什么是液液萃取與吸收相似

利用液體混合物中各組分在外加溶劑中溶解度的差異而分離該混合物的操作。(抽提）4.1

概述本章主要討論雙組分均相液體混合物（A+B）的萃取過程。選用溶劑，萃取劑S，混合液中被分離出的組分，溶質A，混合液中與萃取劑不互溶或僅部分互溶的組分稱為原溶劑或稀釋劑B。2充分接觸相界面(extractphase)(raffinatephase)1萃取操作的基本原理和過程原料液萃取劑SA+B

萃取液E’

萃取相E（A大量，B少量)

S+A+B萃余相RB+A+S萃余液R’（B大量，A少量)S一次相平衡一個理論級脫除溶劑溶質擴散沉降分層3討論：（1）完整的萃取過程包括：萃取與反萃取（溶劑回收）。（2）溶劑循環使用，即脫溶劑過程才是經濟性的體現。（3）萃取中相互接觸的均為液相，因此必須兩相有密度差Δρ。2.

萃取分離的適用場合思考：分離液相均相混合物，什么場合用精餾或用萃取？4稀溶液：溶質是易揮發組分溶質是難揮發組分＝1或1的體系熱敏性溶液：其他-----精餾或萃取-----萃取-----萃取或特殊精餾-----萃取-----精餾精餾----需汽化萃取----常溫操作3.

萃取操作的特點：①萃取劑與原溶劑只能部分互溶或完全不溶；萃取劑選擇性好。②不能直接得到純產品——過渡操作；③三元或多元體系，通常需在三角形相圖上表示。54、萃取分離技術的發展

液-液萃取技術有著廣泛的前景。萃取與蒸餾兩種分離方法可以互相補充。實踐證明，適當選用蒸餾或萃取，幾乎所有液體混合物都能有效而經濟的實現組分間的完全分離。（1）A完全溶于B及S中，但S與B完全不互溶；（2）S與B部分互溶，與A完全互溶；4.2

三元體系的液—液相平衡相平衡的應用：與吸收相同——Ⅱ類物系我們重點討論的是前兩種情況。（3）S不僅與B部分互溶，而且與A也部分互溶。——Ⅰ類物系液-液萃取形成的三組分物系有三種類型。64.2.1

組成在三角形相圖上的表示方法

液液萃取過程涉及三元體系的相平衡，此時用直角坐標系就不方便了，因此要用到三角形相圖。常用的三角形相圖有如下幾種，原理均相同。考慮到混合液組成用質量分數表示的方便簡明，萃取計算中常采用等腰直角三角形坐標圖。7溶質原溶劑萃取劑②每條邊代表二元溶液

①頂點代表純組分③相圖中的點代表三元溶液表示方法AxBx8

原料中加入適量的S，充分接觸和靜置后，形成兩個液層—萃取相E、萃余相R，相平衡（共軛相）。改變S量，得到不同的共軛相組成。

在三角形相圖上，將各個共軛相組成坐標點聯結起來的曲線稱為溶解度曲線。溶解度曲線數據由實驗測得。4.2.2

液—液相平衡關系1.溶解度曲線和聯接線9

B，S混合液中加入A，隨著A的增加，混合點沿AM線變化，在兩相區內可以對應平衡的n個R和E，聯接各個R點和E點，得曲線。B，S部分互溶時溶解度曲線的繪制（一）（一定溫度下）MRE兩相區均相區PA

BS溶解度曲線10L，J表示兩相組成，C表示總濃度，與B，S的質量有關。B，S的質量改變，不影響相互的溶解度，但影響總濃度，所以有C~F各點。B，S部分互溶時溶解度曲線的繪制（二）由實驗得混溶點C’~F’等，聯接各混溶點，得曲線。E兩相區均相區A

BS溶解度曲線

C

C’

D

D’FE’F’

L

J11思考：若B與S完全不互溶，則在三角形相圖中溶解度曲線如何畫？點L，J分別于點B和S相重合，R與E分別在AB線和AS線上，三角形內部均為兩相區。￠B、S完全不互溶時二元溶液萃取液E萃取相E（純A）S+A萃余相RB+A12

點R及E表示相平衡時的萃余相及萃取相的組成，兩點的聯線稱為聯結線。一定溫度下，聯結線有無窮多條，由實驗測定。13其他兩種情況MRE兩相區均相區A

BS聯結線

Tieline2．輔助曲線和臨界混溶點已知四對相平衡坐標位置，即R1、E1…R4、E4各點。從點E1作邊AB的平行線，從點R1作BS邊的平行線，兩線相交于點F。同樣方法得交點G、H和J，聯各交點的曲線FGHJ即為輔助曲線，又稱共軛曲線。（用于R,E互求）輔助線14褶點

輔助曲線與溶解度曲線的交點即為臨界混溶點。又稱褶點(plaitpoint)

，此點處R和E兩相組成相同。P點并不一定處于曲線最高點

若已測出的某條聯結線位置接近臨界混溶點，則可將輔助線外推求出P，若距離較遠，用外延輔助曲線方法不準確。臨界混溶點數據應由實驗測定出。MRE兩相區均相區P15相平衡關系包含：溶解度曲線，共軛線，輔助線輔助線作法及E、R點的確定臨界混溶點由兩輔助曲線確定16B、S部分互溶，且A、S部分互溶時的溶解度曲線17思考：1、加入溶質A后，B、S互溶度如何變化？2、B、S互溶度變大，則兩相區范圍如何變化？B、S互溶度變大MREB、S部分互溶時P兩相區范圍變小183.分配系數與分配曲線------分配系數

distributioncoefficient1）分配系數：在一定溫度下，相平衡時，溶質組分A在兩個液層（E相和R相）中的濃度之比稱為分配系數。19

分配系數表達了某一組分在兩個平衡液相中的分配關系。Ay原料液

萃取劑SA+B

萃取液E’

萃取相EA大量，B少量

S+A+B

萃余相R

B+A+S萃余液R’B大量，A少量20kA＞1kA=1kA＜1聯接線斜率越大，kA越大，越易分離。21不同物系具有不同的分配系數kA值。同一物系kA值隨溫度及溶質濃度而變化。在恒定溫度下，kA值只隨溶質A的組成而變。恒溫，恒壓，低濃度時，kA可視為常數。P不在溶解度曲線最高點2）分配曲線-----相平衡關系曲線B、S部分互溶時對角線22kA>1，分配曲線位于y=x線上側。B、S完全不互溶時以質量比表示的分配系數K，有其中，Y，X為質量比其中，y，x為質量分數此時，分配曲線多為K為常數時的直線。234.溫度對相平衡關系的影響①T↑→B及S中，A溶解↑，兩相區縮小；不利于萃取分離。②T影響曲線形狀、聯結線斜率及兩相區的面積，從而影響分配曲線形狀；24③溫度↑，Ⅱ類物系→Ⅰ類物系。對同一物系，當溫度降低時，兩相區增加，對萃取有利。但溫度降低會使溶液黏度增加，不利于兩相間的分散、混合和分離，因此萃取操作溫度應作適當的選擇。254.2.3杠桿規則—三角形相圖的應用：表示混合、分離等過程1）兩液相混合總組成在相圖上的點，必落在兩液相點的連線上2）若某差點流量越大，和點就越靠近該點。杠桿REF

M

A

B

S26則

S、F——分別代表純溶劑和進料的質量，kg；E、R——分別代表萃取相和萃余相的質量，kgMR、ME——分別代表線段MR和ME的長度。MF、MS——分別代表線段MF和MS的長度杠桿REF

M

A

B

S或

27杠桿R

E

REF

M

ME’和R’的相圖表示方法：E’和S為差點，E為和點R’和S為差點，R為和點E’和R’為差點，F為和點28如何證明上述杠桿原理成立？物料衡算：----本質上就是物料衡算關系杠桿差點和點差點294.2.4萃取劑的選擇1、萃取劑的選擇性和選擇性系數

選擇性是指S對A、B兩個組分溶解能力的差別。若S對溶質A的溶解能力比對B的溶解能力大得多，那么這種萃取劑的選擇性就好。萃取劑的選擇性可用選擇性系數β來衡量。30------選擇性系數relativeselectivity意義相似對照：如β=1，則萃取液與萃余液有同樣的組成，并與料液的組成一樣，不可用萃取分離。如β＞1，則萃取能夠實現。β越大，分離越易，kA越大越好，kB越小越好

。β的大小可判斷所選擇萃取劑是否適宜和分離的難易。萃取劑的選擇性好，對一定的分離任務，可減少萃取劑用量，降低回收溶劑操作的能量消耗，并且可獲得純度較高的產品。組分B，S完全不互溶時，yB=0，β趨近于無窮大。31Ay原料液

萃取劑SA+B

萃取液E’

萃取相E

S+A+B

萃余相R

B+A+S萃余液R’拓展322、萃取劑與原溶劑的互溶度相同溫度下，同一種含A、B組分的原料液與不同S1、S2所構成的相平衡關系圖。圖（a）表明B、S1互溶度小，兩相區面積大，E’中組分A的極限濃度y’max（相圖表示法）較大。圖（b）表明選用S2時，其極限濃度較小。顯然S與B的互溶度越小，越有利于萃取。33

萃取劑需循環使用，回收的難易直接影響操作費用。回收所用的方法主要是蒸餾。若被萃取的溶質是不揮發的，而物系中各組分的熱穩定性又較好，可采用蒸發操作回收萃取劑。在一般萃取操作中，回收萃取劑往往是費用最多的環節，有時某種萃取劑具有許多良好的性能，僅由于回收困難而不能選用。3、萃取劑回收的難易與經濟性34①密度：萃余相與萃取相之間應有一定的密度差，以利于兩個液相在充分接觸以后能較快地分層，提高設備的生產能力。②界面張力：物系的界面張力較大時，細小的液滴比較容易聚結，使兩相易于分層，但分散程度較差。界面張力過小時，易產生乳化現象，使兩相較難分層。在實際操作中，液滴的聚集更為重要，故一般多選用界面張力較大的萃取劑。有人建議，將萃取劑和原料液加入分液漏斗中，經充分激烈搖動后，以兩液相在五分鐘以內能夠分層的，作為萃取劑界面張力適當與否的大致判別標準。

4萃取劑的其他性質35③其他：為了便于操作、輸送及貯存，萃取劑的黏度與凝固點應較低，并應具有不易燃、毒性小等優點。此外，萃取劑還應具有化學穩定性、熱穩定性以及抗氧化穩定性，對設備的腐蝕性也應較小。萃取劑的選擇

1、對溶質溶解性大2、選擇性好

3、B與S互溶度越小越好4、萃取劑易于回收

5、萃取相與萃余相密度差異大364.3萃取過程的計算本節要討論的37計算前提------理論級假定離開的兩相Ri、Ei呈相平衡關系38MRME4.3.1單級萃取的計算1.萃取過程在三角形相圖上的表示（B、S部分互溶）---圖解法

（1）混合設S是純態的，由已知原料液組成（假定只含有A和B），在三角形的邊AB上確定F點，聯SF線，代表原料液與萃取劑的混合液的組成點M必在線SF上。39最小萃取劑用量SminM溶劑量SR或SE時，和點MR或ME在溶解度線上，不分層，不能分離。則適宜的溶劑量為SR<S<SE；（2）分層

M分層為E和R，通過輔助線和杠桿規則，畫出E和R點。確定E和R的質量。（3）脫溶劑

由S和E，R，畫出E’和R’點。確定E’和R’質量。40y’max與組分B，S之間的互溶度和溫度有關，即與兩相區的面積有關。兩相區面積越大，y’max越大。B，S完全不互溶時，則y’max=141最大萃取液濃度y’max2單級萃取的計算已知：F、xF、yS、xR（或xR

’）、相平衡關系。求：S（或S0）、R、E、yE。

F，xF

R，xR

￠，x’R

E￠，y’E

S，ySR，yE

SSE42R根據已知條件確定線FS（或FS0，S指純溶劑，S0指再生后，含有少量A的溶劑）、點R（或R，再繪出R），通過相平衡關系作聯結線，找到點E，再作圖得到和點M。然后，利用杠桿原理求S等各量。B、S部分互溶時MEFS043RR——求得S或S0——求得E或R——求得E’或R’或EMEFS044也可進行解析計算由F+S=R+EFxF+Sys=RxR+EyE=MxM得同理萃取（出）率：萃余率：45B、S完全不互溶時---解析法

物料衡算：相平衡關系：解兩個未知數與吸收類似，濃度用質量比更方便。46用相圖表示：為過點（XF，YS），斜率為-B/S的直線與相平衡線的交點為（X1，Y1)如果B,S完全不互溶，萃取率等公式如何表達？萃取（出）率：萃余率：47流程及特點特點：①每一級均用新鮮萃取劑，故傳質推動力較大；②萃取劑用量大，操作費用高。多個單級萃取串聯使用4.3.2多級錯流萃取流程（多級分離）48計算-----求級數N491.組分B、S部分互溶時的圖解法作圖步驟：①連點F、S，由F、S1值和杠桿原理確定和點M1；②由M1，確定點R1、E1及其值；R1E1M150③連點R1、S，由R1、S2大小和杠桿原理確定和點M2；④由M2，確定點R2、E2及其大小；R1M2R2E2E1M151

⑤如此反復，直至xNxR（指定）為止，線的個數即為理論級數。計算可知，對于指定的分離程度，各級溶劑用量相等時，溶劑總用量最少。522.B、S完全不互溶時理論級數的計算1）直角坐標圖解法取每一級S相等，則B，S值為常數。E中只有（S，A），R中只有（B，A）。53必過點(Xn-1，YS）必過點(XF，YS)則對于第一級有：-----操作線方程整理得同理，對于第n級，有54步驟：（與計算匹配）1.做分配曲線（相平衡線）2.確定起始位置L（XF，YS）點，做操作線，交分配曲線與E1點。3.過E1點做垂線，交Y=YS線與點V，做LE1的平行線，依次類推。直至XN低于指定值為止。操作線的數目就是理論級數。55若YS=0，則相圖解法為：562）解析法平衡關系：Yi=KXi，其中，K視為常數時，由則令則萃取因子57依次類推，得所需理論級數為常用：YS=0時的簡化版可用曲線表示5859傳質推動力較為均勻

流程及特點：S在最后一級加入，逐次通過各級，萃取相由第1級排出。F從第1級加入，逐次通過各級，萃余相RN由末一級排出。萃余相RN與萃取相E1分別回收萃取劑循環使用。與多級錯流相比，S耗用量大為減少，因而在工業上應用廣泛。4.3.3多級逆流接觸萃取的流程和計算60計算級數比較：

相當于精餾中y1與x1是平衡關系，y2與x1是操作關系。

平衡關系，

為操作關系。注意：

61

1、組分B、S部分互溶時的理論級數

1）三角形坐標圖上的逐級圖解法

①繪出溶解度曲線和輔助曲線②由F、S值確定和點M，連結RN、M，并延長得點E1(由物料衡算得）；步驟：62

③連點F、E1

和RN、S，并延長交與點。④過E1作共軛線E1R1，得R1點，連結R1，交溶解度曲線于點E2；R1E263R1E2⑤過E2作共軛線得R2，連結R2，交溶解度曲線于點E3，過E3作共軛線得R3

；如此反復，直至小于指定RN為止，共軛線的個數即為理論級數。R2E3相當于交替使用相平衡和操作線關系64由總物料衡算：

第1級：

第2級：

第N級：

凈流量

逐級法原理

65和點差點差點---操作線方程

R1E2R2E3操作點

FA

SB

E1

MRN66E1RNFMSR1E2R2注意，也可能在圖的右側，這與y1與xF的大小有關（從組成角度判斷），但圖解法步驟不變。67對指定的xN，S/F大小影響的位置（質量的角度）。

溶劑比S/F對多級逆流萃取的影響：

當S/F較大時，點在右側，此時E為和點，S的用量越小，越遠離S；68當S/F較小時，在左側，此時R為和點，S用量越小，越靠近S。F

ARN

BS

69

理論級數較多，在三角相圖上作圖求解，結果不夠清晰。可用直角坐標畫出分配曲線與操作線，仿照精餾作圖求解。2)在x-y直角坐標上求解理論級數步驟：（1）繪分配曲線（2）作操作線（3）交替使用操作線與分配曲線，作梯級，數目即理論級數。70作分配曲線方法（1）繪分配曲線（相當于平衡線，共軛相中R～E關系曲線）

71（2）作操作線●過Δ點任意作若干連線，交溶解度曲線兩臂，這兩點坐標yA

與xA

，在直角坐標上可獲得一個操作點。72（3）以H（y1、xF）為起點交替使用操作線與分配曲線依次作梯級，直至終點（xN，yS），梯級數目即理論級數xFxNy1yS分配曲線操作線73以萃取設備整體為控制體總物料衡算式

F+S=Rn+E1

溶質A衡算式

FxFA+Sy0A=RnxnA+E1y1A溶劑S衡算式

FxFS+Sy0A=RnxnS+E1y1S

相平衡關系式

xnS=ψ（xNA）

y1S=Φ（y1A）

y1A=F(x1A)

聯立求解6個方程可以求出6個未知數3)組分B、S部分互溶時的解析計算74同樣，對于每一個理論級，列出相應的物料衡算式及對應的平衡關系式，可逐級計算求出理論級數。752.組分B和S完全不互溶時理論級數的計算1)在X-Y直角坐標圖中的圖解法對第i級作物料衡算，得：即-----操作線方程，過點（Xn，YS）（XF，Y1）76B

xFB,xnS,YSS,y11234P2P3類似于解吸計算

77

若平衡線為通過原點的直線，則解吸，萃取均可使用同一式子計算理論級（板）數。平衡線斜率與操作線斜率之比2)解析法求理論級數對萃取

為萃取因數

對解吸：

為解吸因數

78此時Am≠1。若Am=1

3、溶劑比和萃取劑的最小用量

（1）

（2）吸收

精餾萃取但回收溶劑所需能量增加（3）79S用量越小，操作線斜率與聯結線斜率越接近，每個理論級的分離程度越小。（與精餾、吸收相似）

達到指定分離要求，所需理論級數無窮多時的溶劑用量。

最小溶劑比

80

連接線如圖時，在右側，延長所有的聯結線與SRN相交，得1、2

、3，取最靠近S點的為min

。即此時，由杠桿規則，系列中值最大，和點的S相對最大。類似于多股進料中多個Rmin的選擇方法。作圖法求E1FR11RN

A

B

S81

連接線如圖時，在左側，延長所有的聯結線與RNS相交，得1、2

、3......，取最遠離S點的為min

。即此時，由杠桿規則，系列中值最小，另一差點S相對最大。作圖法求F

A

E1

R1B

SRN82

最小溶劑比直角坐標上，類似于夾緊點若令：則YF*Y

Y1

YSXnXFX834.3.4微分接觸逆流萃取h=n（HETS）1、理論級當量高度法（HETS）（指萃取效果相當于一個理論級的塔高)塔高的計算h=HOE·NOE=HOR·NOR2、傳質單元法（類似吸收塔的推導過程）84相平衡曲線（與精餾類似）4.4.1帶回流的逆流萃取——實現高純度分離A、B（類同精餾塔）E’

=E0+Ro=E0（r+1）E1=E’+S4.4其他萃取分離技術FRnS0E’回流R0=rE0SE1E0854.4.2伴有化學反應的萃取——主要用于金屬的提取和分離溶質與萃取劑之間的化學反應（1）絡合反應——分離極性有機稀溶液（2）陽離子交換反應（3）離子締合反應862.化學反應萃取過程的控制步驟化學反應控制擴散速率控制判別方法：（1）攪拌強度判別法（2）溫度判別法（3）界面判別法——嚴格，可靠4.4.3超臨界流體萃取1.基本原理

①用超過臨界溫度，臨界壓力狀態下的氣體作為溶劑，萃取待分離混合物中的溶質，然后用等溫變壓或等壓變溫等方法將溶劑與溶質分離的單元操作——超臨界萃取。87

與傳統的液—液萃取比較，在脫溶劑操作中更加容易，可降低能耗及投資費用，如CO2的臨界溫度為31℃，不用加熱就可將溶質與溶劑CO2分離，其等同一般萃取。

2.超臨界流體的特性88②超臨界流體——兼有液體和氣體的某些特性

常用的超臨界流體：CO2、CH2=CH2

、CH3CH3、CH2=CHCH3、

NH3

3.典型流程及應用

①等溫變壓法

②等壓變溫法

③吸附吸收法

④添加惰性氣體的等壓法

例：等溫降壓法（CO2）

CO2與溶質的混合物減壓后進入分離器，在較低壓強下，溶質在CO2中的溶解度大大降低，被分離出來，CO2經壓縮后循環使用89工業應用

液—氣從發酵液中萃取乙醇，乙酸

從工業廢水中萃取其他有機物

從木漿氧化廢液中萃取香蘭素

從檸檬皮油、大豆油中萃取有效成分

固液浸取

咖啡豆中咖啡因

煙草中的尼古丁

植物中調味品，

藥物等

904.5.液—液萃取設備

液液傳質的特點：

(1)液液兩相密度差異小；

(2)液體表面張力較大，液滴易于合并而難于破裂；靠自身的重力來分散液滴往往不夠，還常需外界提供能量以分散液滴，如加攪拌、振動脈沖等。

(3)易于產生返混現象，而使傳質推動力下降。91

在萃取設備中有兩個液相，連續相和分散相，傳質發生在液滴群（分散相）與連續相之間。液滴在生成，運動和聚集時均發生傳質。液滴的大小對萃取有重要影響，如液滴過大，則傳質表面積減少，對傳質不力；但如液滴過小，雖然傳質面積增加，但分散液滴的凝集速度隨之下降，有時甚至會發生乳化，同時液相間的密度差較氣液相間的密度差要小得多，這會使混合后的重新分層發生困難。因此要根據物系性質選擇適宜的萃取設備。

92混合-澄清槽篩板塔逐級接觸式萃取設備噴灑塔填料塔微分接觸式液液傳質設備脈沖填料塔脈沖篩板塔振動篩板塔轉盤塔離心式液液傳質設備分類934.5.1．混合-澄清槽

帶有攪拌器的混合槽和分離槽組合成的萃取設備，稱為混合-澄清萃取器。操作時，原料液和萃取劑加入混合槽中經一定時間“激烈”的攪拌后，再進入分離槽內澄清分層。密度較小的液相在上層，較大的在下層。可以將多個混合-澄清槽串聯操作，這樣便構成了多級混合-澄清槽。94

4.5.2塔式萃取設備

用于萃取的塔設備有填料塔、篩板塔、轉盤塔等。塔式液-液萃取設備適宜于連續逆流操作。原料液、萃取劑兩液體中的重液由塔頂部進入，輕液由塔底部進入，在塔內兩液相呈逆流接觸進行萃取。95

單位時間內通過萃取塔的原料與萃取劑的流量不能過大。一方面：通入液體量過大，則接觸時間減少，會使萃取效果差。另外：兩相逆流，隨著流速的加大，流動的阻力加大。當流速增大到某一定值時，一相會因流體阻力加大而被另一相夾帶流出塔外，此種兩個液體相互夾帶的現象稱為萃取塔的“液泛”，它是萃取操作中流量達到了負荷的最大極限值的標志。961填料萃取塔和脈動填料萃取塔填料萃取塔與用于吸收的填料塔基本相同，即在塔體內支承板上充填一定高度的填料層，塔內填料的作用，除可使分散相的液滴不斷破裂與再生，以使液滴表面不斷更新外，還可減少連續相在塔內的軸向混合。軸向混合會降低傳質的推動力。9798

填料材質的選擇：考慮溶液的腐蝕性外，還應考慮填料是否易為連續相所潤濕。一般，陶瓷填料易為水溶液潤濕；炭質或塑料填料易為有機溶液所