(中职)化工单元过程及操作第9章 萃取教学课件 .ppt
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1、(中职)化工单元过程及操作第9章 萃取ppt教材课件汇总完整版电子教案第九章第九章 萃取萃取化学工业出版社2023/5/15主要内容主要内容概述概述液液相平衡液液相平衡 萃取设备萃取设备2023/5/15第一节第一节 概述概述一、一、概述概述 1.定义定义v萃取又称溶剂萃取或液液萃取,是一种用萃取又称溶剂萃取或液液萃取,是一种用液态的萃取剂处理与之不互溶的双组分或液态的萃取剂处理与之不互溶的双组分或多组分溶液,实现组分分离的传质分离过多组分溶液,实现组分分离的传质分离过程,是一种广泛应用的单元操作。程,是一种广泛应用的单元操作。v用选定的溶剂分离液体混合物中某种组分,用选定的溶剂分离液体混合物
2、中某种组分,溶剂必须与被萃取的混合物液体不相溶,溶剂必须与被萃取的混合物液体不相溶,具有选择性的溶解能力,而且必须有好的具有选择性的溶解能力,而且必须有好的热稳定性和化学稳定性,并有小的毒性和热稳定性和化学稳定性,并有小的毒性和腐蚀性。腐蚀性。2023/5/152.应用应用u在石油化工、精细化工、湿法冶金(如稀有元素的提炼)、原子能化工和环境保护等方面己被广泛地应用。u如用苯分离煤焦油中的酚;用有机溶剂分离石油馏分中的烯烃;用CCl4萃取水中的Br2。u萃取不是最终分离手段,需要与其它分离方法一起用,比如精馏。2023/5/153.流程说明萃取相废水稀醋酸新鲜萃取剂分层器无水醋酸回收萃取剂恒沸
3、精馏塔萃 取 塔提 馏 塔冷凝器图101 萃取恒沸精馏提浓醋酸流程萃余相2023/5/153.流程说明图10-2 单级萃取操作流程2023/5/154.萃取剂的选择萃取剂的选择u萃取剂的选择性萃取剂的选择性u萃取剂回收的难易与经济性萃取剂回收的难易与经济性u萃取剂的物理性质与化学性质萃取剂的物理性质与化学性质 u其其它它因因素素,如无毒或毒性小、无刺激性,难挥发,对设备的腐蚀性小,不易燃、易爆等。来源丰富,价格便宜,循环使用中损耗小。u工工业业生生产产中中常常用用的的萃萃取取剂剂可可分分为为三三大大类类:有机酸或它们的盐,如脂肪族的一元羧酸、磺酸、苯酚等;有机碱的盐,如伯胺盐、仲胺盐、叔胺盐、
4、季胺盐等;中性溶剂,如水、醇类、酯、醛、酮等。2023/5/15适用范围适用范围5.萃取操作的选用萃取操作的选用一般地,在下列情况下采用萃取方法更为有利。一般地,在下列情况下采用萃取方法更为有利。u原料液中各组分间的沸点非常接近,也即组分间原料液中各组分间的沸点非常接近,也即组分间的相对挥发度接近于的相对挥发度接近于1,若采用蒸馏方法很不经济;,若采用蒸馏方法很不经济;u料液在蒸馏时形成恒沸物,用普通蒸馏方法不能料液在蒸馏时形成恒沸物,用普通蒸馏方法不能达到所需的达到所需的 纯度;纯度;u原料液中需分离的组分含量很低且为难挥发组分,原料液中需分离的组分含量很低且为难挥发组分,若采用蒸若采用蒸
5、馏方法须将大量稀释剂汽化,能耗较大;馏方法须将大量稀释剂汽化,能耗较大;u原料液中需分离的组分是热敏性物质,蒸馏时易原料液中需分离的组分是热敏性物质,蒸馏时易于分解、聚于分解、聚 合或发生其它变化。合或发生其它变化。2023/5/15二、二、萃取剂的选择萃取剂的选择二、液液相平衡二、液液相平衡 1.定义定义v萃取过程是液液两相间的溶质传递过程,两相萃取过程是液液两相间的溶质传递过程,两相间的平衡关系可以指明过程能否进行、进行的方间的平衡关系可以指明过程能否进行、进行的方向以及过程的热力学极限等。由相律知,温度、向以及过程的热力学极限等。由相律知,温度、压力会影响到平衡状态和平衡组成。压力会影响
6、到平衡状态和平衡组成。v液液液相平衡液相平衡是指在确定的萃取体系内和是指在确定的萃取体系内和一定的条件下,被萃取组分在两相之间所一定的条件下,被萃取组分在两相之间所具有的平衡分配关系具有的平衡分配关系。在达到萃取平衡之。在达到萃取平衡之后,这一分配关系并不随两相接触时间的后,这一分配关系并不随两相接触时间的加长而变化,即萃取过程是以此平衡分配加长而变化,即萃取过程是以此平衡分配关系作为过程的极限。关系作为过程的极限。2023/5/15v萃取过程中争少要涉及到萃取过程中争少要涉及到三个组分三个组分,即即溶质溶质A A、稀释剂、稀释剂B B和萃取剂和萃取剂S S。对于这。对于这种较为简单的种较为简
7、单的三元物系三元物系,若所选择的,若所选择的萃取剂和稀释剂两相不互溶或基本上萃取剂和稀释剂两相不互溶或基本上不互溶不互溶,则萃取相和萃余相中都只含,则萃取相和萃余相中都只含有两个组分,其平衡关系就类似于有两个组分,其平衡关系就类似于吸吸收操作中的溶解度曲线,可在直角坐收操作中的溶解度曲线,可在直角坐标上标绘。标上标绘。2023/5/15v若是萃取剂与稀释剂部分互溶,于是若是萃取剂与稀释剂部分互溶,于是在萃取相和萃余相中都含有三个组分在萃取相和萃余相中都含有三个组分。此时为了既可以表示出被萃取组分在此时为了既可以表示出被萃取组分在两相间的平衡分配关系,又可以表示两相间的平衡分配关系,又可以表示出
8、萃取剂和稀释剂两相的相对数量关出萃取剂和稀释剂两相的相对数量关系和互溶状况,通常则系和互溶状况,通常则采用在三角形采用在三角形坐标图中表示其平衡关系,即三角形坐标图中表示其平衡关系,即三角形相图。相图。下面介绍这种相图。下面介绍这种相图。2023/5/15三角形相图可分为正三角形和直角三角形两种、如下图三角形相图可分为正三角形和直角三角形两种、如下图(a a)和()和(b b)所示,溶液组成通常采用质量百分率或质量)所示,溶液组成通常采用质量百分率或质量分率表示。分率表示。2.三角形相图及杠杆规则三角形相图及杠杆规则2023/5/15v图图中中,三三角角形形的的三三个个顶顶点点A A、B B、
9、S S各各代代表表一一种种纯纯组组分分。习习惯惯上上以以上上方方顶顶点点表表示示纯纯溶溶质质A A、左左下下方方顶顶点点表表示示纯纯稀稀释释剂剂B B、右右下下方方顶顶点点表表示示纯纯萃萃取取剂剂S S。三三角角形形各各边边上上的的任任一一点点均均代代表表一一个个二二元元混混合合物物系系的的组组成成,如如组组分分A A和和B B的的混混合合物物可可用用ABAB线线上上的的各各点点表表示示。三三角角形形内内任任一点则代表一点则代表个三元混合物系的组成个三元混合物系的组成。2023/5/15v例例如如图图中中点点M M,其其中中含含有有A A、B B、S S三三组组分分的的质质量量分分率率分分别别
10、以以x xw w,A A、x xW W,B B、x xw w,S S表表示示。现现过过M M点点分分别别做做三三个个边边的的平平行行线线DEDE、FKFK和和GHGH,因因为为在在与与BSBS边边平平行行的的DEDE线线上上,所所有有组组成成均均含含有有4040的的组组分分A A,同同理理在在FKFK线线上上均均含含有有20%20%的的组组分分S S,在在GHGH线线上上均均含含有有4040的的B B,而而DEDE、FKFK、GHGH三直线相交于一点三直线相交于一点M M,故,故M M点的组成为点的组成为2023/5/15x xw w,A A=BE=40%=BE=40%x xW W,B B=S
11、G=40%=SG=40%x xw w,S S=AK=20%=AK=20%x xw w,A A+x+xW W,B B+x+xw w,s s=0.4+0.4+0.2=1=0.4+0.4+0.2=1在上述等边三角形坐标图的情况下,也可以自在上述等边三角形坐标图的情况下,也可以自M M点向点向三个边做垂线,则由三条对应的垂线长度可以更三个边做垂线,则由三条对应的垂线长度可以更直观地读出此三元体系的组成关系,即由点直观地读出此三元体系的组成关系,即由点M M至至ABAB边的垂直距离代表组分边的垂直距离代表组分S S在在M M中的质量分率中的质量分率x xw w,S S由点由点M M至至BSBS边的垂直距
12、离代表组分边的垂直距离代表组分A A在在M M中的质量分率中的质量分率x xw w,A A ,由点,由点M M至至ASAS边的垂直距离代表组分边的垂直距离代表组分B B在在M M中的中的质量分率质量分率x xW W,B B 。2023/5/15v比较上述两种形式的三角形相图,虽然等比较上述两种形式的三角形相图,虽然等边三角形看起来较为直观,且较易了将基边三角形看起来较为直观,且较易了将基本原理表达清楚,但是使用起来需要专门本原理表达清楚,但是使用起来需要专门的坐标纸,因此不如直角三角形相图方便,的坐标纸,因此不如直角三角形相图方便,后者可采用普通坐标纸绘制,故目前多采后者可采用普通坐标纸绘制,
13、故目前多采用直角三角形坐标图。用直角三角形坐标图。(b)(b)所示为所示为等腰直等腰直角三角形,也可采用不等腰直角三角形,角三角形,也可采用不等腰直角三角形,但以等腰直角三角形作图较为方便。下面但以等腰直角三角形作图较为方便。下面主要用前者来阐述问题,而通过例题表明主要用前者来阐述问题,而通过例题表明后者的使用方法。后者的使用方法。2023/5/15三角形相图中的杠杆规则三角形相图中的杠杆规则(混合规则混合规则)下图为一浓度三角形图。下图为一浓度三角形图。2023/5/15若图中若图中R R、E E两点分别代表组成为两点分别代表组成为x xw w,ARAR、x xW W,BRBR、x xw w
14、,SRSR和和x xw w,AEAE、x xW W,BEBE、x xw w,SESE的两种的两种不同组成的三元混合液。现将不同组成的三元混合液。现将R R点的三点的三元混合液元混合液RkgRkg与与E E点的三元混合液点的三元混合液EkgEkg相相混合混合,混合后的总量为混合后的总量为MkgMkg,其组成为,其组成为 x xw w,AMAM、x xW W,BMBM、x xw w,SMSM,此组成可用图中,此组成可用图中的的M M点表示。点表示。2023/5/15依总物料衡算得依总物料衡算得 R+E=M R+E=M依溶质依溶质A A的衡算得的衡算得 R x R xw w,ARAR+E x+E x
15、w w,AEAE=M x=M xw w,AMAM式中式中 RR RR点组成的质量,点组成的质量,kg;kg;EE EE点组成的质量,点组成的质量,kg;kg;M M混合后混合后M M点组成的质量,点组成的质量,kg;kg;x xw w,ARAR溶质溶质A A在点在点R R处三元混合液中的质量分率处三元混合液中的质量分率x xw w,AEAE溶质溶质A A在点在点E E处三元混合液中的质量分率处三元混合液中的质量分率x xw w,AMAM溶质溶质A A在点在点M M处三元混合液中的质量分率处三元混合液中的质量分率2023/5/152023/5/15v由上可知,表示混合液组成的M点的位置必在R点与
16、E点的连线上,且线段RM与ME之比与混合前两个三元混合液的质量成反比,即为杠杆定律。v依此关系可以较方便的在浓度三角形图上定出M点的位置以确定混合后三元混合液的组成。2023/5/15上述三元混合液的组成M点称为组成R和E两溶液相混合时的和点。反之也可以说,当从三元混合液M中移除组成为E的液体,余下的溶液其组成必在EM联线的延长线上某一点R,此R点称为三元混合液M与移出溶液E的差点。其间的数量与组成的关系也同样可以证明服从杠杆定律,即2023/5/15v同理图中点E也称为三元混合液M与移出溶液R的差点。v杠杆规则的应用举例:某A、B二元溶液的组成以图下图上的点F代表。将吸收剂S加入其中,所得三
17、元混合液的总组成将以连线FS上的一点P代表,而点P的位置符合以下的比例关系2023/5/15当逐渐增加吸收剂的量S,点P将按此一比例关系沿FS线朝向顶点S移动。至于混合液中A与B的比例则不变,即与原二元溶液相同。2023/5/153三角形相图中的分配平衡关系三角形相图中的分配平衡关系v在萃取操作中常按由溶质A、稀释剂B、萃取剂S组成的三元混合液中各组分互溶度的不同,而将三元混合液分成下述几种类型:(1)组分A可完全溶解于B和S中,但B与S不互溶;(2)组分A可完全溶解于B及S中,而B与S为一对部分互溶的组分;(3)组分A与B可完全互溶,而B与S及A与S5为两对部分互溶的组分。v以第(2)类型的
18、三元混合液平衡相图为例说明在相平衡时溶质A在两相中的浓度关系。2023/5/15v如图曲线RDPGE称为溶解度曲线,曲线上每一点都是匀相点,是A、B、S三组分组成的三元混合液的分层点(或称混溶点)。溶解度曲线将三角形相图分成两个区。该曲线与底边R、E所围的区域为分层区或两相区,即三元混合液的组成落在此区内可分为两个液层。而在曲线上方的区域称为单相区,即三元混合液的组成落在曲线以上,则各组分完全互溶而形成均的液相。两相区是萃取过程的可操作范围。溶解度曲线与连接线2023/5/15v溶解度曲线数据可以通过实验测得。溶解度曲线数据可以通过实验测得。在三角瓶中称取在三角瓶中称取定量纯组分定量纯组分B
19、B,逐渐,逐渐滴加萃取剂滴加萃取剂S S,不断摇匀使其溶解,不断摇匀使其溶解。由。由于于B B中仅能溶解少量中仅能溶解少量S S,故,故滴加到一定滴加到一定数量后混合液开始发生混浊数量后混合液开始发生混浊,即,即出现出现了萃取剂了萃取剂S S相相。记录滴加的溶剂量,即。记录滴加的溶剂量,即为组分为组分B B中溶解萃取剂中溶解萃取剂S S的饱和溶解度。的饱和溶解度。此饱和溶解度可用直角三角形相图中此饱和溶解度可用直角三角形相图中的点的点R R表示,该点即分层点。表示,该点即分层点。2023/5/152023/5/15v在上述溶液中滴加少量溶质在上述溶液中滴加少量溶质A A,因溶质,因溶质A A的
20、的存在增加了存在增加了B B与与S S的互溶度。使混合液又呈的互溶度。使混合液又呈透明,此时混合液的组成在透明,此时混合液的组成在ARAR连线上的连线上的H H1 1点。点。再向此溶液中滴加再向此溶液中滴加S S,溶液再次呈现混浊,溶液再次呈现混浊,从而可算得新的分层点从而可算得新的分层点R R1 1的组成,此的组成,此R R1 1 必必须在须在SHSH1 1的连线上。在上述溶液中交替滴加的连线上。在上述溶液中交替滴加A A与与S S、重复上述实验,即可获得若干分层点、重复上述实验,即可获得若干分层点R R2 2、R R3 3等。等。今在另一三角瓶中称取一定量纯萃取剂今在另一三角瓶中称取一定量
21、纯萃取剂S S,逐,逐渐滴加组分渐滴加组分B B,则可得分层点,则可得分层点E E。再交替滴。再交替滴加溶质加溶质A A与与B B,同样可得若干分层点。,同样可得若干分层点。2023/5/15v将将上上述述实实验验所所得得分分层层点点连连成成一一条条光光滑滑的的曲曲线线,即即为为溶溶解解度度曲曲线线。整整个个实验均须在恒定温度下进行。实验均须在恒定温度下进行。v现现取取由由稀稀释释剂剂B B与与萃萃取取剂剂S S组组成成的的双双组组分分溶溶液液,其其组组成成以以图图中中的的M M点点表表示示。该该溶溶液液必必分分成成两两层层,其其组组成成分分别别为为点点R R和和E E表示。表示。2023/5
22、/15在此在此M M混合液中滴加少量溶质混合液中滴加少量溶质A A,混合液,混合液的组成移到的组成移到MAMA的连线上的连线上M M1 1点。充分摇匀,点。充分摇匀,使溶质使溶质A A在两相中的浓度达到平衡。静置在两相中的浓度达到平衡。静置分层后,取两相试样进行分析,它们的分层后,取两相试样进行分析,它们的组成分别在点组成分别在点R R1 1、E E1 1。此互成平衡的两。此互成平衡的两相称为共轭相相称为共轭相(或平衡液或平衡液),R R1 1、E E1 1 的的联线称为平衡连接线联线称为平衡连接线(或称连接线或称连接线)。2023/5/15在上述两相混合液中逐次加入溶质在上述两相混合液中逐次
23、加入溶质A A,重,重复上述实验,则可在溶解度曲线下方得复上述实验,则可在溶解度曲线下方得若干条连接线,每一条连接线的两端皆若干条连接线,每一条连接线的两端皆为互成平衡的共轭相。这些线段长度是为互成平衡的共轭相。这些线段长度是随着组分随着组分A A含量的增加而逐渐变短,当含量的增加而逐渐变短,当A A的加入量增加到某一程度,混合液的组的加入量增加到某一程度,混合液的组成抵达图中点成抵达图中点N N处,分层现象就完全消失。处,分层现象就完全消失。继续加入止混合液将一直保持均相状态。继续加入止混合液将一直保持均相状态。2023/5/15v第第(2)(2)类型三元混合液的典型例子有丙酮类型三元混合液
24、的典型例子有丙酮(A)(A)水水(B)(B)甲基异丁基甲酮甲基异丁基甲酮(S)(S),醋酸,醋酸(A)(A)水水(B)(B)苯苯(S)(S)、丙酮丙酮(A)(A)氯仿氯仿(B)(B)水水(S)(S)等。等。在相图上二两相区面积的大小,不仅取决于三组分在相图上二两相区面积的大小,不仅取决于三组分体系本身的性质,而且与操作温度有关。如图体系本身的性质,而且与操作温度有关。如图8-98-9所所示为二十二烷示为二十二烷(A)(A)二苯基乙烷二苯基乙烷(B)(B)糠醛糠醛(S)(S)三元混三元混合液的相图,当温室依次由合液的相图,当温室依次由4545升高到升高到8080、115 115 、140 140
25、 时,两相区随温度升高而逐渐缩小。时,两相区随温度升高而逐渐缩小。若温度再继续上升,则两相区完全消失,而成为一若温度再继续上升,则两相区完全消失,而成为一个完全互溶的均相三元混合液,这时萃取操作将无个完全互溶的均相三元混合液,这时萃取操作将无法进行。法进行。2023/5/15 图图中中PLPL曲曲线线称称为为辅辅助助曲曲线线,此此曲曲线线间间接接地地表表达达三三元元混混合合液液中中相相互互平平衡衡的的两两液液层层间间的的组组成成关关系系。可可借借此此辅辅助助曲曲线线确确定定平平衡衡分分配配关关系系。辅辅助助曲曲线线可可按按如如下下步步骤骤绘绘出出:参参照照下下图图a a,假假设设已已知知连连接
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