《萃取与分离技术》课件

萃取与分离技术萃取与分离技术是化工与生物工程中的核心技术，在现代工业生产中发挥着至关重要的作用本课程将系统介绍各类萃取分离方法的原理与应用，包括液-液萃取、膜分离、吸附分离等主要技术课程内容框架基础理论模块核心技术模块绪论与基础理论、分离过程的热液液萃取、膜分离、吸附分-力学与传质基础，为后续专业技离、离心分离、色谱分离等主要术学习奠定理论基础分离技术的原理与设备前沿应用模块第一部分绪论与基础理论1分离技术概述全面介绍分离技术在现代工业中的重要地位，分析分离过程的基本原理和发展趋势2热力学基础深入学习相平衡理论、活度系数计算等热力学知识，为分离过程设计提供理论支撑3传质基础掌握传质现象与机理，理解膜传质理论，分析传质系数的影响因素设备选型分离技术概述技术重要性发展趋势分离技术是化工生产的核心环节，直接影响产品质量和生产成现代分离技术正朝着高效化、绿色化、智能化方向发展新材料本在石油炼制、生物制药、食品加工等行业中，分离过程往往的应用、过程强化技术、以及人工智能在分离过程控制中的应占据了总投资的用，为行业发展注入新动力60-80%随着环保要求日益严格，高效的分离技术对于减少废物排放、实膜分离、超临界萃取等新兴技术在工业化应用中展现出巨大潜现清洁生产具有重要意义力分离过程的热力学基础理论模型应用

1、等模型在工程计算中的应用NRTL UNIQUAC相平衡计算2气液平衡、液液平衡的计算方法与影响因素活度系数理论3活度系数的物理意义与计算模型热力学基础4相平衡理论与化学势平衡条件分离过程的传质基础传质现象识别分析不同分离过程中的传质机理，识别控制步骤，为工艺优化提供理论依据扩散模型建立建立适当的扩散模型，包括分子扩散、涡流扩散等不同机理的数学描述传质系数计算掌握传质系数的计算方法，分析温度、压力、浓度等因素对传质的影响膜传质理论深入理解膜分离过程中的传质机理，包括溶解扩散机理和筛分机理分离过程的设备选型原则工艺匹配经济性分析权重权重25%30%12确保设备性能与工艺要求完全匹配，满综合考虑设备投资、运行成本、维护费足分离精度和处理能力需求用等因素，进行全生命周期成本分析技术先进性环保安全权重权重20%25%43选择技术成熟、可靠性高的设备，考虑符合环保法规要求，确保操作安全，考未来技术发展趋势虑废物处理和资源回收第二部分液液萃取技术-1基本概念萃取原理与相平衡理论基础2计算方法单级与多级萃取的计算技术3设备技术各类萃取设备的结构与性能4工程应用萃取剂选择与工业应用案例液液萃取基本概念-萃取剂选择相平衡分析理想的萃取剂应具有高选择性、适宜的分萃取原理理解萃取过程的相平衡关系决定了分离效果配系数、化学稳定性好、易回收等特点液-液萃取是基于不同组分在两个不相溶液分配系数K=C₁/C₂反映了溶质在两相中的萃取剂的选择直接影响萃取效果和经济相中溶解度差异的分离技术通过选择合分配倾向，分离因子α=K₁/K₂则表征了两性适的萃取剂，使目标组分在两相中的分配种溶质的分离难易程度系数达到最优值，实现高效分离液液萃取的三角图表示-三元相图绘制三角形坐标系统用于表示三组分体系的组成，每个顶点代表一个纯组分，图内任一点表示三组分的浓度平衡曲线分析平衡曲线将三角图分为单相区和两相区，曲线上的点表示平衡状态下的组成，联结线表示平衡两相的组成关系图解计算方法利用杠杆定律和物料衡算，可在三角图上直接进行萃取过程的图解计算，确定各股物流的组成和流量单级萃取计算385%基本方程典型效率物料衡算、相平衡和分配系数方程工业单级萃取的常见分离效率范围4关键参数溶剂比、分配系数、选择性因子、回收率单级萃取计算是多级萃取设计的基础通过建立物料衡算方程，结合相平衡关F=R+E系，可求解各相的组成和流量分离效率是评价萃取效果y=Kxη=x₀-x₁/x₀×100%的重要指标在实际计算中，需要考虑萃取剂的循环使用和损失，以及操作条件对分配系数的影响多级萃取理论级数确定1基于分离要求计算所需理论级数逆流萃取设计2优化溶剂流量和进料位置交叉萃取分析3多级交叉萃取的工艺特点效率评价4综合考虑分离效果与经济性萃取设备萃取设备按接触方式可分为级式接触和微分接触两大类混合澄清器适用于停留时间长、分离要求高的场合；填料塔结构简单、投资较低；转盘萃取塔传质效率高；脉冲萃取塔能强化传质过程设备选择需综合考虑物系性质、分离要求、投资成本等因素萃取设备性能评价萃取剂选择理化性质评估选择性分析分析萃取剂的密度、粘度、表面张力等评估萃取剂对目标组分的选择性，计算物理性质，确保与被萃取体系形成良好分离因子，确保能够实现有效分离的两相分层环保安全回收再生评估萃取剂的毒性、腐蚀性和环境影考虑萃取剂的回收难易程度，选择易于响，优先选择绿色环保的萃取剂再生、损失小的萃取剂，降低操作成本第三部分膜分离技术压力驱动膜过程微滤、超滤、纳滤、反渗透等压力驱动膜分离技术的原理与应用气体分离膜气体透过机理、膜材料选择以及工业气体分离应用渗透蒸发液体混合物分离的膜蒸馏技术及其在有机物回收中的应用电驱动膜过程电渗析、双极膜电渗析等电化学膜分离技术膜分离基础分离机理膜材料分类膜分离基于尺寸筛分、溶解扩散、电荷排斥等不同机理实现组分膜材料可分为有机膜和无机膜两大类有机膜包括聚合物膜和生分离筛分机理适用于大分子和颗粒的分离，溶解扩散机理主要物膜，具有制备简单、成本低的优点；无机膜主要是陶瓷膜和金用于小分子的分离属膜，具有化学稳定性好、使用寿命长的特点膜的选择性和透过性是评价膜性能的两个关键指标，两者通常存复合膜结合了不同材料的优势，是当前膜技术发展的重要方向在权衡关系，需要根据具体应用进行优化选择微滤与超滤分离对象微滤超滤MF UF孔径范围

0.1-10μm1-100nm操作压力

0.1-

0.3MPa

0.1-

1.0MPa主要应用颗粒、细菌分离蛋白质、大分子分离典型通量50-500L/m²·h10-100L/m²·h微滤和超滤是压力驱动膜过程中的低压膜技术，主要基于尺寸筛分机理实现分离微滤主要用于去除悬浮颗粒和细菌，超滤则能够分离蛋白质等大分子物质这两种技术在水处理、食品工业、生物制药等领域有广泛应用纳滤与反渗透纳滤特点孔径，能截留二价离子和小分子有机物，在软化水处理中应1-10nm用广泛反渗透原理致密膜结构，基于溶解扩散机理，能去除几乎所有溶解性物质膜污染控制通过预处理、操作优化和定期清洗等手段控制膜污染，延长膜使用寿命系统集成与其他技术集成，构建高效的水处理和物质分离系统气体分离膜透过机理膜材料工业应用气体在膜中的传递遵循聚合物膜、无机膜和混氮气氧气分离、氢气回/溶解扩散机理，透过速合基质膜等不同材料适收、二氧化碳捕集等在率取决于气体在膜材料用于不同的气体分离应石化、钢铁等行业广泛中的溶解度和扩散系用应用数渗透蒸发与膜蒸馏渗透蒸发膜蒸馏基于组分在膜中不同的溶解和扩结合蒸馏和膜分离的优点，在较散性能实现分离，特别适用于共低温度下实现分离，能耗相对较沸物系和热敏性物质的分离在低主要用于海水淡化、浓缩溶酒精脱水、有机溶剂回收等方面液处理等领域有重要应用技术优势无需加入第三组分，分离选择性高，设备紧凑，易于实现过程强化与传统蒸馏相比，在某些应用中具有明显的技术经济优势液膜分离1膜形成通过表面活性剂稳定形成液膜，包括乳状液膜和支撑液膜两种主要形式2传质过程溶质通过液膜的传递涉及界面反应、扩散和载体络合等复杂过程3应用领域在金属离子分离、废水处理、生物物质提取等方面显示出独特优势4技术发展膜稳定性改善和载体设计优化是当前技术发展的重点方向电渗析与电解质膜工业化应用1海水淡化、废水处理、食品脱盐系统优化2膜堆设计、操作参数控制膜材料性能3选择透过性、电导率、化学稳定性电渗析原理4离子在电场作用下的选择性迁移膜分离过程的设计与放大实验室数据获取通过小型膜组件测试获得基础数据，包括膜通量、截留率、操作压力等关键参数实验条件应尽可能接近实际工艺条件，确保数据的可靠性和代表性中试放大验证在中试规模验证小试数据的可靠性，考察膜污染、清洗效果、长期稳定性等工程问题中试阶段是发现问题、优化工艺的关键环节工业化设计基于中试数据进行工业化设计，包括膜组件选型、系统配置、控制方案等需要充分考虑安全性、可靠性和经济性要求第四部分吸附分离物理吸附化学吸附应用比例应用比例30%25%基于范德华力的可逆吸附过程，适用于气体通过化学键结合的强吸附，主要用于催化和净化和溶剂回收选择性分离离子交换分子筛分应用比例应用比例10%35%特定离子的选择性交换吸附，主要用于水处基于孔径大小的选择性吸附，广泛用于气体理和金属回收分离和脱水吸附基本原理吸附等温线吸附动力学等温线适用于单分子层吸附，假设吸附位点能量均匀吸附速率包括外扩散、内扩散和表面反应三个步骤在实际应用Langmuir且无相互作用等温线扩展到多分子层吸附，更适合描述实中，内扩散往往是控制步骤，需要通过颗粒大小、孔结构优化来BET际吸附过程提高吸附速率等温线则适用于非均匀表面的吸附，在环境工程中准一级和准二级动力学模型是描述吸附速率的常用模型，为吸附Freundlich应用较多等温线的选择直接影响吸附器的设计计算器设计提供理论基础常用吸附剂吸附操作方式固定床吸附最常用的吸附操作方式，结构简单，操作稳定适用于处理量大、浓度相对稳定的物料移动床吸附吸附剂连续移动，可实现连续操作，提高设备利用率，适用于大规模工业生产流化床吸附传质传热效果好，适用于颗粒细小的吸附剂，在催化反应中应用较多变压吸附利用压力变化实现吸附和脱附，能耗低，产品纯度高，在气体分离中广泛应用吸附过程设计75%破出点吸附床达到饱和前的有效利用率

1.2-

2.0床层比吸附床高度与直径的典型设计范围150°C再生温度热再生工艺的典型操作温度24循环时间完整吸附-再生循环的典型时间小时吸附器设计需要综合考虑破出曲线特性、床层阻力、传质效率等因素破出曲线的形状决定了床层的有效利用率，直接影响设备尺寸和经济性再生方法的选择需要平衡再生效果、能耗和吸附剂寿命多床系统设计可以实现连续操作，提高整体效率第五部分离心分离离心力场颗粒分离生物应用利用高速旋转产生的离基于颗粒密度差异实现在生物制药、发酵工业心力实现固液或液液分分离，广泛应用于悬浮中用于细胞收集、蛋白离，分离效果远超重力液的固液分离和澄清质分离和产品纯化沉降设备类型包括沉降式、过滤式、连续式和间歇式离心机等多种类型离心分离基础分离因子计算，决定分离效果G=ω²r/g沉降速度分析考虑离心力场下的颗粒运动规律分离效率评价基于颗粒大小分布确定分离性能设备选型根据物料性质选择合适的离心机类型离心机分类与特点离心机类型分离因子处理能力主要应用卧式螺旋离心大污泥脱水、固500-3000机液分离碟式离心机中液液分离、澄5000-15000清管式离心机小细菌分离、蛋10000-白质回收65000过滤离心机大结晶产品分300-1500离、脱水不同类型离心机适用于不同的分离任务卧式螺旋离心机适合大处理量的固液分离；碟式离心机在液液分离和澄清方面表现优秀；管式离心机分离因子高，适用于精细分离；过滤离心机则主要用于固体产品的回收和脱水离心机设计与操作转子平衡进料系统确保转子静平衡和动平衡，防止振动和设计合理的进料方式，避免对分离过程设备损坏，延长设备使用寿命的干扰，确保分离效果安全措施参数控制建立完善的安全防护体系，包括超速保优化转速、流量、温度等操作参数，提护、振动监测等安全装置高分离效率和产品质量生物发酵液的离心分离细胞回收通过离心分离回收发酵液中的微生物细胞，回收率可达以上，为后95%续产物提取奠定基础澄清处理去除发酵液中的悬浮颗粒和细胞碎片，获得澄清的上清液，便于后续分离纯化3蛋白质分离利用不同蛋白质的沉降特性实现初步分离，为进一步纯化做准备工艺优化通过调节值、离子强度等条件优化分离效果，提高目标产物的回收率pH第六部分色谱分离色谱理论工业化技术分离机理、保留值计算与选择性分析的基础理论知识模拟移动床、连续色谱等大规模色谱分离技术1234分离方法过程设计液相色谱、气相色谱、离子交换等不同色谱技术的原理固定相选择、操作条件优化与工程放大的设计原则与应用色谱分离原理分离机理保留特性色谱分离基于不同组分在固定相保留时间和保留体积是表征组分和流动相之间的分配差异吸附在色谱柱中行为的重要参数选色谱利用吸附力差异，分配色谱择性因子表示两组分的分离能α基于溶解度差异，离子交换色谱力，分离度评价实际分离效Rs依靠离子交换能力差异果柱效理论理论塔板数反映色谱柱的分离能力，塔板高度表示柱效率范德米特N H方程描述了柱效与流速的关系，指导操作条件优化色谱分离方法工业规模色谱技术模拟移动床原理通过阀门切换模拟固定相的逆向移动，实现连续分离操作相比传统色谱，技术显著降低了溶剂消耗和设备投资，提高了生产效率和经济SMB性系统配置优化典型系统包括个区域，每个区域承担不同功能通过优化流速SMB4比和切换时间，可以实现高纯度产品的连续生产，满足工业化生产要求工业应用案例在果糖葡萄糖分离、对间二甲苯分离、手性化合物拆分等方面//已实现大规模工业化应用，证明了该技术的成熟性和可靠性色谱分离过程设计固定相选择根据待分离组分的性质选择合适的固定相材料，包括粒径、孔径、表面化学性质等关键参数流动相优化通过调节流动相组成、值、离子强度等参数优化分离选择性和分离pH度操作条件确定优化流速、温度、进样量等操作参数，平衡分离效率、生产能力和经济性工程放大基于小试数据进行工程放大设计，考虑设备制造、操作控制等工程因素第七部分新型分离技术新型分离技术代表了分离科学的发展前沿，包括超临界流体萃取、反应萃取、生物分离和绿色分离等技术这些技术具有高效、环保、节能的特点，在特定应用领域展现出传统技术无法比拟的优势随着技术不断成熟和成本降低，新型分离技术正逐步实现工业化应用超临界流体萃取

31.1°CCO₂临界温度二氧化碳的临界温度条件

7.38临界压力二氧化碳的临界压力MPa90%提取效率典型超临界萃取的回收率99%产品纯度超临界萃取产品的典型纯度超临界流体萃取利用超临界流体独特的溶解性能实现高效分离二氧化碳作为最常用的超临界流体，具有无毒、不燃、易回收等优点该技术在天然产物提取、医药中间体分离、食品工业等领域应用广泛，特别适用于热敏性物质的分离虽然设备投资较高，但产品质量优异，环境友好反应萃取技术反应体系设计过程强化选择合适的反应条件和萃取剂，使反应通过反应和萃取的耦合，突破化学平衡和分离在同一设备中同时进行，提高过限制，提高反应转化率和产物选择性程效率工业应用能耗降低在有机酸生产、抗生素制备、金属提取减少分离步骤，降低能耗，简化工艺流等领域已有成功的工业化应用案例程，提高整体经济性生物分离新技术亲和色谱生物膜分离双水相萃取基于生物分子间特利用生物膜的选择在水相体系中实现异性结合实现高选透过性实现分离，生物分子的分离，择性分离，在蛋白具有高选择性和温保持生物活性，操质纯化中应用广泛，和的操作条件，适作简便，成本较低纯化倍数可达用于活性物质的分倍以上离1000电泳分离基于带电粒子在电场中的迁移差异实现分离，分辨率高，适用于蛋白质和核酸的分析分离绿色分离技术可持续发展实现资源循环利用和废物最小化资源回收溶剂回收、载体再生、能量集成环保溶剂离子液体、深共晶溶剂、生物基溶剂低能耗工艺膜分离、微波萃取、超声强化第八部分工业应用案例石油化工领域生物制药领域原油精炼、石化产品分离、环保处理等方面的分离技术应用，体从发酵液中分离纯化抗生素、蛋白质、多肽等生物活性物质，对现了传统工业对分离技术的巨大需求分离技术的选择性和温和性要求极高包括常减压蒸馏、催化裂化、加氢精制等核心分离过程，以及硫涉及膜分离、色谱分离、萃取分离等多种技术的综合应用，展现回收、废水处理等环保分离技术了现代生物技术的复杂性。