氫化工基礎7、萃取0102了解熟悉萃取過程及應用萃取設備

萃取

利用組分在兩個互不相溶的液相中的溶解度差而將其從一個液相轉移到另一個液相的分離過程稱為液液萃取（Liquid-liquidextraction），也叫溶劑萃取（SolventExtraction），簡稱萃取。待分離的一相稱為被萃相，用做分離劑的相稱為萃取相。萃取相中起萃取作用的組分稱為萃取劑，起溶劑作用的組分稱為稀釋劑或溶劑。分離完成后的被萃相又稱為萃余相。萃取過程主要用于分離和提取已經存在于液相中的某種物質，在石油化工、濕法冶金、核工業、生化、食品、醫藥、輕工等領域被廣泛使用。

萃取混合液A+B萃取劑(溶劑S)萃取相(S+A)萃余相(B+A)攪拌加料混合分相反萃（純化和回收）混合液多為水相,加入電解質(鹽析效應),可降低溶質和有機相在水相中溶解度.ExtractantExtractphaseRaffinatephase

萃取萃取操作的基本流程分級接觸式單級多級錯流多級逆流按溶液與萃取劑的接觸方式微分接觸式連續接觸式單級萃取最多為一次平衡，故分離程度不高，只適用于溶質在萃取劑中的溶解度很大或溶質萃取率要求不高的場合。

萃取相Extract萃余相Raffinate料液A+BFeed萃取劑Solvent混合澄清槽Mixer-settler單級萃取

萃取多級錯流萃取原料液依次通過各級，新鮮溶劑則分別加入各級的混合槽中，萃取相和最后一級的萃余相分別進入溶劑回收設備，回收溶劑后的萃取相稱為萃取液（用E’表示），回收溶劑后的萃余相稱為萃余液（用R’表示）。特點：萃取率比較高，但萃取劑用量較大，溶劑回收處理量大，能耗較大。萃取劑Solvent料液Feed萃取相Extract萃余相Raffinate123N

萃取多級逆流萃取原料液和萃取劑依次按反方向通過各級，最終萃取相從加料一端排出，并引入溶劑回收設備中，最終萃余相從加入萃取劑的一端排出，引入溶劑回收設備中。特點：可用較少的萃取劑獲得比較高的萃取率，工業上廣泛采用。萃取劑Solvent料液Feed萃取相Extract萃余相Raffinate123N

萃取一般地，在下列情況下采用萃取方法更為有利。（1）原料液中各組分間的沸點非常接近，也即組分間的相對揮發度接近于1，若采用蒸餾方法很不經濟；（2）料液在蒸餾時形成恒沸物，用普通蒸餾方法不能達到所需的純度；（3）原料液中需分離的組分含量很低且為難揮發組分，若采用蒸餾方法須將大量稀釋劑汽化，能耗較大；（4）原料液中需分離的組分是熱敏性物質，蒸餾時易于分解、聚合或發生其它變化。

萃取(1)萃取劑選擇要點①選擇性好表現為分離系數大。②萃取容量大表現為單位體積溶解萃合物多。③化學穩定性強耐酸堿、抗氧化還原、耐熱、無腐蝕。④易與被萃相分層,不乳化、不產生第三相(界面張力)。⑤易于反萃或分離便于萃取劑的重復利用。⑥安全性好無毒或低毒、不易燃、難揮發、環保。⑦經濟性好成本低、損耗小。

萃取(2)萃取劑選擇注意事項

①萃取劑應與原溶液中的溶劑不互溶②萃取劑應與原溶液中的溶質不反應③提純物質在萃取劑中溶解度遠大于原溶劑

萃取(3)常用萃取劑①中性萃取劑包括含磷類、含氧類和含硫類重型萃取劑，如磷酸三丁酯(TBP)、甲基異丁基酮(MIBK)、二辛基亞砜(DOSO)等。②有機酸萃取劑包括有機磷酸、有機磺酸、羧酸等。③胺類萃取劑各種有機胺和胺鹽。④螯合萃取劑各種有機螯合物、冠醚等。

萃取實例1：青霉素的萃取分離青霉素是一組抗菌素，在pH=2時，以青霉素酸形式存在，溶于有機溶劑中。在pH=7時，形成青霉素鹽，能溶于水中。利用其這種性質，經反復在溶劑相和水相間轉移，達到提純和濃縮的目的。典型三步法：將經過過濾的發酵液，經稀硫酸酸化（pH=2-2.2），把青霉素提到醋酸丁酯中。二步，用磷酸緩沖液酸形式或碳酸氫鈉水溶液，pH=6.8-7.2，將青霉素從有機相轉到水相。三步，調pH=2-2.2，把青霉素再提到有機相，去結晶工序。

萃取過程的特點1、萃取過程為液液傳質，比汽液傳質要難。在萃取過程中，兩相應先進行緊密接觸，完成傳質，然后又需靠兩相之間的密度差或外界輸入能量進行兩相的分離。

2、兩相間的密度差、界面張力和兩相的粘度等物質性質非常重要。對填料和設備的親和性也是一重要因素。填料塔：現在常用的鮑爾環等是根據氣液傳質開發的，用于液液傳質往往效率不高。氣液傳質中，液體沿填料流下，氣液在填料表面完成。液液傳質，是分散相分成液滴，傳質是液滴群。

萃取過程的影響1、溫度溫度↑互溶性增大；溫度↓產物穩定性提高，粘度增加，擴散性能減小2、pH值影響分配系數，影響物質解離情況3、相比溶媒比＝溶媒體積/萃取體積；溶媒比↑萃取效果↑溶媒回收費用↑4、鹽分鹽分影響分配系數5、乳化程度盡量破壞乳濁液，如輕度乳化，要加熱過濾離心（熱敏物質不用加熱）；重度乳化，加SDS、溴化十五烷基吡啶等去乳化劑。

萃取過程

1、液液萃取在石油化工中的應用

分離輕油裂解和鉑重整產生的芳烴和非芳烴混合物

用酯類溶劑萃取乙酸，用丙烷萃取潤滑油中的石蠟

以HF-BF3作萃取劑，從C8餾分中分離二甲苯及其同分異構體2、在生物化工和精細化工中的應用

以醋酸丁酯為溶劑萃取含青霉素的發酵液

香料工業中用正丙醇從亞硫酸紙漿廢水中提取香蘭素

食品工業中TBP(磷酸三丁酯)從發酵液中萃取檸檬酸3、濕法冶金中的應用

用溶劑LIX63-65等螯合萃取劑從銅的浸取液中提取銅

萃取過程

液液萃取的優點1.兩相可變的物理和化學因子多2.可分離揮發度相近的物質3.便于連續操作

4.能量消耗低

5.操作條件溫和

萃取設備

萃取設備是溶劑萃取過程中實現兩相接觸與分離的裝置。按照萃取設備的構造特點分類：

一是單間組合式，以混合澄清器為典型；二是塔式，如填料塔、篩板塔和轉盤塔等，兩相間的混合是依靠密度差或加入機械能量造成的振蕩；三是離心式，依靠離心力造成兩相間分散接觸。

萃取設備

混合澄清器是運用最早、使用較廣泛的一種萃取設備，它主要由混合器與澄清器兩部分構成。

萃取相（E相）萃取余相（R相）物料液（F）萃取劑（S）

如圖所示，混合澄清器結構簡單，操作方便，適用于多種物系的萃取操作。混合澄清器易實現多級連續操作，處理量較大，傳質效率高；但占地面積大，溶劑儲量大，設備費和操作費較高。/video/av67251496/?redirectFrom=h5

萃取設備物料液(F,xF)萃取劑萃取相(最終)R1,x1E1,y1R2,x2E2,y2E3,y3萃取余相(最終)R3,x3(S)混合澄清器的三級逆流萃取流程澄清器Ⅲ澄清器Ⅰ澄清器Ⅱ混合器Ⅰ混合器Ⅱ混合器Ⅲ

萃取設備

①噴灑塔

噴灑塔(噴淋塔)，結構簡單，塔體內除了各流股物料的進出的連接管和分散裝置外，無其它內部構件。噴灑塔造價低，檢修方便；但在混合時流體的軸向返混嚴重，傳質效率極低，僅適用于1－2個理論級場合的萃取操作。重液輕液輕液輕液輕液重液重液重液輕液為分散相重液為分散相萃取塔的結構類型有多種，根據溶劑與原料液混合的形式及塔板結構，常見的萃取塔有噴灑塔、填料塔、篩板塔和轉盤萃取塔等基本類型。

萃取設備

填料萃取塔的構造與前面介紹的精餾或吸收所用的填料塔基本相同，塔內裝有適宜的填料，輕液相由塔底進入，從塔頂排出；重液相由塔頂進入，由塔底排出。萃取操作時連續相充滿整個塔中，分散相由分布器分散成液滴進入填料層，并與連續相接觸傳質。②填料萃取塔

填料萃取塔結構簡單，操作方便，可有效地減少軸向返混，適合處理腐蝕性料液；但其傳質效率不高，僅適用于1－3個理論級場合的萃取操作。輕液輕液重液重液再分布器填料

萃取設備

篩板萃取塔的構造與前面介紹的精餾或吸收所用的篩板塔基本相同。③篩板萃取塔

萃取時，輕液相由塔底通過篩孔被分散成細小液滴，并與篩板上的連續相接觸傳質；穿過連續相的輕相液滴逐漸凝聚，聚集于塔板的下側，待兩相分層后，借助壓強差的推動，再經篩孔分散。反復分散、凝聚交替進行，直至塔頂澄清、分層、排出。

重液呈連續相由塔頂入口進入，橫向流過篩板，并在篩板上與分散相液滴接觸、傳質，再由降液管流至下一層篩板；如此重復進行，最后由塔底排出。

篩板塔構造比較簡單，造價低，可有效地減少軸向返混，能處理腐蝕性料液，因而運用較為廣泛。輕液輕液重液重液篩板降液管

萃取設備

轉盤萃取塔的基本構造如圖所示。在塔體內壁的面上按一定間距，安裝有若干個環形擋板（固定環），固定環將塔內分成若干個小空間。兩個固定環之間安裝一轉盤，轉盤固定在中心軸上，轉軸由塔頂電機啟動。④轉盤萃取塔（RDC塔）

萃取操作時，轉盤隨中心軸高速旋轉，液體產生的剪力使分散相破裂成許多細小液滴，并使液相中產生強烈的渦旋運動，增大相際接觸面積和傳質系數。

轉盤萃取塔構造相對簡單，傳質(萃取)效率高，生產能力大，對物系的適應性強，運用較為廣泛。輕液輕液重液重液轉盤固定環

萃取設備

⑶離心萃取器①轉筒式離心萃取器

離心萃取器是利用離心力的作用，使兩液相快速混合、快速分離的一類萃取裝置。離心萃取器種類很多，廣泛應用于制藥、香料、廢水處理等離域。

如圖所示，轉筒式離心萃取器結構簡單，造價相對較低，傳質效率高，易控制，運行可靠。

萃取設備

②盧威式離心萃取器

盧威(Luwesta)式離心萃取器是一種立式逐級接觸式離心萃取設備。

如圖所示，Luwesta式離心萃取器的主體是固定在機殼體上，并隨之作高速旋轉的環形盤，殼體中央有固定的垂直空心軸，軸上也裝有圓形盤，盤上開有若干個噴出孔。

Luwesta式離心萃取器級效率高，主要用于制藥工業。重液重液輕液輕液

萃取設備

選用原則1、物系的穩定性和停留時間要求停留時間短可以選擇離心萃取器，停留時間長可選用混合澄清器；2、所需理論級數所需理論級數多時，應選擇傳質效率高的萃取塔，如所需理論級數少，則可采用結構與操作簡單的設備；3、處理量處理量大可選用混合澄清器、轉盤塔和篩板塔，處理量小可選用填料塔；4、物系的物性易乳化、密度差小的物系宜選用離心萃取設備；有固體懸浮物的物系可選用轉盤塔或混合澄清器；腐蝕性強的物系宜選用簡單的填料塔；放射性物系可選用脈沖塔；5、其他能源供應原因，在電力緊張地區應盡可能選擇中流動設備；當廠房面積受限制時，選擇塔式設備，當廠高受限制時，選用混合澄清器。

部分互溶物系的相平衡

1、根據萃取操作中各組分的互溶性，將三元物系分三種情況，1）、溶質A可完全溶于B及S，但B與S不互溶；2）、溶質A可完全溶于B及S，但B與S部分互溶；3）、溶質A可完全溶于B，但A與B及B與S部分互溶；2、組成表示方法三角形坐標圖：等邊三角形標圖、等腰直角三角形坐標圖、非等腰直角三角形坐標圖。如圖所示，其中以等腰直角三角形坐標圖最為常用。

部分互溶物系的相平衡

2、組成表示方法在三角形坐標圖中，AB邊以A的質量分數作為標度，BS邊以B的質量分數作為標度，SA邊以S的質量分數作為標度。頂點分別代表一個純組分，即頂點A表示純溶質A，頂點B表示純原溶劑（稀釋劑）B，頂點S表示純萃取劑S。任意邊上的任一點代表一個二元混合物系，第三組分的組成為零。例如AB邊上的E點，表示由A、B組成的二元混合物系，由圖可讀得：A的組成為0.40，則B的組成為（1.0–0.40）=0.60，S的組成為零。

部分互溶物系的相平衡

2、組成表示方法三角形坐標圖內任一點代表一個三元混合物系。例如M點即表示由A、B、S三個組分組成的混合物系。其組成可按下法確定：過物系點M分別作對邊的平行線ED、HG、KF，則由點E、G、K可直接讀得A、B、S的組成分別為：xA=0.4、xB=0.3、xS=0.3；在諸三角形坐標圖中，等腰直角三角形坐標圖可直接在普通直角坐標紙上進行標繪，且讀數較為方便，故目前多采用等腰直角三角形坐標圖。

部分互溶物系的相平衡

3、液-液相平衡的表示法

溶解度曲線以內的區域為兩相區，以外的區域為均相區。※萃取操作只能在兩相區內進行B多S少S多B少+A+AMRE

部分互溶物系的相平衡

4、輔助曲線

溶解度曲線可通過下述實驗方法得到：在一定溫度下，將組分B與組分S以適當比例相混合，使其總組成位于兩相區，設為M，則達平衡后必然得到兩個互不相溶的液層，其相點為R、E。恒溫下，向此二元混合液中加入適量的溶質A并充分混合，使之達到新的平衡，靜置分層后得到一對共軛相，其相點為R1、E1，然后繼續加入溶質A，重復上述操作，即可以得到n+1對共軛相的相點Ri、Ei(i=0,1,2,……n)，當加入A的量使混合液恰好由兩相變為一相時，其組成點用K表示，K點稱為混溶點或分層點。聯結各共軛相的相點及K點的曲線即為實驗溫度下該三元物系的溶解度曲線。混溶點/分層點兩相區均相區溶解度曲線

部分互溶物系的相平衡

4、輔助曲線

聯結線：位于兩相區內的混合物分成兩個互相平衡的液相，稱為共軛相，Ei和Ri，聯結兩共軛液相相點的直線稱為聯結線，如圖中的RiEi線(i=0,1,2,……n)。聯結線的斜率通常聯結線的斜率隨混合液的組成而變，但同一物系其聯結線的傾斜方向一般是一致的，有少數物系，例如吡啶–氯苯–水，當混合液組成變化時，其聯結線的斜率會有較大的改變。兩相區均相區溶解度曲線聯結線

部分互溶物系的相平衡

4、輔助曲線

作用：①已知E(或R)的組成，確定與之平衡的R(或E)的組成②確定臨界混溶點作法：通過已知點R1、R2、…分別作BS邊的平行線，再通過相應聯結線的另一端點E1、E2分別作AB邊的平行線，各線分別相交于點F、G、…，聯接這些交點所得的平滑曲線即為輔助曲線。輔助曲線

部分互溶物系的相平衡

4、輔助曲線臨界混溶點

當三元混和液中溶質A的含量逐漸增加時，聯結線長度逐漸縮短，當聯結線無限短，即當兩個組成點重合時，溶液變成均一相，相當于該系統的臨界狀態，稱此點為臨界混溶點。作法：延長輔助曲線，與平衡曲線交點P即為臨界混溶點。輔助曲線

部分互溶物系的相平衡

5、分配系數ki、選擇性系數β

值的大小，說明溶萃取劑對原溶液中各組分的分離能力。

越大，越有利于萃取分離。萃取操作中

值均應大于1。=1即沒有分離效果，換言之，該溶劑不能用作原料液的萃取劑。

部分互溶物系的相平衡

6、萃取操作的溫度

通常物系的