,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 其他分离技术,一、液液萃取,液液萃取作为分离和提取物质的重要单元操作之一,在石油、化工、湿法冶金、原子能、医药、生物、新材料和环保领域中得到了越来越广泛的应 用。,近20年来,液液萃取与超临界流体技术、胶体化学、表面化学、膜分离、离子交换等技术相结合,产生了一系列新的萃取分离技术,如超临界萃取、反胶团萃取、双水相萃取等,从而使液液萃取技术不断地向广度与深度发展。,第四章 其他分离技术一、液液萃取,1,1、萃取过程与萃取剂,(1)、萃取过程,液液萃取是利用溶液中溶质组分在两个液相间的不同分配关系,通过相间传质使组分从一个液相转移到另一液相,达到分离的目的。,萃取过程按有无化学反应发生分为物理萃取和化学萃取。物理萃取在石油化工、抗生素及天然产物的提取中应用比较广泛。化学萃取主要用于金属的提取和分离。,1、萃取过程与萃取剂,2,萃取过程机理主要有以下四种类型:,、简单分子萃取,简单分子萃取是简单的物理分配过程,被萃取组分以一种简单分子的形式在两相间物理分配。它在两相中均以中性分子形式存在,溶剂与被萃取组分之间不发生化学反应。如腆单质在水和四氯化碳间的分配。,、中性溶剂络合萃取,在这类萃取过程中,被萃取物是中性分子,萃取剂也是中性分子,萃取剂与被萃取物结合成为中性溶剂络合物而进入有机相。,这类萃取体系主要采用中性磷化合物萃取剂和含氧有机萃取剂进行的萃 取过程。,萃取过程机理主要有以下四种类型:,3,、酸性阳离子交换萃取,这类萃取体系的萃取剂为一弱酸性有机酸或酸性螯合剂。金属离子在水相中以阳离子或能解离为阳离子的络离子的形式存在,金属离子与萃取剂反应生成中性整合物。,由于酸性阳离子交换萃取过程具有高度的选择性,所以在分离过程中应用极为广泛。这类萃取剂可分为3类,即酸性磷萃取剂、螯合萃取剂和羧酸类萃取剂。,、离子络合萃取,这类萃取的特点是被萃取物通常是金属以络合阴离子形式进入有机相,即金属离子在水相中形成络合阴离子,萃取剂与氢离子结合成阳离子,然后两者构成离子缔合体系进入有机相;或金属阳离子与中性螯合剂结合成螯合阳离子,然后与水相中存在的阴离子构成离子缔合体系而进入有机相。,、酸性阳离子交换萃取 这类萃取体系的萃,4,(2)、萃取流程,实现组分分离的萃取操作过程由混合、分层、萃取相分离、萃余相分离等一系列步骤共同完成的,这些设备的合理组合就构成了萃取操作流程。工业生产中常见的萃取流程有单级 萃取和多级逆流萃取两种。下面分别加以介绍。,(2)、萃取流程,5,单级萃取流程,单级萃取是液-液萃取中最简单的操作形式,一般用于间歇操作,也可以进行连续操作,如图所示。原料液F与萃取剂S一起加入混合器1内,并用搅拌器加以搅拌,使两种液体充分混合,然后将混合液M引人分离器2,经静置后分层,萃取相E进入分离器3,经分离后获得萃取剂S和萃取液E;萃余相进入分离器4,经分离后获得萃取剂S和萃余液R,分离器3和分离器4的萃取剂S循环使用。,单级萃取操作不能对原料液进行较完全的分离,萃取液E浓度不高,萃余液R中仍含有较多的溶质A,流程简单,操作可以间歇也可以连续,在化工生产中仍广泛采用,特别是当萃取剂分离能力大,分离效果好,或工艺对分离要求不高时,采用此种流程更为合适。,单级萃取流程,6,其他分离技术课件,7,多级逆流萃取流程,下图为多级逆流萃取流程。原料液F从第1级加人,依次经过各级萃取,成为各级的萃余相,其溶质A含量逐级下降,最后从第N级流出;萃取剂则从第N级加入,依次通过各级与萃余相逆向接触,进行多次萃取,其溶质含量逐级提高,最后从第1级流出。最终的萃取相E1送至溶剂回收装置I中分离出E和S,S循环使用;最终的萃余相R,N,送至溶剂回收装置E中分离出R和S,S循环使用。,多级逆流萃取流程,8,多级逆流萃取可获得含溶质A浓度很高的萃取液和含溶质浓度很低的萃余液,而且萃取剂的用量少,因而在工业生产中得到广泛的应用。特别是以原料液中两组分为过程产品,且工艺要求将混合液进行彻底分离时,采用多级逆流萃取更为合适。,多级逆流萃取可获得含溶质A浓度很高的萃取液和,9,(3)、萃取剂,萃取剂通常是有机试剂,其种类繁多,而且不断推出新品种。用作萃取剂的有机试剂必须具备两个条件：,萃取剂分子至少有一个萃取功能基,通过它与被萃取物结合形成萃合物。常见的萃取功能基是O、N、P、S等原子。以氧原子为功能基的萃取剂最多。,萃取剂分子中必须有相当长的链烃或芳烃,其目的是使萃取剂及萃合物易溶于有机溶剂,而难溶于水相。萃取剂的碳链增长,油溶性增大,与被萃取物形成难溶于水而易溶于有机溶剂的萃合物。但如果碳链过长、碳原子数过多、分子量太大,则也不宜用作萃取剂,这是因为它们粘度太大或可能是固体,使用不便,同时萃取容量降低。因此,一般萃取剂的分子量介于350500之间为宜。,(3)、萃取剂,10,工业上选择一种较为理想的萃取剂,除具备上述两个必要条件外,还应该满足以下要求：选择性好、萃取容量大、化学和辐射稳定性强、易与原料液分层、易于反萃取或分离以及操作安全和经济性好、环境友好等。,萃取剂大致可以分为以下4类：,中性络合萃取剂,如醇、酮、醚、酯、醛及烃类;,酸性萃取剂,如羧酸、磺酸、酸性磷酸酯等;,螯合萃取剂,如羟肟类化合物;,离子对(胺类)萃取剂,主要是叔胺和季铵盐。,工业上选择一种较为理想的萃取剂,除具备上述两,11,(4)、萃取过程特点,萃取和蒸馏都是分离均相液体混合物的单元操作。但萃取操作要比蒸馏操作复杂得多。萃取操作费用包括：萃取设备及萃取剂回收设备的建造费和运转费用;萃取相和萃余相脱除萃取剂消耗的热能费用;萃取剂的消耗费用。因此,大多数情况下萃取没有蒸馏操作经济,有时萃取剂脱除不完全而导致产品成分增加,使萃取操作的应用受到较大限制。通常,能用蒸馏方法分离效果较好时,将不会应用萃取操作,但是萃取操作在某些场合将比蒸馏操作更为经济合理。,(4)、萃取过程特点,12,溶液中各组分的熔点或沸点非常接近或某些组分形成共沸物,用精馏法难以或不能分离;,溶液中含有少量高沸点组分,其气化潜热较大,用精馏法能耗太高;,溶液中含有热敏性组分,用精馏法容易引起分解、聚合或发生其他化学变化;,溶液浓度低且含有有价值组分;,溶液中含有溶解或络合的无机物;,溶液中含有极难分离的金属,如稀土金属等。,溶液中各组分的熔点或沸点非常接近或某些组,13,2、三角相图的应用及萃取过程的计算,(1)、互溶度的影响,根据萃取操作时混合液中A、B、S三组分互溶度的不同而将三元混合液分为三种：,、溶质A可完全溶于B及S,但B与S不互溶;,、溶质A可完全溶于B及S,但B与S部分互溶;,、溶质A可完全溶于B,但A与S及B与S为部分互溶。,其中,第1种物系少见,第2种物系为常见,第3种情况应尽量避免。下面以第2种物系为例进行讨论。,2、三角相图的应用及萃取过程的计算,14,我们知道,在三角相图中溶解度曲线将三角相图分为两个区域,即两相区和均相区。萃取操作应在两相区内进行。三元混合液组成点M落在两相区内,使之充分混合接触后静置,可得到互成平衡的共轭相,即萃取相E和萃余相R。若将E相脱除萃取剂S,则得到萃取液(A+B),根据杠杆规则,萃取液组成点应为SE延长线与AB,边的交点E，从S点作溶解度曲线的切线,且与AB边交于E,max,点,显然,此点即为在一定操作条件下可能获得的含A组分浓度最高的萃取液组成,用y,max,表示,是此萃取过程中萃取液所含组分A可能达到的极限浓度。,我们知道,在三角相图中溶解度曲线将三角相图分,15,在相同温度下,同一种二元原料液分别与萃取能力不同的萃取剂S,1,和S,2,构成三元化合物系。萃取剂S,1,与组分B有较小的互溶度,其两相区面积较大,萃取液最高组成也较大,见图(a);萃取剂S,2,与组分B的互溶度较大其两相区的面积较小,萃取液最高组成也较小,见图(b)。可见,选择与组分B有较小互溶度的萃取剂S,1,比S,2,更有利于溶质A 的分离。,在相同温度下,同一种二元原料液分别与萃取能力,16,(2)、萃取过程的表示,萃取过程可以在三角相图上非常直观地表达出来。,如图所示,当进行萃取操作时,原料液F为(A+B)二元混合液,其组成点必在 AB边上。向原料液F中加入纯溶剂S后,得到三元混合物(A+B+S)混合液组成点M 必在FS直线上且在两相区内,S与F的数量关系依据杠杆规则表示为：,(2)、萃取过程的表示,17,F与S充分混合后,将分为萃取相E和萃余相R,两相达到平衡后,两相组成可分别用溶解度曲线上的点E和R表示，E、M、R三点在同一直线上,E与R的数量关系依据杠杆规则表示为：,在分离器内将萃取相E和萃余相R分开,萃取相E在完全脱除萃取剂S后可得到萃取液E,其组成点E应为SE的延长线与AB边的交点；同样,萃余相R在完全脱除萃取剂S后可得到萃余液R,其组成点R应为SR的延长线与AB边的交点。,F与S充分混合后,将分为萃取相E和萃余相R,18,由图中可以看出,萃取液E中溶质A的含量比原料液F中A组分含量高,萃余液R中原溶剂B的含量比原料液F中原溶剂B的含量高,从而达到了原料液中A、B组分的部分分离的效果。E和R的数量关系依据杠杆规则表示为:,若从点S作溶解度曲线的切线,切点为E,max,此切线与AB边相交于E,max,此点即为在一定操作条件下可能获得的含组分A的浓度最高的萃取液的组成点。,由图中可以看出,萃取液E中溶质A的含量比原料,19,(3)、分层的选择,在萃取操作时,向混合液F中加入萃取剂S构成三元混合物M,原料液的组成点F应在三角相图的AB边上,三元混合液的组成点M应在直线SF上,点M的位置由杠杆规则确定,即：,因此,原料液量一定时,萃取剂S的加入量会影响点M的位置。如图所示,增大S量,点M沿直线SF向S点移动,当S的加入量恰好使点S落于溶解度曲线上时(即G点),混合液开始分层,出现两相,可以进行分离;若S的加入量逐渐增加,点M沿SF线向S点靠近,当点M落于溶解度曲线上时(即H点),混合液又变为一相,不能起到分 离作用。,(3)、分层的选择,20,可见,原料液量一定时存在两个极限萃取剂用量,分别表示能进行萃取分离的萃取剂的最大用S,max,量和最小用量S,min,。可由杠杆规则计算,即：,只有萃取剂用量介于二者之间,即S,min,S S,max,，三元混合液才能分层,出现两相而达到分离的目的。,可见,原料液量一定时存在两个极限萃取剂用量,21,【例】,一定温度下测得A、B、S三元物系两液相的平衡数据,如表所示。欲分离含A30%的(A+B)混合液1000kg。试求:,(1)、绘出溶解度曲线和辅助曲线(混合液中互成平衡的两相在溶解度曲线上的位置点E、R,过点E做垂直线,过点R做水平线,两线交点即为辅助曲线上的点,此一系列的交点的连线称为辅助曲线);,(2)、若使混合液开始分层,应向原料液中加入多少千克萃取剂;,(3)、若欲得到含A36%的萃取相E,则萃余相R的组成和三元混合物M的总组成为多少?,(4)、将萃取相E和萃余相R分离后,分别脱除萃取剂,得到的萃取液和萃余液的组成为多少?可能获得的萃取液最高组成又为多少?,【例】一定温度下测得A、B、S三元物系两液相的平衡数据,如表,22,解：,(1)绘制溶解度曲线和辅助曲线,由题给数据可做出溶解度曲线LPJ,由相应的连接线数据可做出辅助曲线JCP,如图所示。,(2)混合液开始分层的萃取剂用量,根据原料液的组成在AB边上确定点F,连结点F、S,则当向原料液加入S时,三元混合物的组成点必位于直线FS上。,解：(1)绘制溶解度曲线和辅助曲线,23,当S的加入量恰好使混合物的组成点落于溶解度曲线H点时,混合物开始分层。分层时萃取剂的用量可由下式求得,即：,(3)萃余相R的组成和三元混合物M的总组成,根据萃取相的组成y,A,=36%，在图中定出点E,2,，由辅助曲线定出与之相平衡的点R,2,由图读得萃余相的组成为:,x,A,=17.0%，,x,B,=77.0%，,x,S,