串级萃取理论的发展历程及最新进展

串级萃取理论的发展历程及最新进展

摘要：20世纪70年代，徐光宪教授创建了串级萃取理论，建立了稀土串级萃取工艺的最优化参数计算方法。结合计算机技术，又建立了串级萃取工艺的静态参数设计和动态仿真计算技术，实现了工艺设计参数到工业规模生产应用的“一步放大”。近40年来，串级萃取理论及其计算方法始终引领和支撑着中国稀土分离技术的持续发展，同时，萃取工艺技术和装备的进步也不断地促进了该理论的丰富与完善。理论的适用范围由早期的恒定混合萃取比体系发展到非恒定混合萃取比体系，分离流程由两出口发展到三出口、多出口体系，并进一步发展为多人口、多出口的联动萃取工艺；串级萃取工艺的最优化参数计算方法也由两组份体系拓展至多组分分离体系，从单一工艺优化拓展到稀土全分离流程的整体优化。本文简要综述了串级萃取理论发展中的重要工作与应用情况，深入介绍了联动萃取工艺计算及流程优化等方面的最新进展及应用前景。

关键词：稀土；串级萃取理论；应用；

前言

自从原子能工业中采用溶剂萃取法分离提纯核元素以来，萃取分离技术已在化工、制药、石油化工、湿法冶金、稀土分离等工业上得到了迅速发展，并取得了良好的效果。在应用过程中，为了获得高纯分离产品和高的收率，大多数萃取分离工艺采用分馏萃取，而其基础为逆流萃取。随着溶剂萃取法的推广深入，有关萃取理论也在不断地发展深化，特别是针对不同的分离对象，可采用不同的处理方法。

一、串级萃取理论概述

1.串级萃取理论的提出和普及

稀土元素间化学性质相似，串级萃取分离是获得单一稀土的有效手段。早期适用于萃取体系理论分析的主要是Alders1。提出的分馏萃取理论，但该理论假定易萃组分和难萃组分在各级萃取器的萃取比分别恒定，这与稀土实际生产的工艺情况偏差较大，不能解决稀土分离工艺设计参数的计算问题。20世纪70年代，北京大学徐光宪教授总结了国内外有关稀土串级萃取的大量实验资料，通过合理假设，经过严密的数学推导，得到了分馏萃取过程的极值公式、级数公式、最优萃取比方程等一系列稀土萃取分离工艺设计中基本工艺参数的计算公式，建立了串级萃取理论。串级萃取理论在1976年包头召开的第一次全国稀土萃取化学会议上首次提出即引起极大关注。1977年，北京大学在上海举办的主要面向我国稀土分离技术人员的“全国稀土串级萃取理论与实践讨论会”上对该理论做了系统、全面的介绍，之后，串级萃取理论迅速在全国推广应用，成为稀土分离工艺参数的基本设计方法，推动了中国稀土分离技术的快速发展。

2.串级萃取理论的一步放大

串级萃取理论给出的分离工艺参数与工业实践结果完好符合，计算机技术的发展又使复杂化工过程的模拟仿真计算成为可能。徐光宪教授的团队适时提出了稀土串级萃取过程静态逐级计算和动态模拟计算方法，实现了两组分、三组分、多组分串级萃取分离体系的系列静态设计和动态计算。该方法可代替耗时费工的串级萃取“分液漏斗法”实验获取仿真数据。为了适应市场对产品品种、规格的不同要求，计算了国内外几种典型稀土矿资源分离的工艺参数，设计了相应的生产流程并得到实际生产验证，模拟计算数据与工业实践结果吻合。实践表明，静态设计和动态计算可取代用于摸索、验证和优化工艺参数的串级萃取小试、中试和

扩大试验，使新工艺参数可由计算机设计直接放大到实际生产规模，实现了萃取

新流程从设计到工业应用的“一步放大”，大大缩短了萃取工艺从研究到应用的周期，节省了大量的试验投资，还能对已有工艺进行优化改造，提高生产效率和产

品质量，并为在线监测和自动控制提供依据和指导。

3.非恒定混合萃取比体系

由于P507体系随着被萃稀土元素原子序数的增加，萃取平衡常数随之增加，体系水相平衡酸度也随之提高，影响了整个分离体系有机相和水相稀土浓度，导

致重稀土体系偏离“恒定}昆合萃取比”假设。为提高重稀土设计工艺的合理性，廖

春生深入研究了现行萃取剂体系萃取平衡反应机制，将单一组分的反应平衡常数

引入萃取平衡过程的计算，建立了非恒定混合萃取比体系的工艺设计方法。该方

法使串级萃取理论同时适用于恒定混合萃取比体系和非恒定混合萃取比体系，提

高了理论的通用性。串级萃取理论的这一拓展在重稀土分离、不皂化萃取、反萃

取过程，以及稀土与非稀土分离等方面具有重要的理论指导作用。非恒定混合萃

取比体系设计方法和计算结果有助于加强对于萃取分离过程的认知。比如，萃取

有机相反萃取过程的计算结果纠正了关于稀土反萃取方面的一些传统认识，为高

纯稀土产品和单一重稀土产品生产中反萃取困难问题的解决提供了重要依据；再如，将相转移催化原理引入萃取分离过程，利用均相反应与界面反应平衡的差异

调整萃取平衡常数，可适应不同分离目的的实现。

二、最新发展

1.联动萃取分离工艺的提出

通常，一段传统萃取分离工艺包括皂化．稀土皂一萃取一洗涤．反萃取等工

艺单元，其中皂化过程使用的碱和反萃取过程使用的酸是主要的化工试剂消耗，

并产生相应量的含盐废水。皂化．稀土皂过程的主要功能是制造负载难萃组分的

负载有机相，用于交换萃取分离对象中的易萃组分；反萃取过程的主要功能是易

萃组分的转型和有机相再生以循环使用，转型的易萃组分用于下一工序或洗涤有

机相中的难萃组分提纯易萃组分，如图1所示。

联动萃取分离工艺旨在充分利用串级萃取分离过程中由酸碱消耗所带来的分

离功，其核心内容是通过将分离流程中某一分离单元产生的负载有机相与稀土溶

液作为其他分离单元传统工艺中的稀土皂有机相和洗液／反萃液使用，避免重复

的碱皂化和酸反萃取过程，减少酸碱消耗和含盐废水排放。以四组分分离为例，

初期设计的联动衔接中，A／B分离段中负载B的有机相作为C／D分离段所需负

载难萃组分萃取剂使用，同时C／D段中产生的含c水相作为A／B段所需反萃液

使用，同时避免了A／B分离单元反萃过程酸消耗和C／D分离单元皂化过程的碱

消耗。

2.联动萃取分离单元的优化

联动萃取适用于由多段萃取分离单元组成的多组分体系分离流程中。作为多

入口、多出口的萃取分离工艺，联动萃取流程中相互衔接的分离单元具有与传统

分馏萃取流程中的孤立分离单元所不同的特点。联动工艺流程的设计，首先需研

究分离单元的极值计算方法。对于含有待分离组分为A，A，…，A(≥3，萃取顺序：A

能使萃取剂和洗液的分离功同时都不产生浪费，因此，联动萃取流程中所有分离

单元均须采用此种切割方式进行分离。对应于与(ABC)／(BCD)逐层级向下衔接的

分离单元(AB)／(BC)，A／B分离单元和(BC)／(CD)，C／D分离单元，Smin和

Wmin可按下式计算：