第四节萃取与萃取设备

此外，在选择萃取剂时 还需考虑萃取剂的化学稳定 性、热稳定性、腐蚀性及毒 性等因素，权衡利弊，得出 最佳萃取方案 。
讨论与练习
4－10 什么是液－液萃取？ 4－11 萃取剂的选择需重点考虑哪几方面的因素？
三、萃取流程与萃取设备
1.萃取流程
在萃取操作中，常根据物料液 F 与萃取剂 S 接触、传质的次数，将 其分为单级萃取和多级萃取。
A
0.8
0.2
别代表一个相应的纯组分。A 点表示纯 A 组 分(溶质)；B点表示纯 B组分(溶剂)；S 点表 示纯萃取剂。
三角形的三条边上的任一点，代表相应的 一个二元混合物。
例如：等边三角坐标图中，AB 边上的 E
0.6
E
0.4
0.4 0.6
0.2
0.8
B
S
0.8 0.6 0.4 0.2
等边三角坐标
稀释剂，降低体 系粘度，提高传质 速率。
问题： 传质速率慢，体系易
乳化，萃取相与萃取余相 难分离。
CH3-CH2-CH2
CH3 HO-C-H
C-NH-C-H HOOH O
OH SCH3
改进：苯甲醇－正辛醇二元萃取剂
60％ 40％
3.萃取剂的其它物性
⑴密度 在萃取操作中为了使两相在萃取器中能较快地分层，要求萃取剂与被
重液
和转盘萃取塔等基本类型。
①喷洒塔 喷洒塔(喷淋塔)，结构简单，塔体
内除了各流股物料的进出的连接管和分 散装置外，无其它内部构件。
喷洒塔造价低，检修方便；但在混 合时流体的轴向返混严重，传质效率极 低，仅适用于1－2个理论级场合的萃取 操作。
轻液
轻液
重液 轻液为分散相
重液 重液为分散相
②填料萃取塔 填料萃取塔的构造与前面介绍的精馏或吸
1.平衡相图
液相萃取传质是在两液相之间进行，其极限为相际平 衡。假设，原料液为二组分(A +B)体系，萃取剂为纯溶剂 (S)；则，液－液萃取的萃取相及萃取余相常为三元混合 物(A + B + S)。
三元混合物的平衡相图常用等边三角坐标或直角三角 坐标表示。
萃取剂 S
溶液 A+B
⑴三角坐标图 在三角坐标图中，三角形的三个顶点，分
R1,x1
混 合 器 Ⅰ
E2,y2
混 合 器 Ⅱ
E3,y3
澄 清 器 Ⅱ
R2,x2
澄 清 器 Ⅲ
萃取剂 (S)
混 合 器 Ⅲ
R3,x3
萃取余相 (最终)
混合澄清器的三级逆流萃取流程
⑵萃取塔
轻液
轻液
萃取塔的结构类型有多种，根据溶
剂与原料液混合的形式及塔板结构，常
见的萃取塔有喷洒塔、填料塔、筛板塔
重液
此外，分配系数(K’)也可用溶质 A 萃取相(E相)和萃取余相(R相)的 浓度比表示。即：
K’= CA(Y) CA(X)
⑵分配曲线 ①相率
所谓相率是指，在热力学平衡条件下，系统的组分数K、相数φ和自由
度数f之间的关系。即： φ+f=K+2
φ为相数；K为组元素；f为自由度
②分配曲线
=0
在温度、压强一定的条件下，当三组分体系的两液相成平衡时，其自
和“溶质A完全溶于B，A与B 及 B 与 S 部分互溶”三种情况。
前两种情况代表的物系称之为第Ⅰ类物系，后一种称之为第Ⅱ类物
系。 在生产中，常见的液－液萃取操作主
A(HAc)
要是第Ⅰ类物系。因此我们仅以第Ⅰ类物
系介绍三元混合物相图。
(水)B
S(苯)
醋酸－水－苯三元系相图
设：溶质 A 完全溶于溶剂 B 及萃取剂 S，但溶剂 B 与萃取剂 S 部 分互溶。在一定温度和压强下，该体系的平衡相图如图所示。
器与澄清器两部分构成。
物料液
（F）
如图所示，混合澄清器结构简
萃取剂 （S）
单，操作方便，适用于多种物系的
萃取操作。 混合澄清器易实现多级连续操
作，处理量较大，传质效率高；但
萃取相 （E相）
占地面积大，溶剂储量大，设备费
和操作费较高。
萃取余相 （R相）
萃取相 (最终)
物料液 (F,xF)
E1,y1
澄 清 器 Ⅰ
轻液
再分布器 填料
重液
③筛板萃取塔 筛板萃取塔的构造与前面介绍的精馏或吸收
所用的筛板塔基本相同。 萃取时，轻液相由塔底通过筛孔被分散成细
小液滴，并与筛板上的连续相接触传质；穿过连 重液 续相的轻相液滴逐渐凝聚，聚集于塔板的下侧， 待两相分层后，借助压强差的推动，再经筛孔分 散。反复分散、凝聚交替进行，直至塔顶澄清、 分层、排出。
直角三角坐标
B 组分： 30％（线段AH） S 组分： 30％（线段BF）
2.三元混合物平衡相图
在液－液萃取操作中，根据各组分的互溶性可将三元体系分为“溶
质 A 溶于 B 及 S，B 与 S 不互溶”(萃取剂与溶剂互不相溶）、“溶
质 A 完全溶于 B 及 S，B 与 S 部分互溶”(萃取剂与溶剂部分互溶)
该组分的分配系数。即：
溶质A kA = yA/xA 溶质B kB = yB/xB 式中：yA、yB 分别为萃取相(E 相)中 组分 A、B 的质量分数；xA、xB 分别为萃 取余相(R相)中组分 A、B 的质量分数。
若用萃取剂萃取溶液中的溶质 A，则分
萃取相 （E相）
配系数 kA 表示溶质 A 在两个平衡液相中的 分配关系；kA 值越大，说明溶质 A 在萃取 剂中的分配越高，萃取效果越好。
2.萃取剂的经济性
萃取剂的经济性直接影响着萃取操作成本。对萃取剂经济性的分析还 须从萃取工艺（萃取相与萃取余相的分离、萃取剂的回收成本）、萃取剂 的价格、环境因子(E)或环境商(EQ)等方面综合考虑。
例如：林可霉素的萃取
萃取剂：己烷、二甲苯、苯甲醇、正丁醇、正辛醇 CH3
N
萃取性能较差
萃取性能不如苯甲醇
Ei,yi
Ri,xi
Ei+1 yi+1
Rn-1
Rn,xn
xn-1 n
En,yn
S,ys
N
R’
E’
青霉素生产中的多级逆流萃取设备
2.萃取设备
工业上使用的萃取设备种类很多，常见的主要有混合澄清器、萃取塔 和离心萃取器等类型。在此，仅简单介绍混合澄清器和萃取塔两种类型。
⑴混合澄清器
混合澄清器是运用最早、使用较广泛的一种萃取设备，它主要由混合
萃取余相 （R相）
在溶质 A 完全溶于溶剂 B 及萃取剂 S，但溶剂 B 与萃取剂 S 互不 相溶的情况下，溶质 A 在两相中的分配关系与吸收类似。
即： Y = K•X
或： K = Y/X = WA(Y)/W(萃取剂) WA(X)/W(溶剂)
式中：Y 为萃取相(E相)中组分 A 的质量比组成；X 为萃取余相(R相) 中组分 A 的质量比组成；K 为相组成以质量比时的分配系数。
⑴单级萃取
物料液
单级萃取是指，物料液 F 与萃（F）
取剂 S 只进行一次混合、传质，具
有一个理论级的萃取分离过程。
S E
萃取剂 （S）
萃取相 （E相）
F
混合
澄清
R
萃取余相
（R相）
⑵多级萃取 多级萃取是指，物料液F与萃取剂S进行多次混合、传质，具有多个理
论级的萃取分离过程。在实际生产中，常见的多级萃取有多级错流萃取操
En-1,yn-1
En,yn
N
E’
SE
②多级逆流萃取 当采用一定量的溶剂萃取原料液时，若单级或多级错流萃取因受相平
衡的限制，使分离程度达不到工艺要求，可采取多级逆流萃取操作。多级
逆流萃取流程如下图所示。
SR
SE F,xF
1 N E1,y1
R1,x1
R2,x2
2
E2,y2
E3,y3
Ri-1
xi-1
i
分离混合物有较大的密度差。这样，可有效地提高设备的生产能力。
⑵相界面张力 两液相的界面张力对萃取操作有着重要影响。当界面张力较大时，分
散相液滴易聚结，有利于分层；反之，液体易分散而产生乳化现象，使两 液相难分离。
但如果界面张力过大时，液体则不易聚结分散，难以式两液相充分混 合，降低萃取效果。因此，在萃取操作中应选择适中的界面张力。
A
点，表示AB二元混合物。其中，A 的质量分数 0.8
为50％；B的质量分数为50％。
0.6
又如：直角三角坐标图中的 M点，代表一
0.4
个三元混合物(A + B + S)。
0.2
0.2
0.4
M
0.6
0.8
B
0.8 0.6 0.4 0.2
S
直角三角坐标
⑵三元混合物组成的确定
A
若某三元混合物(A + B + S)位于三角坐
收所用的填料塔基本相同，塔内装有适宜的填 料，轻液相由塔底进入，从塔顶排出；重液相 重液 由塔顶进入，由塔底排出。萃取操作时连续相 充满整个塔中，分散相由分布器分散成液滴进 入填料层，并与连续相接触传质。
填料萃取塔结构简单，操作方便，可有效 地减少轴向返混，适合处理腐蚀性料液；但其
轻液
传质效率不高，仅适用于1－3个理论级场合的 萃取操作。
萃取相中 yA 比 yB 大得多，萃取余相中 xB 比 xA 大得多。为了定量地表 示萃取剂的选择性，可用萃取剂选择性系数β来描述。即：
萃取相中A的质量分数/萃取相中B的质量分数 β=
萃取余相中A的质量分数/萃取余相中B的质量分数
=
yA/yB xA/xB
=
yA/xA yB/xB
= kA/kB
分配系数比(kA/kB)值越大，选择性系数 β越大，组分A、B的分离效果越好，完成 一定的分离任务所需的萃取剂则越少。
R1
在第Ⅰ类物系相图中，若溶质 A 完全溶于B R0
Ei
E1
M
E0 S
溶剂 B 及萃取剂 S，但溶剂 B 与萃取剂 S 完
A－B－S三元系相图
全不溶，则相图中的 R0 点和 E0 点分别与三角 形顶点 B 及顶点 S 重合。
2.平衡关系
⑴分配系数(partition coefficient) 在一定温度下，某组分在相互平衡的 E 相与 R 相中的组成比，称为
二、萃取剂的选择
选择适合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。在实际生产中，选择萃取剂需重点考虑如下几个方面的因素。
1.萃取剂的选择性
萃取剂的选择性是指萃取剂 S 对原料液中溶质 A 及溶剂 B 两个组
分溶解能力的差异。
若萃取剂 S 对溶质 A 的溶解能力比对溶剂B的溶解能力大得多，则
共轭相可得到一个点，这些点的连线(0NP)即为分配曲线，曲线上的 P点为
临界混溶点。 A
yA
分配曲线
P E
R
y=x
yAP
P
yAE
N
BL
K
S
0 xAR xAP
xA
分配曲线表达了溶质A在互成平衡的E相与R相中的分配关系。若已知某
液相组成，则可由分配曲线求出其共ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ相的组成。
若在分层区组成范围内，y > x，即分配系数 kA > 1，则分配曲线应位 于 y = x 线的上方；反之，则位于 y = x 线的下方。
第四节 萃取与萃取设备
一、萃取原理 二、萃取剂的选择 三、萃取流程与萃取设备 四、超临界流体萃取简介
一、萃取原理
对于液体混合物的分离，除了可采用蒸馏或精馏的方法外，还可仿照 吸收的方法，在液体混合物中加入某种与其不相混溶的液体作为溶剂，利 用原料液中各组分在溶剂中的溶解度差异来分离液体混合物，此操作称为 液－液萃取。
问题： 什么是相界面张力？
沿着不相溶的两相(液－固、液－液、液 －气)间界面垂直作用在单位长度液体表面上 的表面收缩力（相界面张力）。
⑶粘度 溶剂的粘度对分离效果也有重要的影响。溶剂粘度低，有利于两液相
的混合与分层，也有利于流体的流动与传质。因此，在萃取操作中，若萃 取剂的粘度较大时，可加入其它溶剂，使其粘度降低。
作和多级逆流萃取操作。
①多级错流萃取 一般单级萃取所得到的萃取余相中，往往还含有较多的溶质。为了进
一步降低萃取余相中溶质的含量，可将多个单级萃取串联组合。这种组合
称为多级错流萃取，其流程如下图所示。
S1
S2
SN
SR
F,xF 1
R1,x1
2
R2,x2
Rn-1 xn-1
n
Rn,xn
N
R’
E1,y1
E2,y2
图中，R0 R1 Ri Rn K En Ei E1 E0 称为溶解度 曲线；曲线 R0 K E0 内的区域为两相区，曲线外
A 单相区
为单相区。位于两相区内的混合物分成两个相互平
两相区
衡的液相（共轭相），联接两共轭相组成坐标的
K En
直线（如：RiEi ）称为联接线；萃取操作是在两 Rn
相区内进行。
Ri
标的 E 点。
0.8
H
过 M 点分别作三角形三边的平行线 ED、 0.6
0.2
K
0.4
KF、HG；则线段 BE(或 SD）、线段 AH（或 SG）、线段AK（或BF）分别代表组分A、B、S 的组成。
A 组分： 40％（线段BE）
0.4 E
M D 0.6
0.2
B
0.8
F
G
S
0.8 0.6 0.4 0.2
由度 f = K + 0 -φ= 1。
因此，只要知道任一平衡液相中任一组分的组成，则其它组分及其共
轭相的组成即为定值。或者说，溶质在两平衡液相间的平衡关系为：
yA = f(xA) 此函数关系就是分配曲线的表达式。
如图所示：若以 xA 为横坐标，以 yA 为纵坐标；结合平衡相图中的连 接线(RE)可在 x－y 直角坐标图上得到表示这一对共轭相组成的点N，每对