《萃取过程》课件

萃取过程萃取过程是化工分离技术中的重要单元操作，广泛应用于石油化工、生物制药、金属冶炼等工业领域本课程将系统介绍萃取过程的基本原理、工艺设计、设备选型以及工业应用，帮助学生掌握这一关键的分离技术课程导入萃取过程在化工分离中物质迁移的工程意义12的地位通过相间传质实现目标组分的萃取技术作为四大分离操作之选择性分离，体现了化工过程一，在现代化工生产中占据重中物质传递与相平衡的基本规要地位，特别适用于热敏性物律质和难挥发组分的分离典型工业应用简述3广泛应用于石油精制、湿法冶金、生物制药、环境治理等领域，是现代工业不可缺少的分离技术萃取基础概念萃取定义与分类相关基本术语与其他分离方法对比萃取是利用组分在两相间分配系数不同萃取剂是用于萃取的溶剂，分配系数表与蒸馏相比，萃取适用于相对挥发度接实现分离的过程主要分为液-液萃取和示溶质在两相间的分配比例理解这些近1的体系，操作温度低，能耗较少，特固-液萃取两大类，其中液-液萃取应用最基本概念是掌握萃取技术的前提别适合热敏性物质的分离为广泛分离对象与适用范围液液萃取适用条件难分离体系典型应用物质当组分相对挥发度接近1时，蒸馏分离对于共沸物系、热敏性物质、高沸点抗生素提取、稀有金属回收、芳烃分效果差，此时液液萃取成为首选的分化合物等难以通过常规蒸馏分离的体离、酚类化合物回收等都是萃取技术离方法，具有明显的技术优势系，萃取技术显示出独特的优越性的典型应用领域，工业价值巨大萃取过程的基本流程加料混合将原料液与萃取剂按一定比例加入充分搅拌促进相间传质，达到平衡状态静置分相利用密度差实现两相分离产品纯化进一步处理得到最终产品理论基础相平衡化学势相等平衡条件的基本表达1萃取等温线2温度恒定时的平衡关系分配系数3定量描述分配平衡的参数相平衡是萃取过程的理论基础当体系达到平衡时，各组分在两相中的化学势相等，这一条件决定了溶质在两相间的分配关系萃取等温线和分配系数是描述这种平衡关系的重要工具主要参数及影响因素分配系数温度影响KK=C萃取相/C萃余相温度变化直接影响相平衡定量表征萃取效果的核心参数需要选择最佳操作温度浓度效应溶剂种类浓度变化影响活度系数不同萃取剂的选择性差异很大非理想体系的重要考虑因素直接决定分离效果液相液相相图-二元体系相图1最简单的相图类型，展示两种液体的互溶性关系，是理解相行为的基础三元体系相图2工业萃取中最常见的相图，通常用三角形坐标表示，能够完整描述萃取过程相区识别3正确识别混溶区和分离区对于萃取工艺设计至关重要，决定了操作的可行性单级萃取物料衡算建立物料平衡方程根据质量守恒定律，建立进料、萃取相和萃余相之间的物料平衡关系，这是计算的基础应用图解法求解采用三角形图解法或直角坐标图解法，直观地确定各相的组成和流量，验证计算结果实例计算验证通过具体数值例题，掌握单级萃取的计算方法，为多级萃取计算奠定基础多级逆流萃取逆流操作并流操作交叉流操作两相流向相反，传质推两相流向相同，操作简新鲜萃取剂分别加入各动力大，分离效果最单但分离效果较差，通级，适用于某些特定的好，是工业生产的首选常用于特殊工艺要求分离要求流程串级连接多个萃取单元串联运行，显著提高分离程度和产品纯度多级操作流程的数学模型平衡关系物料衡算建立各级的相平衡方程每一级的物料平衡方程图解求级数操作线方程逐级计算确定所需级数连接相邻级间组成的直线萃取设备概述萃取设备种类繁多，按操作方式可分为级式和微分接触式；按混合方式可分为机械搅拌和其他混合方式选择合适的设备对于萃取过程的成功实施至关重要搅拌罐萃取器机械搅拌强化相间传质过程液滴分散增大相界面积停留时间保证充分传质重力分相利用密度差分离搅拌罐萃取器是最常见的萃取设备，结构简单，操作灵活，易于控制通过机械搅拌实现良好的相间接触，但分相时间较长，占地面积大离心萃取器3000转速每分钟转数，提供强大离心力10分离因子相对于重力分离的加速倍数60停留时间秒级快速分离过程99%分离效率高效的相分离效果离心萃取器利用离心力强化分相过程，具有处理量大、分相时间短、设备紧凑等优点，特别适用于密度差较小的体系填料塔及板式塔填料塔特点板式塔优势选择依据连续接触设备，传质效率高，压降小级间效果明显，便于控制和调节每层根据物料性质、处理量、分离要求和经填料提供大的比表面积，适用于腐蚀性板相当于一个理论板，传质推动力稳济性综合考虑腐蚀性强选填料塔，大体系和低处理量的场合操作弹性好，定适用于大处理量和要求高分离精度处理量选板式塔，特殊要求可定制设易于放大的工艺计新型萃取设备简介旋转盘萃取器节能设计创新应用发展趋势通过旋转盘片的剪切作用强化传采用新材料和优化结构设计，降低向着高效化、集成化、智能化方向质，具有传质效率高、停留时间能耗和维护成本集成化程度高，发展微通道技术、膜萃取等新技短、操作稳定等特点，代表了萃取自动化控制先进，符合绿色化工发术不断涌现，为特殊应用提供了新设备的发展方向展趋势的解决方案溶剂及萃取剂选择原则传质动力学基础传质推动力浓度差是传质的根本推动力•浓度梯度驱动扩散•相界面阻力影响•平衡偏离程度传质速率方程定量描述传质过程的数学模型•菲克定律应用•总传质系数•界面更新理论影响因素分析多种因素共同影响传质效果•温度和粘度•相界面积大小•搅拌强度控制流动及传质耦合湍流强化层流影响设备结构优化湍流能够显著增强层流条件下传质主合理的设备内部结传质效果，通过增要靠分子扩散，效构设计能够优化流加相界面积和降低率较低但操作平动模式，在保证传边界层厚度来提高稳适用于精密分质效果的同时降低传质系数但也会离和小处理量的应能耗，提高经济增加能耗和操作复用场合性杂性操作参数匹配搅拌速度、流量比、停留时间等参数需要合理匹配，达到传质效率和能耗的最佳平衡点相分离机理液滴聚并分散相液滴相互碰撞聚并长大，是分相过程的关键步骤液滴大小直接影响沉降速度和分相效果界面张力作用界面张力决定液滴稳定性和聚并难易程度较大的界面张力有利于分相，但会增加分散难度乳化现象防控强烈搅拌可能形成稳定乳化液，严重影响分相效果需要控制搅拌强度和添加破乳剂分相时间优化分相时间与液滴大小、密度差、粘度等因素相关合理设计分相器尺寸和停留时间工艺参数优化相比选择温度控制萃取剂与原料液的体积比操作温度的合理设定影响萃取效率和经济性平衡萃取效果与能耗停留时间级数优化各级接触时间的控制萃取与洗涤级数的匹配保证充分传质平衡最小总投资和操作费用二次萃取与反萃操作反萃目的回收有价组分，再生萃取剂反萃剂选择通常采用酸碱或水相反萃工艺设计独立的反萃设备和流程效果评估回收率和萃取剂损失控制反萃取是萃取过程的重要组成部分，特别在金属提取和有机物回收中应用广泛通过改变pH值或离子强度等条件，使目标物质从有机相转移回水相，实现产品回收和溶剂再生的双重目的溶剂回收与循环利用损耗控制措施回收工艺方案绿色发展策略通过优化工艺条件、改进设备密封、采用蒸馏、萃取、吸附等技术回收溶开发生物质溶剂、离子液体等绿色萃减少挥发损失等措施，将溶剂损耗控剂蒸馏是最常用的方法，能够获得取剂，建立闭路循环工艺，实现溶剂制在经济可接受范围内，通常要求损高纯度的再生溶剂，回收率可达95%的完全回用，符合可持续发展要求耗率低于1%以上工艺放大与工业实现实验室研究确定最佳工艺条件，获得基础数据进行小试实验，验证技术可行性，为放大设计提供依据中试验证在中试装置上验证工艺的稳定性和重现性发现并解决放大过程中可能出现的技术问题工业化设计根据中试结果进行工业装置设计考虑安全、环保、经济等因素，确保工艺的工业化成功工业萃取流程案例一铜的液液萃取浸出工序硫酸浸出铜矿石•浸出液含铜2-6g/L•杂质离子较多•需要净化处理萃取分离有机萃取剂选择性提取铜•使用LIX系列萃取剂•铜的萃取率达99%•有效分离铁等杂质电积回收反萃后电解沉积金属铜•电解液含铜40-50g/L•电流效率95%以上•产品纯度

99.9%铜的液液萃取是湿法冶金的典型应用，具有工艺流程短、产品质量高、环境友好等优点全球约30%的铜产量采用此工艺生产工业萃取流程案例二抗生素提取发酵液预处理去除菌体和大分子杂质，调节pH值，为后续萃取创造适宜条件发酵液组成复杂，抗生素浓度通常较低溶剂萃取分离选择合适的有机溶剂萃取抗生素常用正丁醇、醋酸丁酯等溶剂，萃取率可达85-95%，同时去除大部分杂质精制纯化通过反萃、结晶、干燥等步骤获得高纯度产品最终产品纯度需达到药典标准，通常要求99%以上工业萃取流程案例三稀土金属分离萃取分离矿物分解采用P507等萃取剂逐级分离各稀土元素稀土矿物酸分解制备混合稀土溶液产品制备反萃纯化沉淀、焙烧制得稀土氧化物产品用盐酸反萃得到高纯稀土氯化物溶液稀土分离是萃取技术的高端应用，需要数十级串联萃取才能实现高纯度分离我国在此领域技术先进，产能占全球80%以上废液回收处理是重要环保课题萃取流程设计概要流程图设计要点工艺步骤分解控制节点识别萃取流程图应包含所有主要设备、物料将复杂的萃取过程分解为预处理、萃确定关键控制点如温度控制、pH调节、流向、操作条件等信息需要标注温取、分相、反萃、溶剂回收等基本单流量配比等建立完善的控制策略，确度、压力、流量等关键参数，便于操作元每个单元都有明确的功能和操作要保工艺稳定运行和产品质量人员理解和控制求仪表与自动化关键参数监测控制系统数据分析优化DCS在线监测温度、压力、流采用分布式控制系统实现通过历史数据分析和实时量、液位、pH值、浓度等萃取过程的集中监控和自优化算法，持续改进工艺关键工艺参数，确保操作动调节提高操作精度，参数，提高萃取效率和产条件的精确控制和过程稳降低人工成本，保障生产品质量，降低生产成本定性安全安全联锁保护建立完善的安全联锁系统，在异常情况下自动切断物料供应、启动应急处理程序，确保人员和设备安全安全环保与风险控制火灾爆炸防护有机溶剂易燃易爆风险控制职业健康防护溶剂毒性和人员防护措施废物处理处置废溶剂和废水的环保处理应急预案制定事故应急响应和处理程序风险评估体系系统性安全风险识别和控制安全环保是萃取工艺设计和运行的重要考虑因素必须建立完善的风险评估体系，制定详细的安全操作规程和应急预案，确保生产过程的安全性和环境友好性典型传质性能数据校核与设备选型处理量核算根据生产规模确定设备的处理能力要求考虑操作弹性，通常按110-120%的设计余量选择设备规格传质效率验证通过传质模型计算验证设备能否达到预期分离效果核查理论级数与实际级数的匹配关系水力学校核验证设备的水力学性能，确保不出现液泛、漏液等异常操作现象检查压降是否在合理范围内经济性评估综合考虑设备投资、操作费用、维护成本等因素，选择技术经济最优的设备方案投资与运行成本估算60%25%设备投资溶剂成本萃取设备及配套设施的购置费用占总投资的主要部分萃取剂采购和损耗费用是主要的运行成本10%5%能耗费用人工费用搅拌、加热、冷却等工序的能源消耗操作、维护、管理人员的工资和福利萃取工艺的经济性主要取决于设备投资和溶剂成本通过优化工艺条件、提高溶剂回收率、延长设备使用寿命等措施可以显著改善经济效益绿色萃取技术发展绿色溶剂开发开发低毒、可生物降解的萃取剂，如离子液体、深度共晶溶剂等减少对环境的影响，符合绿色化学原则清洁生产工艺采用超临界流体萃取、微波辅助萃取等新技术，提高分离效率，减少溶剂使用量和废物产生碳中和目标响应国家碳达峰碳中和战略，发展低能耗萃取工艺，提高能源利用效率，减少温室气体排放法规标准遵守日益严格的环保法规和安全标准，推动萃取技术向更加安全、环保、可持续的方向发展求解典型工程问题一已知条件分析给定条件整理•原料液浓度10g/L•分配系数K=

2.5•要求萃余液浓度≤1g/L•萃取剂与原料液体积比1:1理论级数计算逐级计算方法应用•建立物料平衡方程•结合相平衡关系•逐级迭代求解•确定所需理论级数为4级结果验证分析计算结果合理性检验•萃取率达90%符合要求•溶剂消耗量在合理范围•可通过增加级数进一步提高效果通过系统的计算方法，确定了达到指定分离要求所需的理论级数实际设计时还需考虑级效率，通常理论级数需乘以

1.2-

1.5的系数得到实际级数求解典型工程问题二优化目标确定变量识别分析最大化萃取塔处理量同时保证产品质量塔径、液泛速度、停留时间等关键参数最优解确定约束条件建立通过数学优化方法找到最佳操作点传质效率、压降限制、经济性要求萃取塔处理量优化是典型的多变量优化问题需要在满足产品质量要求的前提下，通过调整操作参数实现处理量最大化，同时考虑经济性和操作安全性求解典型工程问题三回收率目标要求有价金属回收率达到98%以上，同时控制萃取剂消耗量在经济可接受范围内约束条件分析设备台数限制、场地面积约束、投资预算限制等实际工程条件对设计方案的影响串联级数设计采用6级逆流萃取加2级洗涤的工艺流程，通过详细的物料衡算确定各级操作参数方案验证评价计算结果显示回收率达

98.5%，萃取剂循环使用率95%，满足技术经济要求实际工厂案例分析项目背景介绍技术难点分析解决方案实施某大型有色金属企业采用萃取技术从废废料成分复杂，贵金属含量低且分散采用分级萃取工艺，首先除杂质，再分料中回收贵金属项目投资

2.5亿元，年需要开发高选择性萃取剂，设计合理的别回收不同贵金属建立在线监测系处理废料10万吨，回收金、银、铂等贵预处理工艺，解决杂质干扰和设备腐蚀统，实时调节工艺参数，确保稳定运金属价值超过5亿元问题行该项目成功运行3年来，各项技术指标均达到设计要求，年利润超过

1.5亿元，为企业创造了显著的经济效益和环境效益行业发展现状科研前沿推荐离子液体萃取微通道萃取智能化技术具有可设计性、热稳定性利用微流控技术实现精确的人工智能和大数据在萃取过好、蒸汽压极低等优点在流体控制和强化传质具有程优化中的应用通过机器核燃料后处理、稀土分离、传质效率高、停留时间短、学习算法预测最佳操作条生物活性物质提取等领域显安全性好等特点，适用于高件，实现自适应控制和故障示出巨大潜力附加值产品生产诊断自动化集成全自动化萃取系统的开发，减少人工干预，提高操作精度和安全性特别适用于危险物质的处理和高纯度产品的制备未来趋势预测数智化转型AI驱动的过程优化和预测控制极端环境材料高温高压深海等条件下的新型萃取材料绿色工艺普及环保型萃取剂和零排放工艺技术规模化应用从实验室走向大规模工业化生产未来10年萃取技术将向智能化、绿色化、极端化方向发展数字化技术的深度融合将大幅提升工艺效率和产品质量，新材料的应用将拓展萃取技术的应用边界萃取过程常见问题集萃取剂失活与再生乳化与夹带问题设备腐蚀防护萃取剂在使用过程中可能因氧化、水强烈搅拌可能导致稳定乳化液形成，有机溶剂和酸性介质对设备材质要求解、聚合等原因失活通过酸洗、碱影响分相效果可通过调节搅拌强较高选用耐腐蚀材料如不锈钢、塑洗、蒸馏等方法可以恢复活性，延长度、添加破乳剂、使用聚结器等方法料衬里、特殊合金等，定期检查更换使用寿命，降低成本解决易损件学习资料与权威推荐书目经典教材《化工原理》（天津大学版）、《分离工程》（化工出版社）、《萃取分离工程》等权威教材是学习基础理论的重要参考国际标准Treybal《Mass TransferOperations》、Seader《SeparationProcess Principles》等国际知名教材提供了深入的理论分析期刊论文《Solvent Extractionand IonExchange》、《Hydrometallurgy》等专业期刊发表最新研究成果和技术进展标准规范国家标准GB、行业标准HG/T、国际标准ISO等提供了设计和操作的技术要求和安全规范实验教学环节设计基础实验单级萃取平衡测定学习基本操作技能综合实验多级逆流萃取工艺掌握工艺设计方法数据处理实验数据分析计算验证理论模型创新设计自主设计萃取方案培养工程思维。