Principles of Chemical Engineering

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1 Principles of Chemical Engineering
《化工原理》 Principles of Chemical Engineering 任课教师：杨雪峰 Prof. Dr. Yang Xuefeng

2 第十三章 萃 取 Chapter 13 Extraction

3 概述（Introduction） 液-液萃取的基本原理
在液体混合物中加入与其不完全混溶的液体溶剂（萃取剂），形成液-液两相，利用液体混合物中各组分在两液相中溶解度的差异而达到分离的目的。也称溶剂萃取，简称萃取。 溶质：混合液中被分离出的物质，以A表示； 稀释剂（原溶剂）：混合液中的其余部分，以B表示； 萃取剂：萃取过程中加入的溶剂，以S表示。 萃取剂对溶质应有较大的溶解能力，对于稀释剂则不互溶或仅部分互溶。 液-液萃取过程的分类 按性质可分为物理萃取和化学萃取；按萃取对象可分为有机物萃取和无机物萃取。

4 液-液萃取过程举例 19世纪，用于无机物和机物的分离，如1842年用二乙醚萃取硝酸铀酰，用乙酸乙脂类的物质分离水溶液中的乙酸等。
石油化工：链烷烃与芳香烃共沸物的分离。例如用二甘醇从石脑油裂解副产汽油或重整油中萃取芳烃（尤狄克斯法—Udex process），如苯、甲苯和二甲苯。 工业废水处理：用二烷基乙酰胺脱除染料厂、炼油厂、焦化厂废水中的苯酚。 有色金属冶炼：湿法冶金中溶液分离、浓缩和净化的有效方法。例如从锌冶炼烟尘的酸浸出液中萃取鉈、铟、镓、锗，以及铌-钽、镍-钴、铀-钒体系的分离，以及核燃料的制备。 制药工业：从复杂的有机液体混合物中分离青霉素、链霉素以及维生素等。

5 萃取操作的基本流程 分级接触式 单级 按溶液与萃取 多级错流 多级逆流 剂的接触方式 微分接触式 连续接触式 单级萃取
萃取剂 Solvent 料液A+B Feed 混合澄清槽 Mixer-settler 萃取相 Extract 萃余相 Raffinate 单级萃取最多为一次平衡，故分离程度不高，只适用于溶质在萃取剂中的溶解度很大或溶质萃取率要求不高的场合。

6 特点：萃取率比较高，但萃取剂用量较大，溶剂回收处理量大，能耗较大。
多级错流萃取 萃取剂 Solvent 料液 Feed 1 2 3 N 萃余相 Raffinate 萃取相 Extract 原料液依次通过各级，新鲜溶剂则分别加入各级的混合槽中，萃取相和最后一级的萃余相分别进入溶剂回收设备，回收溶剂后的萃取相称为萃取液（用E’表示），回收溶剂后的萃余相称为萃余液（用R’表示）。 特点：萃取率比较高，但萃取剂用量较大，溶剂回收处理量大，能耗较大。

7 原料液和萃取剂依次按反方向通过各级，最终萃取相从加料一端排出，并引入溶剂回收设备中，最终萃余相从加入萃取剂的一端排出，引入溶剂回收设备中。
多级逆流萃取 料液 Feed 萃余相 Raffinate 1 2 3 N 萃取相 Extract 萃取剂 Solvent 原料液和萃取剂依次按反方向通过各级，最终萃取相从加料一端排出，并引入溶剂回收设备中，最终萃余相从加入萃取剂的一端排出，引入溶剂回收设备中。 特点：可用较少的萃取剂获得比较高的萃取率，工业上广泛采用。

8 一般为塔式设备（喷淋塔、填料塔、转盘塔、振动筛板塔等）。
微分接触式（连续接触式） 一般为塔式设备（喷淋塔、填料塔、转盘塔、振动筛板塔等）。 一液相为连续相，另一液相为分散相，分散相和连续相呈逆流流动； 两相在流动过程中进行质量传递，其浓度沿塔高呈连续微分变化； 两相的分离在塔的上下两端进行。 轻液出口 Light Liquid outlet 重液进口 Heavy liquid inlet 轻液进口 Light liquid inlet 重液出口 Heavy liquid outlet

9 萃取操作的适用范围 萃取过程本身并未完全完成分离任务，而只是将难于分离的混合物转变成易于分离的混合物，要得到纯产品并回收溶剂，必须辅以精馏（或蒸发）等操作。 萃取操作一般用于： (1) 混合液中各组分的沸点很接近或形成恒沸混合物，用一般精馏方法不经济或不能分离； (2) 混合液中含热敏性物质，受热易分解、聚合或发生其它化学变化； (3) 混合液中需分离的组分浓度很低，采用精馏方法须将大量的稀释剂汽化，能耗太大。 萃取操作是两相间的传质过程，需要研究两液相间的平衡关系和相际间的传质速率问题。

10 液-液相平衡 工业萃取过程中萃取剂与稀释剂一般为部分互溶，涉及到的是三元混合物的平衡关系，一般采用三角形坐标图来表示。 三角形坐标图
组成表示法 可用等腰直角三角形、等边三角形、不等腰直角三角形坐标图。 组分的浓度以摩尔分率，质量分率表示均可。本章中 xA、xB、xS分别表示 A、B、S 的质量分率。

11 三角形的三个顶点分别表示A、B、S三个纯组分。
组成表示法 A A 0.8 0.2 0.8 0.2 0.6 0.4 0.6 0.4 E E M 0.6 0.4 0.4 M 0.6 0.2 0.8 0.2 0.8 B S B S 0.8 0.6 0.4 0.2 0.8 0.6 0.4 0.2 三角形的三个顶点分别表示A、B、S三个纯组分。 三条边上的任一点代表某二元混合物的组成，不含第三组分。 E 点： xA =0.4， xB =0.6 三角形内任一点代表某三元混合物的组成。 M 点： xA =0.4， xB =0.3，xS =0.3

12 描述两个混合物C和D形成一个新的混合物M时，或者一个混合物M分离为C和D两个混合物时，其质量之间的关系。
物料衡算与杠杆规则 描述两个混合物C和D形成一个新的混合物M时，或者一个混合物M分离为C和D两个混合物时，其质量之间的关系。 A B S (1) M点为C与D点的和点，C点为M点与D点的差点，D点为M点与C点的差点。分点与合点在同一条直线上，分点位于合点的两边； xAC C xAM M xAD D xSD xSM xSC (2) 分量与合量的质量与直线上相应线段的长度成比例，即： CD线上不同的点代表C、D以不同质量比进行混合所得的混合物； 混合物M可分解成任意两个分量，只要这两个分量位于通过M点的直线上，在M点的两边即可。

13 物料衡算与杠杆规则 总物料衡算： A组分的衡算： S组分的衡算： C、M、D三点 必在同一直线上 CM线斜率 MD线斜率 A xAC C
B S D C M xAM xAD xSC xSM xSD C、M、D三点 必在同一直线上 A组分的衡算： S组分的衡算： CM线斜率 MD线斜率

14 三角形相图 (三元体系的液-液平衡关系) 按组分间互溶度的不同，可将三元混合液分为： (1) 溶质A可完全溶解于B及S中，而B、S不互溶；
(3) 溶质A与B完全互溶，B与S和A与S部分互溶。 萃取中(2)类物系较普遍，故主要讨论该类物系的液-液相平衡。 双结点溶解度曲线（Binodal solubility curve） 组成落在单相区的三元混合物形成一个均匀的液相； A B S 0.8 0.6 0.4 0.2 单相区 共轭相 (Conjugate phase) ：组成落在双相区的三元混合物所形成的两互成平衡的液相，其组成分别由 R 和 E 点表示； 两相区 E M R 联结线 (Tie line)：联结E、R两点的直线。

15 获取溶解度曲线的实验方法 恒温条件下，在有纯组分B的实验瓶中逐渐滴加溶剂S并不断摇动使其溶解，由于B、S仅部分互溶，S滴加到一定数量后，混合液开始发生混浊，即出现了溶剂相，得到的浓度即S在B中的饱和溶解度（图中R点）。用类似的方法可得E点。 恒温条件下，在实验瓶中加入恰当的B与S，使混合物的浓度位于RE之间（d点），滴加少许溶质A至M1点，充分混合后静置分层，取两相试样分析，得共轭相E1和R1的组成，联结R1E1线即为平衡联结线。 A B S 连接所有的E、R点即得溶解度曲线。 M1 E1 R1 R d E

16 对任何B、S的两相混合物，当加入A的量使混合液恰好变为均相的点称为混溶点。
R d1 d2 d3 d4 E 溶解度曲线上所有的点都是混溶点，既可能代表E相，也可能代表R相。

17 P点将溶解度曲线分为萃取相区域与萃余相区域。一般临界混溶点并不是溶解度曲线的最高点，其准确位置的实验测定也很困难。
临界混溶点 P（Plait point） 两个共轭相组成相同时的混溶点。 A B S P点将溶解度曲线分为萃取相区域与萃余相区域。一般临界混溶点并不是溶解度曲线的最高点，其准确位置的实验测定也很困难。 P M1 E1 R1 R d E 通常联结线不互相平行，其斜率随混合液的组成而异，一般是按同一方向缓慢地改变。 有些物系在不同浓度范围内联结线斜率方向不同，如吡啶－氯苯－水体系。

18 联结线 (Tie line)： 通常联结线不互相平行，其斜率随混合液的组成而异，一般是按同一方向缓慢地改变。 有些物系在不同浓度范围内联结线斜率方向不同，如吡啶－氯苯－水体系。

19 辅助曲线（Auxiliary curve）
实验测得的平衡联结线（即共轭相的组成数据）是有限的，对其它组成的液-液平衡数据，可以采用辅助曲线的方法获得。 方法一： 已知联结线E1R1、E2R2、E3R3、E4R4，分别从E1、E2、E3、E4点作AB平行线，与由R1、R2、R3、R4点分别作的BS平行线相交，连结各交点即得辅助曲线； A B S P E4 E3 辅助曲线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点P； R4 E2 R3 E1 R2 R1 已知共轭相中任一相的组成，可利用辅助线得出另一相的组成。

20 辅助曲线（Auxiliary curve）
方法二： 分别从E1、E2、E3、E4点引AB平行线，与分别从R1、R2、R3、R4点引出的AS平行线相交，连结各交点即得辅助曲线； A B S P E4 E3 辅助曲线延长线与溶解度曲线的交点即为临界混溶点P； R4 E2 R3 E1 R2 R1 借助辅助曲线可求出任何一对共轭相的对应点，即可由一平衡液相的组成找出对应共轭相的组成。

21 直角坐标系表示的相平衡关系 两相平衡关系也可由直角坐标系表示，用 yA 表示 A 组分在萃取相的浓度，xA 表示 A 组分在萃余相的浓度。
相律： y 分配曲线 单液相三组分体系，F = 4。温度、压强一定，两个组分浓度可自由变化，归一条件确定第三组分浓度。 P 双液相三组分体系平衡时，F = 3。温度、压强一定，F=1。 只要任一平衡相中的任一组分的组成一定，共它组分的组成及其共轭相的组成就为定值。 x 溶质在平衡两液相间的平衡关系为：

22 萃取在三角形坐标图上的表示法 在只含有组分 A 与 B 的原料液 F 中加入一定量的萃取剂 S 后，得到新的混合液 M，由杠杆规则知 F、S 和 M 之间的关系为 A B S E’max E’ Emax F M 静置分层得萃取相 E 和萃余相 R，其质量关系为 M R’ E R 从萃取相 E 中除去萃取剂 S 后得萃取液 E’； 从萃余相 R 中除去萃取剂 S 后得萃余液 R’； 单级萃取中，萃取相能达到的最大 A 组分含量为 Emax 点的组成， 对应的萃取液组成点为 E’max。

23 液-液萃取的动力学特性 液-液传质设备中，两相之间、分散的液滴间以及两相流体与设备间均存在着十分复杂的相互作用。 主要影响因素：
液滴的破碎； 液滴间的凝聚； 界面扰动； 轴向混合等。 在萃取设计中，需同时考虑相平衡关系和相际传质速率。传质速率取决于相际接触面积、传质系数和传质推动力。 一般将一相分散成液滴与另一相接触，以增加传质面积。 由于萃取设备的两相流动现象极为复杂，目前必须依靠经验和半经验的方法来处理萃取过程的设计和放大。

24 液滴的分散、凝聚、界面扰动

25 液滴的分散、凝聚、界面扰动 液液传质过程中，分散相既可以是重相，也可以是轻相。分散相的选择应考虑以下几方面：
(1) 两相体积流率相差不大时，以体积流率大的作为分散相。对同样尺寸的液滴，可以有较大的接触界面； (2) 两相体积流率相差很大时，以体积流率小的作为分散相； (3) 从安全方面考虑，应将易燃易爆的液相作为分散相； (4) 传质方向、表面张力和界面扰动的考虑： 滴内滴外：对 d/dc>0 的系统，液滴稳定性较差，容易破碎，而液膜的稳定性较好，液滴不易合并。此时形成的液滴群平均直径较小，相际接触表面较大。 滴外滴内：情况刚好相反。 根据系统性质选择好分散相，可在同样条件下获得较大的相际传质表面积，强化传质过程。 (5) 设备内件的润湿特性，一般选择不润湿内部构件的那一相为分散相。

26 液滴的传质特性 液-液萃取过程传质速率方程式为 式中：NA－萃取通量，kg/(m2·s)；
kx－以萃余相为基准的分传质系数，kg/(m2·s·x)； ky－以萃取相为基准的分传质系数，kg/(m2·s·y)； x、xi －分别为萃余相主体、界面浓度； y、yi －分别为萃取相主体、界面浓度。 式中：Ky－以萃取相为基准的总传质系数，kg/(m2·s·y)； Kx－以萃余相为基准的总传质系数，kg/(m2·s·x)； y* －与萃余相组成 x 成平衡的萃取相组成； x* －与萃取相组成 y 成平衡的萃余相组成。

27 萃取分离效果及其主要影响因素 萃取剂的选择 萃取率（提取率）E： 分配系数（Distribution coefficient）
一定温度下，A 组分在互成平衡的两液相中的浓度比 一般 kA 不为常数，而随温度、溶质 A 的浓度变化。 在 A 浓度变化不大和恒温条件下，kA 可视为常数（平衡常数 m），其值由实验测得。 注意：kA 只反映 S 对 A 的溶解能力，不反映 A、B 的分离程度。

28 萃取剂的选择 选择性系数  （Selectivity coefficient）
两相平衡时，萃取相 E 中 A、B 组成之比与萃余相 R 中 A、B 组组成之比的比值。 kA，kB  ， 。  表示 S 对 A、B 组分溶解能力差别，即 A、B 的分离程度。 kB一定：kA ， 。 kA一定：kB ， 。 选择与稀释剂互溶度小的溶剂，可增加分离效果。

29 萃取剂的选择 化学稳定性 萃取剂应不易水解和热解，耐酸、碱、盐、氧化剂或还原剂，腐蚀性小。在原子能工业中，还应具有较高的抗辐射能力。
物理性质 (1) 溶解度：萃取剂在料液相中的溶解度要小。 (2) 密度：密度差大，有利于分层，不易产生第三相和乳化现象，两液相可采用较高的相对速度逆流。 (3) 界面张力：界面张力大，有利于液滴的聚结和两相的分离；另一方面，两相难以分散混合，需要更多外加能量。由于液滴的聚结更重要，故一般选用使界面张力较大的萃取剂。 (4) 粘度：低粘度有利于两相的混合与分层，流动与传质，对萃取有利。对大粘度萃取剂，可加入其它溶剂进行调节。

30 萃取剂的选择 回收的难易 为了获得纯产品及使溶剂循环使用，必须将萃取相及萃余相中的溶剂进行回收。萃取过程中，溶剂回收是费用最多的环节。有的萃取剂虽有许多良好的性质，但因回收困难而不被采用。 溶剂回收常用的方法是蒸馏、蒸发、反萃取等。 其它因素 无毒或毒性小、无刺激性、不易燃（闪点高），难挥发（沸点高、蒸气压小）。 来源丰富，价格便宜，循环使用中损耗小。 在选择具体的萃取剂或几种溶剂组成的萃取剂时，应根据实际情况综合考虑上述因素。

31 温度对萃取过程的影响 相图上两相区的大小，不仅取决于物系本身的性质，而且与操作温度有关。一般情况下，温度上升，互溶度增加，两相区减小。温度特别高时，两相区会完全消失，致使萃取分离不能进行。 二苯基己烷 廿二烷 糠醛 0.8 0.6 0.4 0.2 甲基环戊烷 正己烷 苯胺 0.8 0.6 0.4 0.2 45 C P 80 C P 25 C 115 C 34.5 C 140 C 45 C

32 理论级：离开萃取器的萃取相与萃余相互成平衡。 对分级式萃取过程，可先求出所需理论级数，然后由基于质量传递速度的级效率确定所需的实际级数。
萃取过程的计算 理论级：离开萃取器的萃取相与萃余相互成平衡。 对分级式萃取过程，可先求出所需理论级数，然后由基于质量传递速度的级效率确定所需的实际级数。 由相际传质所产生的热效应较小，可视为等温过程。 单级萃取的计算 脱除 S 萃取剂 S, yS 料液 F, xF 萃取液 E’, y’E 萃取相 E, yE 萃余液 R’, x’R 萃余相 R, xR 脱除 S 计算任务：给定 F、xF、yS、xR（或x’R）等条件，根据相平衡数据和物料衡算求出 S，E、yE、E’、y’E。

33 单级萃取可间歇或连续操作。计算方法有解析法和图解法。
单级萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶 单级萃取可间歇或连续操作。计算方法有解析法和图解法。 图解法 根据平衡数据作出溶解度曲线及辅助线。 A B S 单级萃取图解法 已知 xF, 在 AB 边上定出 F 点，由萃取剂组成确定 S0 点。联结 FS0，代表原料液与萃取剂的混合液 M 点必在 FS0 线上。 E’ F E M R S0 R’ 由 xR（或 xR’）定出 R 点（若知 R’ 点，连 SR’ 线与溶解度曲线的交点即为 R 点）。再由 R 点利用辅助曲线求出 E 点，则 RE 与 F S0 线的交点即为混合液的组成点 M。

34 yE、xM、xR 、x’R、y’E可由相图读出。
单级萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶 根据杠杆法则 A B S R E E’ R’ F M 单级萃取图解法 S0 —— 溶剂比 yE、xM、xR 、x’R、y’E可由相图读出。

35 单级萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶 最小溶剂用量和最大溶剂用量 萃取只能在分层区内进行。 对单级萃取，原料量 F 及组成一定：
D点：最小溶剂用量，Smin A B S 单级萃取图解法 G点：最大溶剂用量，Smax F D E 萃取操作S应满足下列条件： M R G S0

36 单级萃取的计算：萃取剂与稀释剂完全不互溶体系
适用于萃取剂与稀释剂互溶度很小，且在操作范围内溶质组分对 B、S 的互溶度又无明显影响的体系。 计算与吸收相似。 比质量分率 Y (kgA/kgS) 和 X (kgA/kgB)表示的平衡关系为： 分配曲线 Y1 -B/S 单级系统的物料衡算： Y0 X1 XF —— 单级萃取操作的操作线方程

37 多级错流萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶
单级萃取分离程度有限，可采用多级萃取进一步降低萃余相中溶质的浓度。多级错流的计算只是单级的多次重复。 设各级萃取剂用量均为S0 萃取剂 S, yS 料液 F, xF R1 R2 R3 Rn-1 Rn M1 M2 M3 Mn 萃余相 Raffinate 萃取相 Extract E1 E2 E3 En 第一级：F+S0  M1，M1  E1+R1（平衡相） 第二级：R1+S0  M2，M2  E2+R2（平衡相） 第三级：R2+S0  M3，M3  E3+R3（平衡相） 依次计算，直到萃余相中溶质的浓度等于或小于所要求的浓度为止，标绘的联结线数目即为理论级数。

38 多级错流萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶
图解 A B S 多级错流萃取图解法 M1( F S0 上) F E1 M2(R1S0 上) R1 E2 M1 E3 R2 M2 S0 R3 M3 M3(R2S0 上)

39 多级错流萃取的计算：萃取剂与稀释剂完全不互溶体系
由平衡数据绘出 X~Y 平衡曲线，由每一级物料衡算得出操作线，直到第 n 级萃余相中的浓度 XR 满足要求为止。 平衡关系： Y*= f (X) Y1 任一级系统的物料衡算： Y2 -B/S1 -B/S2 Y3 -B/S3 Y0 X3 X2 X1 XF ——操作线方程

40 多级逆流萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶
萃余相 料液 F, xF R1 R2 R3 Rn-1 Rn M1 M2 M3 Mn E1 E2 E3 E4 En 萃取剂 S, yS 萃取相 物料衡算 i = 1 F + E2 = R1 + E 或 F - E1 = R1 - E2 i = 2 F + E3 = R2 + E 或 F - E1 = R2 - E3 i = n F + S = Rn + E 或 F - E1 = Rn - S F - E1 = R1 - E2 = R2 - E3 = ．．．= Rn-1 - En = Rn - S = Δ 每一级的 “净流量” 离开每级的 R 与进入该级的 E 流量之差为一常数  。 >0 ，流动方向与 R 相同， <0 ，流动方向与 E 相同。

41 多级逆流萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶
三角形相图上的图解方法 F + S = M = E1 + Rn 由给定的 F、S 和 Rn 可得出 E1 F - E1 = R1 - E2 = R2 - E3 = R3 - E4 ．．．= Rn-1 - En = Rn- S = Δ A B S 多级逆流萃取图解法 E1 F E2 R1 E3  R2 M R3 E4 S0 Rn R4 注意：M1 M2  M3  M4 ···  M

42 多级逆流萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶
直角坐标图上的图解方法 Rm-1 , xm-1 Rm Rn-1 Rn , xn m n Em , ym Em-1 En S0, yS 对A组分作物料衡算： —— 操作线方程

43 多级逆流萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶
操作线的作法 A B S 多级逆流萃取图解法 E1 F Em  Rm-1 M S0 Rn (1) 确定 Rn 及 E1 点，由 E1F 线与 S0Rn 线确定点 。 (2) 在 FE1 及 RnS0 两线间，过  点作任意操作线与溶解度曲线相交于 Rm-1 与 Em，得操作线上一点（xm-1、ym），重复上述步骤可得操作线。

44 多级逆流萃取的计算：萃取剂与稀释剂部分互溶
理论级数 y (1) 由平衡数据绘出分配曲线；由操作线数据画操作线。 分配曲线 N y1 P (2) 在分配曲线与操作线之间，从点 N (xF，y1)开始画梯级，直至某一梯级所指萃余相组成 x ≤ xn 为止，所绘的梯级数即为萃取所需的理论级数。 ym 操作线 yS xn xm-1 xF x

45 多级逆流萃取的计算：萃取剂与稀释剂不互溶
物料衡算 B , XF B B B , Xm 1 m S , Y1 S S S, Ym+1 —— 操作线方程 式中：XF —— 料液中溶质 A 的浓度，kgA/kgB； Y1 —— 最终萃取相 E1 中溶质 A 的浓度，kgA/kgS； Xm —— 离开 m 级萃取相中溶质 A 的浓度，kgA/kgB; Ym+1 —— 进入 m 级萃取相中溶质 A 的浓度，kgA/kgS; B —— 原料液中纯稀释剂的流量，kg/h; S —— 原始萃取剂组分纯 S 的流量，kg/h。

46 多级逆流萃取的计算：萃取剂与稀释剂不互溶
理论级数 在Y－X坐标图上作出分配曲线及操作线，然后在此两线间作梯级便可得到所需的理论级数。 Y 分配曲线 Y1 N Y2 操作线 YS Xn X2 XF X

47 溶剂比对逆流萃取理论级数的影响 稀释剂与萃取剂不互溶物系 操作线斜率：B/S 溶剂比：S/F
Y 分配曲线 (B/S)max B/S增加，操作线向分配曲线靠近，完成同样分离任务所需的理论级数增加。 Y2 (B/S)2 Y1 (B/S)1 操作线与分配曲线相交，所需理论级数 ∞。 (B/S)max(S/F)min YS 萃取操作的实际溶剂比 (S/F)＞(S/F)min 。 Xn XF X

48 溶剂比对逆流萃取理论级数的影响 稀释剂与萃取剂部分互溶物系
在三角形坐标图上求理论级数，操作点  的位置与溶剂比有关，也反映了要完成分离任务所需理论级数的多少。 A B S 多级逆流萃取图解法 E1 E1 F 1 M2 M1 S0 Rn 2

49 溶剂比对逆流萃取理论级数的影响 稀释剂与萃取剂部分互溶物系
在三角形坐标图上求理论级数，操作点  的位置与溶剂比有关，也反映了要完成分离任务所需理论级数的多少。 A B S 多级逆流萃取图解法 F E1 M1 E1 Rn M2 1 S0 2

50 溶剂比对逆流萃取理论级数的影响 B 与 S 部分互溶物系的最小溶剂比 (S/F)min
操作线与平衡线的切点 e 既在平衡线上，又在操作线上。 在三角形相图中，(S/F)min对应的操作线与平衡联结线重合。 利用杠杆规则可求出最小溶剂比 (S/F)min 。 y 分配曲线 y1 N P e 操作线 yS xn xF x

51 微分接触式逆流萃取 塔式萃取设备一般为逆流微分接触式，两相在塔内连续接触传质，浓度沿塔高连续变化。
塔径：取决于两液相的流量与塔中两相适宜的流速。 塔高：理论级当量高度法和传质单元法 。 理论级当量高度法 理论级当量高度：两相逆流时，分离效果相当于一个理论级的萃取段高度，以 HETS 表示。 若已知逆流萃取所需要的理论级数 NT，则塔高 H 为： HETS 反映的是萃取的传质效果。塔效率愈高，HETS愈小。 NT 反映的是萃取分离要求的高低和分离的难易程度。 HETS 与物系的物性、浓度、流量及塔型有关，需在相似条件下进行实验确定。

52 微分接触式逆流萃取 传质单元法 萃取相 E, y 经过逆流萃取塔中微元段 dH 后变为E+dE, y+dy。
以微元段为控制体，对溶质组分作物料衡算有： E, y dH E+dE, y+dy 式中：E－萃取相的流量，kg/h、或kg/s； a－单位塔体积的传质面积，m2/m3； －塔截面积，m2； Ky－以萃取相组成为推动力的总传质系数，kg/(m2·h·y)； y*－与萃余相组成x呈平衡的萃取相组成，质量分率。

53 传质单元法 上式中 E、Ky 都是 y 的函数，积分比较困难。 设 E 相中溶质总量为 EA，非溶质部分总量为 EBS，且 EBS 变化不大，则 传质单元高度 传质单元数

54 回流萃取 （Reflux extraction）
萃取相 溶 剂 回 收 萃取相 增浓段 回流 萃取液 萃 取 塔 原料 萃余相 提纯段 溶剂 萃余相

55 超临界萃取 （supercritical fluid extraction）
以接近或超过临界点的低温、高压、高密度气体作为溶剂，从液体或固体中萃取所需组分，然后采用等压变温或等温变压等方法，将溶质与溶剂分离的单元操作。 超临界萃取的基本原理 超临界流体的 p-V-T 性质 超临界流体：状态在临界温度与临界压力以上的流体。 常用的超临界流体：二氧化碳、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和氨、正戊烷、甲苯等。

56 超临界流体的密度接近于液体，黏度接近于气体，扩散系数在气体和液体之间，比液体大100倍左右。
超临界萃取的基本原理 超临界流体的基本性质 物性 气体 (常温、常压) 超临界流体 液体 Tc , pc Tc , 4pc 密度/(kgm-3) 2~6 200~500 400~900 600~1600 黏度105/(Pas) 1~3 3~9 20~300 扩散系数104/(m2 s-1) 0.1~0.4 0.7 10-3 0.2 10-3 (0.2~2) 10-5 超临界流体的密度接近于液体，黏度接近于气体，扩散系数在气体和液体之间，比液体大100倍左右。 超临界流体具有与液体相近的溶解能力，同时其传质速率远大于液体溶剂并能很快达到萃取平衡。

57 超临界流体的溶解能力与密度接有关，其关系如下：
超临界萃取的基本原理 超临界流体的溶解能力 超临界流体的溶解能力与密度接有关，其关系如下： 式中 k 和 m 的数值与超临界流体及被萃取物质的化学性质有关。一般 k 为正值，即密度越大、溶解能力越大。 1) 甘氨酸 2) 弗朗鼠李甙 3) 大黄素 4) 对羟基苯甲酸 5) 1,8-二羟基蒽醌 6) 水杨酸 7) 苯甲酸

58 超临界萃取主要由萃取阶段和分离阶段两部分组成。
超临界萃取的典型流程 超临界萃取主要由萃取阶段和分离阶段两部分组成。 等温变压流程 P 膨胀阀 T1 P T2 分离 器 萃 取 器 压缩机 利用不同压力下超临界流体萃取能力（溶解度）的差异，通过改变压力使溶质与超临界流体分离。 特点：T1= T2，p1> p2

59 利用不同温度下超临界流体萃取能力（溶解度）的差异，通过改变温度使溶质与超临界流体分离。 特点：T1< T2，p1= p2
超临界萃取的典型流程 等压变温流程 加热器 P T1 P T2 分离 器 萃 取 器 泵 利用不同温度下超临界流体萃取能力（溶解度）的差异，通过改变温度使溶质与超临界流体分离。 特点：T1< T2，p1= p2

60 在分离器内放置仅吸附溶质而不吸超临界流体的吸附剂，通过吸附过程来达到溶质与超临界流体分离的目的。 特点：T1= T2，p1= p2
超临界萃取的典型流程 等温等压吸附流程 P T1 P T2 分 离 器 萃 取 器 吸收剂 吸附剂 泵 在分离器内放置仅吸附溶质而不吸超临界流体的吸附剂，通过吸附过程来达到溶质与超临界流体分离的目的。 特点：T1= T2，p1= p2

61 超临界萃取的特点 超临界萃取在溶解能力、传质性能以及溶剂回收方面有突出的优点，主要表现在： 超临界流体的密度与溶解能力接近于液体，而又保持了气体的传递特性，故传质速率高，可更快达到萃取平衡； 操作条件接近临界点，压力、温度的微小变化都可改变超临界流体的密度与溶解能力，故溶质与溶剂的分离容易，费用低； 超临界萃取具有萃取和精馏的双重特性，可分离难分离物质； 超临界流体一般具有化学性质稳定、无毒无腐蚀性、萃取操作温度不高等特点，故特别适用于医药、食品等工业； 超临界萃取一般在高压下进行，设备投资较大。

62 超临界萃取在石油残渣中油品的回收、咖啡豆中脱除咖啡因、啤酒花中有效成分的提取等过程中已成功地应用于大规模生产。
超临界萃取的应用实例 超临界萃取在石油残渣中油品的回收、咖啡豆中脱除咖啡因、啤酒花中有效成分的提取等过程中已成功地应用于大规模生产。 超临界CO2分离提取天然产物中的有效成分 超临界CO2萃取操作温度较低，能避免天然产物中有效成分的分解。可用于 咖 啡 豆 水洗塔 精馏塔 CO2 + 咖啡因 咖啡因 CO2 (90oC, 16~22MPa) 脱气罐 水 咖啡豆中脱除咖啡因 名贵香花中提取精油 啤酒花及胡椒等物料中提取香味成分或香精 大豆中提取豆油等

63 许多反应产物中有效成分的浓度很低，用精馏或蒸发进行浓缩的能耗很大。用超临界CO2萃取可将有机物从水相转入CO2相，以达到节能的目的。
超临界萃取的应用实例 稀水溶液中有机物的分离 许多反应产物中有效成分的浓度很低，用精馏或蒸发进行浓缩的能耗很大。用超临界CO2萃取可将有机物从水相转入CO2相，以达到节能的目的。 超临界萃取在生化工程中的应用 补充CO2 再 生 器 压缩机 吸附质 换热器 用超临界CO2萃取氨基酸、去除链霉素生产中的甲醇等有机溶剂以及从单细胞蛋白游离物中提取脂类等。 活性炭的再生 用超临界CO2萃取法可解决传统的高温再生或化学再生中存在的高费用、吸附剂损失以及二次污染等问题。

64 液-液萃取设备 液-液萃取设备必须同时满足两相的充分接触（传质）和较完全的分离。液-液两相间密度差小，界面张力不大，为了提高萃取设备的效率，通常要补给能量，如搅拌、脉冲、振动等。 萃取设备的分类 产生分散相的动力 微分接触式 逐级接触式 重力差 喷啉塔、填料塔 筛板塔、流动混合器 机械搅拌 转盘萃取塔、搅拌萃取塔、振动筛板塔 混合澄清器 脉冲 脉冲填料塔、脉冲筛板塔  脉冲混合澄清器 离心力作用 连续式离心萃取器 逐级式离心萃取器

65 常见工业萃取设备 逐级接触式萃取设备：混合澄清槽

66 常见工业萃取设备 筛板塔

67 常见工业萃取设备 振动筛板塔

68 常见工业萃取设备 转盘塔（RDC）

69 常见工业萃取设备 不对称转盘塔（偏心转盘塔）
1 - 转盘；2 - 横向水平挡板；3 - 混合区； 4 - 澄清区；5 - 环形分割板；6 - 垂直挡板 既保持了转盘塔结构简单、传质效率高、生产能力大等特点，分开的澄清区可使分散相液滴反复进行凝聚-再分散，减小轴向混合，提高萃取效率。

70 常见工业萃取设备 翻斗式萃取器

71 常见工业萃取设备 静态混合器

72 常见工业萃取设备 单级离心萃取器

73 常见工业萃取设备 芦威（Luwesta）式离心萃取器

74 常见工业萃取设备 波德（Podebielniak）式离心萃取器

75 常见工业萃取设备 离心萃取器

76 常见工业萃取设备 离心萃取器

77 常见工业萃取设备 离心萃取器

78 常见工业萃取设备 液泛现象

79 萃取设备的选择 不同的萃取设备有各自的特点。设计时应根据萃取体系的物理化学性质、处理量、萃取要求及其它因素进行选择。
(1) 物系的稳定性和停留时间：要求停留时间短可选择离心萃取器，停留时间长可选用混和澄清器。 (2) 所需理论级数：所需理论级数多时，应选择传质效率高的萃取塔，如所需理论级数少，可采用结构与操作比较简单的设备。 (3) 处理量：处理量大可选用混合澄清器、转盘塔和筛板塔，处理量小可选用填料塔等。 (4) 系统物性：易乳化、密度差小的物系宜选用离心萃取设备；有固体悬浮物的物系可选用转盘塔或混和澄清器；腐蚀性强的物系宜选用结构简单的填料塔；放射性物系可选用脉冲塔。 (5) 厂房条件：面积大的厂房可选用混合澄清器；面积小、但高度不受限制的厂房可选用塔式设备。 (6) 费用：设备的一次性投资和维护。 (7) 经验：对特定设备的实际生产经验。