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第九章 萃取
第一节 液-液萃取的基本原理
一、基本概念
液-液萃取是分离均相液体混合物的单元操作之一。利用液体混合物中各组分在某
溶剂中溶解度的差异，而达到混合物分离的目的。萃取属于传质过程。本章主要讨论双
组分均相液体混合物（
）的萃取过程。
所选用溶剂称为萃取剂
，混合液中被分离出的组分称为溶质
，原混合液中与萃
取剂不互溶或仅部分互溶的组分称为原溶剂
。操作完成后所获得的以萃取剂为主的
溶
液称为萃取相
，而以原溶剂为主的溶液称为萃余相
。除去萃取相中的萃取剂后得
到的液体称为萃取液
，同样，除去萃余相中的萃取剂后得到的液体称为萃余液
。
可见，萃取操作包括下列步骤：
）与萃取剂
的混合接触；
（2）萃取相
与萃余相
的分离；
（3）从两相中分别回收萃取剂而得到产品
、
。
（1）原料液（
二、萃取在工业生产中的应用
1．溶液中各组分的相对挥发度很接近或能形成恒沸物，采用一般精馏方法进行分离
需要很多的理论板数和很大的回流比，操作费用高，设备过于庞大或根本不能分离。
2．组分的热敏性大，采用蒸馏方法易导致热分解、聚合等化学变化。
3．溶液沸点高，需要在高真空下进行蒸馏。
4．溶液中溶质的浓度很低，用蒸馏方法能耗太大，经济上不合理。
三、液-液平衡关系
液-液萃取至少涉及三种物质，即原料液中的溶质
和原溶剂
，以及萃取剂
。
加入的萃取剂
与原料液（
）形成的三组分物系有三种类型。
（1）溶质
完全溶于原溶剂
及萃取剂
中，但萃取剂
与原溶剂
完全不互溶，
形成一对完全不互溶的混合液
与原溶剂
部分互溶，与溶质
完全互溶，
；
（2）萃取剂
，形成一对部分互溶的混
合液；
（3）萃取剂 不仅与原溶剂 部分互溶而且与溶质 也部分互溶，形成两对部分互
溶的混合液。
第一种情况较少见，第三种情况应尽量避免，我们讨论的是第二种情况。
1．三组分系统组成的表示法
图9－1 组成在三角形相图上的表示方法
在图9-1中，三角形的三个顶点分别表示纯组分。
习惯上以顶点
表示溶质，
顶点
表示原溶剂，
顶点
表示萃取剂。
三角形任何一个边上的任一点代表一个二元混合物，
如
边上的
点代表由
和
两组分
组成的混合液，其中
的质量分数为0.7，
B为0.3。
三角形内任一点代表一个三元混合物，
如图中的点，过点分别作三个边的平行线 、 与 ，
其中
的质量分数以线段
表示,
的以线段
表示，
的以线段
表示。
2．溶解度曲线和联结线
在组分
和
的原料液中加入适量的萃取剂
，经过充分的接触和静置后，形成
图9－2 溶解度曲线与联接线
两个液层萃取相
及萃余相
。
达到平衡时的两
个液层称为共轭相。若改变萃取剂
的用量，则得
到新的共轭相。在三角形坐标图上，将代表各平衡
液层的组成坐标点联结起来的曲线称为溶解度曲线，
如图9-2所示。曲线以内为两相区，以外为单相区。
图中点
及
表示两平衡液层萃余相
及萃取
相
的组成坐标，两点的联线称为联结线。溶解度
曲线是根据若干组共轭相的组成绘出的。溶解度曲
线在 点分为左右两部分， 点称为临界混溶点，又称褶点，通过这一点的联结线无
限短，在此点处
和
两相组成完全相同，溶液变为均一相。
溶解度曲线及联结线数据均由实验测得。
3．辅助曲线
在一定温度下，任何物系的联结线有无穷多条，而且互成平衡两液层的组成是由实验测
定的。因此，常用一条辅助曲线间接表示互成平衡的两液层组成之间的关系。
图9－3 三元物系的辅助曲线
参阅图9-3，图中已知四对相互平衡液层的坐标位置，
即
、
；
、
；
、
及
、
各点。从点
作
、
边的平行线，从点
作
边的平行线，两线相交
。
于点
再从另三组的坐标点用同样的方法作图得交点
、
和
，
联各交点的曲线
即为辅助曲线，又
称共轭曲线。辅助曲线与溶解度曲线的交点
即为临
界混溶点。
借辅助曲线即可从某一液相（ 相和 相）的已知组成，用图
内插法求出与此液相
平衡的另一液相（
相和
相）的组成。
若已测出的某条联结线位置接近临界混溶点，
则可将辅助线外推求出
，若距离较远，用外延辅助曲线方法求点
是不准确的。
临界混溶点数据应由实验测定
图9－4 杠杆规则的应用
出。
4．杠杆规则
如图9-4所示，分层区内任一点
所代表的混合液可
以分为两个液层，即互成平衡的
相和
相。若将
相与
相混合，
则总组成即为
点，
点称为和
点，而
点与
点称为差点。混合液
与两液层
与
之间的数量关系可用杠杆规则说明。
（1）代表混合液总组成的点
和代表两平衡液层的两
点（
和
）应处于一直线上。
（2）
相和
相的量与线段
和
的长度成比例，
即：
式中
、
——分别代表
相和
相的质量，kg；
、
——分别代表线段
和
的长度。
若三元混合物
是由二元混合液
和纯组分
混合而成的，如图9-4所示，则
为
与
的和点，
与
、
处于同一直线上。同样可依杠杆规则得出如
下关系：
式中
、
——分别代表纯组分和二元混合物的质量，kg；
、
——分别代表线段
和
的长度。
5．分配系数
在一定温度下，当达到平衡时，溶质组分
在两个液层（
相和
相）中的浓
度之比称为分配系数，以
表示，即：
即：
=
同样，对于组分
也可写出相应的分配系数表达式，即：
=
式中
、
——分别为组分
、
在萃取相
中的质量分数；
、
——分别为组分
、
在萃余相
中的质量分数。
分配系数表达了某一组分在两个平衡液相中的分配关系。
显然，
值愈大，萃取分离的效果愈好。
值与联结线的斜率有关。
当
=1，则
，联结线与底边
平行，其斜率为零；
＞1，则
＞
，联结线的斜率大于零；
＜1，则
＜
，联结线的斜率小于零。
不同物系具有不同的分配系数 值，同一物系 值随温度及溶质浓度而变化，在
定温度下，
值只随溶质
的组成而变。
四、萃取过程在三角形相图上的表示
当进行萃取操作时，原料液
为二元混合物（含有
与
组分），
点必在
恒
边上。若在原料液
中加入纯萃取剂
，由杠杆规则知，加入
以后的混合液
组成点
必在
直线上。
与
的数量关系依杠杆规则公式确定。
图9－5 萃取过程在三角形相图上的表示
点位于两相区内，当
和
经充分混合后，
分为两个液层
相与
相（参看图9-5）。
此两液层达到平衡时，其数量间的关系同样
可依杠杆规则确定。
原料液
经过萃取并脱除萃取剂
以后，
所含有的
、
组分获得部分分离的效果。
与萃余液
间的数量关系仍用杠杆
萃取液
规则来确定，
即：
若从
点作溶解度曲线的切线，切点为
，延长此切线与
边相交于
点，
此
点即为在一定操作条件下，可能获得的含组分
最高的萃取液的组成点。
即萃取液中组分
能达到的极限浓度。
五、影响萃取操作的主要因素
主要有三个方面：
①物系本身的性质，其中萃取剂的选择是主要因素；
②操作因素，其中温度是主要因素；
③设备因素。
1.萃取剂的选择
（1）萃取剂的选择性及选择性系数
萃取剂的选择性可用选择性系数β来衡量，即：
β=
由β值的大小可判断所选择萃取剂是否适宜和分离的难易。
如β＞1，则
＞
，萃取能够实现，β越大，分离越易。
（2）萃取剂
与原溶剂
的互溶度
图9－6 萃取剂与原溶剂的互溶度的影响
图9-6表示了在相同温度下，同一种含
、
组分的原料液与不同性能的萃取剂
、
所构成的相平衡关系图。图9-6（a）表明
、
互溶度小，两相区面积大，
萃取液中组分
的极限浓度
较大，图9-6（b）表明选用萃取剂
时，其极限浓度
较小。显然萃取剂 与原溶剂 的互溶度越小，越有利于萃取。
（3）萃取剂回收的难易与经济性 萃取剂通常需要回收后循环使用，萃取剂回收
的难易直接影响萃取的操作费用。回收萃取剂所用的方法主要是蒸馏。若被萃取的溶
质是不挥发的，而物系中各组分的热稳定性又较好，可采用蒸发操作回收萃取剂。
（4）萃取剂的物理性质
①密度 萃余相与萃取相之间应有一定的密度差，以利于两个液相在充分接触以后能较
快地分层，提高设备的生产能力。
②界面张力 物系的界面张力较大时，细小的液滴比较容易聚结，使两相易于分层，但
分散程度较差。界面张力过小时，易产生乳化现象，使两相较难分层。在实际操作中，
液滴的聚集更为重要，故一般多选用界面张力较大的萃取剂。
③其他 为了便于操作、输送及贮存，萃取剂的黏度与凝固点应较低，并应具有不易燃、
毒性小等优点。此外，萃取剂还应具有化学稳定性、热稳定性以及抗氧化稳定性，对
设备的腐蚀性也应较小。
2．操作温度的影响
图9－7 温度对互溶度的影响
相图上两相区面积的大小，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，温度升高溶
解度增大，温度降低溶解度减小。如图9-7所示，两相
区的面积随温度升高而缩小。若温度继续上升，两相区
就会完全消失，成为一个完全互溶的均相三元物系。此
时萃取操作便无法进行。
对同一物系，当温度降低时，两相区增加，对萃取
有利。但温度降低会使溶液黏度增加，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。
第二节 萃取操作流程与萃取过程的计算
一、单级接触萃取流程与计算
单级萃取流程较简单，如图9-8所示，既可用于间歇操作，也可用于连续生产。原料液
与萃取剂 借助于搅拌器的作用在萃取器内进行充分混合，然后将混合液引入分离
分为萃取相与萃余相两层。最后将两相分别引入萃取剂回收设备以回收萃取剂。
图9－8 单级接触萃取流程示意图
图9－9 单级接触萃取操作图解法
图9-9所示为单级接触萃取操作的图解，图中各点所用符号意义同前。在计算中，一般
以生产任务所规定的原料液
量及其组成为根据。此外，萃余相
（或萃余液
）的
组成大多为生产中所要控制的指标，也为已知值。通过计算可求出萃取剂
的需用量，
以及萃取相
和萃余相
的量及组成。其步骤如下：
1.设加入的萃取剂 是 纯态的，故的组成位于三角形的右顶点。由已知原料液组成
（假定其中只含有组分
和
）在三角形的
边上确定
点，联
线，代表原
料液与萃取剂的混合液的组成点
必在
线上。
2.根据萃取系统的液-液相平衡数据可作出辅助曲线（图中未画出）。前已述及，只要
两平衡液层中，已知其中任一个液层的组成，则另一液层的组成可利用此辅助曲线
出(参看例9-2)。先由已知的萃余液组成，在
边上确定
，联
线，与溶解度
曲线相交于
点，再由
点利用辅助曲线求出
点（图中未示出此步骤）。
联
直线，
线与
线的交点即为混合液的组成点
。按杠杆规则可求出
的量为：
故
式中
的量为已知，
与
两线段长度可从图上量出，则萃取剂
的量可由上式求出。
3．求
、
及
、
的量
联
线并延长与
边相交于
点，即为萃取液的组成点。萃取相与萃余相的量
、
也可由杠杆规则求得：
因
为已知，
与
两线段长度可从图上量出，故
可由上式求得。
依总物料衡算：
则
从萃取相和萃余相中回收萃取剂后所得的萃取液
和萃余液
，其组成点均在三角
形相图的
边上（假定
与
中的萃取剂已脱净），故
与
的量也可依杠
杆规则求得：
则
求得
后，则可依下式求
：
二、多级萃取流程
1．多级错流萃取流程
图9－10 多级错流萃取流程示意图
单级接触式萃取设备中所得到的萃余相中，往往还含有较多的溶质。为了将这些溶质
进一步萃取出来，可采用多级错流萃取，即将若干个单级萃取设备串联使用，并在每
一级中均加入新鲜萃取剂。如图9-10所示（图中为三级），原料液
从第1级中加入，
各级中均加入新鲜萃取剂
，由第1级中分出的萃余相
引入第2级，由第2级中分出
的萃余相
再引入第3级，分出萃余相
进入萃取剂回收装置，得到
。各级分出的
萃余液 。各级分出的萃取相 、 、 汇集后送到萃取剂回收设备，得到萃取液。
回收的萃取剂循环使用。
多级错流萃取时，由于每一级都加入新鲜萃取剂，使过程推动力增加，有利于萃取传质，
并可降低最后萃余相中的溶质浓度。但萃取剂用量大，使其回收和输送的能耗增加。因
此，这一流程的应用受到一定限制。
2．多级逆流萃取流程
图9－11 多级逆流萃取流程示意图
多级逆流萃取流程与上述多级错流萃取流程相比，所不同的是萃取剂
不是分别加入各
级，而是在最后一级加入，逐次通过各级，最终萃取相由第1级排出。参看图9-11，原
液从第1级加入，逐次通过各级，萃余相
由末一级（图中第
级）排出。萃余相
与萃取相 可分别送入萃取剂 回收设备回收萃取剂循环使用。这种流程与上述多级错
萃取流程相比，萃取剂耗用量大为减少，因而在工业上应用广泛。
第三节 液-液萃取设备
一、基本概念
在液-液萃取过程中，要求萃取设备能使萃取剂与混合物充分的接触，以达到良好的传
质目的，而经过一段萃取时间后，又能使萃取相与萃余相很好的分离。显然，萃取设备
应具有“充分混合与完全分离”的能力。
液-液传质设备类型很多，按两相接触方式有分级接触式和微分接触式；按操作方式有间
歇式和连续式；按设备和操作级数有单级和多级；按有无外加机械能量以及外加能量的
方式和设备结构型式又可分为许多种。
二、萃取设备简介
1．混合-澄清槽
图9－12 典型的混合－澄清槽
图9-12a所示是由带有搅拌器的混合槽和分离槽组合成一组的萃取设备，称为混合-澄清
萃取器。操作时，原料液和萃取剂加入混合槽中经一定时间激烈的搅拌后，再进入分离
澄清分层。密度较小的液相在上层，较大的在下层。图9-12b为将混合器与澄清器组装
于同一容器内的混合-澄清槽。
可以将多个混合-澄清槽串联操作，这样便构成了多级混合-澄清槽。
2．塔式萃取设备
图9－13 填料萃取塔
图9－14 脉冲填料塔
填料萃取塔与用于吸收的填料塔基本相同，即在塔体内支承板上充填一定高度的填料
如图9-13所示。塔内填料的作用除可使分散相的液滴不断破裂与再生，以使液滴表面
不断更新外，还可减少连续相在塔内的轴向混合。轴向混合会降低传质的推动力。
填料萃取塔因构造简单，萃取效果较好，广泛应用于工业生产中。尤其适宜处理腐蚀
性液体。
（2）筛板萃取塔
筛板萃取塔与用于蒸馏的设备是同样构造的设备，图9-15a是以轻液相为分散相的筛板
塔示意图，塔内有若干层开有小孔的筛板。若轻液相为分散相，操作时轻相通过板上筛
孔分成细滴向上流，然后又聚结于上一层筛板的下面。连续相由溢流管流至下层，横向
流过筛板并与分散相接触。图9-15b是以重液相为分散相的筛板塔板示意图。若以重液
相为分散相，则重液相的液滴聚结于筛板上面，，然后穿过板上小孔分散成液滴。当以
重液相为分散相时，则应将溢流管的位置改装与筛板的上方。筛板塔内一般也应选取不
易润使塔板的一相作为分散相。由于液滴的分散与聚结在每一塔板上反复进行，筛板
萃取塔的萃取效果比填料萃取塔有所提高。
（3）转盘萃取塔
图9－16 转盘萃取塔
图9－15 筛板萃取塔与筛板结构示意图
转盘萃取塔的结构如图9-16所示。塔体内装有多层固定在塔体上的环形挡板，挡板称为
固定环，它使塔内形成许多分隔开的空间。在每一个分割空间的中央位置处均有一层固
定在中央转轴上的水平圆盘，圆盘称为转盘。操作时水平圆盘随中心轴而高速旋转，
促进了液滴的分散，因而加大了相际接触面积。
转盘萃取塔的萃取效果较好，设备也可以小型化，近年来应用于各种萃取场合。
3．离心式萃取器
图9-17所示为常用的离心式萃取器，又称离心萃取机。它由一个高速旋转的螺旋转
子，装在固定的外壳中组成。螺旋转子是由多孔
图9－17 离心萃取机
长带卷成的，它的旋转速度为2000～5000
。
操作时，轻液被送至螺旋的外圈，而重液
则由螺旋中心引入。在离心力场的作用下，
重液相由螺旋的中部向外流，轻液相由外
圈向中部流动，于是两相在相互逆流过程
中，于螺旋形通道内密切接触。重液相从
螺旋的最外层经出口通道而流到器外，轻
离心萃取机的特点在于高速度旋转时，能
产生500～5000倍于重力的离心力来完成两相的分离，所以使密度差很小、容易乳化的
的液体，都可以在离心萃取机内进行高效率的萃取。
离心萃取机的结构紧凑，可以节省时间，降低机内储液量，再加流速高，使得料液
在机内的停留时间很短，这在处理热敏性物料时，显得很有成效。但它的构造复杂，制
造较困难，投资也较高，加之能量消耗又大，使其推广应用受到一定限制。

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