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應用案例DESIGN

萃取設備中逐級接觸萃取過程

溶劑萃取過程可以按連續式或批式操作,前者是工業實踐中更為重要的操作方式。萃取一般在等溫度條件下操作,但時也可施加溫度梯度促進分離。為了實現預定的分離目標,如純度、處理量等,原料液和萃取相一次接觸式不夠的。若被萃取的溶質A在兩相中的分配係數K不夠大,則萃餘相還有許多A未被回收;若被分離的兩種溶質AB間的分配係數KAKB相差倍數太小,則AB的分離液不完全;若待處理的料液流量大,在萃取器中接觸時間短,不能達到相間的萃取平衡。由於以上因素,需要把單級萃取器的效果累積起來,需要采用多級萃取器,並把各級按照一定的規律聯結起來,形成多級萃取過程。連續萃取過程可以按以下所述的5中方式操作。前4中是簡單溶劑體係,即萃取相隻有一個,可以用純溶劑或幾種溶劑的混合物。第5種是用兩個不混溶的萃取相來實現萃取。

1)單級萃取  一定流率的原料和溶劑在萃取器中混合,然後進入分相器把萃取相和萃餘相分開,並連續地抽出。這實際上就是混合澄清槽的一級萃取。

2)多級錯流萃取    如圖1-1,原理逐漸通過一係列串聯的混合澄清槽,但每級都加入新鮮的溶劑。若有足夠的級數,溶質能完全從原料萃取出來;但此流程溶劑用量大,萃取相混合後溶質濃度較低。

3)連續逆流萃取   可以將多級混合澄清槽排列成圖1-1所示的逆流流程,也可以做成塔式設備進行逆流操作。原料和溶劑分布在流程的兩端加入,萃取相和萃餘相也在兩端連續抽出。這樣,離開的萃取相與剛進入萃取器的原料(溶質濃度最高)接觸,萃取相中萃取出的溶質濃度高,因而溶劑總用量減少。

4)單溶劑分餾萃取   在逆流萃取中,萃取相中的最高濃度是與進口料液平衡的濃度。若將萃取器延伸到進料口之外,並將此時萃取相的一部分用適當的方法除去溶劑(分餾或蒸發)後,回流到最上一級,即可提離萃取相的濃度。在塔頂的脫溶劑設備把流出的萃取相中的溶劑分離出來,返回萃取段,而部分萃取出的產品回流進洗滌段,其作用與精餾過程中的塔頂冷凝器類似。在底端補充新鮮溶劑,這與精餾中的再沸器不同。萃取相回流的方法受到一些限製:回流的結果不應在塔的任一端造成兩相完全互溶,相間的密度差必須足夠使兩相順利逆流流動。

5)水溶劑分餾萃取   兩互不相溶的溶劑進入萃取塔的兩端。原料液溶於其中一個溶劑內,從塔中部某處加入。此流程至少涉及四個組分:兩種溶質,兩種溶劑,在某一段引進回流有時能改善操作。這種方式也可以在混合澄清槽級聯中實施。

單級萃取和多級錯流萃取常常用於實驗室研究。逆流萃取中溶劑利用的效率更高,故已廣泛地應用於有機和無機分離過程。雖然單溶劑分餾萃取比簡單逆流萃取可得到更濃的萃取相,但對3/1型體係(即3組分形成一對互不相溶體係)卻不形成三相區。這類體係比較少見,但可在此類體係中原則上實現原料的完全分離,對工業應用是最有效的方法。4/1體係即可用單溶劑也可用雙溶劑過程來分離。例如,乙醇和丙酮溶於甲苯的溶液可用水萃取兩溶質的混合物作為產品;另一種更有效的方法是用雙溶劑萃取,以水和甲苯為溶劑將乙醇和丙酮分離。

萃取器的設計理論涉及平衡關係、物料衡算和傳質速率表達式。可以用圖解法和解析法來作計算。雖然圖解精度有限,但用於溶劑互溶較大的場合時有優點。數值方法也很有用處,尤其在雙溶劑和多組分萃取時更方便。萃取器的效能通常用理論級或傳質單元來表示。前一概念嚴格地講適用於混合澄清器類型的萃取器,後者基於傳質速率理論,適用於微分萃取器。但是實際生產中應用頗多的帶攪拌的多室萃取塔是二者之間的中間類型,兩種概念皆可應用,兩種計算方法間有一定的關係。