模块三萃取技术学习目标 知识目标 1．掌握萃取操作的基本知识、三角形相图、相平衡关系、单级萃取操作的工艺计算； 掌握萃取操作的适用场合；掌握萃取操作、常见事故及其处理方法。 2．理解萃取过程的基本原理，理解萃取操作过程的控制与调节。 3．了解各种萃取操作的基本流程，了解各种萃取设备的结构、特点及其选择方法。 能力目标 1．能够用三角形相图表示萃取操作过程，分析萃取操作过程的影响因素，并 能够进行萃取剂的选择，液—液萃取操作的选择。 2．能够了解萃取操作的开停车，常见事故及其处理方法。 素质目标 1．培养学生工程技术观念； 2．培养学生独立思考的能力，逻辑思维的能力； 3．培养学生能应用所学知识解决工程实际问题的能力。 任务单 东方化工集团有限分司，乙酸水溶 液中回收乙酸，这一过程中使用萃取 的方式进行，要求处理量为每批 1t 其中乙酸含量为50%（质量百分率 下同），要求最终乙酸的组成达 70% 以上。完成下列任务： （1）确定回收方法； （2）选用适宜的萃取剂； （3）选用合适的萃取设备； （4）计算萃取剂用量。 萃取基本概念及分离方法的任务单（18-1 班级________组别_____姓名__________组员名单______________________基本概念 术语萃取： 萃取剂： 萃取相： 溶质：原溶剂（稀释剂） 溶解溶解度曲线： 连接线（共轭线） 辅助曲线：临界混熔点： 分配曲线： 分配系数： 萃取操作的分类及适用场合 的分类适用场合 分离方法得分 萃取基本概念及分离方法的任务单（18-1 班级________组别_____姓名__________组员名单______________________基本概念 术语萃取：利用混合物中的各组份在溶剂中的溶解度的不同，而达到混合物分离的目的。 萃取剂：萃取剂：所选用的溶剂。 萃取相：以萃取剂为主溶有溶质的相。 原溶剂（稀释剂）：原混合物中与溶剂不互溶或仅部分互溶的组份。 溶解 溶解度曲线：将代表诸平衡液层的组成坐标点连接起来的曲线。 连接线（共轭线） ：萃取相 共轭液层（共轭相）：二元混合物中加入适量的萃取剂，即形成了二个液层萃取相 辅助曲线：分别过共轭液层的两点作三角形任意两条边的平行线，其交点的连线。临界混熔点：辅助曲线与溶解度曲线的交点。 分配曲线：将三角形相图中各组相对应的平衡液层中溶质 的浓度转移到x-y 直角坐标上， 所到的曲线。 分配系数：组份在萃取相 中的浓度之比值。萃取操作的分类及适用场合 的分类物理萃取：利用溶剂对欲分离的组份具有较大的溶解能力，溶质通过扩散作用转移到溶 剂中，从而达到分离的目的的过程。 化学萃取：由于化学作用，溶剂选择性地与溶质化合或络合，从而帮助溶质重新分配， 达到分离目的的过程。 适用场合 或形成恒沸物。若采用蒸馏方法不能分离或很不经济； （2）原料液中需分离的组分含量很低且为难挥发组分。若采用蒸馏方法须将大量稀释剂 汽化，能耗较大； 原料液中需分离的组分是热敏性物质。这种物料蒸馏时易于分解、聚合或发生其它变化。 （4）高沸点有机物的分离。用萃取方法代替技术很高的真空蒸馏、分子蒸馏，可降低能 量消耗。 分离方法得分 萃取设备任务单（18-2 班级________组别_____姓名__________组员名单______________________项目 萃取设备 设备萃取塔 三角形相图项目 说明 为什么 方法实例 点的组成为：顶点 表示：顶点 表示：顶点 S表示： 设备1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.4 0.5 0.3 0.2 0.1 萃取设备任务单（18-2 班级________组别_____姓名__________组员名单______________________项目 萃取设备 设备使两流体充分混合接触，同时发生两相间的传质过程，平衡后分层，利用重力或离心力 的作用将萃取相和萃余相分开。 处理量大，级效率高；结构简单，容易放大和操作； 两相流量比范围大，运转 稳定可靠， 易于开、停工；对物系的适应性好， 对含有少量悬浮固体的物料也能处理； 易实现多级连续操作，便于调节级数。不需高大的厂房和复杂的辅助设备。应用：适用于所需级数少、处理量大的场合。 萃取塔 利用塔内的填料、筛板、转盘等结构，使重相和轻相在塔内逆流接触传质。 重相由上部进入、下端排出，而轻相由下端进入，从顶部排出，实现轻、重两相的分离。 萃取塔结构简单、造价低廉、操作方便；适于所需理论级数较少、处理量较大， 而且物系具有腐蚀性的场合；传质效率较高；大型工业上。 应用：大型工业上。 同上混合澄清设备，利用离心力代替重力来完成的萃取过程。三角形相图 项目 说明 为什么 前面讲的是二组分体系，在 坐标图上可以表达清楚；现在是三元物系的组成，仍用 坐标图可以表达清楚吗？用三角形相图可以将三元物系中任一组分的组成都能表示出来。 方法可以是等腰三角形、等边三角形、等腰直角三角形等； 以等腰直角三角形为例： 质量分数作为标度来进行标注； 三角形的三个顶点分别代表一个纯组分，三角形的任意一条边分别代表一个二元混合物， 三角形内的任一点分别代表一个三元混合物。 实例 点的组成为：A—0.4；；B—1-0.4-0.3=0.3. 顶点 F—表示为BS 混合物。 S—0.3；S —0.7。 设备从物料的分离要求来看，产物浓度为 70%，利用单级萃取操作即可完成，选用混合澄 清设备即可完成。 混合澄清设备 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.4 0.5 0.3 0.2 0.1 萃取剂的选择任务单（18-3） 班级________组别_____姓名__________组员名单______________________ 萃取剂的选择 BRAR 在萃取相中的浓度大于在萃余相中的浓度。 值越大，分离越易。 选择原则（1）萃取剂的选择性： 指萃取剂 却很小）。可见，其差异越大，选择性越好。所需萃取剂的用量可以减少，产品的质量也较高。 （2）萃取剂与稀释剂的互溶度：萃取剂 的互溶度愈小，愈有利于萃取。（3）萃取剂的物理性质： 密度：无论是哪一种萃取设备进行萃取操作，萃取相与萃余相之间应有一定的密度差。 以利于两个液层在充分接触后，能够较快在分层，从而提高设备的生产能力。 界面张力：希望有适当的相界面张力，有利于分层，而过大的界面张力会使接触变差， 有碍于传质，而过小的界面张力会产生乳化现象。 其它：为了便于操作、输送及贮存。萃取剂的粘度与凝固点应较低，应具有不易燃、毒 性小等性质。 （4）萃取剂的化学性质：应具有化学稳定性、热稳定性以及抗氧化稳定性，对设备 的腐蚀性也较小。 （5）萃取剂回收的难易：希望萃取剂易于回收，消耗热量少，通常情况下使用蒸馏 或蒸发等方法加以加收。 （6）经济指标：一般情况下，萃取剂是循环使用的，但是总有一定数量的消耗量， 要求萃取剂价格低，来源充分。 剂的选择溶剂的选择原则： “相似相溶规则” 常见溶剂的极性大小顺序：饱和烃类

　　全氯代烃类

　　不饱和烃类

　　醚类

　　未全 氯代烃类

　　酯类

　　芳胺类

　　酚类

　　酮类

　　醇类 通常可以选择酯类或苯类，看成本的多少。 建议选用的萃取剂为：苯。 得分 萃取剂的选择任务单（18-3） 班级________组别_____姓名__________组员名单______________________ 萃取剂的选择 剂的选择得分 萃取操作计算任务单（18-4 班级________组别_____姓名__________组员名单______________________项目 萃取操作的计算 得分 萃取操作计算任务单（18-4 班级________组别_____姓名__________组员名单______________________项目 萃取操作的计算 从三角形相图中，做出原料液的点 F，萃取液的操作点 971000 12 S=124 得分10 常州工程职业技术学院教案 本次课标题 乙酸水溶液中回收乙酸 精细0811 上课 时间 17 1-4节，星期五 上课 地点 合一中 202 能力目标知识目标 素质目标 1．能根据工艺要求选用分离 方法； 2．会选用适宜的萃取剂； 3．会进行萃取过程的工艺计 1．了解传质分离技术的各种方法及适用情况； 2．理解萃取剂的选择原则； 3．掌握萃取相平衡关系； 4．理解影响萃取操作的因素； 5．了解萃取设备及操作流程； 6．掌握单级萃取过程的工艺计算。 培养我学习能力，追求知 识、独立思、考勇于创新 的科学态度；培养学生应 用工程技术观念分析和 解决工程问题的能力； 任务：东方化工集团有限分司，乙酸水溶液中回收乙酸，这一过程中使用萃取的方式进行，要求处理量为每批 1t ，其中乙酸含量为 50%（质量百分率下同） ，要求最终乙酸的组成达 70% 以上。完成下列任务： （1）确定回收方法； （2）选用适宜的萃取剂； （3）计算萃取剂用量。 《化学工程手册》第1、14 篇，各种《化工原理》教材，网上资源（百度搜索网等） 步骤名称教学内容 教师活动 学生活动 时间分配 工具与材料 课内/ 课外 萃取操作告知 听、记录 多媒体课内 分组完成分离方法的确定 和萃取的概念 答疑、检查、 指导等 查阅资料、 20课内 难点释疑分离方法的确定 和萃取的概念 释疑 听、记录、思 考、回答问题 20 多媒体 课内 教师点评分离方法的确定 和萃取的概念 点评、提问 听、思考、回 答问题 30 多媒体 课内 11 分组完成选用适宜的萃取 剂；计算萃取剂用 答疑、检查、指导等 查阅资料、 30多媒体 课内 集中汇报选用适宜的萃取 剂；计算萃取剂用 聆听、记录、提问 代表发言、 考、回答问题20 多媒体 课内 教师点评与总结 选用适宜的萃取 剂；计算萃取剂用 点评、提问听、思考、回 答问题 50 多媒体 课内 布置作业结晶技术 告知 记录 12点评内容： 一、萃取相关概念 （一）萃取单元操作 “萃取”就是在液体混合物（原料液）中加入一个与其基本不相混溶的液体作为溶剂，造成第二相，利 用原料液中各组分在两个液相中的溶解度不同而使原料液混合物得以分离的单元操作。亦称溶剂萃取， 简称萃取或抽提。 （二）相关概念 1、萃取剂 用于从原料剂中萃取一种或多种溶质的不互溶的液体称为萃取剂，以 S表示； 2、萃取相 一定量萃取剂加入原料液中，形成两液相，两液相因密度不同而分层：一层以溶剂 为主，并溶有较多的溶质，称为萃取相，以 E表示； 为主，且含有未被萃取完的溶质，称为萃余相，以R表示。 4、萃取液 R。为了得到产品A，并回收 溶剂以供循环使用，尚需对这两相分别进行分离。脱除溶剂后的萃取相和萃余相分别称为萃取液和萃余 R’表示。（三）萃取操作分类 1、按组分数目分 多组元体系和三元体系。 多元体系 ：原料液中有两个以上组分或溶剂为两种不互溶的溶剂。 三元体系 ：原料液中含有两个组分，溶剂为单溶剂。 2、按有无化学反应分 物理萃取和化学萃取。 物理萃取 这种利用溶剂对欲分离的组份具有较大的溶解能力，溶质通过扩散作用转移到溶剂中，从而达到分离的目的的过程。 化学萃取 ：由于化学作用，溶剂选择性地与溶质化合或络合，从而帮助溶质重新分配，达到分离目的的 过程。 3、按照萃取原理分： 萃取包括液液萃取、双水相萃取、反胶束萃取、超临界萃取、固相萃取等。 （1）双水相萃取 在聚合物中加入一种无机盐水溶液 形成它个之间的分配的不同而进行分离的过程。（2）反胶束萃取 反胶束是表面活性剂在有机溶剂中自发形成的纳米尺度的一种聚集体。 表面活性剂通常都有一个亲水的 极性头和疏水的非极性尾。当表面活性剂在有机溶剂中的浓度超过其临界胶束浓度后，其疏水的非极性 尾向外伸入有机溶剂主体中，亲水的极性头则自发向内聚集排列成一个极性核。 （3）超临界萃取 超临界萃取主要是利用二氧化碳等流体在超临界状态下特殊的物理化学性质， 对物质中的某些组分进行 提取和分离。利用超临界流体作为萃取剂 分离速度远快于普通萃取。 （4）固相萃取 SPE技术基于液 固相色谱理论，采用选择性吸附、 选择性洗脱的方式对样品进行富集、分离、 净化， 是一种包括液相和固相人物理萃取过程；也可以将其近似地看作一种简单的色谱过程。 （四）萃取操作的应用 1、萃取操作应用情况 （1）溶液中各组分的沸点非常接近，或者说组分之间的相对挥发度接近于一，若采用蒸馏方法不能分 离或很不经济。 13 （2）混合液中的组成能形成恒沸物酸，用一般的精馏不能得到所需的纯度。 （3）混合液重要回收的组分是热敏性物质，受热易于分解、聚合或发生其它化学变化。这种物料蒸馏 时易于分解、聚合或发生其它变化。 （4）需分离的组分浓度很低且沸点比稀释剂高，用精馏方法需蒸馏出大量稀释剂，耗能量很多。用萃 取方法代替技术很高的真空蒸馏、分子蒸馏，可降低能量消耗。 2、萃取在工业生产中的应用 液萃取在石油化工中的应用：随着石油工业的发展，液液萃取已广泛应用于分离和提纯各种有机物质。轻油裂解和铂重整产生的 芳烃混合物的分离就是其中的一例。 此外用脂类溶剂萃取乙酸，用丙烷萃取润滑油中的石蜡等也得到 了广泛的应用。 （2）在生物化工中和精细化工中的应用： 在生化制药的过程中，生成很复杂的有机液体混合物。这些物质大多为热敏性混合物。若选择适当 的溶剂进行萃取，可以避免受热所损坏，提高有效物质的收率。例如青霉素的生产，用玉米发酵得到的 含青霉素的发酵液，以醋酸丁脂为溶剂，经过多次萃取得到青霉素的浓溶液。 （3）湿法冶金中的应用： 目前认为只要价格与铜相当或超过铜的有色金属如钴，镍，锆等等，都应优先考虑溶剂萃取法。有 色金属已逐渐成为溶剂萃取应用的领域。 （4）食品化工中的应用： 采用超临界流体萃取技术， 从辣椒中萃取辣红素、 以及胡萝卜素、 番茄红素的萃取、 大豆油的精制、 啤酒花的提取、咖啡因的脱除等，均是成熟的工艺技术，且产品成色好、收率高、无毒副作用，是天然 的食用色素和营养成分。 采用超临界流体萃取技术还可以从烟草中脱除尼古丁， 生产不含尼古丁的香烟， 这些技术深受生产厂家欢迎。 已提取的产品有：辣红素、胡萝卜素、番茄红素、大豆油、小麦胚油、 红花籽油等。 二、萃取设备 （一）混合—澄清萃取桶 结构： 桶底多做成盘形和半球形，并且多在桶壁上装置挡板。向桶内加入进行萃取的水相和有机相，开 动搅拌桨，即可进行两相的混合传质。 （二）混合 澄清器1、箱式混合 澄清器结构：内部用隔板分隔成一定数目的进行混合和澄清的小室，即混合室和澄清室。 2、全逆流混合—澄清萃取器 结构：混合室开有两个相口，上相口进有机相和出混合相 ，下相口进水相和出混合相，从而两相在混合室与澄清室中是全逆流流动的。 特点：结构简单、设备紧凑、级效率高、能耗低、溶剂损失少、污物不积累、操作简单、运行稳定。 （三）萃取塔 1、无搅拌塔 喷雾塔：结构： 塔内无任何部件，运转时，塔内先充满连续相 ，实现相的接触。特点：操作简单，但是效率非常低。 填料萃取塔：结构：塔内充填适宜的填料，塔两端装有两相进、出 U管。重相由上部进入、下端排出，而轻相由下端 进入，从顶部排出。连续相充满整个塔，分散相由分布器分散成液滴进入填料层，在与连续相逆流接触 中进行萃取。 特点：结构简单、造价低廉、操作方便。 筛板萃取塔：结构：逐级接触式，依靠两相的密度差，在重力的作用下，使得两相进行分散和逆向流动。若以轻相为 分散相，则轻相从塔下部进入。轻相穿过筛板分散成细小的液滴进入筛板上的连续相（重相层） 在重相内浮升过程中进行液—液传质过程。特点：适于所需理论级数较少、处理量较大，而且物系具有腐蚀性的场合。 2、机械搅拌塔 希贝尔塔：结构：有涡轮叶片搅拌器的混合室与孔隙率为 97％的多孔波纹网充填室交错排列组成。 特点：塔的处理能力与所处理溶液体系的性质有关。 （2）转盘萃取塔 (RDC)： 14 结构： 定环（圆柱形的塔体内装有多层固定环形挡板）将塔隔成多个空间，两定环之间均装一转盘。转 盘固定在中心转轴上，转轴由塔顶的电机驱动。塔两端留有一定的空间作为澄清室，并以栅型挡板与中 段萃取段隔开。 特点：转盘塔传质效率较高。 （3）奥尔德舒 结构：沿塔高方向有一些环形隔板，呈水平状固定在四根垂直障板上，将塔体分隔成若干个隔室；固定 在旋转轴上的若干个平桨油轮分别位于每个隔室的中央，搅拌轴由安装在塔顶的马达驱动。 特点：应用在液体黏度低或中等黏度的生产场合。 （4）往复筛板萃取塔： 结构： 往复筛板的孔径要比脉动筛板的孔径大。当筛板向上运动时，迫使筛板上侧的液体经筛孔向下喷 射；反之，当筛板向下运动时，又迫使筛板下侧的液体向上喷射。 特点：这种塔特别适用于容易乳化的体系和处理含有固体悬浮物的溶液。 3、脉冲塔 （1）脉冲筛板塔： 结构： 外力作用使液体在塔内产生脉冲运动的筛板塔，其结构与气—液传质过程中无降液管的筛板塔类 似。塔两端直径较大部分为上澄清段和下澄清段， 中间为两相传质段， 其中装有若干层具有小孔的筛板， 板间距较小，在塔的下澄清段装有脉冲管。 特点：结构简单，传质效率高，但其生产能力一般有所下降。 （2）脉冲填料塔： 结构：由垂直塔体和充填料组成。两相逆流通过塔体，分别从塔的两端排出。相界面位于分散相的澄清 区，当水相为连续相、有机相为分散相时，澄清区就在塔的顶部；反之，相界面位于塔底。塔内液体的 上、下湍动是由脉冲发生器输入脉冲能产生。脉冲发生器的脉冲管与塔的底部连接。 4、RTL萃取塔 结构： 卧式萃取器，外壳为一固定圆筒 ，内部装有一个支撑在水平轴上的转鼓，转鼓与塔壁保持一段间隙。转鼓由许多圆形挡板组成，圆形挡板之间装有若干半圆筒状的小提桶，这些提桶沿旋转方 向开口。 （四）离心萃取器 1、转筒式离心萃取器 结构： 单级接触式，重液和轻液由底部的三通管并流进入混合室。在搅拌桨的剧烈搅拌下，两相充分混 合进行传质，然后共同进入高速旋转的转筒：在转筒中，混合液在离心力的作用下，重相被甩向转鼓外 流至相应的收集室，并经各自的排出口排出。 特点： 结构简单，效率高，易于控制，运行可靠。 2、路威斯特 (Luwcsta) 离心萃取器 结构： 多级逆流萃取器，主体是固定在壳体上并随之作高速旋转的环形盘。壳体中央有固定不动的垂直 空心轴，轴上也装有圆形盘， 盘上开有若干个喷出孔。 空心轴由一个固定机壳和一根有通道的转轴组成， 轴内的流通通道与固定在轴上的分配器和集液环相连。 分配器和集液环分别装在轴和机壳的斜盘和挡板 上，使两相离心分离，两相均在压力下从顶部给入，轻相与重相一起流入分配器，排出的混合相呈放射 状运动， 分成两相。 各相的入口都有集液环， 使其流下或流上至相邻的分配器， 直至两相都从顶部排出。 特点： 路威斯特离心萃取器主要用于制药工业。 三、萃取过程的计算 （一）、萃取计算理论知识 1、三角形相图 三角形坐标图通常有等边三角形坐标图、等腰直角三角形坐标图、非等腰直角三角形坐标图三种， 在三角形坐标图中混合物的组成常用质量分数表示。 习惯上， 在三角形坐标上图中， AB边以 A的质量分 率作为标度， BS边以 B的质量分率作为标度， SA边以 S的质量分率作为标度。 三角形坐标图的每个顶 点分别代表一个纯组分，即顶点 A表示纯溶质 A，顶点 B表示纯原溶剂（稀释剂） B，顶点 S表示纯萃取 三角形坐标图三条边上的任一点代表一个二元混合物系，第三组分的组成为零。2、溶解度曲线 溶解度曲线可通过下述实验方法得到：在一定温度下，将组分 B与组分 S以适当比例相混合，使其总 组成位于两相区，设为 M，则达平衡后必然得到两个互不相溶的液层，其相点为 R0、E0 。在恒温下，向 此二元混合液中加入适量的溶质 A并充分混合，使之达到新的平衡，静置分层后得到一对共轭相，其相 R1、E1，然后继续加入溶质A，重复上述操作， 即可以得到 n+1 Ri、Ei (i=0,1,2, ，当加入A的量使混合液恰好由两相变为一相时，其组成点用 K表示， K点称为混溶点或分层点。联 K点的曲线即为实验温度下该三元物系的溶解度曲线、辅助曲线 辅助曲线的作法： 通过已知点 R1、R2、, 分别作 BS边的平行线， 再通过相应联结线 分别作 AB边的平行线，各线分别相交于点 ，联接这些交点所得的平滑曲线、共轭相 位于两相区内的混合物分成两个互相平衡的液相，称为共轭相。 5、临界混溶点 辅助曲线与溶解度曲线的交点为 P，显然通过 P点的联结线无限短， 即该点所代表的平衡液相无共轭相， 相当于该系统的临界状态，故称点 P为临界混溶点。 6、分配系数与分配曲线 在一定温度下 溶质在E相与 R相中的组成之比称为分配系数； 为纵坐标，则可在 直角坐标图上得到表示这一对共轭相组成的点N。每一对 共轭相可得一个点，将这些点联结起来即可得到曲线 ONP，称为分配曲线、杠杆原理 在三角形坐标图中萃余相、萃取相和混合物分别以点 M与差点E、R之间的关系可用杠杆规则描述， 根据杠杆规则，若已知两个差点， 则可确定和点；若已知和点和一个差点，则可确定另一个差点。 （二）依据：1、异丙醚对醋酸的溶解能力比对水的溶解能力大得多， 则萃取相 A（醋酸）组分的浓度 yA