萃取过程课件

第五章

萃取过程2011年分离工程分离工程

1萃取原理

萃取分为液液萃取与固液萃取，后者也称为浸取。液-液萃取是指两个完全或部分不相溶的液相或溶液接触后，一个液相中的溶质经过物理或化学作用转移到另一液相，在两相中重新分配的过程。萃取属于分离和提纯物质的重要单元操作之一。也就是说，萃取过程是利用溶液中各组分在两个液相之间的不同分配关系，通过相间传递达到分离、富集及提纯目的。分离工程

1萃取原理

原料液相溶质A，溶剂B萃取剂相萃取剂S，稀释剂萃取设备混合分相萃余相A（S），溶剂B萃取相SA（B），稀释剂油相与水相轻相与重相萃取过程分类按照萃取过程中萃取剂与待分离物质间是否发生化学反应来分类，萃取分离可以分为物理萃取和化学萃取两大类。物理萃取是基本上不涉及化学反应的物质传递过程。它利用溶质在两种互不相溶的液相中的不同的分配关系将其分离开来（相似相溶原则）。伴有化学反应的传质过程，称为化学萃取。化学萃取的种类很多，其中有代表性的有中性络合萃取、酸性络合萃取（或螯合萃取）、离子缔合萃取、协同萃取等。2萃取操作的特点（1）液-液萃取过程分离液相混合物是基于选择的溶剂对混合液中欲萃取组分有很强的溶解能力，而与其它组分则可完全不互溶或部分互溶。（2）萃取操作过程中是液-液两相间进行物质传递。因此选用的溶剂在操作条件下必须能与原料液形成两个液相层，而且两相层必须有一定的密度差。这样两相经充分混合后，可借重力或离心力的作用进行分层。萃取操作的特点使萃取设备的构型不同与吸收、精馏操作设备。分离工程2萃取操作的特点

（3）液-液萃取中应用了相当数量的溶剂，因此必须结合后续分离过程，才能获得溶质产品和回收溶剂并将其再循环使用。故选用的溶剂要与欲萃取的溶质之间的相对挥发度要高（通常选用高沸点溶剂），这样在后继的精馏分离时较为经济合理。分离工程选择不完全互溶的萃取剂适宜的萃取设备实现混合与分相3萃取操作的适用性

（1）沸点较高的有机物水溶液，混合液浓度较低。例如以乙酸乙酯为萃取剂从稀醋酸水溶液中回收醋酸。

（2）混合物中各组分的相对挥发度很小。例如在石油工业上用二乙醇醚从重油中分离芳香烃与烷烃。（3）混合物中含热敏性物料（如药物）。例如从植物油中分离长链脂肪酸。（4）当混合液的组分形成恒沸物时。例如分离丁酮与水形成的恒沸物，可选用氯化钙卤液为萃取剂进行萃取操作。分离工程

上世纪60年代，溶剂萃取逐渐被应用于大规模的工业生产中，如石油化工中的润滑油精制、丙烷脱沥青、芳烃抽提和湿法冶金工业中的铜萃取、镍钴分离和稀土元素的分离等。由于溶剂萃取可以根据分离对象和要求选择适当的萃取剂和流程，因而它具有适应性强、选择性高和分离效果好等优点；溶剂萃取通常在常温或较低温度下进行，因而能耗低，特别适用于热敏性物质的分离；溶剂萃取易于实现逆流操作，实现连续化大规模的生产。分离工程

在萃取技术的应用中人们也发现，存在溶剂损失、二次污染、易燃、有气味等缺点，但在专家们始终不懈的努力下，溶剂萃取在不断完善中，得到了迅速的发展。在国际上，每3年举行1次国际溶剂萃取会议。自建国以来，我国召开了4次溶剂萃取会议，开展学术交流及探讨未来的发展，以求在理论、工艺及设备上有新的突破。分离工程多级错流萃取过程流程图

由于各级均加入新鲜的溶剂，萃取传质推动力大，因而萃取率高，但溶剂用量大，萃取相溶质浓度低，溶剂回收量大，费用高。分离工程三级逆流萃取过程流程图两相逆流行进，两相的组成在各级之间呈阶梯式变化。这样，离开的萃取相与刚进入萃取器的原料液（溶质浓度最高）接触，萃取相中萃取出的溶质浓度高，总的溶剂用量减少，溶剂中溶质含量较高。6萃取设备在液-液萃取过程中，两个液相的密度差小，而粘度和界面张力较大，两相的混合与分离比气-液传质过程（如吸收、精馏等）困难得多。为了使萃取过程进行得比较充分，增大相界面积，常用的工业萃取设备中，一相总是以液滴形式分散在另一相中。液滴平均直径越小相际传质表面积越大，一般来说越有利于传质。在液-液萃取过程中，液滴的分散与聚合这对矛盾显得比较突出。分离工程6萃取设备可以把液-液萃取过程看作是三个阶段的循环。（1）一相分散到另一相中，形成很大的相界面面积。（2）分散相液滴和连续相接触的一段时间内，使传质过程进行到接近平衡的程度。（3）分散相液滴聚合，两相分离并分别进入下一级或作进一步的处理（如反萃、浓缩等）。这种“分散－传质－聚合”，然后再“分散－传质－聚合”的循环对于萃取设备的性能具有重要的影响。分离工程6萃取设备液-液萃取设备内液-液流动和传质都较气-液传质设备内更为复杂。返混现象是影响传质效率的重要因素。在大型萃取设备中的返混程度远大于小型萃取设备，因而液-液萃取设备的放大设计的可靠性比气液传质设备差得多，液-液萃取设备有更大的“放大效应”。据估计，对于一些大型的工业萃取塔，大约有60%～75%的高度是用来补偿轴相混合的，轴相混合也是小型萃取塔放大到工业萃取塔时传质效率急剧下降的主要原因。分离工程

混合澄清槽是最早使用，且目前仍广泛用于工业生产的一种分级接触式萃取设备。由混合槽与澄清槽两部分组成。混合槽中常有搅拌装置，目的是使两相充分混合，以利于传质；然后在澄清槽中进行分相。分离工程混合澄清槽由于混合澄清萃取器具有结构简单、易于制造、操作灵活方便、放大可靠，对相比和流速的改变及料液组份的变化有相当强的适应能力等优点，在国内外稀有金属萃取中被普遍采用，尤其在需要级数较多的稀土分离工业上更是广泛应用。但是它存在占地面积大、溶剂存留量大、通量低、效率低等缺点。国内外相继对其结构及性能进行了研究，出现了多种改进的萃取槽，其性能得到了不断提高。减少设备体积；设法增加澄清速度；减少溶剂夹带损失。

分离工程填料萃取塔分离工程脉冲填料萃取塔普通筛板萃取塔分离工程脉冲筛板萃取塔往复筛板萃取塔离心萃取器

离心萃取器是靠强大的离心力，在离心力场中实现分相的萃取设备。由于离心力比重力大许多倍，这就形成了离心萃取器自己特有的性质，具有其它很多萃取设备没有的优点，如传质效率高、停留时间短、分相迅速、易实现自动控制等，因而适用于各种工业体系。自上个世纪30年代离心萃取器问世以来，发展迅速，已有许多种类型。分离工程致谢常用离心萃取器的结构图离心萃取器最大的优点在于能够在实现两相传质的同时实现两相的分离，而且两相的分离是靠离心力来实现的，所以可以用来分离两相密度差较小的物系。同时其物料的停留时间短，能够处理易变质的物料。由于外加了机械搅拌，其传质效率也较高。存在的不足主要在于：液体搅拌方式的不足；混合液进入转筒方式的不足；重相、轻相取出方式的不足；重相堰和轻相堰难以适应不同工况；设备加工与检修难度大。分离工程7新型萃取技术

进入20世纪80年代以后，随着生产技术的高速发展和高科技发展的迫切要求，尤其是各类产品的深度加工、生物制品的精细分离、资源的综合利用、环境治理的严格标准等都带来了更多产品分离和高纯物质提纯的任务。这些任务中，有许多属于稀溶液分离的范畴，适用于萃取技术进行操作，而且也给萃取操作带来了许多新的特点。分离工程7新型萃取技术

萃取分离与反应的结合、萃取分离与其它单元操作的结合以及对萃取分离过程的强化已经成为新型萃取分离技术发展的特点，出现了一些新型的萃取技术。液膜分离技术、超临界流体萃取技术、双水相萃取技术、膜萃取技术、反胶团萃取技术、外场强化萃取、预分散萃取、固相微萃取等是这些新型萃取分离技术的代表。分离工程7.1液膜分离技术液膜分离技术是一种快速高效和节能的新型分离方法，它是在上个世纪六十年代发展起来的。液膜分离技术与溶剂萃取过程相似，也是由萃取与反萃取两个过程构成，所不同的是在液膜分离过程中萃取与反萃取是同时完成的。液膜分离技术的传质机理与生物膜有相似之处，其传质速率极高，甚至可以实现从低浓度向高浓度的传质。分离工程7.1液膜分离技术液膜分离技术往往使分离过程所需要的级数明显减少，而且大大节省萃取试剂的消耗量。按照模型及操作方式的不同，液膜分离主要分为乳状液膜和支撑液膜两大类。目前，在广泛研究的基础上，液膜分离技术有湿法冶金、石油化工、环境保护、气体分离、生物医学等领域中，显示出广泛的应用前景

。分离工程7.2超临界流体萃取超临界流体萃取分离过程是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。当气体处于超临界状态时，成为性质介于液体和气体之间的单一相态，具有和液体相近的密度，粘度虽高于气体但明显低于液体，扩散系数为液体的10～100倍；因此对物料有较好的渗透性和较强的溶解能力，能够将物料中某些成分提取出来。

分离工程7.2超临界流体萃取的特点(1)压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数。(2)萃取和分离合二为一。(3)萃取温度低，CO2的临界温度为31.265℃。临界压力为7.18MPa，可有效地防止热敏性成分的氧化和逸散。(4)超临界CO2流体常态下是气体，无毒，完全没有溶剂的残留。(5)超临界流体的极性可以改变，一定温度条件下，只要改变压力或加入适宜的夹带剂，即可提取不同极性的物质，可选择范围广。分离工程7.2超临界流体萃取对超临界流体萃取的基础与应用研究已达到了很深入的程度。有关超临界流体萃取体系的热力学和其它性质已有较深入的了解，其数学模型和设计方法也日趋完善。已大规模应用的超临界流体萃取工业过程有丙烷脱沥青、啤酒花萃取、咖啡脱咖啡因等，另外在医药、天然产物、特种化学品种加工、环境保护及聚合物加工等方面的应用也在开发之中。分离工程7.3双水相萃取技术针对生物活性物质的提取产生与发展的。蛋白质、核酸、各种细胞器和细胞在有机溶剂中容易失活，而且大部分蛋白质分子有很强的亲水性，不能溶于有机溶剂中。该法利用高聚物的不相容性而形成双水相体系，两相的水分都占85～95%。成相的高聚物与无机盐一般都是生物相容的，生物活性物质或细胞在这种环境不仅不会失活而且还会提高它们的稳定性。双水相萃取体系正越来越多地被应用于生物技术领域。分离工程7.4膜萃取又称固定膜界面萃取，是膜过程与液-液萃取过程相结合的新的分离技术。膜萃取的传质过程是在分隔料液相和溶剂相的微孔膜表面进行的。从膜萃取的传质过程可以看出，该过程不存在液滴的分散与聚合过程，从而使得本萃取过程有着一些特殊的优势。上个世纪80年代问世，围绕传质机理、数学模型、各因素对传质的影响、两相渗透、膜萃取过程中膜器结构放大及操作条件优化等方面进行了了初步的研究。分离工程7.5外场强化萃取外场强化萃取是利用外场的作用在提高传质比表面积的同时增大了传质系数，从而强化萃取过程的分离效率的萃取过程，能强化萃取过程的外场有许多种类，主要有电场、超声波、磁场、微波和超重力场等。在外场的作用下，液-液萃取体系的传质分离过程得到强化，它能强化扩散系数，或强化两相的分散与澄清过程，从而达到提高分离效率的目的。目前研究较多的是微波萃取、电泳萃取和磁场协助溶剂萃取等。分离工程7.6反胶团溶剂萃取用于提取与分离蛋白质及酶，既能保证它们不被有机试剂破坏，又能获得高萃取率。在一些生物化工制品中，得到较为广泛的应用；也有人使用该法来分离金属元素。当水溶液中表面活性剂浓度超过—定值(称为临界胶束浓度)时，表面活性剂单体会聚集成胶束，或称之为胶团。分离工程7.6反胶团溶剂萃取胶团能稳定地溶于水中，可以使很多不溶于水的非极性物质溶解在水中。相反，如果