第5章液液萃取课件.ppt

第第 5 章章 液液萃取液液萃取22022/7/24本章主要内容n5.1液液萃取概述n5.2液液相平衡n5.3萃取设备与流程n5.4萃取过程计算n5.5超临界萃取技术n5.6反胶团萃取32022/7/245.1 液液萃取概述液液萃取概述一、液液萃取的目的和依据一、液液萃取的目的和依据n目的目的：分离液体混合物分离液体混合物n 依据依据：液液传质分离是利用溶质在两液相：液液传质分离是利用溶质在两液相中不同的分配特性，通过相间传质达到分中不同的分配特性，通过相间传质达到分离的目的即液体混合物各组分在某种溶离的目的即液体混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异剂中溶解度的差异42022/7/24二、二、工业萃取过程工业萃取过程52022/7/24须解决的问题：须解决的问题：1）选择一合适的萃取剂）选择一合适的萃取剂;2）提供优良的萃取设备）提供优良的萃取设备;3）完成萃取相、萃余相的脱溶剂完成萃取相、萃余相的脱溶剂62022/7/24萃取及恒沸精馏提浓醋酸流程萃取及恒沸精馏提浓醋酸流程 工业萃取过程工业萃取过程（稀醋酸水溶液的分离）（稀醋酸水溶液的分离）72022/7/24三、萃取过程特点n特点：与其它分离方法比，液液萃取具有处理能力大、分离效率高、回收率高、应用范围广、经济性好等特点n技术优势：1、溶液中各组分的熔点或沸点非常接近或某些组分形成恒沸物，用精馏法难以分离；2、溶液中含有少量高沸点组分，汽化潜热大，用精馏法分离能耗太高；3、溶液中有热敏性组分，用精馏法易分解、聚合或其它化学反应；4、溶液浓度低且含有高价值成分；5、溶液中有极难分离的金属，如稀土金属等82022/7/24四、萃取剂的要求四、萃取剂的要求n萃取过程的经济性萃取过程的经济性很大程度上很大程度上取决于萃取剂的性取决于萃取剂的性质质。

n一个合用的萃取剂应与原溶液形成不互溶的两液相，萃取剂还应具备以下性质：两液相容易分开，不形成乳化液；萃取剂与任何进料组分之间不形成共沸物，与被分离组分A之间的相对挥发度要高；萃取剂对关键组分的选择性尽可能地高；萃取剂在萃余相中的溶解度应尽可能地低92022/7/245.2 液液相平衡（液液相平衡（部分互溶物系）部分互溶物系）1）自由度：）自由度：F=C +2 =3 2+2=3 T、p 一定，互成平衡的两相组成一定，互成平衡的两相组成自由度为自由度为12）溶解度曲线溶解度曲线和和平衡联结线平衡联结线 溶解度曲线溶解度曲线:ys=(yA);xs=(xA)3）平衡联结线）平衡联结线:yA=f(xA)102022/7/24n两相接触方式：微分接触如喷洒塔级式接触如萃取槽5.3 萃取设备与流程萃取设备与流程112022/7/24多级多级逆流逆流萃取萃取 级式接触：级式接触：多级多级错流错流萃取萃取n多级错流是单级萃取的多次重复，可得含溶质很低的萃余相，但溶剂用量较多n多级逆流萃取有逆流操作的优越性，可得到含溶质很低的萃余相，同时得到高浓度的萃取相逆流操作可在可在溶剂用量较少的情况下获得较大的分离程度。

122022/7/24一、萃取设备的主要类型一、萃取设备的主要类型1）混合澄清槽混合澄清槽n典型的逐级接触式液液传质设备每一级包括混合器和澄清槽，可单级使用也可多级按错流或逆流组合使用n优点是效率高，操作方便，可处理含固体悬浮物的物料n缺点占地面积较大；每一级均设有搅拌装置，级间流体输送需泵，设备费、操作费均较大132022/7/242）筛板塔）筛板塔n液液传质过程的筛板塔结构及两相流动情况与气液传质筛板塔极为相似n总体上轻、重两相逆流，每一块板上两相错流n筛板塔内分散相液体的分散与凝聚多次发生，而且筛板的存在抑制了塔内的轴向混合，传质效率较高已在液液传质过程中得到广泛应用142022/7/24 轻相（深色）为分散相轻相（深色）为分散相的筛板塔的筛板塔2）筛板塔）筛板塔重相（浅色）为分散相重相（浅色）为分散相的筛板塔的筛板塔152022/7/24重相为分散相筛板萃取塔162022/7/244）脉冲筛板塔脉冲筛板塔n也称为液体脉动筛板塔，结构与气液传质中的无溢流筛板塔类似，轻重液体皆穿过塔板呈逆流流动，分散相不在板间凝聚分层n在塔内提供外加机械能以造成脉动，使物料处于周期性的变速运动之中，增加了相际接触面积和液体的湍动程度，因而传质效率大大提高。

但允许通过能力较小，应用上受到一定限制n产生脉动的方法：活塞型、膜片型、风箱型脉冲发生器172022/7/245）转盘萃取塔n转盘对液体产生强烈搅拌，增加相际接触面积和液体湍动；n固定环可抑制轴向返混n生产能力大，传质效率高，操作弹性大n化工中应用较多182022/7/24二、萃取流程n根据单级萃取过程的不同组合，可有多种多级萃取流程：1）实验室常用错流流程，见图（a），每一级加入溶剂，耗量大，且萃取相中溶质浓度低192022/7/24二、萃取流程2）逆流萃取是工业上广泛应用的流程，见图（b）n如是微分萃取设备，则在整个设备中，一为连续相，另一分散相，分散相在流出设备前积聚202022/7/24二、萃取流程3）分馏萃取为两个不互溶的溶剂相在萃取器中逆流接触，使原料中至少有两个组分获得较完全的分离，图（c）：n分馏萃取：溶剂S从原料F中萃取一溶质，另一溶剂W对萃取液进行洗涤，溶解另一溶质，实际上提高了萃取液中第一溶质的浓度212022/7/245.4萃取过程计算5.4.1多级逆流萃取计算-集团法5.4.2微分逆流萃取计算222022/7/245.4.1多级逆流萃取计算-集团法nKremser提出集团法，用于关联分离过程的进料和产品组成与所需级数的关系，但不能提供各级间温度与组成的信息。

n定义：U 为组分i进入萃余相中的分数，运用吸收中平均有效吸收因子法计算用V表示萃取相流量；用L表示萃余相流量232022/7/24吸收中的吸收因子法n假定全塔各板的吸收因子A是相同的，即用全塔平均的吸收因子来代替各板的吸收因子，此时式Horton-Franklin简化为：242022/7/24集团法溶剂密度小，塔底进入，塔顶进料252022/7/245.4.2微分逆流萃取计算一一 活塞流模型活塞流模型 n活塞流模型是一个完全理想化的微分逆流萃取模型它假定塔内同一截面上任一点每一相的流速相等，两相在塔内作活塞流动；两相的传质只发生在水平方向上，在垂直方向上，每一相内没有物质传递262022/7/24活塞流模型n两相在塔内作活塞流轻相为萃取相，重相为萃余相，相间传质只在水平方向发生n取微元体，对溶质A作物料恒算，结合其速率方程可推出萃取塔高的计算式，与填料塔汽液传质类似：塔高=传质单元高度传质单元数272022/7/24二、轴向扩散模型n假设：连续逆流传质中，除了相际传质外，每一相中都存在从高浓度到低浓度的传递过程每相的返混即轴向扩散可用一恒定的轴向扩散系数E来描述，扩散服从菲克定律；各相的表观速度在横截面上处处相同，在轴向上是恒定的；仅仅是溶质在两相间传质，各相体积总传质系数为一常数；溶质的分配系数为一常数。

282022/7/24二、轴向扩散模型nEx、Ey分别为两相的扩散系数；nK0 x 为基于萃余相的总传质系数n稳态下传质方程为：292022/7/245.5超临界流体萃取（SFE）n目前，对自然资源的利用已进入一新的阶段，其特征是利用更广的资源，从有用物质含量较低的资源中提取人们需要的产品；n随着社会的进步，科技的发展，对原材料的要求越来越多，对很多产品的纯度和质量要求越来越高，对环境保护越来越严，对资源的使用要求更加充分少数常用的分离过程远远不能满足要求n很多物料需要一些特殊的分离方法来分离与提纯，需要寻求与开发新的有效分离方法302022/7/245.5超临界流体萃取（SFE）n一、超临界流体(SCF)n二、超临界萃取典型流程n三、超临界萃取的应用312022/7/24超临界萃取特点n超临界流体萃取是一种以超临界流体作为萃取剂，从固体或液体中提取出待分离的高沸点或热敏性物质的新型萃取技术n技术优势：超临界流体具有极强的溶解能力，能实现从固体中提取有效成分可通过温度、压力的调节改变超临界流体的溶解能力的大小，因而超临界流体萃取具有较好的选择性超临界流体传质系数大，可大大缩短分离时间萃取剂的分离回收容易。

322022/7/24一、什么是超临界流体？n超临界状态下的流体n超临界流体最重要的物理性质是密度、黏度和扩散系数n超临界流体具有低粘度、高密度、扩散系数大、超强的溶解能力等特性332022/7/24超临界流体的性质n超临界流体的性质介于气、液之间主要体现在：有近似于气体的流动性为，黏度小，传质系数大，但其密度大，溶解度也比气相大得多，又表现出一定的液体行为性质液体超临界流体气体密度g/cm310.10.510-3黏度Pa.S10-310-410-510-5扩散系数cm3.s-110-510-310-1342022/7/24常见超临界流体的物理性质化合物蒸发潜热(25)KJ/mol沸点临界参数温度压力MPag/cm3CO225.25-78.531.37.150.448NH323.27-33.4132.311.270.24甲醇35.3264.7240.58.10.272乙醇38.9578.4243.46.20.276丙烷15.1-44.596.84.120.22正丁烷22.50.05152.03.680.228352022/7/24超临界CO2n非极性的CO2应用最为广泛：临界点低，临界温度接近室温、无毒无味、稳定性高、价格低、无残留。

nCO2的p-V-T可看出：1、饱和蒸汽、饱和液体曲线包围区-气液共存区；2、临界点附近，温度或压力的微小变化会引起密度很大变化；3、随压力升高，密度增大，接近液体密度n因此改变温度或压力可实现萃取分离362022/7/24超临界流体必须具备的条件：1、萃取剂应具有化学稳定性，对设备无腐蚀；2、临界温度不能太高或太低，最好在室温附近；3、操作温度应低于被萃取溶质的变性温度；4、为减小能耗，临界压力不能太高；5、选择性好，容易得到高纯产品；6、溶解度要高，可减少溶剂的循环量；7、萃取剂易得，价格低372022/7/24二、典型的萃取流程n根据分离方法的不同，可以把超临界萃取过程分为三类：等温法、等压法和吸附法1）等温法：应用最方便的一种流程，通过变换压力而使萃取组分从超临界流体中分离出来图（a）2）等压法：利用温度的变化实现溶质与萃取剂的分离图（b）3）吸附法：采用可以吸附溶质而不吸附萃取剂的吸附剂使两者分离图（c）此法通常用于超临界萃取原料中的少量杂质以纯化原料的工艺过程中382022/7/24超临界萃取流程392022/7/24三、超临界流体萃取的应用n超临界流体萃取已深入应用到医药食品生物化学工业等领域。

例如：1、天然产物中有效成分的提取如咖啡豆中咖啡因的提取：浸泡过的生咖啡豆置于压力容器中，不断循环CO2，T=7090,P=1620MPa，咖啡因被CO2萃取出，然后水洗CO2，咖啡因转入水相去蒸馏回收，CO2循环使用利用超临界CO2，在T=4080,P=816MPa条件下，从大豆中提取豆油；天然香料植物中天然香精的提取等402022/7/24天然香精香料的提取用SCFE法萃取香料不仅可以有效地提取芳香组分，而且还可以提高产品纯度，能保持其天然香味，如从桂花、茉莉花、菊花、梅花、米兰花、玫瑰花中提取花香精，从胡椒、肉桂、薄荷提取香辛料，从芹菜籽、生姜，莞荽籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取精油，不仅可以用作调味香料，而且一些精油还具有较高的药用价值啤酒花是啤酒酿造中不可缺少的添加物，具有独特的香气、清爽度和苦味传统方法生产的啤酒花浸膏不含或仅含少量的香精油，破坏了啤酒的风味，而且残存的有机溶剂对人体有害超临界萃取技术为酒花浸膏的生产开辟了广阔的前景412022/7/24三、超临界流体萃取的应用2、抗生素药品生产中，传统方法常使用丙酮、甲醇等有机溶剂，但要。