5.2 萃取过程的计算 单级萃取计算：杠杆规则 如图所示，将质量为mR、组成为xA、xB、xS的混合物系R与质量为mE、组成为yA、yB、yS的混合物系E相混合，得到一个质量为m、组成为xA、xA、xA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。

和点M与差点E、R之间的关系可用杠杆规则描述，即 ：

(1)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；一个差点在另一差点与和点连线的延长线上。

(2)数量关系：和点与差点的量之间的关系符合杠杆原理，即， 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。

5.2 萃取过程的计算 5.2.1逆流萃取计算的集团法 定义 ΦE为进料中组分i被萃取的分数 逆流萃取塔

各式可用质量单位或摩尔单位。由于在绝热萃取塔中温度变化一般都不大，因此一般不需要焓平衡方程，只有当原料与溶剂有较大温差或混和热很大时才需考虑。

5.2.2 微分逆流萃取的计算 一﹑活塞流模型 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。

例题： 用苯作萃取剂在喷淋塔内萃取水溶液中的醋酸。已知塔高H=1.4m ，塔截面积A=4.5×10-3(m2)，萃取相进出口的醋酸浓度分别为y1=0.00397，y0=0.0115，萃余相进出口醋酸浓度分别为x0=0.688，x1=0.683 (均为kmol/m3)。苯的流率E=5.67×10-6 m3/s，萃取平衡关系为 ：y=0.0247x。 试求：(1)萃取相总传质单元数； (2)萃取相体积传质系数Koa。

解: 设萃取塔中传质速率为N。 则 N = E(y0－y1) = 5.67×10-6 (0.0115－0.00397)=4.269×10-8 kmol/s 塔顶和塔底的萃取相平衡浓度为： y0*=0.0247×0.688=0.01699 kmol/m3 y1*=0.0247×0.683=0.01687 kmol/m3 塔顶、塔底的传质推动力为： y0*-y0=0.01699-0.0115=0.00549 kmol/m3 y1*-y1=0.01687-0.00397=0.01290 kmol/m3

对数平均浓度差为：   因此得： 则 此塔萃取相的总传质单元数为0.869，其萃取相的体积传质系数Koa等于7.816×10-4 1/s。

5.2.2 微分逆流萃取的计算 二﹑轴向扩散模型 轴向扩散模型做了如下假设： ①每相的返混可用一恒定的轴向扩散系数E来描述； ②各相的表观速度在横截面上处处相同，在轴向上是恒定的； ③仅仅是溶质在两相间传质，各相体积总传质系数为一常数； ④溶质的分配系数为一常数；

例题： 在实验室对某稀溶液物系进行萃取实验，活塞流工况下测得（HTU）ox=0.9144m。现放大设计一个工业塔，已知:（NTU）ox=4、 Pex=19、Pey=50、E=0.5。求塔高是多少？ 解：对于活塞流,塔高H 活塞流=（HTU）ox（NTU）ox ，将已知数据代入式（4-39）：

该方程为非线形方程，用迭代方法求解 H=5.26 m 效率=（HTU）ox（NTU）ox / H = 4×0.9144 / 5.26 ×100% = 69.5%

炼油和石化工业中石油馏分的分离和精制，如烷烃和芳烃的分离、润滑油精制等； 补充材料:萃取应用与设备 现在萃取技术已在各方面获得了广泛的应 用： 炼油和石化工业中石油馏分的分离和精制，如烷烃和芳烃的分离、润滑油精制等； 湿法冶金，铀、钍、钚等放射性元素、稀土、铜等有色金属、金等贵金属的分离和提取； 由于液液萃取具有处理能力大、分离效果好、回收率高、可连续操作等特点，在石油化工、湿法冶金、原子能工业、生化、环保、食品和医药工业等领域得到广泛应用。 硼：2－乙基己醇从硼矿石浸取液中提取硼酸（ISEC’80，vol.2， 1980, 57，Ses.7)

磷和硼等无机资源的提取和净化； 医药工业中多种抗生素和生物碱的分离提取； 食品工业中有机酸的分离和净化； 环保处理中有害物质的脱除等。

一些工业萃取过程

工业萃取过程举例 --醋酸萃取 醋酸是一种常用的化学品。在醋酸的生产和使用过程中，经常需要进行醋酸-水的分离。通常，可以用普通精馏的方法进行醋酸（b.p.=118.1℃）和水（b.p.=100.0℃）的分离。当溶液中醋酸含量较低时，由于水的汽化潜热很大，精馏的能耗很高，此时采用萃取的方法从经济上更为有利。

乙醛氧化制醋酸工艺中醋酸的分离 氧化液组成：醋酸、水、甲酸、乙醛等 氧化液－脱轻组分－脱重组分－脱水 -脱轻组分：沸点低于醋酸的组分从塔顶分离，粗醋酸流出，作为脱重组分塔的进料； -脱重组分：醋酸从塔顶抽出，作为产品； -脱水：系统中集中在脱轻组分塔的塔顶馏分中，进入脱水塔，脱除水分，保持体系的水平衡。

精馏法分离醋酸工艺流程

本图显示了一个醋酸萃取的实例。在该实例中，欲分离的料液为含醋酸22wt%的水溶液，流量13,726kg/h（30,260lb/h）；使用乙酸乙酯（b.p.=77.1℃)为溶剂（萃取剂），流量32,250kg/h（71,100lb/h），溶剂中已饱和了水。 水的蒸发潜热：r＝ 2258kJ/kg 醋酸：r＝ 406kJ/kg 乙酸乙酯：r＝ 368kJ/kg

萃取相为轻相，其中含有溶剂和已被萃取的醋酸，萃取率达99. 8%；从萃取塔底排出的萃余相（重相）主要为水，仅含有0 萃取相为轻相，其中含有溶剂和已被萃取的醋酸，萃取率达99.8%；从萃取塔底排出的萃余相（重相）主要为水，仅含有0.05wt%的醋酸。萃取过程后续为两个精馏过程，分别对萃取相进行溶剂和醋酸分离，获得高纯度的冰醋酸，以及从萃余相中回收溶剂。溶剂（饱和了水的乙酸乙酯）则循环使用。 此时，精馏中蒸发的主要是乙酸乙酯，而不是水，因而大大减少了能量的消耗。

在萃取过程的操作温度（37. 7℃）和操作相比（S:F=2. 35）下，为了达到99 在萃取过程的操作温度（37.7℃）和操作相比（S:F=2.35）下，为了达到99.8%的萃取率，需要六个理论级（在逆流操作的前提下）的分离度。体系的物性特点为：液体粘度不大于1cP，两相密度差不小于0.08g/cm3，界面张力大于30dyne/cm。

选用了转盘塔为萃取设备。塔径为1. 68m，塔高8. 5m，全塔有效段用定环分为40个隔室，每个隔室高0. 19m，定环内径1 选用了转盘塔为萃取设备。塔径为1.68m，塔高8.5m，全塔有效段用定环分为40个隔室，每个隔室高0.19m，定环内径1.17m。搅拌器为串联安装于中心轴上的一系列圆盘，直径1m。转速为60rpm。在萃取塔的设计中，考虑了轴向混和的影响。

通常在以下数种情况下，采用萃取作为分离方法比蒸馏更有效或有利： 对有机或水溶液中的无机物质的分离； 被分离物质的浓度很低(如油脂中色素和激素)； 高沸点低含量的物质的回收； 热敏性物质的回收； 对于依据混合物体系的化学性质而不是挥发度而进行分离的情况； 不稳定物质（如热敏性物质）的分离 －－从发酵液中提取青霉素 低浓度高沸组分的分离－－如稀醋酸的脱水 沸点相近的组分分离－－为精馏所不易奏效的场合，如石油馏分中烷烃与芳烃的分离，煤焦油脱酚等。 当然，对于共沸体系，也可以通过萃取精馏、加盐精馏等手段解决，但萃取是一种可供选择的技术方案。 总之，萃取技术应用很广，元素周期表中绝大多数的元素，都可以用萃取法提取和分离。

对于非常接近于冰点或沸点的液体的分离（可利用此时溶解度差异的增加）； 共沸体系的分离。

萃取设备 Equipment 混和澄清槽 非机械搅拌塔 机械搅拌塔 离心萃取机 根据传质方式来分 -分级接触：混和澄清槽、板式塔、单级或多级离心萃取机 -微分接触：萃取塔、Podbielniak离心萃取机 分级操作时，各级之间萃取相和萃余相的浓度变化均是阶跃式的。 微分接触设备中，萃取相和萃余相的浓度变化均是连续的。

不同的萃取体系的物性（粘度、密度差和界面张力等）的变化范围很广，分离要求也不同。为此，萃取设备的种类很多，以适应各种要求。有些萃取设备和汽液接触设备（蒸馏、吸收、汽提等）很相似，如喷淋塔、填料塔、筛板塔等，但这些设备通常只能用在物系粘度很小、密度差较大、界面张力适中以及分离要求不是很高的场合。由于液-液系统的特殊性，需要选择适合其特点的设备。

大部分萃取设备都需外加机械能促进分散或两相分离，如机械搅拌式萃取设备和离心式萃取设备。

混和澄清槽（Mixer-Settlers） 混和澄清槽是较早开发使用的一种萃取设备。在混和澄清槽中，轻相和重相首先被引入到混和槽中，通过机械搅拌使两相密切接触，然后流到澄清槽中，进行重力分相。 混合澄清槽由混合室和澄清室两部分组成。 根据分离要求，混合澄清槽可以单级使用，也可以多级串联使用。当多级逆流操作时，料液（feed）和萃取液（extractant）分别加入两端的级中，萃取液和萃余液则在相反位置的级中导出。

一个设计良好的混和槽具有很高的传质效率，可以达到接近于单个理论平衡级的效果（80%-90%甚至更高）。 在混和槽中应保持足够的搅拌，以使两相可以充分接触，保证足够快的传质速率。但过分的搅拌不仅无助于传质效率的提高，还不利于后续的澄清过程，并增加了能耗。混合室中单位体积液体中耗散的搅拌功率水平，一般可取0.8kW/m3。 一个设计良好的混和槽具有很高的传质效率，可以达到接近于单个理论平衡级的效果（80%-90%甚至更高）。 混合室的工作体积可以从料液和萃取剂的总流量乘以萃取时间算出。 澄清室的水平截面积，可以从分散相液体的流量除以液滴的凝聚分层速度算出。 一般地，单位体积混合室消耗的搅拌功率相同时，可以认为级效率N相同。 在放大设计时，可以按实测的萃取时间和分层速度设计生产设备。

混和槽和搅拌桨 带有间隔分室的混和槽

液相在澄清槽中主要依靠重力作用进行分相。因此，必须有足够的停留时间使两相充分澄清。 如果仅仅依靠重力还不足以使两相澄清，例如产生了乳化现象，可考虑采用辅助助凝措施，如在澄清槽内放置丝网助凝、电破乳、使用破乳剂等。

澄清槽 在长期操作中，杂质聚集在两相界面上，需要定期排污。

箱式混和澄清槽

混合澄清槽的应用场合 1.萃取级数很少时，如单级操作，简单易行。 2.级数很多时，几十甚至几百级，分离要求 很精细，要求保证稳定的级效率。 缺点： 1.占地面积大； 2.动力消耗大（电机传动阻力）； 3.密闭性差：萃取剂挥发损失，同时污染环 境。

箱式混和澄清槽用于稀土萃取 200级MS，耀龙化工厂

喷淋塔、填料塔和筛板塔 这三种萃取塔是由常见的气液接触设备发展而来。用喷嘴实现其中一个液相（分散相）在另一个液相（连续相）中的分散，靠两相的密度差实现逆流流动。这类塔的传质效率不是很高。 通过多孔板等构件来实现液滴的分散，粒径不会太小，传质面积有限，传质系数小。 喷淋塔(sprayed column)：结构最简单，对于较易传质的体系，也有应用，但不是主流应用设备。级数低（仅几个理论级），放大时效率急剧下降。

机械搅拌塔 如果界面张力较大、两相密度差较小、液体粘度较大，单靠重力不足于使一个液相很好地分散到另一个液相中，产生足够的传质相界面和湍动。这些情况在液-液萃取中是常见的。这时，需要通过外加机械能量的方法来促进液-液分散和流体湍动，增加传质相界面，以及减少传质阻力。

对于填料塔和筛板塔，可以通过使流体脉动的方法来进行搅拌。脉动塔在核工业中得到了广泛的应用。然而，更通常的方法是采用某种形式的转动搅拌（转盘塔）或振动搅拌（振动板塔）的形式。 在1947年以前，如果要进行需要很多平衡级的萃取过程，可以选择的设备主要是混和澄清槽，这需要大量的马达、泵和复杂的管道。而各种搅拌塔的发明，使得采用结构简单、效率高而成本低的萃取设备成为可能。 转盘塔－在工作段中，等距离安装一组环板，把工作段分隔成一系列小室，每室的中心有一旋转的圆盘作为搅拌器。这些圆盘安装于主轴上，在塔外的电机驱动下转动。

Scheibel Column (I) Scheibel 塔是最早出现的机械搅拌塔之一。 无挡板，搅拌器为平叶涡轮桨。在桨叶之间的区域，塔内装有丝网填料， 防止区间返混合促进液滴的聚并和沉降。 分散－聚并－分散 设计思想： 1.增加截面更新 2.减少返混 但实际上并未达到设计思路中预想的效果。所以进行了改进。

Scheibel Column (II) II型塔是用于直径较大的萃取塔(D>1m)的经济型设计。添加了内外圈的水平环形挡板，避免近塔壁区域流体混合不充分，造成混合区液流的转向，并促进完全混合。 在高粘、高界面张力的情况下，不设置丝网。

Scheibel Column (III) Scheibel Column (III)在直径较大的塔中有应用(D>1m) ，传质效率较高。这种设计中，桨叶直径小于内圈挡板的内径，可以允许取出搅拌轴和桨叶，便于塔的检修和清洗。

Oldshue-Rushton (Mixco) Column

Rotating-Disk Contactor (RDC)，转盘塔 转盘塔操作稳定、通量大，在工业过程中得到了广泛的应用。 RDC 1950s 美国Newmann发明。和Scheibel、Oldshue－Rushton塔的年代相仿。应用最广泛。 对于RDC，应结合具体物系，进行必要的实验，确定较优的操作参数。

Asymmetric Rotating Disk Contactor(ARD) 偏心转盘塔 捷克的Micek发明，是对RDC的改进。1965年起，工业应用。 在东欧应用广泛，效果不错。 在保证足够的箭切作用的同时，由于混合和澄清区域的分割，有效的减小了返混。

Open Turbine Rotating Disc Contactor (OTRDC) 开式涡轮转盘塔 OTRDC的概念由苏元复提出，化工所在德国StiftungVolkswagenwerk FRG资助下开发。不仅提高了搅拌强度；而且除了用于液液萃取之外，也可用于固含量较高的液－固体系和液－液－固体系。

开式涡轮转盘塔是对转盘塔改进而成。主要是在转盘面向分散相流动方向的一面加上三片窄的泵式叶片，造成同一隔室内上、下部分搅拌强度的差异。其总的效果是在全塔内形成较均匀的液滴分布（较大的传质比表面）、较强的液体湍动和较小的返混。因而传质效率较转盘塔有较大的提高。

开式涡轮转盘塔与转盘塔的传质性能的比较

Kühni Column Kühni塔是基于Scheibel塔设计概念上的改进。 塔身由多孔定环分割成多层区间，在每个区间的中央，安装了封闭式涡轮桨，保证有效的循环流动。 Kühni塔在西欧得到广泛应用。 国内应用该种塔型在几个柠檬酸厂工业化应用。

Karr Reciprocating-Plate Column (RPC) Karr 式振动筛板塔 Karr发明，加拿大学者。大孔筛板（9/16 in），孔径很大，开孔面积达58%。 中小直径的Karr塔效率很高，大直径塔效率太差。 此外，施加外加能量的萃取塔还有脉动筛板塔（pulsed perforated column），在核工业中特别适用，因为全密封，没有核泄漏的危险。

RTL(Gräβer Raining Bucket )Extractor RTL 淋雨斗萃取器 设备中，液相的分散和聚并反复发生，界面更新快，传质效率高。 该设备最大时，T≧2m， L=5～6m。 分散作用较温和，减少了乳化倾向。

Centrifugal Extractor, 离心萃取机 上图为Podbielniak离心萃取机。在水平中心轴周围安装几块同心的筛孔盘，两相通过筛孔逆流运动。 离心萃取机特别适用于两相密度差很小或易乳化的物系，由于物料在机内的停留时间很短，因而也适用于化学和物理性质不稳定的物质的萃取，如从发酵液中提取青霉素等抗生素。

用于青霉素萃取的离心萃取机 一般认为理论级数为1～2级，有时还不到一个理论级。Podbielniak的级数稍多4-5级。 红霉素萃取时也采用离心萃取机。 离心萃取机的处理通量较小，萃取量较大时，需要多台离心机并联操作。

Advantages and Disadvantages of Different Extraction Equipment

根据体系物性和分离要求选择萃取设备 萃取时物性参数： 1.两相密度差：两相流动的推动力 2.界面张力：影响两相混合和分散 3.粘度：影响分散相液滴稳定性，传质系数大小