40、，即密度越大、溶解能力越大。,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,超临界萃取的基本原理超临界流体的溶解能力与密度接有关，其关系,超临界萃取的典型流程,超临界萃取主要由萃取阶段和分离阶段两部分组成。,等温变压流程,萃取器,分离器,P,P,压缩机,膨胀阀,T1,T2,利用不同压力下超临界流体萃取能力（溶解度）的差异，通过改变压力使溶质与超临界流体分离。特点：T1= T2，p1 p2,超临界萃取的典型流程超临界萃取主要由萃取阶段和分离阶段两部分,超临界萃取的典型流程,等压变温流程,萃取器,分离器,P,P,泵,加热器,T1,T2,

41、利用不同温度下超临界流体萃取能力（溶解度）的差异，通过改变温度使溶质与超临界流体分离。特点：T1 T2，p1= p2,超临界萃取的典型流程等压变温流程萃分离PP泵加热器T1T2利,超临界萃取的典型流程,等温等压吸附流程,萃取器,分离器,P,P,泵,T1,T2,在分离器内放置仅吸附溶质而不吸超临界流体的吸附剂，通过吸附过程来达到溶质与超临界流体分离的目的。特点：T1= T2，p1= p2,吸收剂吸附剂,超临界萃取的典型流程等温等压吸附流程萃分PP泵T1T2在分离,超临界萃取的特点,超临界萃取在溶解能力、传质性能以及溶剂回收方面有突出的优点，主要表现在：,超临界流体的密度与溶解能力接近于液体，而又

42、保持了气体的传递特性，故传质速率高，可更快达到萃取平衡；操作条件接近临界点，压力、温度的微小变化都可改变超临界流体的密度与溶解能力，故溶质与溶剂的分离容易，费用低；超临界萃取具有萃取和精馏的双重特性，可分离难分离物质；超临界流体一般具有化学性质稳定、无毒无腐蚀性、萃取操作温度不高等特点，故特别适用于医药、食品等工业；超临界萃取一般在高压下进行，设备投资较大。,超临界萃取的特点超临界萃取在溶解能力、传质性能以及溶剂回收方,超临界萃取的应用实例,超临界萃取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过程中已成功地应用于大规模生产。,超临界CO2分离提取天然产物中的有效成分,

43、超临界CO2萃取操作温度较低，能避免天然产物中有效成分的分解。可用于,咖啡豆中脱除咖啡因名贵香花中提取精油啤酒花及胡椒等物料中提取香味成分或香精大豆中提取豆油等,超临界萃取的应用实例超临界萃取在石油残渣中油品的回收、咖啡豆,超临界萃取的应用实例,许多反应产物中有效成分的浓度很低，用精馏或蒸发进行浓缩的能耗很大。用超临界CO2萃取可将有机物从水相转入CO2相，以达到节能的目的。,超临界萃取在生化工程中的应用,稀水溶液中有机物的分离,用超临界CO2萃取氨基酸、去除链霉素生产中的甲醇等有机溶剂以及从单细胞蛋白游离物中提取脂类等。,活性炭的再生,用超临界CO2萃取法可解决传统的高温再生或化学再生中存在

44、的高费用、吸附剂损失以及二次污染等问题。,超临界萃取的应用实例许多反应产物中有效成分的浓度很低，用精馏,液-液萃取设备,液-液萃取设备必须同时满足两相的充分接触（传质）和较完全的分离。液-液两相间密度差小，界面张力不大，为了提高萃取设备的效率，通常要补给能量，如搅拌、脉冲、振动等。,萃取设备的分类,液-液萃取设备 液-液萃取设备必须同时满足两相的充分接触（传,常见工业萃取设备,逐级接触式萃取设备：混合澄清槽,常见工业萃取设备 逐级接触式萃取设备：混合澄清槽,常见工业萃取设备,筛板塔,常见工业萃取设备 筛板塔,常见工业萃取设备,振动筛板塔,常见工业萃取设备 振动筛板塔,常见工业萃取设备,转盘塔（

45、RDC）,常见工业萃取设备 转盘塔（RDC）,常见工业萃取设备,不对称转盘塔（偏心转盘塔）,1 - 转盘；2 - 横向水平挡板；3 - 混合区；4 - 澄清区；5 - 环形分割板；6 - 垂直挡板,既保持了转盘塔结构简单、传质效率高、生产能力大等特点，分开的澄清区可使分散相液滴反复进行凝聚-再分散，减小轴向混合，提高萃取效率。,常见工业萃取设备 不对称转盘塔（偏心转盘塔）1 - 转盘；2,常见工业萃取设备,翻斗式萃取器,常见工业萃取设备 翻斗式萃取器,常见工业萃取设备,静态混合器,常见工业萃取设备 静态混合器,常见工业萃取设备,单级离心萃取器,常见工业萃取设备 单级离心萃取器,常见工业萃取设备

46、,芦威（Luwesta）式离心萃取器,常见工业萃取设备 芦威（Luwesta）式离心萃取器,常见工业萃取设备,波德（Podebielniak）式离心萃取器,常见工业萃取设备 波德（Podebielniak）式离心萃取,常见工业萃取设备,离心萃取器,常见工业萃取设备 离心萃取器,常见工业萃取设备,离心萃取器,常见工业萃取设备 离心萃取器,常见工业萃取设备,离心萃取器,常见工业萃取设备 离心萃取器,常见工业萃取设备,液泛现象,常见工业萃取设备 液泛现象,萃取设备的选择,不同的萃取设备有各自的特点。设计时应根据萃取体系的物理化学性质、处理量、萃取要求及其它因素进行选择。,(1) 物系的稳定性和停留时

47、间：要求停留时间短可选择离心萃取器，停留时间长可选用混和澄清器。 (2) 所需理论级数：所需理论级数多时，应选择传质效率高的萃取塔，如所需理论级数少，可采用结构与操作比较简单的设备。 (3) 处理量：处理量大可选用混合澄清器、转盘塔和筛板塔，处理量小可选用填料塔等。 (4) 系统物性：易乳化、密度差小的物系宜选用离心萃取设备；有固体悬浮物的物系可选用转盘塔或混和澄清器；腐蚀性强的物系宜选用结构简单的填料塔；放射性物系可选用脉冲塔。 (5) 厂房条件：面积大的厂房可选用混合澄清器；面积小、但高度不受限制的厂房可选用塔式设备。 (6) 费用：设备的一次性投资和维护。 (7) 经验：对特定设备的实际生产经验。,萃取设备的选择 不同的萃取设备有各自的特点。设计时应根据萃取,