化工原理第十二章 萃取
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通常，很难找到能同时满足上述所有要求的 萃取剂，这就需要根据实际情况加以权衡，以保 证满足主要要求。
2019/9/15
第二节
萃取过程的流 程与计算
12.2.1 单级萃取 12.2.2 多级错流萃取 12.2.3 多级逆流萃取 12.2.4 连续接触逆流萃取
2019/9/15
萃取理论级：原料液与萃取剂在混合 器中经充分的液液相际接触传质，然后 在澄清器中分层得到相互平衡的萃取相E 和萃余相R的过程。【类似理论板】
单级萃取的操作线方程
B Y S (X XF)
Y
E1 Y1
B S
2019/9/15
X1
XF X
12.2.2 多级错流萃取
一、多级错流接触萃取的流程
2019/9/15
图中每个圆圈代表一个理论级，主要 包括以下两个部分：
（1）原料液与萃取剂进行充分接触传 质的混合器；
（2）混合液进行机械分离的分层器。
(4) 重复2和3得方法的方法，直至第N级萃余相 RN浓度符合要求。
2019/9/15
2、萃取剂和原溶剂不互溶的体系
(1)直角坐标图解法（分配曲线为曲线的情况） 每一个萃取级中溶质物料衡算
总物料：F S E R M 溶质A：FxF.A SyS.A RxR.A EyE.A 溶剂S : SyS.S RxR.S EyE.S 注意 : 若S为纯溶剂，则yS.A 0, yS.S 1.
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2、萃取剂与原溶剂不互溶的体系
萃取相中溶质A的浓度
2019/9/15
12.1 萃取的基本概念
12.1.1 萃取操作过程及应用
在液体混合物（原料液）中加入一个与 其基本不相混溶的液体作为溶剂，造成第二 相，利用原料液中各组分在两个液相中的溶 解度不同而使原料液混合物得以分离的操作 称为萃取。选用的溶剂称为萃取剂，以S表示； 原料液中易溶于S的组分，称为溶质，以A表 示；难溶于S的组分称为原溶剂（或稀释剂）， 以B表示。
2019/9/15
12.1.6 萃取剂的选择
选择合适的萃取剂是保证萃取操作能够正常进行 且经济合理的关键。萃取剂的选择主要考虑以下因素。
1 萃取剂的选择性及选择性系数
萃取剂的选择性是指萃取剂S对原料液中两个组分 溶解能力的差异。若S对溶质A的溶解能力比对原溶剂B 的溶解能力大得多，即萃取相中 yA比 yB大得多，萃余相 中 xB 比 xA大得多，那么这种萃取剂的选择性就好。
yA f (xA) y A ——萃取相E中组分A的质量分数； x A ——萃余相R中组分A的质量分数。
此即分配曲线的数学表达式。
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2019/9/15
B、S部分互溶时的分配曲线
12.1.5 温度对相平衡的影响
对同一物系，当 温度降低时，S与B的 互溶度减小，即两相 区增加，对萃取有利， 如右图所示；但另一 方面，温度降低时会 使溶液的粘度增加， 不利于两相间的分散 混合和分离，因此萃 取操作温度应作适当 的选择。
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。
2019/9/15
联结线的斜率＞0 联结线的斜率为0
kA＞1，yA＞xA
kA =1，yA=xA
kA值愈大，萃取分离的效果愈好。
2019/9/15
联结线的斜率＜0
kA＜1， yA＜xA
2 分配曲线
由相律可知，温度、压力一定时，三组分体系两液相 呈平衡时，自由度为1。故只要已知任一平衡液相中的任 一组分的组成，则其它组分的组成及其共轭相的组成就为 确定值。换言之，温度、压力一定时，溶质在两平衡液相 间的平衡关系可表示为
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二、多级错流萃取的计算
1、萃取剂和原溶剂部分互溶的体系 采用三角形相图求解
2019/9/15
(1) 按第1级原料液萃取剂得量和组成，确定第1 级混合也得量和组成，得点M1
(2) 过点M1作联结线得经第一级萃取后得萃取相 E1和萃余相R;
(3) 按第2级进了R1及萃取剂得量和组成确定第2 级混合液得梁河组成，得点M2；
萃取剂的选择性可用选择性系数 表示，其定义
式为 yA / yB yA / xA kA
xA / xB yB / xB kB
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2 影响分层的因素 为使两相在萃取器中能较快的分层，要求萃
取剂与被分离混合物有较大的密度差，特别是对 没有外加能量的设备，较大的密度差可加速分层， 提高设备的生产能力。
多级错流萃取流程既可用于间歇操作， 也可用于连续操作。
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多级错流萃取的特点：
萃取操作中，每一级都加入新鲜的萃取剂， 前一级的萃余相为后级的原料液，这种方式 传质推动力大，可得到溶质组成很低的萃余 相，但是溶剂的用量较大。适用于分配系数 较大或萃取剂为水无需回收等情况。
实验表明，相同总量的萃取剂以每级加 入的量相等时萃取效果最好。后续的加料方 式均为等量加入。
Y
(A)kg (S )kg
萃余相中溶质A 的浓度 X ( A)kg (B)kg
BX F SY0 SYE BX R
S(Y0 YE ) B(X R X F )
YE
B S
(
Xቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
F
X R ) Y0
Y0
B S
(
X
R
XF)
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当萃取剂为纯溶剂时，Y0=0
应用理论级的概念是为了便于对过程 的分析。设计时，先求出所需的理论级 数，再根据经验得出的级效率求实际的 萃取级数。【类似板效率】
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12.2.1 单极萃取
一、单极萃取的流程
原料液F
xF
萃取剂S
ys
萃余相R
xR
萃取相E
yE
二、单级萃取的计算
1、萃取剂与原溶剂部分互溶的体系
2019/9/15
2019/9/15
分配系数kA表达了溶质在两个平衡液相中 的分配关系。显然， kA值愈大，萃取分离的 效果愈好。
不同物系具有不同的kA值； 同一物系， 其值随温度和组成而变。如第Ⅰ类物系，一般 kA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， kA值才可视为常数。对于S与B部分互溶的物系， kA值随着联结线的斜率而变化。
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萃取在工业中的应用：
(1)液液萃取在石油化工中的应用
eg.用酯类溶剂萃取乙酸，用丙烷萃取润滑油中的石蜡
(2)在生物化工和精细化工中的应用
eg.以醋酸丁酯为溶剂萃取含青霉素的发酵液 香料工业中用正丙醇从亚硫酸纸浆废水中提取香兰素
(3)湿法冶金中的应用 eg.用螯合萃取剂从铜的浸取液中提取铜
分离。萃取剂回收的难易直接影响萃取操作的费 用，从而在很大程度上决定萃取过程的经济性。 因此，要求萃取剂S与原料液中的组分的相对挥发 度要大，不应形成恒沸物，并且最好是组成低的 组分为易挥发组分。若被萃取的溶质不挥发或挥 发度很低时，则要求S的汽化热要小，以节省能耗。 4 萃取剂的其它物性
萃取剂应具有的一般工业要求：化学稳定性 和热稳定性，对设备的腐蚀性要小，黏度小，蒸 汽压低，无毒， 不易燃易爆，来源充分，价格低 廉等。
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12.1.2 三角形相图及杠杆规则
1 三角形相图 三角形相图通常有正三角形相图、直角三角形相
图，如图所示。
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图12-2 三角形相图
2 杠杆规则
如图所示，将质量为r kg、 组成为 xA、xB 、 xS 的混合 物系R与质量为e kg、组成 为 y A 、yB 、yS ，的混合物系E 相混合，得到一个质量为m kg、组成为 zA 、z B 、z S 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。
第十二章 萃取
Solvent Extraction
12.1 萃取的基本概念 12.2 萃取过程的流程和计算 12.3 萃取设备
2019/9/15
第一节
萃取的基本概念
12.1.1 萃取操作过程及应用 12.1.2 三角形相图及杠杆规则 12.1.3 三角形相图中的
相平衡关系 12.1.4 分配系数与分配曲线 12.1.5 温度对相平衡的影响 12.1.6 萃取剂的选择
2019/9/15
一般地，在下列情况下采用萃取方法更为有利。 （1） 原料液中各组分间的沸点非常接近，也即组
分间的相对挥发度接近于1，若采用蒸馏方法很 不经济； （2） 料液在蒸馏时形成恒沸物，用普通蒸馏方法 不能达到所需的纯度； （3） 原料液中需分离的组分含量很低且为难挥发 组分，若采用蒸馏方法须将大量稀释剂汽化， 能耗较大； （4） 原料液中需分离的组分是热敏性物质，蒸馏 时易于分解、聚合或发生其它变化。
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12.1.4分配系数和分配曲线
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 k 表示，
即溶质A 组分B
式中
kA
yA xA
kB
yB xB
y A 、yB ——萃取相E中组分A、B的质量分数
x A 、xB ——萃余相R中组分A、B的质量分数
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图12-1 萃取操作示意图
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
①溶质A可完全溶于B及S，但B与S不互溶； ②溶质A可完全溶于B及S，但B与S部分互溶； ③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①、②两种情况的物系称为第Ⅰ类物 系，而将③情况的物系称为第Ⅱ类物系。工业上常 见的第Ⅰ类物系有丙酮(A)–水(B)–甲基异丁基酮(S)、 醋酸(A)–水(B)–苯(S) 等；第Ⅱ类物系有苯乙烯(A)– 乙苯(B)–二甘醇(S)等。在萃取操作中，第Ⅰ类物系 较为常见，本章主要讨论第Ⅰ类物系物系的相平衡 关系。
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。
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12.1.3三角形相图中的相平衡关系
1 溶解度曲线、联结线、临界混溶点
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图12-4 溶解度曲线
溶解度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。显然萃取操作只能在两相区内进 行。
（1）图解计算法
E’
F S M S MF
F MS
R E M R ME
E MR E' E S,R' R S
F● D R’ ● R
E'R' F E' FR' R' FE'
M
E G
Smin
F
FD DS
Smax
F
GF GS
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（2）解析计算法
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图12-3
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：E相与R相的量与线段 长a、b 之间的关系符合杠杆原理，即，
E xA zA a R zA yA b
位于两相区内的混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，
临界混溶点是在一定溶质含量下两共轭 相变为一相的临界点，其位置一般并不在 溶解度曲线的最高点，常偏于曲线的一侧， 将溶解度曲线分为左右两支。
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2 辅助曲线—平衡联结线的内插
一定温度下，三 元物系的溶解度曲线 和联结线是根据实验 数据而标绘的，使用 时若要求与已知相成 平衡的另一相的数据， 常借助辅助曲线求得。
两液相间的界面张力对萃取操作具有重要影 响。萃取物系的界面张力较大时，分散相液滴易 聚结，有利于分层，但界面张力过大，则液体不 易分散，难以使两相充分混合，反而使萃取效果 降低。界面张力过小，虽然液体容易分散，但易 产生乳化现象，使两相较难分离，因之，界面张 力要适中。
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3 萃取剂回收的难易 萃取后的E相和R相，通常以蒸馏的方法进行
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图12-5 辅助曲线
辅助曲线的作法：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。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。
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第二节
萃取过程的流 程与计算
12.2.1 单级萃取 12.2.2 多级错流萃取 12.2.3 多级逆流萃取 12.2.4 连续接触逆流萃取
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萃取理论级：原料液与萃取剂在混合 器中经充分的液液相际接触传质，然后 在澄清器中分层得到相互平衡的萃取相E 和萃余相R的过程。【类似理论板】
单级萃取的操作线方程
B Y S (X XF)
Y
E1 Y1
B S
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X1
XF X
12.2.2 多级错流萃取
一、多级错流接触萃取的流程
2019/9/15
图中每个圆圈代表一个理论级，主要 包括以下两个部分：
（1）原料液与萃取剂进行充分接触传 质的混合器；
（2）混合液进行机械分离的分层器。
(4) 重复2和3得方法的方法，直至第N级萃余相 RN浓度符合要求。
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2、萃取剂和原溶剂不互溶的体系
(1)直角坐标图解法（分配曲线为曲线的情况） 每一个萃取级中溶质物料衡算
总物料：F S E R M 溶质A：FxF.A SyS.A RxR.A EyE.A 溶剂S : SyS.S RxR.S EyE.S 注意 : 若S为纯溶剂，则yS.A 0, yS.S 1.
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2、萃取剂与原溶剂不互溶的体系
萃取相中溶质A的浓度
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12.1 萃取的基本概念
12.1.1 萃取操作过程及应用
在液体混合物（原料液）中加入一个与 其基本不相混溶的液体作为溶剂，造成第二 相，利用原料液中各组分在两个液相中的溶 解度不同而使原料液混合物得以分离的操作 称为萃取。选用的溶剂称为萃取剂，以S表示； 原料液中易溶于S的组分，称为溶质，以A表 示；难溶于S的组分称为原溶剂（或稀释剂）， 以B表示。
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12.1.6 萃取剂的选择
选择合适的萃取剂是保证萃取操作能够正常进行 且经济合理的关键。萃取剂的选择主要考虑以下因素。
1 萃取剂的选择性及选择性系数
萃取剂的选择性是指萃取剂S对原料液中两个组分 溶解能力的差异。若S对溶质A的溶解能力比对原溶剂B 的溶解能力大得多，即萃取相中 yA比 yB大得多，萃余相 中 xB 比 xA大得多，那么这种萃取剂的选择性就好。
yA f (xA) y A ——萃取相E中组分A的质量分数； x A ——萃余相R中组分A的质量分数。
此即分配曲线的数学表达式。
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B、S部分互溶时的分配曲线
12.1.5 温度对相平衡的影响
对同一物系，当 温度降低时，S与B的 互溶度减小，即两相 区增加，对萃取有利， 如右图所示；但另一 方面，温度降低时会 使溶液的粘度增加， 不利于两相间的分散 混合和分离，因此萃 取操作温度应作适当 的选择。
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。
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联结线的斜率＞0 联结线的斜率为0
kA＞1，yA＞xA
kA =1，yA=xA
kA值愈大，萃取分离的效果愈好。
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联结线的斜率＜0
kA＜1， yA＜xA
2 分配曲线
由相律可知，温度、压力一定时，三组分体系两液相 呈平衡时，自由度为1。故只要已知任一平衡液相中的任 一组分的组成，则其它组分的组成及其共轭相的组成就为 确定值。换言之，温度、压力一定时，溶质在两平衡液相 间的平衡关系可表示为
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二、多级错流萃取的计算
1、萃取剂和原溶剂部分互溶的体系 采用三角形相图求解
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(1) 按第1级原料液萃取剂得量和组成，确定第1 级混合也得量和组成，得点M1
(2) 过点M1作联结线得经第一级萃取后得萃取相 E1和萃余相R;
(3) 按第2级进了R1及萃取剂得量和组成确定第2 级混合液得梁河组成，得点M2；
萃取剂的选择性可用选择性系数 表示，其定义
式为 yA / yB yA / xA kA
xA / xB yB / xB kB
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2 影响分层的因素 为使两相在萃取器中能较快的分层，要求萃
取剂与被分离混合物有较大的密度差，特别是对 没有外加能量的设备，较大的密度差可加速分层， 提高设备的生产能力。
多级错流萃取流程既可用于间歇操作， 也可用于连续操作。
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多级错流萃取的特点：
萃取操作中，每一级都加入新鲜的萃取剂， 前一级的萃余相为后级的原料液，这种方式 传质推动力大，可得到溶质组成很低的萃余 相，但是溶剂的用量较大。适用于分配系数 较大或萃取剂为水无需回收等情况。
实验表明，相同总量的萃取剂以每级加 入的量相等时萃取效果最好。后续的加料方 式均为等量加入。
Y
(A)kg (S )kg
萃余相中溶质A 的浓度 X ( A)kg (B)kg
BX F SY0 SYE BX R
S(Y0 YE ) B(X R X F )
YE
B S
(
Xቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
F
X R ) Y0
Y0
B S
(
X
R
XF)
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当萃取剂为纯溶剂时，Y0=0
应用理论级的概念是为了便于对过程 的分析。设计时，先求出所需的理论级 数，再根据经验得出的级效率求实际的 萃取级数。【类似板效率】
2019/9/15
12.2.1 单极萃取
一、单极萃取的流程
原料液F
xF
萃取剂S
ys
萃余相R
xR
萃取相E
yE
二、单级萃取的计算
1、萃取剂与原溶剂部分互溶的体系
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分配系数kA表达了溶质在两个平衡液相中 的分配关系。显然， kA值愈大，萃取分离的 效果愈好。
不同物系具有不同的kA值； 同一物系， 其值随温度和组成而变。如第Ⅰ类物系，一般 kA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， kA值才可视为常数。对于S与B部分互溶的物系， kA值随着联结线的斜率而变化。
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萃取在工业中的应用：
(1)液液萃取在石油化工中的应用
eg.用酯类溶剂萃取乙酸，用丙烷萃取润滑油中的石蜡
(2)在生物化工和精细化工中的应用
eg.以醋酸丁酯为溶剂萃取含青霉素的发酵液 香料工业中用正丙醇从亚硫酸纸浆废水中提取香兰素
(3)湿法冶金中的应用 eg.用螯合萃取剂从铜的浸取液中提取铜
分离。萃取剂回收的难易直接影响萃取操作的费 用，从而在很大程度上决定萃取过程的经济性。 因此，要求萃取剂S与原料液中的组分的相对挥发 度要大，不应形成恒沸物，并且最好是组成低的 组分为易挥发组分。若被萃取的溶质不挥发或挥 发度很低时，则要求S的汽化热要小，以节省能耗。 4 萃取剂的其它物性
萃取剂应具有的一般工业要求：化学稳定性 和热稳定性，对设备的腐蚀性要小，黏度小，蒸 汽压低，无毒， 不易燃易爆，来源充分，价格低 廉等。
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12.1.2 三角形相图及杠杆规则
1 三角形相图 三角形相图通常有正三角形相图、直角三角形相
图，如图所示。
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图12-2 三角形相图
2 杠杆规则
如图所示，将质量为r kg、 组成为 xA、xB 、 xS 的混合 物系R与质量为e kg、组成 为 y A 、yB 、yS ，的混合物系E 相混合，得到一个质量为m kg、组成为 zA 、z B 、z S 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。
第十二章 萃取
Solvent Extraction
12.1 萃取的基本概念 12.2 萃取过程的流程和计算 12.3 萃取设备
2019/9/15
第一节
萃取的基本概念
12.1.1 萃取操作过程及应用 12.1.2 三角形相图及杠杆规则 12.1.3 三角形相图中的
相平衡关系 12.1.4 分配系数与分配曲线 12.1.5 温度对相平衡的影响 12.1.6 萃取剂的选择
2019/9/15
一般地，在下列情况下采用萃取方法更为有利。 （1） 原料液中各组分间的沸点非常接近，也即组
分间的相对挥发度接近于1，若采用蒸馏方法很 不经济； （2） 料液在蒸馏时形成恒沸物，用普通蒸馏方法 不能达到所需的纯度； （3） 原料液中需分离的组分含量很低且为难挥发 组分，若采用蒸馏方法须将大量稀释剂汽化， 能耗较大； （4） 原料液中需分离的组分是热敏性物质，蒸馏 时易于分解、聚合或发生其它变化。
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12.1.4分配系数和分配曲线
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 k 表示，
即溶质A 组分B
式中
kA
yA xA
kB
yB xB
y A 、yB ——萃取相E中组分A、B的质量分数
x A 、xB ——萃余相R中组分A、B的质量分数
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图12-1 萃取操作示意图
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
①溶质A可完全溶于B及S，但B与S不互溶； ②溶质A可完全溶于B及S，但B与S部分互溶； ③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①、②两种情况的物系称为第Ⅰ类物 系，而将③情况的物系称为第Ⅱ类物系。工业上常 见的第Ⅰ类物系有丙酮(A)–水(B)–甲基异丁基酮(S)、 醋酸(A)–水(B)–苯(S) 等；第Ⅱ类物系有苯乙烯(A)– 乙苯(B)–二甘醇(S)等。在萃取操作中，第Ⅰ类物系 较为常见，本章主要讨论第Ⅰ类物系物系的相平衡 关系。
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。
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12.1.3三角形相图中的相平衡关系
1 溶解度曲线、联结线、临界混溶点
2019/9/15
图12-4 溶解度曲线
溶解度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。显然萃取操作只能在两相区内进 行。
（1）图解计算法
E’
F S M S MF
F MS
R E M R ME
E MR E' E S,R' R S
F● D R’ ● R
E'R' F E' FR' R' FE'
M
E G
Smin
F
FD DS
Smax
F
GF GS
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（2）解析计算法
2019/9/15
图12-3
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：E相与R相的量与线段 长a、b 之间的关系符合杠杆原理，即，
E xA zA a R zA yA b
位于两相区内的混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，
临界混溶点是在一定溶质含量下两共轭 相变为一相的临界点，其位置一般并不在 溶解度曲线的最高点，常偏于曲线的一侧， 将溶解度曲线分为左右两支。
2019/9/15
2 辅助曲线—平衡联结线的内插
一定温度下，三 元物系的溶解度曲线 和联结线是根据实验 数据而标绘的，使用 时若要求与已知相成 平衡的另一相的数据， 常借助辅助曲线求得。
两液相间的界面张力对萃取操作具有重要影 响。萃取物系的界面张力较大时，分散相液滴易 聚结，有利于分层，但界面张力过大，则液体不 易分散，难以使两相充分混合，反而使萃取效果 降低。界面张力过小，虽然液体容易分散，但易 产生乳化现象，使两相较难分离，因之，界面张 力要适中。
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3 萃取剂回收的难易 萃取后的E相和R相，通常以蒸馏的方法进行
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图12-5 辅助曲线
辅助曲线的作法：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。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。