化工原理南京林业大.ppt
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1、11萃取11.1 液液相平衡 11.2 萃取操作的原理 1.11.1 液液相平衡11.1.1三角形坐标图及杠杆规则(1)三角形坐标图 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和非等腰直角三角形坐标图,如图11-1所示,其中以等腰直角三角形坐标图最为常用。图11-1 三角形相图 2.11.1 液液相平衡 一般而言,在萃取过程中很少遇到恒摩尔流的简化情况,故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
2、点B表示纯原溶剂(稀释剂)B,顶点S表示纯萃取剂S。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。例如AB边上的E点,表示由A、B组成的二元混合物系,由图可读得:A的组成为0.40,则B的组成为(1.00.40)=0.60,S的组成为零。3.11.1 液液相平衡 三角形坐标图内任一点代表一个三元混合物系。例如M点即表示由A、B、S三个组分组成的混合物系。其组成可按下法确定:过物系点M分别作对边的平行线ED、HG、KF,则由点E、G、K可直接读得A、B、S的组成分别为:=0.4、=0.3、=0.3;也可由点D、H、F读得A、B、S的组成。在诸三角形坐标图中,等腰直角三角形
3、坐标图可直接在普通直角坐标纸上进行标绘,且读数较为方便,故目前多采用等腰直角三角形坐标图。在实际应用时,一般首先由两直角边的标度读得A、S的组成及,再根据归一化条件求得。4.如图11-2所示,将质量为 kg、组成为 、的混合物系R与质量为 kg、组成为 、,的混合物系E相混合,得到一个质量为mkg、组成为 、的新混合物系M,其在三角形坐标图中分别以点R、E和M表示。M点称为R点与E点的和点,R点与E点称为差点。如图11-211.1 液液相平衡(2)杠杆规则5.11.1 液液相平衡和点M与差点E、R之间的关系可用杠杆规则描述,即(I)几何关系:和点M与差点E、R共线。即:和点在两差点的连线上;一
4、个差点在另一差点与和点连线的延长线上。(ii)数量关系:和点与差点的量m m、r r、e e与线段长 、b b 之间的关系符合杠杆原理,即,以R为支点可得m m、e e之间的关系(11-1)以M为支点可得 、之间的关系(11-2)以E为支点可得 、之间的关系(11-3)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。6.11.1.2三角形相图根据萃取操作中各组分的互溶性,可将三元物系分为以下三种情况,即 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部分互溶。习惯上,将、两种情况的物系
5、称为第类物系,而将情况的物系称为第类物系。工业上常见的第类物系有丙酮(A)水(B)甲基异丁基酮(S)、醋酸(A)水(B)苯(S)及丙酮(A)氯仿(B)水(S)等;第类物系有甲基环己烷(A)正庚烷(B)苯胺(S)、苯乙烯(A)乙苯(B)二甘醇(S)等。在萃取操作中,第类物系较为常见,以下主要讨论这类物系的相平衡关系。7.11.1.2三角形相图设溶质A可完全溶于B及S,但B与S为部分互溶,其平衡相图如图11-3所示。此图是在一定温度下绘制的,图中曲线R0R1R2RiRnKEnEiE2E1E0称为溶解度曲线,该曲线将三角形相图分为两个区域:曲线以内的区域为两相区,以外的区域为均相区。位于两相区内的混
6、合物分成两个互相平衡的液相,称为共轭相,联结两共轭液相相点的直线称为联结线,如图11-3中的RiEi线(i=0,1,2,n)。显然萃取操作只能在两相区内进行。图11-3 溶解度曲线8.11.1.2三角形相图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,其相点为R1、E1,然后继续加入溶质A,重复上述操作,即可以得到n+1对共轭相的相点Ri、Ei(i=0,1,2,n),当加入A
7、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。联结各共轭相的相点及K点的曲线即为实验温度下该三元物系的溶解度曲线。9.11.1.2三角形相图 若组分B与组分S完全不互溶,则点R0与E0分别与三角形顶点B及顶点S相重合。一定温度下第类物系的溶解度曲线和联结线见图11-4,通常联结线的斜率随混合液的组成而变,但同一物系其联结线的倾斜方向一般是一致的,有少数物系,例如吡啶氯苯水,当混合液组成变化时,其联结线的斜率会有较大的改变,如图11-5所示。图11-4 第II类物系的溶解度曲线和联结线图11-5 连结线斜率的变化10.11.1.2三角形相图(2)辅助曲线和临界混溶点
8、 一定温度下,测定体系的溶解度曲线时,实验测出的联结线的条数(即共轭相的对数)总是有限的,此时为了得到任何已知平衡液相的共轭相的数据,常借助辅助曲线(亦称共轭曲线)。图11-6 辅助曲线11.11.1.2三角形相图辅助曲线的作法如图11-6所示,通过已知点R1、R2、分别作BS边的平行线,再通过相应联结线的另一端点E1、E2分别作AB边的平行线,各线分别相交于点F、G、,联接这些交点所得的平滑曲线即为辅助曲线。利用辅助曲线可求任何已知平衡液相的共轭相。如图11-6所示,设R为已知平衡液相,自点R作BS边的平行线交辅助曲线于点J,自点J作AB边的平行线,交溶解度曲线于点E,则点E即为R的共轭相点
9、。图11-6 辅助曲线12.11.1.2三角形相图 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。P点将溶解度曲线分为两部分:靠原溶剂B一侧为萃余相部分,靠溶剂S一侧为萃取相部分。由于联结线通常都有一定的斜率,因而临界混溶点一般并不在溶解度曲线的顶点。临界混溶点由实验测得,但仅当已知的联结线很短即共轭相接近临界混溶点时,才可用外延辅助曲线的方法确定临界混溶点。通常,一定温度下的三元物系溶解度曲线、联结线、辅助曲线及临界混溶点的数据均由实验测得,有时也可从手册或有关专著中查得。13.11.1.3分配系数和
10、分配曲线(1)分配系数 一定温度下,某组分在互相平衡的E相与R相中的组成之比称为该组分的分配系数,以 表示,即溶质A11-3a)原溶剂B(11-3b)(、萃取相E中组分A、B的质量分数;、萃余相R中组分A、B的质量分数。式中14.11.1.3分配系数和分配曲线分配系数 表达了溶质在两个平衡液相中的分配关系。显然,值愈大,萃取分离的效果愈好。值与联结线的斜率有关。同一物系,其值随温度和组成而变。如第类物系,一般 值随温度的升高或溶质组成的增大而降低。一定温度下,仅当溶质组成范围变化不大时,值才可视为常数。对于萃取剂S与原溶剂B互不相溶的物系,溶质在两液相中的分配关系与吸收中的类似,即(11-4)
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