《萃取设备》课件

萃取设备萃取技术作为一种重要的分离方法，在化工、制药和冶金领域有着广泛应用本课程将系统介绍萃取技术的基本原理、设备类型、操作条件及其应用据市场调研数据显示，萃取工艺市场规模在年已达亿元，呈现稳定增2024650长趋势随着分离技术的不断发展，提高分离效率、降低能耗已成为行业的主要发展方向课程目标掌握萃取分离的基本原理理解萃取过程的热力学基础，掌握相平衡理论和分配定律，能够分析影响萃取效率的关键因素了解主要萃取设备的结构与工作原理系统学习各类萃取设备的结构特点、工作原理和适用范围，能够识别不同设备的优缺点学习萃取设备的选择方法与计算掌握萃取设备的选型依据和理论级数计算方法，能够根据工艺要求合理选择设备熟悉萃取工艺的设计与优化目录第一部分萃取分离基本原理介绍萃取的定义、热力学基础、相平衡理论、操作方式等基础知识，为后续设备学习奠定理论基础第二部分萃取设备分类与特点系统讲解萃取设备的分类方法、设计思路、性能比较和选型原则，帮助建立完整的设备认知体系第三部分典型萃取设备详解深入分析各类典型萃取设备的结构、原理和应用，包括混合澄清式、塔式、离心式等多种设备第四部分超临界萃取技术与设备介绍超临界流体萃取原理、设备特点和应用案例，展示先进萃取技术的发展和应用第五部分萃取工艺设计与应用讲解萃取工艺设计方法、计算原理和应用案例，提供实际工程设计的参考和指导第一部分萃取分离基本原理理论基础理解萃取分离的热力学基础和动力学机制相平衡原理掌握液液平衡理论和分配定律-操作方式学习各种萃取操作方式及其适用条件萃取分离原理是理解萃取设备设计和操作的基础在这一部分，我们将系统介绍萃取的基本概念、热力学基础、相平衡理论以及各种操作方式，帮助学习者建立对萃取过程的全面认识通过学习这部分内容，您将能够理解影响萃取效率的关键因素，为后续萃取设备的选择和工艺设计奠定坚实的理论基础萃取的定义与基础萃取的定义基本系统组成萃取（）是利用组分在不萃取系统通常包括四个基本部分Extraction同相中溶解度差异进行分离的单元进料相（含有待分离组分的原操作，通过物质在两相间的选择性料）、萃取剂相（选择性溶解目标迁移实现分离在化工领域，萃取组分的溶剂）、萃余相（分离后的技术广泛应用于各种复杂混合物的原料相）和萃取相（含有目标组分分离纯化过程的萃取剂相）关键参数•分配系数组分在两相中浓度比值•分离因数两组分分配系数的比值•萃取率目标组分的回收率理解萃取的基本概念和关键参数是掌握萃取设备工作原理的前提不同的萃取系统具有不同的分配特性，合理选择萃取剂和操作条件对于提高萃取效率至关重要萃取过程的热力学基础液液平衡理论分配定律原理-液液萃取的基础是两种不互溶或部分互溶的液体形成的两相系分配定律是萃取过程的核心原理，指出在两个不互溶的溶剂中，-统在平衡状态下，溶质在两相中的化学势相等，这是萃取分离溶质的分配比在一定温度下为常数，即的热力学基础，其中为分配系数，和分别为溶质在两相中KD=CA/CB KDCA CB平衡状态可通过方程表示，其中表示组分的化的平衡浓度μiα=μiβμi i学势，和表示两个液相αβ这一定律为萃取分离提供了理论依据，分配系数越大，萃取效果越好掌握萃取过程的热力学基础对于理解萃取机理和优化萃取条件至关重要在实际应用中，需要考虑温度、值、离子强度等因素对分pH配系数的影响，以便设计高效的萃取工艺相平衡图解三角形相图表示三元系统组成和相平衡关系直角坐标相图常用于表示二元或拟二元系统溶解度曲线与操作线确定最佳操作条件和理论级数相平衡图是萃取工艺设计的重要工具，通过图解方法可以直观地表示组分在各相中的分布情况三角形相图适用于三元系统，每个顶点代表一个纯组分，任意点表示三组分的特定组成直角坐标相图则常用于表示二元或拟二元系统的相平衡关系，横纵坐标分别表示两相中目标组分的浓度通过在相图上绘制操作线和平衡线，可以确定理论级数和最佳操作条件平衡数据的获取通常通过实验测定，也可以利用热力学模型进行预测准确的平衡数据是萃取设备设计和操作的基础萃取操作方式单级萃取最简单的萃取操作，进料与萃取剂在一个萃取级中接触后分离适用于分离简单、分配系数大的系统，但萃取效率有限多级交叉流萃取进料依次与新鲜萃取剂接触，每级使用新鲜溶剂溶剂利用率低，但操作简单，适用于小规模生产多级逆流萃取进料和萃取剂在多个萃取级中逆向流动，实现高效分离溶剂利用率高，适用于大规模生产和难分离系统连续萃取操作在连续设备中实现多级逆流接触，无需间歇操作工业生产的主要方式，可实现自动化控制和稳定生产不同的萃取操作方式适用于不同的分离要求和生产规模单级萃取操作简单但效率低，多级逆流萃取效率高但设备复杂在实际应用中，需要根据分离难度、产量要求和经济性综合考虑选择合适的操作方式多级逆流萃取理论理论级数概念图解法McCabe-Thiele达到相平衡的理想接触单元确定分离所需的理论级数理论级与实际级关系萃取效率计算4通过效率因子进行换算实际传质效果与理论效果的比值多级逆流萃取是工业生产中最常用的萃取操作方式理论级数是指在理想条件下，达到指定分离效果所需的平衡级数通过图解法，McCabe-Thiele可以在相平衡图上确定所需的理论级数萃取效率是衡量实际萃取过程与理想过程偏离程度的重要参数，定义为实际传质效果与理论效果的比值在工业设计中，通常需要根据萃取效率将理论级数换算为实际级数，实际级数理论级数萃取效率=/萃取分离的影响因素溶剂选择温度影响值调节pH溶剂的极性、选择性和温度变化会改变组分在对于含有酸碱性官能团溶解能力直接影响萃取两相中的溶解度，进而的组分，pH值会影响其效率理想的萃取剂应影响分配系数根据溶离子化程度，从而显著具有高选择性、良好的解过程的热效应，温度改变其分配行为通过溶解能力、易于再生和升高可能增加或降低萃控制pH值可以实现选择低毒性等特点取效率性萃取相比与接触时间进料与溶剂的比例（相比）影响萃取效率和溶剂消耗接触时间和混合效率则决定了相间传质的充分程度在萃取工艺设计中，需要综合考虑这些影响因素，通过优化操作条件来提高萃取效率和产品纯度实际应用中，常通过实验确定最佳操作参数，为工业生产提供指导第二部分萃取设备分类与特点萃取设备是实现萃取过程的关键载体，不同类型的设备具有各自的结构特点和应用范围在本部分，我们将系统介绍萃取设备的设计思路、分类方法、性能比较和选型原则，帮助学习者建立完整的萃取设备认知体系通过了解各类萃取设备的优缺点和适用条件，学习者将能够根据具体的工艺要求和物料特性，选择最适合的萃取设备，为工程设计提供理论支持萃取设备的设计思路提高传质效率增加接触面积萃取设备设计的首要目标是提高相间传增加两相接触面积是提高传质效率的有质效率通过增加相间接触面积、强化效方法在塔式萃取器中，通过设置填相间湍动、优化流体分布等方式，可以料或多孔板可以增加相间接触面积在显著提高传质速率现代萃取设备通常混合澄清式设备中，高效搅拌可以将连采用多种传质强化手段，如机械搅拌、续相分散成细小液滴，显著增加接触面脉冲搅拌或超声波辅助等技术积减少能耗与提高效率设计高效、低能耗的萃取设备是现代工程的重要目标通过优化设备结构、合理布置流体通道、采用先进控制技术，可以在保证分离效果的同时，显著降低能量消耗和运行成本，提高设备的经济性萃取设备的设计是一项综合性工作，需要考虑传质效率、能耗、设备复杂性和经济性等多方面因素优秀的萃取设备设计应当在保证分离效果的前提下，实现设备结构简单、操作方便、能耗低和成本合理的目标萃取设备分类按相接触方式分类按操作方式分类•混合澄清式结构简单，分离效果好•间歇式操作简单，适用于小规模生产2•塔式占地面积小，连续操作•连续式自动化程度高，适用于大规•离心式分离速度快，适用于难分离模生产体系按搅拌方式分类按流体状态分类•常规液液萃取应用广泛，设备成熟•机械搅拌传质效率高，能耗较大•脉冲搅拌结构简单，适用于腐蚀性物料•超临界萃取低温操作，适用于热敏性物质•气体搅拌能耗低，但控制难度大萃取设备的分类方法多样，不同类型的设备适用于不同的工艺要求和物料特性在工程设计中，需要根据具体情况选择最适合的设备类型，以实现最佳的分离效果和经济效益萃取设备比较设备类型结构复杂性操作难度萃取效率能耗水平适用范围混合澄清槽简单低中等中等相间密度差大填料塔较简单中等中等低大通量、低粘度脉冲塔复杂高高中等易乳化体系转盘塔非常复杂高很高高难分离体系离心萃取器极其复杂很高极高很高乳化体系、快速分离不同类型的萃取设备在结构复杂性、操作难度、萃取效率和能耗水平等方面存在显著差异混合澄清式设备结构简单、操作容易，但萃取效率有限；塔式设备占地面积小、连续性好，但结构较复杂；离心式设备分离速度快、效率高，但投资和运行成本较高在选择萃取设备时，需要综合考虑物料特性、生产规模、分离难度和经济性等因素，选择最适合的设备类型一般来说，分离难度越大，所需设备的复杂性和成本也越高萃取设备选型原则物料特性评估分析粘度、密度差、界面张力等关键参数生产规模确定评估处理量和连续性要求分离难度分析计算分配系数和理论级数经济性评价综合考虑投资成本和运行费用萃取设备的选型是一项综合性工作，需要全面考虑物料特性、生产规模、分离难度和经济性等因素物料特性是首要考虑因素，粘度、密度差和界面张力等参数直接影响设备类型的选择高粘度或易乳化体系通常需要选择高效的机械搅拌设备或离心萃取器生产规模决定了设备的处理能力和连续性要求大规模生产通常选择连续式设备，而小规模或多品种生产则可以考虑间歇式设备分离难度通过分配系数和理论级数来评估，难度越大，所需设备的复杂性也越高最后，经济性评价需要综合考虑设备投资成本、运行费用、维护成本和设备寿命等因素，选择综合性价比最高的设备方案第三部分典型萃取设备详解混合澄清式萃取器结构简单，分为混合区和分离区，适用于相间密度差大的体系工业应用广泛，特别是在湿法冶金领域塔式萃取器垂直筒体内设置传质元件，连续逆流接触包括填料塔、筛板塔、脉冲塔等多种类型，适用于大规模连续生产离心萃取器利用离心力加速相分离，处理能力大，占地面积小适用于难分离体系和高价值产品的提取，在制药工业应用广泛在本部分，我们将深入介绍各类典型萃取设备的结构特点、工作原理、操作参数和应用范围，帮助学习者全面了解工业萃取设备的技术细节和实际应用情况混合澄清式萃取设备基本结构工作原理混合澄清式萃取设备主要由混合区和分离区两部分组成混合区在混合区，进料相和萃取剂相在搅拌作用下充分接触，目标组分配备搅拌装置，用于强化两相接触和传质；分离区利用重力作从进料相迁移到萃取剂相，完成传质过程混合后的两相流入分用，使两相在密度差的驱动下完成分离离区，在重力作用下静置分层，轻相从上部溢流，重相从下部排出这类设备结构简单，操作灵活，是工业萃取中应用最广泛的设备类型之一单台设备可作为一个理论级，多台串联可实现多级萃这种设备的传质效率主要取决于混合强度、接触时间和两相分散取状态适当的搅拌强度能够形成理想的分散相粒径，提高传质效率混合澄清式萃取设备适用于相间密度差大、分离易完成的体系，在湿法冶金、石油精制和制药工业中有广泛应用其优点是结构简单、操作灵活、维护方便；缺点是占地面积大、相分离时间长混合澄清槽-结构特点操作条件混合室与沉降室组合设计搅拌强度控制在300-600rpm优缺点分析传质效率结构简单，但占地面积大3的理论效率

0.7-

0.85混合澄清槽是最典型的混合澄清式萃取设备，由混合室和沉降室两部分组成混合室通常采用机械搅拌器提供混合能量，搅拌强度对传质效率有显著影-响实际操作中，搅拌转速通常控制在，以形成适宜的分散相粒径300-600rpm该设备的传质效率通常在之间，接近理想的理论级效率其主要优点是结构简单、操作灵活、易于放大和维护；缺点是占地面积大、相分离时间

0.7-

0.85长、能耗较高在湿法冶金中的铜萃取工艺中，混合澄清槽是最常用的设备，可以实现高达以上的铜回收率-95%工业装置Mixer-Settler500m³/h处理能力单台设备最大处理量3-20级数范围工业装置常用级数

0.85级效率平均理论级效率75%空间利用率相比传统塔式设备工业规模的Mixer-Settler装置通常由多个萃取级串联组成，级间通过自流或泵送方式连接根据工艺要求和地形条件，可采用阶梯式或平面式布置阶梯式布置利用重力自流，可节省泵送能耗；平面式布置占地紧凑，但需要额外的泵送设备设备材质选择需考虑物料的腐蚀性和操作条件常用材质包括聚丙烯PP、玻璃钢FRP、不锈钢和钛合金等对于强酸性环境，通常选择PP或钛合金；对于有机溶剂体系，则多采用不锈钢或玻璃钢材质选择直接影响设备寿命和安全性，是工程设计中的重要考虑因素搅拌沉降萃取器工业应用塔式萃取设备I转盘塔萃取器脉冲塔萃取器塔内设置水平转盘提供机械搅拌，强筛板塔萃取器在筛板塔基础上增加脉冲发生器，通化传质效果效率高，适用于难分离填料塔萃取器塔内装有多层多孔板，液体通过孔板过周期性脉冲强化传质效率高，但体系，但能耗较高，投资成本大内部填充各种填料，如鞍形环、拉西时形成液滴，增加接触面积负荷范结构较复杂，广泛应用于核工业燃料环等，利用填料提供的表面积增强传围宽，但效率较低，适用于不易乳化处理质结构简单，操作方便，但易发生的体系淹没和堵塞塔式萃取设备是一类重要的连续萃取设备，具有占地面积小、处理量大、操作连续等优点不同类型的塔式设备适用于不同的分离要求和物料特性，选择合适的塔式设备对于提高萃取效率和降低能耗至关重要塔式萃取设备II结构特点工作原理塔式萃取设备通常由垂直筒体和内部传塔式萃取器采用连续逆流接触方式，轻质元件组成筒体提供流体通道和相分相（通常为有机相）从塔底引入，向上离空间，传质元件（如填料、筛板、转流动；重相（通常为水相）从塔顶引盘等）则用于增加相间接触和传质塔入，向下流动两相在塔内传质元件的顶和塔底设有分布器和集液装置，确保作用下充分接触，完成物质传递经过两相均匀分布和有效分离多级接触后，富集目标组分的相从相应出口排出适用范围塔式萃取设备适用于连续大规模生产，特别是对于需要多级分离的体系由于占地面积小，单位体积处理量大，在空间有限的场合具有明显优势不同类型的塔式设备适用于不同的物料特性，如粘度、密度差、界面张力等塔式萃取设备的操作条件需要精确控制，以确保稳定高效的分离效果关键参数包括两相流量比、塔内保液量、分散相分散状态等操作不当可能导致塔内淹没、夹带或乳化等问题，影响分离效果和设备稳定性填料塔萃取器填料类型填料塔内部填充各种形状的填料，包括鞍形环、拉西环、海尔环等不规则填料，或规整填料如规整波纹板、金属丝网等不同填料具有不同的比表面积、空隙率和传质特性传质特性填料提供的比表面积通常在范围内，比表面积越大，传质效果越好但过高500-1500m²/m³的比表面积会增加流体阻力，降低通量填料的选择需要在传质效率和通量之间取得平衡操作弹性填料塔的液负荷通常在范围内，操作弹性较好但在高负荷下容易发生夹带和8-60m³/m²·h泛，低负荷下则可能出现分布不均匀的问题flooding优缺点分析填料塔结构简单，投资成本低，维护方便，但易发生乳化和堵塞对于容易乳化的体系，填料塔可能不是最佳选择在芳烃萃取分离等领域，填料塔有着广泛应用填料塔萃取器的设计需要考虑填料类型、塔径、填料层高度、液体分布器等多个因素合理的设计可以确保填料塔高效稳定运行，实现良好的分离效果筛板塔萃取器结构特点传质机理与效率筛板塔内部装有多层多孔板，孔径通常在范围内板上在筛板塔中，一相通过板孔形成液滴，分散在另一相中，增加接3-10mm开孔率（孔面积与板面积之比）一般为相邻板之间触面积，促进传质液滴上升（或下降）过程中发生传质，在下10%-25%设有隔板和溢流堰，用于控制液体流动路径和保液量一层板处重新聚集和再分散，形成多级接触板间距通常在之间，板数根据所需理论级数和板效筛板塔的理论板效率通常在之间，较填料塔低但其结150-300mm

0.2-

0.5率确定塔径从小型实验装置的几厘米到工业装置的几米不等构简单，不易堵塞，操作负荷范围宽，可达，适用40m³/m²·h于大通量操作筛板塔萃取器在石油精制工艺中有广泛应用，如芳烃抽提、润滑油精制等其优点是结构简单、制造成本低、维护方便、负荷范围宽；缺点是效率较低，需要较多的理论级数对于不易乳化、分离难度不大的体系，筛板塔是一种经济实用的选择脉冲塔萃取器结构特点脉冲塔的基本结构与筛板塔类似，但增加了脉冲发生装置脉冲通常通过气缸或隔膜泵产生，传递到塔内液体，使液体在筛板间往复运动，强化传质传质机理脉冲作用使两相在筛板间形成交替的分散状态，大幅增加接触面积和相对速度，显著提高传质效率脉冲还可以防止板孔堵塞，保持稳定操作操作参数脉冲频率通常为次，振幅为频率和振幅的乘积（脉冲强度）是40-120/min5-25mm关键控制参数，直接影响传质效率和操作稳定性优缺点脉冲塔传质效率高，（相当于一个理论级的高度）仅为，比常规筛板塔HETP

0.4-

0.8m提高倍但结构复杂，投资和维护成本高，能耗较大2-3脉冲塔萃取器在核工业燃料处理中有重要应用，用于铀、钚等放射性元素的分离其高效率和可靠性使其成为处理高价值、高放射性物料的首选设备此外，在精细化工和制药工业中，脉冲塔也用于高附加值产品的分离纯化转盘塔萃取器（）RDC结构特点塔内设置多层水平转盘，提供机械搅拌操作参数转盘速度可调，决定传质效率100-300rpm传质效率3约，效率高于普通筛板塔HETP

0.5-

1.0m转盘塔萃取器（，）是一种高效的机械搅拌式萃取设备塔内设置多层水平转盘，通过电机驱动中心轴旋转，为两相接触提供机Rotating DiscContactor RDC械能相邻转盘之间设有固定环形隔板，形成多个混合室和沉降室，实现多级接触和分离转盘塔的关键操作参数是转盘转速，通常在范围内可调转速越高，传质效率越高，但能耗也越大，且可能导致严重乳化转速需要根据物料特100-300rpm性和分离要求进行优化萃取器的处理能力可达，远高于常规填料塔和筛板塔其高效率和高通量使其成为制药工业中高价值产品分离的理想设备，特别是对于抗生RDC100m³/m²·h素、维生素、蛋白质等生物活性物质的提取和纯化非分散连续萃取器非分散连续萃取器是一类特殊的塔式萃取设备，其特点是避免形成稳定乳液，适用于易乳化体系主要类型包括萃取器、萃取Kuhni Scheibel器、萃取器和萃取器等ARD Oldshue-Rushton萃取器采用多层搅拌区和沉降区结构，每层配备涡轮搅拌器；萃取器在相邻搅拌区间设置静止区，促进相分离；萃取器Kuhni ScheibelARD（）使用偏心转盘提供搅拌；萃取器则采用多层涡轮搅拌，适用于高黏度体系Asymmetric RotatingDisc Oldshue-Rushton这些设备在传质效率、处理能力和适用范围上各有特点选型时需考虑物料特性、分离难度和经济性等因素，综合评估各设备的优缺点，选择最适合的设备类型离心萃取设备结构特点空间效率利用离心力加速相分离占地面积小，处理量大应用领域工程复杂性制药工业，高价值产品分离结构复杂，投资高离心萃取设备利用离心力而非重力来实现相分离，大幅缩短分离时间，提高处理效率这类设备通常由高速旋转的转子和固定的外壳组成，转子内设计有特殊流道，使两相在离心力作用下快速分离离心萃取器的最大优势是处理速度快、占地面积小、处理能力大相比传统重力分离设备，离心萃取器的分离时间可缩短至几秒钟，处理能力可提高5-10倍这使其特别适用于易乳化体系和高价值产品的分离提取然而，离心萃取设备结构复杂，制造和维护成本高，能耗较大，操作难度较高因此，其主要应用于制药工业等高附加值产品的分离领域，如抗生素提取、生物活性物质分离等，而较少用于大宗化工品的生产离心萃取器Podbielniak5000rpm2-5s最高转速停留时间提供强大离心力场超短接触与分离时间20m³/h

99.5%最大处理量分离效率单台设备处理能力抗生素分离典型回收率Podbielniak离心萃取器是一种高效的离心萃取设备，由美国科学家Podbielniak于20世纪40年代发明其核心部件是水平安装的高速旋转转子，内部设计有螺旋流道两相液体从转子中心区域引入，在旋转过程中沿螺旋流道向外流动，同时发生传质和分离该设备的转速范围通常为2000-5000rpm，产生的离心力可达重力的1000倍以上，使得相分离时间缩短至2-5秒这种快速分离特性使其特别适用于热敏性物质和易降解物质的分离，如抗生素、酶和蛋白质等Podbielniak离心萃取器在制药工业中有广泛应用，特别是青霉素、链霉素等抗生素的提取纯化其高效率、短停留时间和温和操作条件能够最大限度地保留活性物质的生物活性，提高产品质量和收率工业萃取槽结构与原理1主要应用领域工业萃取槽在湿法冶金中有着广泛应用，特别是铜、镍、钴、铀等有色金属和稀有金属的提取分离现代铜生产中约60%采用萃取-电积工艺路线，其核心设备就是工业萃取槽结构设计要点工业萃取槽通常采用箱式结构，分为混合区和沉降区两部分混合区配备搅拌装置，常用桨式或涡轮式搅拌器；沉降区设计为扩大流通断面，降低线速度，促进相分离工作原理详解两相液体在混合区充分接触，目标金属离子从水相转移到有机相；混合后的乳液流入沉降区，在重力作用下分层，重相从底部排出，轻相从顶部溢流多个萃取槽串联形成多级萃取系统4操作参数控制关键操作参数包括相比O/A、搅拌强度、停留时间和温度等相比通常控制在1:1至3:1之间；搅拌强度影响分散相粒径，过强导致乳化难分，过弱影响传质效率；温度影响分配系数和分离速度工业萃取槽的设计需要综合考虑传质效率、分离效果、能耗和经济性等多方面因素合理的结构设计和操作参数控制是实现高效萃取分离的关键萃取设备材质选择不锈钢设备塑料和复合材料设备不锈钢、等是最常用的萃取设备材质，具有良好的机聚丙烯、聚氯乙烯和玻璃钢等材料耐腐蚀性好，304316LPP PVCFRP械强度和耐腐蚀性不锈钢含有钼元素，对氯离子腐蚀的抵成本低，重量轻，是处理强酸、强碱或强氧化性物质的理想选316L抗能力更强，适用于含氯环境不锈钢设备使用寿命长，表面光择特别是玻璃钢设备，兼具轻质高强和耐腐蚀特性，在化工和滑，易于清洗，但成本较高环保领域应用广泛典型应用食品和制药工业的萃取设备，值在范围内的萃典型应用湿法冶金中的酸性体系，废水处理中的萃取设备pH5-9取系统钛合金设备在强酸环境中表现出色，特别是对硫酸、盐酸和硝酸等强酸具有极佳的耐腐蚀性虽然初始投资高，但使用寿命长，长期经济性好主要用于极端腐蚀环境，如铀提取中的浓硝酸体系材质选择需考虑物料特性、操作条件、安全要求和经济性等多方面因素通常先进行实验室腐蚀测试，评估不同材质在实际工艺条件下的耐久性，再结合投资成本和使用寿命进行综合经济分析，选择最适合的设备材质第四部分超临界萃取技术与设备超临界流体萃取原理高压萃取设备典型应用领域超临界流体兼具气体的扩散性和液体的溶解超临界萃取设备需要承受高压，超临界萃取技术广泛应用于天然产物提取、10-50MPa能力，能够快速渗透基质并高效溶解目标组主要由萃取釜、分离器、压力控制系统和温食品加工、制药工业和环保领域与传统溶分通过调节温度和压力，可以改变流体密度控制系统等组成设备材质通常采用高级剂萃取相比，具有萃取速度快、选择性高、度和溶解能力，实现选择性萃取不锈钢或特种合金，确保安全可靠运行无溶剂残留等显著优势超临界萃取技术作为一种绿色分离技术，在近年来发展迅速，成为许多领域的首选分离方法本部分将详细介绍超临界萃取的原理、设备特点和应用案例，帮助学习者全面了解这一先进萃取技术超临界流体萃取原理超临界流体定义超临界流体特性超临界流体是指温度和压力均超过临界点的物质状态在此状态超临界流体具有独特的物理化学性质密度接近液体

0.2-下，物质既不是液体也不是气体，而是具有独特物理化学性质的，提供良好的溶解能力；黏度接近气体

0.9g/cm³

0.1-流体超临界流体兼具气体的扩散性和液体的溶解能力，是一种，流动性好；扩散系数介于气体和液体之间

0.3mPa·s10⁻⁴-理想的萃取介质，传质效率高10⁻⁵cm²/s常用的超临界流体包括二氧化碳、水、丙烷等，其中因通过调节温度和压力，可以精确控制超临界流体的密度和溶解能CO₂CO₂临界点适中，、无毒、不燃、价格低廉而最为力，实现选择性萃取这种可调节性是超临界萃取技术的重要优

31.1°C

7.38MPa常用势超临界流体萃取的传质机理包括两个主要步骤首先，超临界流体快速渗透到基质内部，与目标组分接触；然后，目标组分溶解在超临界流体中，随流体一起流出与传统溶剂萃取相比，超临界萃取具有更快的传质速率和更高的选择性，这归功于超临界流体的独特物理化学性质超临界萃取优势CO₂萃取时间短萃取彻底超临界具有较高的扩散系数和较低的黏超临界能够深入基质内部微孔，实现对CO₂CO₂度，渗透能力强，可快速穿透基质内部与目目标物的完全提取例如，在草药提取中，标组分接触实验数据显示，与传统溶剂萃超临界萃取的有效成分提取率通常比传统方取相比，超临界萃取可将萃取时间缩短法高，显著提高资源利用率40%15-25%以上，大幅提高生产效率低温操作与产品安全性超临界萃取通常在的温度下进行，适合热敏性物质的提取且在常温常压下完全CO₂35-80°C CO₂气化，不会在产品中留下任何溶剂残留，产品安全性高，符合食品和药品级别要求超临界萃取在环保方面也具有显著优势是一种绿色溶剂，无毒、不燃、对环境无害在萃取CO₂CO₂过程中，可以被回收再利用，回收率通常超过，大幅减少资源消耗和环境影响CO₂95%这些优势使超临界萃取技术在天然产物提取、食品工业、制药工业和环保领域得到广泛应用，成CO₂为替代传统溶剂萃取的理想选择尤其对于高附加值、对品质要求高的产品，超临界萃取技术的优势更为明显超临界萃取设备CO₂高压萃取釜承受10-50MPa工作压力，材质通常为高级不锈钢或特种合金，内部设有分布器和支撑篮，确保超临界流体均匀通过物料床层分离器系统通过逐级降压实现目标组分的分级分离，通常设置2-3个不同压力的分离器，可分离不同极性或挥发性的组分压力控制系统包括高压泵、背压调节阀和压力传感器，精确控制系统压力，精度可达±

0.1MPa，确保萃取过程稳定可靠温度控制系统通过电加热或水浴加热方式，精确控制萃取釜和分离器温度，精度±

0.5°C，实现最佳萃取条件超临界CO₂萃取设备还包括CO₂循环利用系统，通过冷凝和加压将气态CO₂转化为液态，再次进入循环这不仅降低了运行成本，也减少了环境影响现代设备的CO₂回收率通常超过95%，大幅降低CO₂消耗设备安全性是超临界萃取系统设计的首要考虑因素设备通常配备多重安全保护装置，包括压力安全阀、爆破片、温度限制开关和紧急停机系统等，确保在异常情况下能够安全可靠地停机和泄压超临界萃取工业装置5000kg最大批次处理量大型工业装置单批次能力40MPa最高工作压力满足各类萃取工艺需求80°C最高工作温度适应多种物料特性万2000投资成本上限大型工业装置设备投资工业规模的超临界萃取装置根据处理能力可分为小型50-300kg/批次、中型300-1000kg/批次和大型1000-5000kg/批次装置规模直接影响投资成本，小型装置投资约100-500万元，中型装置500-1000万元，大型装置可达1000-2000万元现代超临界萃取工业装置高度自动化，通常采用PLC或DCS控制系统，实现工艺参数的精确控制和数据记录操作人员可通过触摸屏或计算机界面监控整个萃取过程，系统能够自动调节压力、温度和流量，确保工艺稳定运行工业装置的设计需考虑能源效率和经济性通过热能回收、CO₂循环利用和工艺优化，可显著降低能耗和运行成本初始投资虽然较高，但由于产品质量好、附加值高，投资回收期通常在2-5年，具有良好的经济效益超临界萃取应用案例天然产物提取食品工业应用制药工业应用超临界CO₂萃取广泛应用于香在食品工业中，超临界CO₂用于制药领域利用超临界萃取分离高料、精油、色素等天然产物的提咖啡脱咖啡因、茶叶脱咖啡因、纯度活性成分，如姜黄素、银杏取与传统水蒸气蒸馏相比，收食用油脱酸等工艺咖啡脱咖啡提取物等产品纯度通常可达率提高30%左右，且保留更多香因后残留量低于

0.02%，远优于98%以上，且无溶剂残留，符合气成分如薰衣草精油超临界萃传统溶剂法，且不影响咖啡原有药品级标准微粉化和包覆等特取，不仅收率高，且香气更接近风味殊工艺也采用超临界技术实现天然花香环保与新材料领域超临界技术在土壤修复中可有效去除重金属和有机污染物，去除率超过99%在新材料领域，超临界CO₂用于制备气凝胶、微孔材料和药物载体等高性能材料这些应用案例充分展示了超临界萃取技术的广阔应用前景随着设备成本的降低和工艺的不断优化，超临界萃取技术将在更多领域得到应用，成为绿色分离技术的重要代表第五部分萃取工艺设计与应用工艺设计基础物系选择、条件优化与流程规划理论计算方法级数确定与设备尺寸计算工业应用案例3各领域实际应用与效果分析萃取工艺设计是将萃取原理和设备知识应用于实际工程的关键环节合理的工艺设计不仅能够保证分离效果，还能优化能耗、降低成本，提高经济效益本部分将系统介绍萃取工艺设计的方法和步骤，包括物系选择、工艺条件优化、设备选型、流程布置等内容通过理论计算方法，可以确定萃取所需的理论级数，并将其转化为实际设备参数我们将详细讲解图解法、三角图解法等计算方法，以及McCabe-Thiele如何利用计算机辅助设计软件进行萃取工艺的模拟和优化结合化工、制药、冶金和食品等领域的实际应用案例，分析不同萃取工艺的特点和效果，为工程设计提供参考通过案例学习，学员将能够掌握萃取工艺设计的实用技巧和方法，为今后的工程实践打下坚实基础萃取工艺流程设计物系选择工艺条件优化萃取剂的选择是萃取工艺设计的首要温度、值和相比是影响萃取效果的pH任务理想的萃取剂应具有高分配系关键参数温度影响分配系数，通常数、高选择性、易于再生、低毒性和需在实验基础上确定最佳温度；值pH合理价格常用筛选方法包括实验测影响离子型物质的分配行为，可通过试、结构类比和计算机模拟预测等调节实现选择性萃取；相比pH O/A溶剂评价通常考虑分配系数、分离因影响萃取效率和溶剂消耗，需通过计数、溶解度、毒性和成本等多方面因算优化素设备选型与流程布置根据物料特性和生产规模选择合适的萃取设备，并设计完整的萃取流程典型萃取流程包括萃取、洗涤和反萃取三个环节，形成基本流程多级萃取通常E WS E-W-S采用逆流级联方式，实现高效分离流程布置应考虑物料平衡、能量利用和操作便利性萃取工艺流程设计还需考虑公用工程配置，特别是溶剂回收系统有机溶剂价格较高，且环境影响大，必须建立高效的溶剂回收系统常用回收方法包括蒸馏、吸附和膜分离等，回收率通常应达到以上，既降低成本，又减少环境影响98%萃取理论级数计算图解法三角图解法McCabe-Thiele图解法是确定逆流萃取理论级数的经典方法在三角图解法适用于三元系统的萃取计算在三角相图上，每个顶McCabe-Thiele直角坐标系中，横纵坐标分别表示两相中目标组分的浓度首先点代表一个纯组分，任意点表示三组分的特定组成通过在相图绘制平衡曲线，然后绘制操作线，通过在平衡曲线和操作线之间上绘制共轭线和操作线，可以确定理论级数和最佳操作条件作阶梯线，可以确定所需的理论级数该方法直观清晰，适用于二元或拟二元系统对于复杂体系，可该方法能够直观表示三元系统的相平衡和传质过程，但对于多组通过引入分配系数修正项或使用计算机辅助方法提高精度分系统或非理想体系，准确性有限，需结合计算机模拟方法使用现代萃取工艺设计广泛采用计算机辅助设计软件，如、和等这些软件内置多种热力学模型，可以准确预测Aspen PlusHYSYS ProSim复杂体系的相平衡和传质过程，极大提高计算效率和精度通过模拟优化，可以快速确定最佳操作条件和设备参数在工业设计中，理论级数需要转化为实际级数实际级数理论级数级效率，级效率通常在之间，取决于设备类型和物料特=/

0.5-

0.8性级效率可通过中试实验或经验公式确定，是设备设计的重要参数萃取设备放大设计实验室数据转化实验室萃取数据包括分配系数、分离因数、平衡时间等，是放大设计的基础数据转化需考虑实验条件与工业条件的差异，如温度、浓度、物料纯度等通常需要建立数学模型，将实验数据外推至工业条件中试放大原则中试是连接实验室与工业生产的桥梁，规模通常为工业设备的中试遵循几何相似、1/10-1/5动力相似和传质相似三大相似准则关键参数包括搅拌功率比、传质系数、流体停留时间等，确保中试结果能够准确反映工业生产情况工业化设计要点工业萃取设备设计需考虑处理能力、操作弹性、设备材质、安全性和经济性等因素设备尺寸确定后，需进行机械设计，包括壁厚计算、支撑结构设计、密封设计等，确保设备安全可靠运行工业设计还需考虑安装维护便利性和自动化控制系统配置放大设计过程中，放大因素的确定至关重要不同参数有不同的放大规律，如体积与尺寸的三次方关系，表面积与尺寸的二次方关系等这些非线性关系导致设备放大后，传热、传质和流体力学特性发生变化，需要通过调整结构参数和操作条件进行补偿风险评估与控制是放大设计的重要环节随着设备规模增大，潜在风险也相应增加，如乳化、泛塔、压力波动等通过分析、失效模式分析等方法，识别潜在风险点，并采取相应的控制措施，确HAZOP保工业设备安全稳定运行萃取工艺优化溶剂消耗优化能耗降低通过改进溶剂回收系统，回收率可提高至98%，显著采用重力流布置可减少50%泵送能耗，热能回收技术降低原料成本和环境影响可降低30%加热能耗自动化控制传质效率提高3采用先进控制系统，实现界面位置精确控制±5mm，提改进搅拌方式和分布器设计，可提高25%传质效率，高产品质量稳定性减少设备尺寸和投资萃取工艺优化是提高分离效率、降低成本和减少环境影响的重要手段溶剂消耗是萃取工艺的主要成本之一，通过优化相比、改进回收系统和溶剂循环利用，可将溶剂损耗降至最低现代蒸馏和膜分离技术可实现高效溶剂回收，回收率提高至98%以上能耗优化方面，合理布置设备可充分利用重力流，减少泵送能耗；热能回收系统可回收废热，降低加热能耗；变频技术可根据负荷调整搅拌功率，避免能量浪费这些措施共同作用，可将能耗降低40-50%设备维护战略从传统的被动维修转向预测性维护，通过监测设备运行参数，预判潜在故障，提前维护，可延长设备寿命30%，减少非计划停机时间，提高生产效率萃取在化工领域应用芳烃分离精细化工环保工程液液萃取是分离苯、甲苯、二甲苯等芳烃的重要方在精细化工领域，萃取用于各种中间体和产品的纯萃取技术在废水处理中有重要应用，特别是对于难法典型工艺采用磺酸或N-甲基吡咯烷酮NMP作化如有机酸的分离提纯，采用脂肪醇或酯类萃取生物降解的有机污染物如采用甲基异丁基酮为萃取剂，通过选择性溶解芳烃实现与非芳烃的分剂；酚类化合物的回收，采用碱性水溶液萃取后酸MIBK萃取废水中的酚类，去除率可达

99.5%；采离工业装置通常采用塔式萃取器，分离效率可达化回收这些应用通常采用混合澄清式设备，具有用三丁基磷酸酯TBP萃取废水中的重金属，实现99%以上，是石油化工中的核心分离技术操作灵活、产品纯度高的特点资源回收和污染治理双重目标石油化工中的油品精制是萃取技术的重要应用领域如溶剂脱蜡工艺，采用甲基乙基酮和甲苯混合溶剂，在低温下选择性溶解油分，分离出固体蜡；糠醛精制工艺，MEK去除润滑油中的多环芳烃，提高油品品质这些工艺对产品质量和环保性能有重要影响随着绿色化学理念的推广，萃取技术在化工领域的应用不断创新新型绿色溶剂如离子液体、深共熔溶剂等逐渐应用于萃取工艺，提高了分离效率，降低了环境影响，代表了萃取技术的发展方向萃取在制药领域应用萃取在冶金领域应用1湿法冶金基础应用萃取是湿法冶金的核心技术，用于从浸出液中选择性提取和富集金属铜萃取采用酮肟类萃取剂LIX系列，回收率95%；镍钴分离采用磷酸酯类萃取剂P507，分离因子1000；铀提取采用三丁基磷酸酯TBP，纯度99%贵金属分离金、银、铂族金属的萃取分离是高附加值应用金萃取采用二硫氮杂茂或胺类萃取剂；铂、钯分离采用硫醚类萃取剂，选择性高，回收率99%设备上多采用混合澄清式萃取器，配合高效反萃取工艺，实现高纯度金属回收稀土元素分离稀土分离是萃取技术的经典应用采用P

507、Cyanex272等有机磷萃取剂，通过多级逆流萃取实现相邻稀土元素的分离分离因子优化是关键，通常通过添加络合剂或调节pH值实现工业装置采用几十级甚至上百级的混合澄清槽级联，生产高纯稀土氧化物核燃料处理是萃取技术的特殊应用领域PUREX工艺采用TBP萃取剂从乏燃料溶液中分离铀和钚，是核燃料循环的关键环节设备上多采用脉冲塔或离心萃取器，以提高安全性和可靠性这类应用对设备材质和操作安全性有极高要求，通常采用特种合金材质和远程操作技术萃取技术在冶金领域的应用不断创新，如离子液体萃取、膜辅助萃取等新技术逐渐应用于工业生产，提高分离效率，降低环境影响，代表了冶金萃取技术的发展方向萃取在食品领域应用植物油脱酸咖啡脱因香料提取植物油脱酸是食品工业中的重要应用采用碱性水溶咖啡脱因是超临界萃取的经典应用在精油提取是萃取技术在食品和香料行业的重要应用CO₂80-90bar液萃取油中的游离脂肪酸，可将酸值从压力和温度下，可选择性溶解咖啡豆中与传统水蒸气蒸馏相比，溶剂萃取或超临界萃取可提NaOH2-35-40°C CO₂降低至以下工艺通常采用的咖啡因，而不影响风味物质处理后咖啡因含量可高收率左右，且保留更多热敏性香气成分如玫5mgKOH/g

0.1mgKOH/g40%混合澄清式设备，处理温度，相比为降至以下，保留以上的原有风味与传统瑰精油超临界萃取，不仅收率高，且香气更接近鲜花40-60°C O/A

0.02%95%至脱酸后的油品色泽更浅，稳定性更好，的二氯甲烷萃取相比，超临界萃取无溶剂残留，产品原香，广泛应用于高端食品和香料生产10:120:1符合食用标准更安全、品质更高功能成分分离是萃取技术在食品领域的新兴应用如多酚类提取采用乙酸乙酯或超临界萃取，纯度可达以上；类胡萝卜素提取采用超临界技术，保留最大CO₂95%CO₂生物活性；脂肪酸富集采用尿素包合结合低温溶剂萃取，浓度可提高倍这些高附加值成分广泛应用于功能食品和营养补充剂ω-35-10萃取设备安全与环保安全风险识别与防范含溶剂废水处理技术萃取设备的主要安全风险包括有机溶剂泄漏、萃取过程产生的含溶剂废水是主要环保问题火灾爆炸、压力容器破裂等风险防范措施包处理技术包括气提法回收水中溶解的有机溶括密封系统设计，减少泄漏点；防爆电气设剂；活性炭吸附去除微量溶剂；高级氧化工艺备配置；安全阀、爆破片等泄压装置；可燃气AOP降解难处理有机物；生物处理系统降解体检测和火灾报警系统；紧急停机和联锁保护低浓度污染物综合处理后，出水溶剂浓度可系统定期安全检查和员工培训是预防事故的控制在1mg/L以下，符合环保标准重要手段溶剂回收与循环利用溶剂回收是降低成本和环境影响的关键常用回收技术包括蒸馏法回收大部分溶剂；吸附法回收低浓度溶剂；膜分离技术选择性回收特定溶剂现代萃取工艺的溶剂回收率通常在98%以上，大幅降低原料成本和环境负荷闭路循环系统设计是实现高效溶剂利用的重要手段HSE健康、安全、环境管理体系是保障萃取工艺安全环保运行的基础完善的HSE体系包括风险评估、操作规程、应急预案、培训体系等多个方面定期开展HAZOP分析、过程安全评审，建立风险分级管控机制，可有效预防事故发生随着环保要求的不断提高，绿色萃取技术成为研究热点采用绿色溶剂替代传统有机溶剂，如离子液体、深共熔溶剂等；开发无溶剂萃取技术，如超临界流体萃取；应用膜辅助萃取减少溶剂用量等这些技术代表了萃取工艺的可持续发展方向萃取技术发展趋势新型绿色溶剂开发传统有机溶剂正逐步被环境友好型溶剂替代离子液体因其可设计性和低蒸气压特性，成为萃取领域的研究热点；深共熔溶剂DES具有低成本、低毒性优势；水基双相系统ATPS适用于生物大分子分离这些绿色溶剂不仅降低环境风险，还能提供独特的选择性设备强化传质技术传质强化是提高萃取效率的关键超声波辅助萃取可增强相间传质，提高效率30-50%；微波辅助萃取加速溶质扩散，缩短萃取时间；脉冲电场技术通过破坏细胞膜结构，提高天然产物提取率这些物理场强化技术为传统萃取设备注入新活力智能化控制技术数字化和智能化是萃取设备的发展方向先进过程控制APC系统实现多变量优化控制；机器学习算法预测萃取性能并自动调整参数；数字孪生技术建立虚拟设备模型，实现实时监控和预测性维护这些技术显著提高了萃取过程的稳定性和效率微通道/微流体技术微通道萃取代表着精细分离的未来微通道结构提供极大的比表面积，传质效率提高10-100倍；精确控制的流体界面实现高选择性分离；模块化设计支持快速放大和柔性生产这一技术特别适用于高附加值、小批量产品的分离纯化膜辅助萃取是结合膜分离和溶剂萃取优点的新工艺膜接触器提供稳定界面，避免乳化问题；膜分离实现连续萃取和反萃取；溶剂消耗减少80-90%，能耗降低40-60%这一技术在制药、食品和环保领域有广阔应用前景萃取设备选型案例分析案例物料特性生产规模设备选择主要考虑因素中药提取热敏性强，易氧中小型500kg/d超临界CO₂萃取保留活性成分，化器无溶剂残留稀土分离分离因子小，多大型50t/d混合澄清槽级联多级操作灵活，级分离分离效果好石油精制大通量，低粘度超大型500t/d填料塔或筛板塔处理量大，投资成本低中药提取工艺设备选型需考虑物料热敏性和产品安全性传统溶剂萃取可能导致活性成分降解和溶剂残留问题，而超临界CO₂萃取在低温40-50°C下操作，可最大限度保留活性成分，且无溶剂残留设备投资虽高，但产品附加值高，经济性好小型超临界萃取设备50-100L适合中小型中药企业，批次处理模式灵活适应多品种生产稀土分离工艺的特点是分离因子小

1.5-3，需要多级分离混合澄清槽级联是理想选择，每级效率高

0.8-

0.9，操作灵活，可根据需要调整级数和流程大型稀土分离厂通常设置几十级萃取槽，分为粗萃取、洗涤和反萃取三个环节，可实现高纯度稀土元素分离设备材质多选用PP或FRP，耐腐蚀性好，成本适中石油精制工艺的特点是处理量大，物料粘度低，相间密度差适中填料塔或筛板塔是理想选择，处理能力大可达数百吨/日，能耗低，投资成本适中设备材质通常选用碳钢内衬不锈钢，平衡了成本和耐久性自动化控制系统是保证大型萃取设备稳定运行的关键，通常采用DCS系统实现全流程控制总结与展望知识体系构建形成萃取原理、设备、应用的完整认知实用技能掌握具备萃取设备选型与计算能力创新思维培养了解发展趋势，具备技术创新意识本课程系统介绍了萃取分离的基本原理、设备类型、工艺设计和应用案例，构建了完整的萃取技术知识体系通过学习，同学们应当掌握了萃取过程的热力学基础、相平衡理论和多级逆流萃取原理，了解了各类萃取设备的结构特点、工作原理和适用范围萃取设备选型方法是本课程的重要内容选型需综合考虑物料特性、生产规模、分离难度和经济性等因素，选择最适合的设备类型理论级数计算和设备放大设计是工程应用的关键技能，通过图解法和计算机辅助设计，可以准确确定设备参数McCabe-Thiele展望未来，萃取技术将向绿色化、智能化和高效化方向发展新型绿色溶剂、强化传质技术、智能控制系统和微通道萃取等创新技术将推动萃取设备的升级换代我们鼓励同学们关注行业动态，积极参与实践，不断提升自己的专业能力，为化工、制药、冶金等领域的技术进步贡献力量。