《萃取原理》课件

萃取原理欢迎来到《萃取原理》课程！本课程将系统介绍化学工程中重要的分离技术—萃取的基本原理、应用领域及工艺流程萃取技术作为化工领域的核心分离—方法之一，在石油炼制、医药制造、食品加工等众多行业发挥着不可替代的作用萃取基本定义萃取的本质与其他分离技术比较萃取是利用溶质在两种互不相溶或微溶的溶剂中的溶解度差异，与蒸馏相比，萃取不依赖于组分间沸点差异，特别适用于相对挥将溶质从一相转移到另一相的分离过程其核心原理是基于溶质发度接近、热敏性物质分离相较于吸附，萃取操作更为简单，在不同溶剂中的选择性分配，最早可追溯到古代中国和埃及的香且适用于大规模连续生产料提取方法萃取过程通常包括混合与分层两个基本步骤首先将含有目标组分的原料液与萃取剂充分接触混合，使目标组分转移到萃取剂中；随后利用密度差进行相分离，从而实现目标组分的分离提纯萃取的主要应用领域石油化工领域在石油炼制过程中，通过萃取技术分离芳烃、精制润滑油和提纯特种油品常用溶剂如砜类、甲基吡咯烷酮等，实现苯、甲苯、二甲苯等芳烃的高效分离N-医药生物领域在抗生素、生物活性物质提取纯化中，利用萃取法分离青霉素、红霉素等抗生素，以及天然药物有效成分的提取，如中药有效成分、植物生物碱等食品与日化工业咖啡因脱除、植物油精炼、香精香料制备，以及天然色素提取等，均依赖萃取技术还广泛应用于化妆品原料提取和日化产品生产中金属冶炼与环保分离对象与适用条件液液混合物热敏性物质-萃取主要处理液体混合物，特别是那些难以通过常规蒸馏方法对于热不稳定物质，萃取可在常温或低温条件下进行，避免了分离的体系当原料为液态且萃取剂为液态时，构成最常见的高温引起的物质分解或变性，如生物活性成分、抗生素等的分液液萃取系统离过程-相对挥发度接近的混合物共沸物分离当混合物组分沸点相近（相对挥发度接近）时，常规蒸馏需消1耗大量能源且效率低下，此时萃取成为理想选择，如芳烃与烷烃的分离萃取分类简介超临界流体萃取利用超临界状态流体作为萃取剂的高效分离技术固液萃取（浸出）-从固体物料中提取可溶性组分的过程液液萃取-利用溶质在两互不相溶液体中的分配差异进行分离萃取技术根据物料相态可分为三大类液液萃取是最常见形式，应用范围最广，如芳烃分离、药物提纯等固液萃取（又称浸出）主要--用于从固体原料中提取有价组分，如咖啡因提取、中药有效成分提取等超临界流体萃取则是利用处于超临界状态的流体（如超临界）作为萃取剂，兼具气体的扩散性和液体的溶解能力，广泛应用于高附加CO₂值、热敏性产品的提取分离，具有环保、高效等特点每种萃取方式各有其适用场景和技术特点液液萃取流程-原料准备原料液预处理，调节温度、等参数pH混合接触原料与萃取剂充分混合，实现传质相分离利用密度差实现萃取相和萃余相分离萃取剂回收从萃取相中分离回收萃取剂供循环使用液液萃取工艺流程通常包括上述四个主要步骤在实际工业应用中，根据分离难度和纯度要求，可-能采用单级萃取或多级萃取多级萃取又可分为并流、逆流等不同操作模式，其中逆流萃取效率最高，在工业上应用最为广泛整个萃取流程中，混合器和分离器是两个核心设备混合器负责提供充分的接触面积和混合强度，促进物质传递；分离器则确保两相完全分离，防止夹带和乳化现象工业规模下，这两个过程通常在萃取塔或萃取槽等专用设备中完成固液萃取（浸出）基础-溶剂渗透溶质溶解扩散传质溶剂渗入固体物料内部，溶解目标组分溶解在溶剂中形成溶溶解的组分通过扩散作用从固目标组分，是固-液萃取的第一液，溶解速率受温度、浓度差体内部迁移到溶剂体相中这步溶剂选择直接影响萃取效和接触面积影响增大固液接一过程通常是速率控制步骤，率和产品质量，常见溶剂包括触面积（如粉碎原料）可显著受浓度梯度、温度和搅拌强度水、乙醇、己烷等提高溶解效率等因素影响固液分离萃取液与固体残渣分离，通常采用过滤、离心等方法后续还可能包括萃取液精制、溶剂回收等工序，以获得高纯度产品和回收溶剂固液萃取广泛应用于茶叶、咖啡制备、中药提取、植物油提取等领域工业设备主要包括浸提罐、-索氏提取器、连续逆流提取器等操作方式可分为单次浸提、多次浸提和连续浸提，其中连续逆流浸提效率最高超临界萃取简介超临界流体特性工业应用领域超临界流体是指温度和压力均超过临界点的物质，兼具气体的扩超临界萃取技术在食品工业中应用广泛，如咖啡脱咖啡因、香料散性和液体的溶解能力最常用的超临界流体是，其临界温提取、植物油精炼等在制药领域，用于提取中草药有效成分、CO₂度为，临界压力为，操作条件温和制备难溶性药物微粒等

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7.38MPa超临界具有无毒、不燃、化学惰性强等优点，且临界参数易此外，超临界萃取在化妆品原料提取、食品添加剂制备、环境污CO₂达到，萃取后易脱除，不留残留物，是理想的绿色萃取剂通过染物处理等方面也有重要应用与传统萃取相比，超临界萃取具调节温度和压力，可灵活改变其溶解能力，实现对不同极性物质有分离效率高、选择性好、环境友好等显著优势，尤其适合热敏的选择性萃取性、高附加值产品的分离纯化萃取剂的选择原则溶解能力选择性对目标组分具有良好溶解能力，提高萃取效率理想萃取剂应对目标组分具有高选择性，能有效•溶解度高将其与杂质分离•容量因子大•分配系数差异大安全环保•对目标物高亲和性低毒性、低挥发性、不燃或难燃，符合绿色化工要求•无害或低毒经济性•环境友好价格合理，稳定性好，长期使用不降解易回收性•成本低廉与萃取相易分离，便于回收循环使用，降低成本•化学稳定性高•沸点适中•密度差明显萃取平衡理论基础相平衡基本概念两相间组分达到动态平衡状态分配系数溶质在两相中浓度之比分配定律描述溶质在两相中分配规律萃取过程的理论基础是相平衡原理当两互不相溶的液相充分接触达到平衡时，溶质在两相中的浓度比为一常数，即分配系数萃萃余K=C/C此系数受温度、压力及溶液组成影响，是萃取过程设计的关键参数分配定律只适用于理想稀溶液对于实际体系，需考虑非理想性影响，引入活度系数，即萃余萃萃萃余在实际应用中，通常通过K=γ/γ·C/C实验测定特定条件下的分配系数，或利用、等热力学模型进行预测分配系数越大，说明溶质越易被萃取，萃取效果越好UNIFAC NRTL影响分配系数因素温度影响温度变化会改变分子热运动状态和溶解度，进而影响分配系数对于吸热溶解过程，提高温度通常使分配系数增大；对于放热溶解过程则相反例如，在芳烃萃取中，温度升高往往导致选择性下降压力影响对于液-液萃取，常压范围内压力影响较小，可忽略不计但在超临界萃取中，压力是关键操作参数，增加压力可显著提高超临界流体的密度和溶解能力，从而改变分配行为例如，超临界CO₂萃取中，通过精确控制压力可实现对不同极性组分的选择性萃取溶剂性质萃取剂的极性、氢键能力和分子结构直接决定其对不同溶质的亲和力，是影响分配系数最主要因素相似相溶原则表明，极性溶质倾向于分配到极性溶剂中添加改性剂（如在有机溶剂中加入少量酸或碱）可大幅改变分配行为，增强萃取能力盐析效应在水相中添加无机盐可降低有机物在水中的溶解度，增大其向有机相转移的趋势，提高分配系数这一盐析效应广泛应用于提高萃取效率，如在有机酸萃取中加入氯化钠等无机盐，可显著提高萃取率萃取过程的热力学分析ΔG0μi^α=μi^β自发过程判据相平衡条件萃取过程需满足吉布斯自由能减小条件组分在相和相中的化学势相等iαβKi=γi^r/γi^e活度系数比实际分配系数可表示为活度系数之比萃取过程的热力学本质是多组分多相系统达到平衡的过程根据热力学第二定律，系统趋向于最小自由能状态当溶质从一相转移到另一相时，若总自由能降低（），则过程自发进行；当ΔG0各相中溶质的化学势相等时，系统达到平衡实际萃取体系中，由于分子间作用力的复杂性，溶液表现出非理想性，需引入活度系数来修正γ活度系数反映了实际体系与理想体系的偏离程度，可通过、等热力学模型计算准NRTL UNIQUAC确预测活度系数是萃取过程模拟与优化的关键，特别是对于高浓度、多组分复杂体系单级萃取与多级萃取单级萃取是最简单的萃取操作，原料液与萃取剂在一个萃取单元中完成混合和分离其特点是设备简单、操作方便，但萃取效率有限，适用于分配系数较大、对纯度要求不高的场合常见设备有分液漏斗（实验室）和混合沉降器（工业）多级萃取则通过设置多个萃取单元，使原料与萃取剂多次接触，大幅提高萃取效率根据相流动方式，多级萃取可分为并流、交叉流和逆流三种操作方式其中，逆流萃取的溶剂利用率最高，分离效果最好，但设备和操作最为复杂工业上常采用萃取塔、多级混合沉降器等设备实现多级萃取并流、逆流萃取系统对比并流萃取系统交叉流萃取系统原料液和萃取剂同向流动，混合原料液逐级处理，每级使用新鲜后的两相在每一级都进行分离萃取剂特点是操作灵活，分离特点是操作简单，但萃取效率较效果介于并流和逆流之间，但溶低，需要大量萃取剂适用于分剂消耗量大适用于中等分离难配系数较大的体系，多用于粗萃度的工艺，如某些医药中间体的取或预处理阶段纯化过程逆流萃取系统原料液和萃取剂反向流动，实现充分接触和高效分离特点是溶剂利用率高，分离效率最佳，但设备复杂，操作要求高广泛应用于高纯度要求的工业萃取，如精细化工品、药物纯化等领域从理论上讲，逆流萃取最接近理想的分离效果，能够以最少的理论级数和溶剂用量达到目标分离度在实际工程中，逆流萃取通常通过萃取塔（填料塔、筛板塔等）或多级混合沉降器组来实现采用哪种流程主要取决于分离难度、纯度要求、经济性考量以及操作复杂性等因素多级萃取的理论板法平衡级概念理论板（平衡级）是指在萃取装置中，两相达到完全平衡的假想单元实际操作中，由于接触时间有限和混合不充分，通常无法达到完全平衡，需要引入级效率来修正理论板数计算原理基于物料衡算和相平衡关系，通过逐级计算或图解法确定达到特定分离目标所需的理论板数逆流萃取中，常用法和三角图解法进行分析McCabe-Thiele3级效率影响因素实际级效率受混合强度、接触时间、界面面积、物料性质等因素影响提高混合效率、增大界面面积、优化设备结构可提高级效率，减少实际所需级数设计应用理论板法是萃取设备设计的基础，通过计算理论板数并结合级效率，确定实际设备的尺寸和结构对于复杂体系，常结合计算机模拟进行优化设计多级萃取数值举例萃取级数萃取相浓度萃余相浓度分配系数g/L g/L进料

010.0-第一级

3.

336.

670.5第二级

2.

224.

450.5第三级

1.

482.

970.5第四级

0.

991.

980.5第五级

0.

661.

320.5以上表格展示了一个三组分体系（溶质、载体、萃取剂）的逆流萃取计算实例假设初始A BS料液中溶质浓度为，萃取剂与料液体积比为，分配系数（恒定值）A10g/L1:1K=

0.5通过逐级物料衡算和平衡关系，可以计算出每一级的浓度分布从表中可见，随着级数增加，萃余相中溶质浓度逐渐降低，萃取效率逐步提高通过这种数值计算，可以确定达到特定回收率所需的理论级数，为实际设备设计提供依据实际工程中，还需考虑级效率、能耗、设备投资等因素进行综合优化混合与分层过程动力学基础界面扩散溶质分子从本体相通过液膜扩散到界面的过程扩散速率取决于浓度梯度、扩散系数和膜厚度，通常遵循菲克第一定律，其中为扩散通量，为扩散系J=-D·dC/dx JD数，为浓度梯度dC/dx界面传递溶质分子穿过两相界面的过程对于大多数萃取系统，界面传递阻力较小，不是控制步骤但对于某些含表面活性剂或形成界面络合物的体系，界面传递可能成为速率控制环节本体扩散溶质从界面扩散到接收相本体的过程萃取动力学通常用双膜理论或渗透理论描述总传质系数与两相中的单相传质系数相关，其中K k1/K=1/k₁+m/k₂为分配系数m萃取过程的速率取决于传质推动力（浓度差）和传质阻力在实际操作中，通过增大界面面积（如强化混合、减小液滴尺寸）、提高传质系数（如提高温度、降低黏度）等方法可加速传质过程对于控制步骤的判断，可通过实验测定不同条件下的传质速率来确定阶段间传质过程分子扩散湍流扩散溶质在静止流体中由浓度高区域向浓度低区域1流体微团在湍流作用下的随机运动带动溶质迁的自发迁移，是最基本的传质机制移，显著增强传质效率2液滴循环界面更新分散相液滴内部的循环流动，加速内部传质过界面不断更新，形成新的接触面，降低界面传程质阻力在实际萃取系统中，相界面是溶质传递的关键区域传质速率受界面面积、传质系数和浓度差三个因素影响界面现象如界面张力、界面稳定性和界面活性对传质过程有重要影响某些体系会出现界面阻力，如界面化学反应、界面膜形成等，成为传质的瓶颈湍流、搅拌等机械作用可显著提高传质效率，主要通过减小边界层厚度、增大浓度梯度和更新界面来实现在萃取设备设计中，合理的流体力学条件设计对提高传质效率至关重要对于不同传质控制机制的萃取体系，应采用针对性的强化传质措施萃取设备基本类型—萃取塔搅拌釜离心萃取机利用两相密度差实现逆流接触的塔式设批次操作的容器式萃取设备，通过机械搅利用离心力加速相分离的高效萃取设备，备，包括板式萃取塔、填料萃取塔和机械拌实现两相充分接触特点是结构简单、如波德曼离心萃取机、卢尔吉离心萃取机搅拌萃取塔特点是操作连续、效率高、操作灵活、适应性强，但效率较低，多用等特点是处理能力大、分离效率高、占占地面积小，适用于大规模工业生产其于小规模生产或需频繁更换工艺的场合地面积小，适用于难分离体系和高值产品结构设计重点是提高两相接触效率和分散搅拌釜系统通常与沉降器配套使用，形成提取其关键技术在于转子设计和相界面均匀性完整萃取单元控制板式萃取塔结构板式萃取塔是工业上应用最广泛的萃取设备之一，其内部装有一系列水平分布的板，用于增强两相接触根据板型结构不同，主要分为筛板塔、多孔板塔和浮阀板塔筛板塔结构最为简单，由带有小孔的金属板组成，轻相通过小孔上升，与板上的重相接触板式萃取塔适用于要求理论级数较多、处理量较大的萃取分离过程，如芳烃分离、稀土元素萃取等其优点是结构简单、操作稳定、维护方便；缺点是塔内压降较大、易出现倒混现象在设计中，需重点考虑板间距、开孔率、流速范围等参数，以优化流体力学性能和传质效果大型工业装置中，板式萃取塔直径可达数米，高度可达数十米填料萃取塔简介填料类型关键设计参数填料是填料萃取塔的核心组件，用于提供两相接触的界面积按填料萃取塔的设计参数主要包括比表面积（表示单位体积填料形状可分为规整填料和散堆填料两大类规整填料包括波纹填提供的接触面积）、空隙率（影响塔的容量和压降）、等效粒径料、网格填料等，结构有序，传质效率高，但成本较高散堆填（影响分散相液滴尺寸）和堆积密度（影响塔的机械负荷）此料包括鞍形填料、拉西环、球形填料等，结构无序，价格低廉，外，填料的润湿性对两相在填料表面的分布也有重要影响使用广泛在工程设计中，填料塔的液流速不宜过高，以防止过大的压降和填料材质需根据工艺介质选择，常见有金属（不锈钢、碳钢）、液泛；也不宜过低，以保证良好的液体分布填料层高度通常根陶瓷、塑料（、）等不同材质填料具有不同的耐腐蚀据理论板数和（等效于一个理论板高度）确定工业填料PP PTFEHETP性、机械强度和表面特性，应根据具体工况选择近年来，结构塔多采用分段填充，每段之间设置再分布器，以防止液体沿壁流陶瓷和高性能聚合物填料因其优异的化学稳定性和传质性能受到和保证均匀分布广泛关注离心萃取设备10-50500-3000理论级数转速rpm单台设备可提供的分离级数范围常见工业离心萃取机转速范围

0.5-30停留时间s相比重力分离大幅缩短的停留时间离心萃取设备是一类利用离心力场加速相分离的高效萃取装置其核心原理是在旋转部件产生的离心场中，利用两相密度差实现快速分离，同时通过特殊结构设计促进两相充分混合和传质代表性设备包括波德曼离心萃取机、卢尔吉离心萃取机和阿尼德科离心萃取机等离心萃取设备特别适用于易乳化、分层困难或需快速分离的体系，如放射性物质萃取、贵金属回收和生物制品提取等其优势在于设备紧凑、处理量大、分离效率高、停留时间短；缺点是结构复杂、制造成本高、能耗较大在高附加值产品的分离纯化或特殊工况条件下，离心萃取设备具有明显的技术经济优势混合分层萃取器-混合段过渡区沉降段出口区提供强烈搅拌，形成分散均匀的乳液减缓流速，促进初步聚结提供足够停留时间，实现相分离控制界面位置，分别导出两相混合分层萃取器是结合混合和分离功能的萃取设备，典型代表是混合澄清器（）其工作原理是将混合和分离过程在一个设备或单元中连续完成，先通过强-Mixer-Settler烈搅拌使两相充分接触传质，然后在沉降区实现相分离这类设备结构相对简单，操作灵活，每级分离效率高，但占地面积较大在操作参数选择上，混合强度影响传质效率，搅拌过强会导致乳化难分层；分离区的停留时间影响分离效果，通常根据分层速率确定；界面位置控制是保证产品纯度的关键工业应用中，多个混合分层单元串联或并联组成萃取系统，可实现复杂的分离任务近年来，脉冲混合、静态混合等新型混合技术在此类设备中的应用，进一步提高了其-性能实验室常用萃取装置分液漏斗使用步骤首先检查漏斗完整性，加入待萃取溶液和萃取剂，旋紧塞子，轻摇混合，放气，继续振摇1-2分钟，静置分层，分别收集两相重复操作可实现多次萃取2萃取前准备工作确定萃取目标和方案，选择合适萃取剂，准备标准溶液和分析方法，检查实验设备完整性，准备必要的安全防护措施（如通风橱、手套等）操作注意事项振摇时应定期开启活塞放气；萃取剂若为易挥发有机物，应在通风橱中操作；分层不完全时可加少量盐促进分层；记录实验现象和数据；操作结束后妥善处理废液实验数据记录详细记录原料和萃取剂用量、操作条件（温度、时间、等）、分相情况、各相体积和组成pH分析结果计算分配系数、萃取率等关键参数，绘制相关曲线图表除分液漏斗外，实验室还常用索氏提取器（适用于固液萃取）、连续液液萃取器（适用于长时间萃-取）和微型萃取柱（适用于工艺放大研究）等设备现代实验室还可采用微流控技术、自动化萃取系统等新型设备提高实验效率和精度工业萃取常见设备对比设备类型理论级数处理能力能耗适用场景板式萃取塔中大低大规模连续生10-30-产填料萃取塔5-20中-大低低压降要求场合脉冲萃取塔中中易乳化体系15-40搅拌萃取塔10-25中中-高高黏度体系混合-沉降器1/台小-中中多级串联使用离心萃取机台小中高难分离体系5-50/-设备选型是萃取工艺设计的关键环节选择合适的萃取设备需综合考虑分离难度、处理量、物料特性、经济性和操作要求等因素对于大规模连续生产，塔式设备因其高效、节能的特点被广泛采用；对于批量小、品种多的生产，混合沉降器更具灵活性；而对于难分离的特殊体系，离心萃-取设备虽成本高但效率和分离能力突出萃取工艺的流程设计需求分析与目标确定明确分离目标、产品纯度要求、处理量和生产方式收集物料物性数据，包括密度、黏度、相平衡数据等确定工艺路线和关键控制参数，进行初步的技术经济评估流程方案设计选择合适的萃取剂和操作方式（并流、逆流等）设计萃取、洗涤、反萃取等单元操作，确定物料流向和设备类型绘制初步工艺流程图（），包括主要设备和物料流PFD设备规格设计基于理论计算和经验数据，确定每台设备的具体规格和参数计算主要设备的尺寸、功率和材质要求设计辅助设备如泵、换热器、储罐等完善工艺流程图，添加仪表和控制点工艺优化与评估通过模拟计算或中试实验，验证和优化设计方案评估能耗、投资成本和运行成本，进行技术经济分析考虑安全、环保和操作便利性，优化工艺参数和设备配置最终形成详细的工程设计文件萃取工艺流程设计需要严格遵循化工设计规范和行业标准在绘制工艺流程图时，应按照国家标准使用正确的图形符号，标明物料名称、流量、组成、温度、压力等关键参数流程图应清晰表达物料走向、设备连接和控制关系，为详细工程设计提供依据食品工程中的萃取咖啡提取工艺天然香料提取食用油萃取精炼咖啡提取是食品工业中的典型萃取应用香料提取是萃取技术的重要应用领域从植物油生产中，萃取法是重要的提取和精传统工艺以热水作为萃取剂，从烘焙咖啡植物材料（如香草、肉桂、薄荷等）中提炼手段大豆油、花生油等生产常采用己豆中提取可溶性成分现代工艺结合了压取精油和香味物质，主要采用蒸馏萃取、烷等有机溶剂萃取，提高油脂回收率精力、温度控制和多级逆流萃取，提高了提有机溶剂萃取和超临界萃取不同萃取方炼过程中，碱萃取去除游离脂肪酸，吸附取效率和风味保留咖啡因脱除则采用超法获得的产品风味特性各异现代香料工剂处理去除色素和杂质现代油脂工业还临界萃取或有机溶剂选择性萃取，制备业强调绿色环保，越来越多采用水基萃取采用超临界萃取技术制备特种油脂产品CO₂低咖啡因产品和超临界萃取技术CO₂生物医药中的萃取应用生物活性物质提取抗生素纯化蛋白质液液萃取从植物、微生物发酵液中提取活性成分是制药抗生素生产中，萃取是关键纯化步骤以青霉生物大分子如蛋白质的萃取纯化是近年研究热工业的基础工艺常采用有机溶剂（如乙醇、素为例，发酵液先经过过滤、离子交换等预处点水相两相萃取系统（）利用聚合物ATPS/乙酸乙酯等）进行选择性萃取，随后通过多级理，随后在酸性条件下用丁醇或甲基异丁基酮聚合物或聚合物盐形成两个水相，实现生物大/精制获得高纯度产品中药有效成分提取中，萃取，再在碱性条件下反萃取，实现高效纯化分子温和分离反胶束萃取则利用表面活性剂水提醇沉、反复萃取分离是常用技术现代生此工艺要点是精确控制和相分离条件优化，在有机相中形成微水池，选择性提取蛋白质pH物提取强调绿色溶剂应用，如离子液体、深共以提高回收率和纯度这些技术为生物制药提供了高效、温和的分离融溶剂等新型萃取剂手段生物医药领域对萃取工艺有特殊要求一是产品纯度和安全性标准极高，需严格控制工艺参数和溶剂残留；二是许多生物活性物质热敏感，要求在温和条件下操作；三是工艺需符合标准，具备完善的质量控制体系现代生物萃取技术正向自动化、连续化和绿色化方向发展GMP石油与化工行业的萃取芳烃萃取苯酚提取从混合烃中分离苯、甲苯、二甲苯等芳烃从煤焦油或石油副产品中回收苯酚•常用萃取剂:砜类、N-甲基吡咯烷酮•萃取剂:碱液、有机胺12•典型工艺:Sulfolane工艺、Arosolvan工•工艺特点:pH控制、多级逆流萃取艺有机酸回收润滑油精制从发酵液或废水中回收有机酸去除润滑油中不稳定组分和有害物质•萃取剂:仲胺、磷酸三丁酯•溶剂:呋喃、酚、甲苯•特点:反应萃取、膜萃取•工艺:溶剂脱蜡、溶剂精制石油化工领域是萃取技术最广泛应用的行业之一在石油炼制中，溶剂萃取用于分离特定组分，提高产品品质芳烃萃取是最大宗应用，全球每年约有万吨芳烃通过萃取工艺生产现代芳烃萃取技术如工艺，采用多级逆流萃取塔，能耗低，分离效率4000Sulfolane高，产品纯度可达以上

99.9%稀有金属提取与萃取1铀萃取铀矿湿法冶金中，萃取是关键纯化步骤常用萃取剂为磷酸三丁酯TBP，与煤油等稀释剂混合使用工艺流程包括萃取、洗涤和反萃取三个主要步骤TBP对六价铀具有高选择性，能有效分离铀与杂质元素萃取工艺通常采用多级逆流操作，实现高纯度铀的回收2钒萃取钒的萃取分离主要采用胺类萃取剂（如N

235、N263等）或羟肟酸类萃取剂工艺特点是pH值控制严格，通常在弱酸性条件下进行钒萃取常与铬、铁等元素分离，需精确控制氧化还原电位钒萃取广泛应用于钢铁废液处理和钒矿石加工，是钒生产的重要工艺3锂萃取锂资源开发中，萃取法是从卤水、粘土和低品位矿中提取锂的有效方法近年发展的氯化锂萃取工艺，采用特殊设计的冠醚类萃取剂，具有高选择性和环境友好特点该技术突破了传统锂提取工艺的瓶颈，大幅降低了能耗和废水排放，是锂电池产业链的关键技术4稀土元素萃取稀土元素分离是萃取技术的经典应用由于稀土元素化学性质相似，传统方法难以有效分离萃取法利用不同稀土元素在酸性有机磷萃取剂（如P

204、P507）中的微小分配系数差异，通过多级逆流萃取实现分离现代稀土萃取工艺已发展到数百级的大型萃取系统，是获取高纯稀土产品的核心技术环境保护与废弃物处理中萃取工业废水处理土壤修复资源回收萃取技术在处理含重金属、有机污萃取法是土壤修复的重要手段，特从工业废液和固废中回收有价金属染物的工业废水中发挥重要作用别适用于重金属和有机污染物的去是萃取技术的重要应用电子废弃采用选择性萃取剂，如冠醚、磷酸除原位萃取使用环境友好型萃取物中的金、银、钯等贵金属，冶炼酯等，可高效分离微量有害物质剂直接注入污染土壤；异位萃取则废液中的铜、镍、钴等有色金属，膜萃取、乳液膜等新技术进一步提将开挖土壤与萃取剂混合处理萃通过选择性萃取实现高效回收，既高了处理效率和经济性取后的污染物浓缩处理，土壤可回减少环境污染，又创造经济价值填使用高盐废水处理高盐废水处理是环保领域的难题，萃取法提供了有效解决方案采用特殊设计的萃取剂和工艺，可选择性分离盐水中的有害组分，或回收有用矿物质膜萃取和离子液体萃取是该领域的前沿技术环保领域的萃取应用强调绿色、安全和经济性现代环保萃取技术发展方向包括开发生物可降解萃取剂，减少二次污染；研发高选择性萃取体系，提高分离效率；优化工艺设计，降低能耗和成本；推广连续自动化技术，提高处理能力萃取技术与其他处理方法（如吸附、氧化等）联用，可构建更高效的综合环保解决方案超临界萃取技术CO₂

31.1°C

7.38MPa90%+临界温度临界压力溶剂回收率超临界的临界温度低，适合热敏性物质工业上易于实现的压力条件易于回收循环利用的优势CO₂CO₂超临界萃取技术是一种绿色分离技术，利用在超临界状态下独特的物理化学性质实现高效萃取分离超临界兼具气体的扩散性和液体的溶解能力，可深入CO₂CO₂CO₂物料内部并溶解目标成分与传统有机溶剂相比，超临界无毒、不燃、化学惰性强，萃取后易于分离，不留残留物，完全符合绿色化学原则CO₂超临界萃取过程包括加压达到超临界状态；通过萃取器溶解目标成分；含溶质的超临界流体进入分离器；通过降压或升温使气化，溶质析出；CO₂CO₂CO₂CO₂CO₂经冷凝后循环使用通过调节温度、压力和添加共萃取剂，可改变的溶解特性，实现对不同极性物质的选择性萃取，特别适合提取热敏性、高附加值产品CO₂超临界萃取工业案例工艺优化与节能措施萃取剂优化溶剂回收1选择高效、低毒、易回收的萃取剂，减少用量和损采用高效蒸馏、吸附等技术回收萃取剂，降低成本耗和污染过程强化热能整合改进设备结构和操作方式，提高传质效率优化热交换网络，回收利用余热，降低能耗萃取工艺优化的核心是提高分离效率、降低能耗和减少废物排放在萃取剂选择上，现代工艺倾向于使用选择性高、毒性低的绿色溶剂，如植物油、生物基溶剂等；或开发高效复合萃取剂，减少用量对于传统有机溶剂，则强化回收系统，采用多效蒸发、吸附分离等技术，回收率可达以上99%能量优化是工艺设计的重点通过热量级联利用，回收高温流体热量用于预热进料或萃取剂蒸发；采用蒸汽机械再压缩技术提高蒸汽利用效率；优化操作条件，如降低萃取温度、减少萃取剂用量等先进的过程控制系统也对节能降耗起关键作用，智能控制可实时调整工艺参数，保持最佳操作状态，显著提高设备利用率和能源效率计算实例单级萃取物料衡算问题描述计算步骤某含有组分的水溶液（浓度为），使用萃取剂进行单级设原料中的总量为A10g/L SA m=100L×10g/L=1000g萃取已知原料液体积为；萃取剂用量为；组分在100L50L A设萃取后萃余相中的浓度为萃余，则萃取相中的浓度萃A CA C两相中的分配系数萃萃余K=C/C=

2.5萃余萃余=K×C=

2.5C求萃取后两相中的浓度；的萃取率；若进行二次萃1A2A3根据物料衡算萃余萃余萃萃萃余m=V×C+V×C=100×C+取，总萃取率如何变化？萃余萃余50×

2.5×C=225C解得萃余；萃C=1000/225=

4.44g/L C=

2.5×

4.44=

11.1g/L萃取率=50×

11.1/1000=

0.555=

55.5%二次萃取总萃取率=

55.5%+1-

55.5%×

55.5%=

80.2%计算实例多级逆流萃取物料衡算方程1对第n级平衡关系和物料衡算建立方程组递推公式推导2通过消元得到各级浓度递推关系迭代计算3使用电子表格或编程方法逐级求解以四级逆流萃取为例，原料溶液F=100kg/h，溶质浓度x_F=

0.1，萃取剂S=100kg/h，假设分配系数K=

2.0不变首先，建立总物料平衡方程F+S=R_n+E_1质量守恒溶质物料平衡F·x_F=R_n·x_n+E_1·y_1溶质质量守恒各级平衡关系y_j=K·x_j j=1,2,...,n级间物料平衡对第j级，有E_j-1+R_j+1=E_j+R_j，通过建立这些方程组，可导出浓度递推公式x_j+1=E_j/R_j+1·y_j+R_j/R_j+1·x_j-E_j-1/R_j+1·y_j-1通过设置边界条件，如进料浓度、萃取剂初始浓度等，采用逐级计算方法求解，最终得到各级的浓度分布和总萃取率在本例中，计算结果显示四级逆流萃取可获得

92.4%的萃取率，而四级交叉流萃取仅为

80.5%，验证了逆流萃取的高效性工艺流程设计案例以某医药中间体萃取纯化工艺为例该工艺目标是从发酵液中分离纯化目标产物，去除杂质和副产物工艺流程包含以下环节首先，发酵液经过调节pH（）和预过滤处理；然后在萃取塔中与有机溶剂（丁醇己酸乙酯混合物）进行逆流萃取，目标产物转移至有机相；pH=

3.5/萃取相经过洗涤塔与稀碱溶液接触，去除共萃的酸性杂质；随后在反萃取塔中与的缓冲溶液接触，将目标产物反萃回水相；最终水相经浓缩、结晶获得pH=

8.0纯品，有机溶剂则经蒸馏回收循环使用整个工艺的关键控制点包括值精确控制、相比控制和温度控制，以确保高回收率和纯度设计中特别考虑了要pH GMP求和环保措施，如密闭操作、溶剂回收和废水处理等现代萃取辅助技术膜萃取技术超声辅助萃取膜萃取结合了膜分离和溶剂萃取的优点，使用多孔疏水膜作为两相接超声波产生的空化效应可增强液液界面传质，破碎液滴增大接触面积，-触界面萃取剂和料液分别在膜两侧流动，溶质通过膜孔扩散到萃取同时加速溶质扩散研究表明，超声辅助可使萃取时间缩短，50-80%相中其优点是相分离彻底、无乳化问题、操作灵活，特别适用于生提高萃取率该技术在实验室和小规模生产中应用广泛，正逐10-30%物活性物质的温和分离步向工业化方向发展微波辅助萃取电场辅助萃取微波能量可使物料内部分子快速振动产热，破坏细胞结构，促进溶质外加电场可改变界面特性，增强带电粒子的迁移，同时减少乳化现象释放微波辅助特别适用于植物活性成分和中药有效成分提取，具有脉冲电场特别适用于破碎植物细胞，提高细胞内物质的释放率电场时间短、效率高、选择性好的特点现代设备已实现连续微波萃取工萃取在食品、医药领域有特殊应用，如提取细胞内蛋白质、天然抗氧艺，能耗低于传统热萃取化剂等萃取实验的典型步骤实验设计确定萃取目标，选择合适萃取剂和条件，设计实验变量和水平，准备仪器设备和分析方法常用正交实验法优化多因素条件，以减少实验次数此阶段需全面考虑物料性质、安全性和分析方法可行性萃取操作准确称量和配制样品及萃取剂；控制实验条件（温度、pH、时间等）；进行萃取操作（如振摇、搅拌）；静置分层后分离两相需精确记录各项参数和观察现象，如相分离情况、颜色变化等实验过程中须遵循标准操作规程，确保安全和数据准确性分析测定采用适当分析方法测定各相中目标物质含量，如色谱法、光谱法或滴定法等需进行方法验证，确保分析准确度和精密度对于复杂体系，可能需要样品前处理（如稀释、衍生化等）准确的分析数据是计算萃取参数的基础数据处理计算分配系数、萃取率等关键参数；分析影响因素与萃取效果的关系；建立数学模型描述萃取过程；优化工艺条件现代数据处理通常借助统计软件，如Design Expert、SPSS等，进行回归分析和响应面优化，为工艺放大提供科学依据实验过程中的安全注意事项有机溶剂操作须在通风橱中进行；使用易燃溶剂时，远离火源；接触腐蚀性试剂须佩戴防护装备；实验废液分类收集，不得随意倾倒；发生意外及时采取应急措施并报告常见故障与应对故障现象可能原因解决措施相分离困难乳化严重、界面张力低添加破乳剂、调整温度或pH值、增加静置时间萃取效率低萃取剂选择不当、接触不充分更换萃取剂、增强混合强度、优化相比萃取塔液泛流速过大、分散相积累降低流速、调整相比、检查分布器萃取塔压降过大填料堵塞、流速过高清洗填料、降低流速、检查液体分布产品纯度不达标共萃杂质、洗涤不充分优化pH值、增加洗涤次数、调整选择性萃取剂损失过大夹带严重、回收不完全优化分离条件、改进回收工艺、减少操作波动乳化问题是萃取操作中最常见的故障之一乳化形成的原因包括混合强度过大、表面活性物质存在、温度不适宜等严重乳化会导致相分离困难，产品损失和设备效率下降解决乳化问题的方法包括添加适量破乳剂（如高分子聚电解质）；调整pH值，改变界面电荷；提高或降低温度，改变物理性质；增加静置时间或使用离心分离等机械方法加速分层萃取操作的安全与环保废物资源化废液循环利用和副产品开发废水废气处理2达标排放与污染物降解源头污染预防3绿色萃取剂和清洁工艺萃取过程中的安全管理主要关注有机溶剂的使用大多数萃取剂属于易燃、易爆、有毒物质，需严格管控具体措施包括使用防爆电气设备；车间通风良好，安装气体检测报警装置；操作人员培训合格，熟知应急处理流程；建立健全安全操作规程和责任制度；定期检查设备完好性，排除安全隐患环保方面，萃取工艺产生的废液、废气和废渣需妥善处理废水处理常采用物化生化组合工艺，如气浮、吸附、生物降解等；有机废气通过活性+炭吸附、催化燃烧等方法处理；固体废物根据性质进行无害化处理或资源化利用现代萃取工艺更注重清洁生产，从源头减少污染物产生，如使用绿色萃取剂（离子液体、深共融溶剂等）、优化工艺减少溶剂用量、加强溶剂回收等国家标准与行业规范产品质量标准工艺技术规范萃取产品需符合相应的国家标准或行业标萃取工艺设计需遵循《石油化HG/T20570准如食品添加剂需满足，药用辅工萃取设备设计规范》、《化GB2760HG/T20696料需符合中国药典要求，香精香料需符合工工艺设计手册》等技术规范这些规范等这些标准规定了产品的理提供了设备选型、材质选择、安全距离等GB/T22731化指标、杂质限量、微生物限量等关键指方面的具体要求，是工程设计的基本依标，是产品合规性的基本保证据对特殊行业，如制药行业，还需符合等特殊要求GMP安全环保法规萃取操作涉及多种化学品，需严格遵守《安全生产法》、《危险化学品安全管理条例》等法规环保方面需符合《水污染防治法》、《大气污染防治法》等环保法规，以及相应的排放标准违反这些法规不仅面临处罚，还可能导致企业停产整顿在实际生产中，企业需建立完善的质量管理体系，确保萃取工艺和产品符合相关标准和法规这包括原辅料管理、过程控制、检验方法、记录管理等方面特别是制药、食品等行业，需建立从原料到产品的全过程质量追溯体系企业还应密切关注标准法规的更新变化，及时调整生产工艺和管理措施，以保持合规性萃取工艺发展历史回顾古代萃取（公元前世纪）-18最早的萃取技术可追溯到古埃及和中国，主要用于香料、药材提取和酿酒古代中国的茶叶萃取、草药浸泡，古埃及的香精萃取都是早期萃取技术的代表这一时期主要依靠水和酒精作为萃取剂，工艺简单，主要用于小规模生产工业化初期（世纪初）19-20随着化学工业发展，萃取技术开始系统化1842年，Nernst提出分配定律，为萃取理论奠定基础19世纪末，索氏提取器发明，固液萃取技术实现标准化20世纪初，石油工业采用液液萃取分离烃类，萃取技术开始大规模工业应用现代萃取时期（世纪中末）20-二战后，萃取技术迅速发展50-60年代，核工业推动了先进萃取设备和理论研究70年代，计算机辅助设计和模拟技术应用于萃取工艺80年代，超临界萃取技术实现工业化，芳烃萃取、贵金属萃取等技术广泛应用这一时期萃取设备和工艺日趋成熟，应用领域不断扩大绿色智能萃取（世纪至今）2121世纪以来，萃取技术向绿色化、智能化方向发展离子液体、深共融溶剂等绿色萃取剂研发成功；膜萃取、微流控萃取等新技术不断涌现；数字化控制、人工智能优化等先进技术融入萃取工艺；精准萃取、选择性萃取成为研究热点萃取技术正向更高效、更环保、更精准的方向不断创新典型萃取案例综合分析行业最新研究进展绿色萃取剂研究微流控萃取技术智能萃取系统离子液体作为新型绿色萃取剂的研究取得重大微流控萃取是近年来的研究热点，利用微通道人工智能和大数据技术正革新萃取过程控制进展近年来，功能化离子液体在金属离子选中的层流特性和大界面积体积比，实现高效最新发表的研究表明，基于机器学习的萃取过/择性萃取方面表现出色，如咪唑类离子液体对传质最新研究表明，微流控萃取可将传统萃程优化可提高产率，同时降低能耗15-20%10-稀土元素的高选择性萃取，分离因子可达传统取时间从小时级缩短到秒级，且样品和溶剂消这些系统通过实时监测关键参数（如15%萃取剂的倍此外，深共融溶剂因其耗降低以上该技术特别适用于贵重样品值、温度、界面位置等），结合历史数据3-5DES90%pH低毒、可生物降解等特点，在天然产物提取中分析和高附加值产品生产，已在医药、生物技和预测模型，实现自适应控制和故障预警，大应用日益广泛术等领域崭露头角幅提高工艺稳定性和产品一致性工业与数字化萃取工艺

4.085%15-25%自动化程度效率提升现代萃取工艺实现的自动控制水平数字化转型带来的平均生产效率提升500+监测点位大型萃取装置的传感器监测点数量工业时代，萃取工艺正经历数字化转型智能控制系统是其核心，通过分布式控制系统和可

4.0DCS编程逻辑控制器实现全流程自动化操作先进传感技术实时监测关键参数，如液位、压力、温度、PLC流量、值、浓度等，甚至采用在线光谱分析、图像识别等技术监测相分离状态和产品质量pH数据采集与分析系统收集和处理海量工艺数据，结合数字孪生技术，创建萃取过程的虚拟模SCADA型，实现工艺优化和预测性维护一些领先企业已实现无人工厂萃取车间，操作人员只需在控制室远程监控此外，移动应用和云平台使管理者可随时查看生产状态，提高决策效率数字化转型不仅提高了生产效率和产品质量，还显著降低了能耗和安全风险萃取工艺未来展望绿色萃取智能萃取可再生生物基溶剂替代传统有机溶剂，实现低碳人工智能与自动化深度融合，实现自优化操作环保精准萃取4过程强化3分子识别萃取剂实现高选择性分离多功能反应萃取一体化，提高效率降低能耗未来萃取技术将朝着几个关键方向发展首先，绿色化是大趋势，生物基溶剂、离子液体、超临界流体等环境友好型萃取剂将逐步替代传统有机溶剂其次，萃取与其他单元操作的耦合集成将成为研究热点，如膜萃取、反应萃取、萃取结晶等复合技术，实现过程强化和效率提升在材料方面，新型功能材料如纳米萃取剂、分子印迹聚合物、金属有机框架等将为萃取提供更高选择性数字化转型也将深入推进，借助物联网、大数据、人工智能等技术，实现萃取过程的智能控制和自优化此外，微型化和模块化萃取装置将更加普及，提高系统灵活性和适应性这些创新将使萃取技术在循环经济和绿色制造中发挥更重要作用课后思考与练习1萃取理论计算某含的水溶液，浓度为用萃取剂密度进行萃取已知在水和中的分A10kg5%B

0.8g/cm³A B配系数若使用等体积的进行三级交叉萃取，计算总萃取率及每级的萃取效率分析K=

2.5B单级、多级交叉和多级逆流萃取的效率差异2萃取工艺设计设计一个从发酵液中提取青霉素的工艺流程发酵液，青霉素浓度为，杂质包括pH=

7.02g/L蛋白质、糖类等选择合适的萃取剂，确定值、相比、温度等工艺参数，并绘制工艺流程pH图，说明关键控制点3设备选型分析某工厂需建设一套处理量为的芳烃萃取装置比较板式萃取塔、填料萃取塔和离心萃5000t/a取器三种设备的技术经济指标，包括投资成本、运行成本、分离效率、操作灵活性等，并结合具体工况推荐最佳设备选型4文献调研任务查阅近五年内发表的关于绿色萃取技术的高被引论文，总结其中的创新点、应用场景和工业化前景重点关注离子液体萃取、超临界流体萃取和膜萃取等方向，分析其在某一特定领域（如制药、食品或环保）的应用潜力总结与扩展阅读推荐核心知识回顾扩展阅读资源研究与实践方向本课程系统介绍了萃取原理的基础理论和工程推荐教材《化工分离工程》（杨祖荣编），对有志于萃取领域深入研究的同学，建议关注应用从基本概念、热力学基础到设备设计、《萃取分离工程》（李绍芬编）经典外文著以下方向绿色萃取剂的开发与应用；萃取过工艺优化，构建了完整的知识体系萃取作为作《》著学术程的强化与集成；智能控制与数字化萃取；微Liquid ExtractionTreybal化工分离技术的重要一环，在石油化工、制药、期刊《分离科学与技术》、《化工学报》、型化和模块化萃取装置实践方面，鼓励参与食品、环保等领域发挥着不可替代的作用掌《》实验室萃取研究、参观工业萃取装置、参加相Journal ofChemical EngineeringData握萃取原理，对于深入理解分离工程和化工过线上资源中国化工信息网、美国化学工程师关学术会议，将理论知识与工程实践相结合，程具有重要意义协会网站提供了丰富的萃取技术资料和培养全面的专业能力AIChE最新研究进展。