1、第第1 1页页/共共3030页页1多媒体教学课程：冶金设备基础多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院昆明理工大学材料与冶金工程学院任课教师：徐瑞东任课教师：徐瑞东第第2 2页页/共共3030页页第9章 萃取 学习目的与要求学习目的与要求 了解萃取分配比、相比、萃取速率、萃取因子、分离系数等概念。了解了解萃取分配比、相比、萃取速率、萃取因子、分离系数等概念。了解萃取剂的分类和选择原则。萃取剂的分类和选择原则。掌握几种主要萃取方式的流程。掌握几种主要萃取方式的流程。掌握错流萃取、逆流萃取的物料衡算，操作线方程以及理论级数的计算掌握错流萃取、逆流萃取的物料衡算，操作线方程以及理论
2、级数的计算(计算法和图解法计算法和图解法)。了解箱式混合澄清槽等萃取设备的构造及工作原理。了解箱式混合澄清槽等萃取设备的构造及工作原理。不含固体颗粒的清夜不含固体颗粒的清夜净化方法净化方法置换法置换法中和法中和法吸附法吸附法萃取法萃取法活性炭吸附活性炭吸附树脂吸附树脂吸附 反应体系反应体系矿石散料矿石散料浸出剂浸出剂 能量能量 固体与液体充分混合固体与液体充分混合反应后的悬浮液反应后的悬浮液液固分离液固分离第第3 3页页/共共3030页页9.19.1萃取过程的基本概念萃取过程的基本概念(1)(1)萃取的定义萃取的定义(2)(2)萃取的应用萃取的应用用于处理从矿石原料浸出或分解等过程中得用于处理
3、从矿石原料浸出或分解等过程中得到的含杂质溶液。如钒、铟、铊、锗和碲的到的含杂质溶液。如钒、铟、铊、锗和碲的提取和净化；铜和钨的提取；镍和钴的分离；提取和净化；铜和钨的提取；镍和钴的分离；钽和铌、锆和铪、钼和铼的提取和分离；稀钽和铌、锆和铪、钼和铼的提取和分离；稀土和铂族元素的提取、分离和净化。土和铂族元素的提取、分离和净化。有机溶剂有机溶剂(萃取剂萃取剂S)S)、被萃取的水溶液、相对、被萃取的水溶液、相对密度、澄清分层、有机相密度、澄清分层、有机相(萃取相萃取相)，水相，水相(萃萃余相余相)、分离、净化或富集。、分离、净化或富集。(3)(3)萃取操作过程萃取操作过程萃取萃取洗涤：除去萃取相中的
4、杂质洗涤：除去萃取相中的杂质反萃取：萃取剂再生利用反萃取：萃取剂再生利用第第4 4页页/共共3030页页单级混合单级混合-澄清萃取澄清萃取 1-1-混合室混合室 2-2-澄清室澄清室被萃取物或溶质被萃取物或溶质(A)(A)：可溶的组分：可溶的组分惰性组分惰性组分(B)(B)：不溶或难溶的组分：不溶或难溶的组分萃取溶剂萃取溶剂(S)(S)载体：若载体：若B B和和S S不互溶，均可称为载体不互溶，均可称为载体水相水相(萃余相萃余相)组成：组成：B B有机相有机相(萃取相萃取相)组成：组成：A A和和S S以稀醋酸水溶液的分离为例说明以稀醋酸水溶液的分离为例说明工业萃取过程工业萃取过程第第5 5页
5、页/共共3030页页9.1.19.1.1基本概念基本概念1.1.分配比分配比 KFGWBWAOBOABABACCCCDD/2.2.萃取速率萃取速率3.3.基本参数基本参数相比相比R萃取因数萃取因数e萃取分率萃取分率qWVVR0DRe%1001eeq4.4.分离系数分离系数wCCD0分配比(D)-在萃取平衡时，被萃取物在有机相的总浓度和在水相中的总浓度之比称为分配比。萃取速率-被萃取物在单位时间内由水相转入到有机相的质量。相比R:有机相体积V0与水相体积Vw 之比萃取因数e:萃取液中溶液的量与萃余液中溶液的量之比萃取分率q:被萃取物进入到有机相中的量与两相中被萃取物的总量的百分比分离系数:在同一
6、体系中有两种溶质A和B，它们的分配比分别为DA和DB。A/B表明了两种溶质在有机相的平衡浓度之比与在水相的平衡浓度之比，表明了两种溶质的分离效率。A/B 1,两种溶质难于完全不能分离；A/B1或A/B1,两种溶质容易分离。第第6 6页页/共共3030页页9.1.29.1.2萃取剂的分类及选择原则萃取剂的分类及选择原则中性萃取剂中性萃取剂酸性萃取剂酸性萃取剂(阳离子交换剂阳离子交换剂)螯合萃取剂螯合萃取剂碱性萃取剂碱性萃取剂(阴离子交换剂阴离子交换剂)1.1.萃取剂的分类萃取剂的分类 2.2.萃取剂选择原则萃取剂选择原则(1)(1)对被萃取的金属有较高的选择性对被萃取的金属有较高的选择性(2)(
7、2)有较大的萃取容量有较大的萃取容量(3)(3)相对密度小、粘度低，表面张力大；沸点高，相对密度小、粘度低，表面张力大；沸点高，蒸气蒸气 压小；在水中溶解度小压小；在水中溶解度小(4)(4)化学稳定性好，不易水解，毒性小，腐蚀性小化学稳定性好，不易水解，毒性小，腐蚀性小(5)(5)反萃取反萃取(再生再生)容易，不生产第三相容易，不生产第三相(6)(6)来源丰富，制备、纯化以及价廉来源丰富，制备、纯化以及价廉第第7 7页页/共共3030页页9.2 9.2 萃取工艺流程及计算萃取工艺流程及计算使用两种或两种以上萃取剂的混合物来萃取某一金属使用两种或两种以上萃取剂的混合物来萃取某一金属离子或其化合物
8、，其萃取性能超过单个萃取剂单独使离子或其化合物，其萃取性能超过单个萃取剂单独使用时的效果。用时的效果。萃取工艺流程萃取工艺流程单级萃取单级萃取多级萃取多级萃取错流萃取错流萃取逆流萃取逆流萃取分馏萃取分馏萃取回流萃取回流萃取水相与有机相流动方式水相与有机相流动方式水相和有机相接触的次数水相和有机相接触的次数协同萃取协同萃取混合物萃取剂的萃取效果混合物萃取剂的萃取效果第第8 8页页/共共3030页页错流萃取：每一级都加入新的萃取剂的萃取。错流萃取：每一级都加入新的萃取剂的萃取。9.2.1 9.2.1 错流萃取错流萃取错流萃取流动方式错流萃取流动方式物料衡算：物料衡算：)(1111111FSSFXX
9、SBYYYSXBYSXB即第一级：错流萃取的操作线方程级：第)(1nnnSnXXSBYYn。的浓度，萃余相中溶质级，分别为第，；的浓度，萃取相中溶质级，分别为第，；的浓度，原料液中溶质；的浓度，溶剂中溶质；或，加入每一级中的溶剂量；或，原料液中惰性组分的量kgA/kgBAn1,2,XXXkgA/kgSA1,2,YYYkgA/kgBAXkgA/kgSAYkg/hkg/n2In21FSnShkgkgBn衡算原则：原液中溶质的量衡算原则：原液中溶质的量+溶溶剂中溶质剂中溶质A A的量的量=萃余相中溶质萃余相中溶质A A的量的量+萃取相中溶质萃取相中溶质A A的量的量第第9 9页页/共共3030页页错
10、流萃取级数错流萃取级数F错流萃取理论级数错流萃取理论级数图解法图解法计算法计算法qCCmkgnCmkgCRDeeeeCwnCnFnwwnFF-1/)1lg()1lg()1lg()lg(33或即萃余分数，溶质未被萃取的分数，；，级萃余相中溶质的浓度第；料液水相溶质的浓度，萃取因子，理论级数计算方法理论级数计算方法第第1010页页/共共3030页页逆流萃取逆流萃取:有机相和水相逆流通过多级萃取室的萃取。有机相和水相逆流通过多级萃取室的萃取。9.2.2 9.2.2 逆流萃取逆流萃取物料衡算：物料衡算：逆流萃取流动方式逆流萃取流动方式。级水相出口的浓度，第；级有机相进口的浓度，第逆流萃取操作线作总物料
11、衡算：级对溶质从第一级到第kgBkgAmXkgSkgAmYXSBYXSBYAmmmFmm/1-/1-)-(1111第第1111页页/共共3030页页图解法图解法计算法计算法理论级数计算方法理论级数计算方法F逆流萃取理论级数逆流萃取理论级数1lg)11lg(een前提条件：前提条件：1.1.分配比分配比D D为定值即为定值即D=DD=D1 1=D=D2 2=Dn=Dn2.2.萃取过程两相体积恒定萃取过程两相体积恒定逆流萃取级数逆流萃取级数逆流萃取操作线-)-(11FmmXSBYXSBY第第1212页页/共共3030页页例例6-1 用用5%TBP煤油溶剂，按相比煤油溶剂，按相比 逆流萃取分离钍铀，
12、逆流萃取分离钍铀，已知料液成分已知料液成分U3O8为为10g/dm3，ThO2170g/dm3，D=3，求欲，求欲使残液中使残液中U3O8达达0.00642g/dm3，需要几级萃取？，需要几级萃取？解：解：6123 DRe000642.01000642.0)(416lg)1000642.016lg(1lg)11lg(级een12R第第1313页页/共共3030页页9.2.39.2.3分馏萃取分馏萃取12345水相出口水相出口料液料液F萃取段萃取段洗涤段洗涤段有机相出口有机相出口W ER S特点：特点：料液从中间加入，水相和有机相从两端流出，萃取和洗涤料液从中间加入，水相和有机相从两端流出，萃取
13、和洗涤同时在一个设备中完成。当同时在一个设备中完成。当A/B较大时，同时可得到纯较大时，同时可得到纯A和纯和纯B，收，收率很高应用最广。率很高应用最广。分馏萃取示意图分馏萃取示意图第第1414页页/共共3030页页例：在单级萃取器中用纯溶剂例：在单级萃取器中用纯溶剂S从从A、B两组分两组分混合液中提取溶质组分混合液中提取溶质组分A。已知：溶剂用量。已知：溶剂用量S=100kg，料液处理量，料液处理量F=100kg，其中，其中A的含的含量为量为40kg，萃余液中，萃余液中A的质量分数为的质量分数为0.2，选择，选择性系数性系数=8,试求组分试求组分A的萃取率的萃取率.的质量分数萃取液中溶质的质量
14、分数萃余液中溶质AyAxxxyyxxyyAAAAAABABA-11解：组分解：组分A的萃取率为的萃取率为:%10040AAEyqFxF,AxR,单级萃取AyE,s第第1515页页/共共3030页页6667.02.0)18(12.08)1(1AAAxxyREFRxEyFxAAFAAAFxyxxFE对体系物料进行衡算，则有：对体系物料进行衡算，则有：kgxyxxFEAAAF85.422.06667.02.04.0100%42.71%100406667.085.42%10040AAEyqFxF,AxR,单级萃取AyE,s第第1616页页/共共3030页页9.3 9.3 萃取设备萃取设备9.3.19.
15、3.1萃取设备分类及选型萃取设备分类及选型1.1.萃取设备的分类萃取设备的分类按液流接触方式划分按液流接触方式划分按相分散动力划分按相分散动力划分逐级接触式：混合澄清器逐级接触式：混合澄清器连续接触式：萃取塔连续接触式：萃取塔重力式重力式机械搅拌式机械搅拌式机械振动式机械振动式脉冲式脉冲式离心式离心式第第1717页页/共共3030页页2.2.萃取设备的选型萃取设备的选型萃取设备的选择萃取设备的选择第第1818页页/共共3030页页9.3.29.3.2混合澄清器混合澄清器(1)(1)箱式混澄器的结构箱式混澄器的结构(2)(2)箱式混澄器的工作原理箱式混澄器的工作原理整体：逆流流动整体：逆流流动同
16、级内：并流流动同级内：并流流动简单箱式混澄器简单箱式混澄器321水相进口水相进口水相出口水相出口有机相进口有机相进口有机相出口有机相出口第第1919页页/共共3030页页9.3.39.3.3萃取塔萃取塔脉冲萃取塔脉冲萃取塔往复振动筛板塔往复振动筛板塔(1)(1)萃取塔的工作原理萃取塔的工作原理 水相和有机相分别萃取塔的水相和有机相分别萃取塔的顶部和底部加入，两相在塔内筛顶部和底部加入，两相在塔内筛孔切割作用下进行混合萃取和澄孔切割作用下进行混合萃取和澄清分离，得到附带有机相和萃余清分离，得到附带有机相和萃余液，也称内脉冲萃取塔。液，也称内脉冲萃取塔。(2)(2)萃取塔的类型萃取塔的类型往复振动
17、筛板萃取塔往复振动筛板萃取塔有机相有机相水相水相附带有机相附带有机相萃余液萃余液第第2020页页/共共3030页页 荷兰皇家壳牌公司研制。荷兰皇家壳牌公司研制。固定圆环：减小液体轴向流，固定圆环：减小液体轴向流，并使碰在塔壁上的液体返回，促进并使碰在塔壁上的液体返回，促进循环。循环。转盘：借快速旋转的剪切力提转盘：借快速旋转的剪切力提高两相的分散能力。高两相的分散能力。格珊：抑制流体湍动，改善澄格珊：抑制流体湍动，改善澄清效果。清效果。9.3.4 9.3.4 转盘塔转盘塔转盘塔转盘塔有机相有机相水相水相附附带带有有机机相相萃余液萃余液格珊格珊第第2121页页/共共3030页页9.3.59.3.
18、5离心萃取器离心萃取器 水相和有机相分别从离心萃水相和有机相分别从离心萃取器的底部进入，在离心萃取器取器的底部进入，在离心萃取器内进行混合萃取，在离心力的作内进行混合萃取，在离心力的作用下进行澄清分离，得到附带有用下进行澄清分离，得到附带有机相和萃余液。机相和萃余液。(2)(2)离心萃取器的工作原理离心萃取器的工作原理(1)(1)离心萃取器的结构离心萃取器的结构BXPBXP型离心萃取器型离心萃取器有机相入口有机相入口有机相出口有机相出口重相入口重相入口重相出口重相出口第第2222页页/共共3030页页(3)(3)圆筒式离心萃取器的特点圆筒式离心萃取器的特点1.1.转鼓直径较小、转速较低、结构简
19、单，便于制造。转鼓直径较小、转速较低、结构简单，便于制造。2.2.单台单级设备，多级逆流操作可由单级串联而成，级单台单级设备，多级逆流操作可由单级串联而成，级 数不受限制，适于多种萃取体系。数不受限制，适于多种萃取体系。3.3.转鼓是上悬式，浸在液体中转动件没有动密封问题。转鼓是上悬式，浸在液体中转动件没有动密封问题。4.4.液体通道的截面积较大，处理理大，而且适于处理含液体通道的截面积较大，处理理大，而且适于处理含 有一定量固体颗粒的料液。有一定量固体颗粒的料液。优点优点设备因是单台单级设备，每台设备都有单独的传动机构，设备因是单台单级设备，每台设备都有单独的传动机构，其占地面积，容机滞留量
20、、易损件消耗都相应有所增加；其占地面积，容机滞留量、易损件消耗都相应有所增加；而且由于转鼓直径较小，转速较低，其分离因数均小于而且由于转鼓直径较小，转速较低，其分离因数均小于500500。缺点缺点：第第2323页页/共共3030页页萃取设备萃取设备特点特点应用范围应用范围逐逐级级接接触触式式混合澄清混合澄清级效率高，处理能力大，级效率高，处理能力大，操作弹性好操作弹性好溶剂滞留量大，占地溶剂滞留量大，占地面积大，费用高面积大，费用高连连续续接接触触式式脉冲筛板脉冲筛板处理能力大处理能力大,容积效率高，容积效率高，塔内无运动部件塔内无运动部件难处理两相密度差小难处理两相密度差小的体系，不能高流比
21、的体系，不能高流比操作，对乳化无法操作，对乳化无法往复振动往复振动处理能力大，结构简单，处理能力大，结构简单，操作弹性好操作弹性好转盘塔转盘塔处理能力大，效率较高，处理能力大，效率较高，结构简单结构简单离心萃取离心萃取设备体积小，传质效率高，设备体积小，传质效率高，溶剂滞留量小，适合两相溶剂滞留量小，适合两相密度差小的体系密度差小的体系结构复杂，制造和维结构复杂，制造和维修费高修费高几种萃取设备的特点和应用范围几种萃取设备的特点和应用范围第第2424页页/共共3030页页本章小结本章小结一、萃取过程一、萃取过程(1)(1)萃取的定义萃取的定义(2)(2)萃取的应用萃取的应用 用于处理从矿石原料
22、浸出或分解等过程中得到的含杂质溶液用于处理从矿石原料浸出或分解等过程中得到的含杂质溶液 有机溶剂与被萃取的水溶液混合，经充分搅拌后，根据两者相有机溶剂与被萃取的水溶液混合，经充分搅拌后，根据两者相对密度的不同，经过澄清分层，一层为有机相对密度的不同，经过澄清分层，一层为有机相(萃取相萃取相)，另一层为，另一层为水相水相(萃余相萃余相)。在两相平衡时被萃取物质按一定的浓度比分配于两。在两相平衡时被萃取物质按一定的浓度比分配于两相中，从而达到分离、净化或富集的目的。相中，从而达到分离、净化或富集的目的。(3)(3)萃取操作过程萃取操作过程萃取萃取洗涤：除去萃取中的杂质洗涤：除去萃取中的杂质反萃取：
23、萃取剂再生利用反萃取：萃取剂再生利用1 1、萃取过程基本知识、萃取过程基本知识第第2525页页/共共3030页页1.1.分配比分配比 KFGWBWAOBOABABACCCCDD/2.2.萃取速率萃取速率3.3.基本参数基本参数相比相比R萃取因数萃取因数e萃取分率萃取分率qWVVR0DRVCVCeWW00%1001eeq4.4.分离系数分离系数wCCD02 2、萃取的基本概念、萃取的基本概念第第2626页页/共共3030页页3.3.萃取剂的选择原则萃取剂的选择原则中性萃取剂中性萃取剂酸性萃取剂酸性萃取剂(阳离子交换剂阳离子交换剂)螯合萃取剂螯合萃取剂碱性萃取剂碱性萃取剂(阴离子交换剂阴离子交换剂
24、)1.1.萃取剂的分类萃取剂的分类 2.2.萃取剂选择原则萃取剂选择原则(1)(1)对被萃取的金属有较高的选择性对被萃取的金属有较高的选择性(2)(2)有较大的萃取容量有较大的萃取容量(3)(3)相对密度小、粘度低，表面张力大；沸点高，相对密度小、粘度低，表面张力大；沸点高，蒸气蒸气 压小，闪点高；在水中溶解度小压小，闪点高；在水中溶解度小(4)(4)化学稳定性好，不易水解，毒性小，腐蚀性小化学稳定性好，不易水解，毒性小，腐蚀性小(5)(5)反萃取容易，不发生乳化，不生产第三相反萃取容易，不发生乳化，不生产第三相(6)(6)来源丰富，制备、纯化、再生容易以及价廉来源丰富，制备、纯化、再生容易以
25、及价廉第第2727页页/共共3030页页二、萃取工艺流程及计算二、萃取工艺流程及计算萃取工艺流程萃取工艺流程单级萃取单级萃取串级萃取串级萃取错流萃取错流萃取逆流萃取逆流萃取分馏萃取分馏萃取回流萃取回流萃取水相与有机相流动方式水相与有机相流动方式水相和有机相仅接触的次数水相和有机相仅接触的次数协同萃取协同萃取协同效应协同效应反协同效应反协同效应混合物萃取剂的萃取效果混合物萃取剂的萃取效果第第2828页页/共共3030页页特特 点：每一级都加入新的萃取剂的萃取。点：每一级都加入新的萃取剂的萃取。物料衡算：物料衡算：)(1nnnSnXXSBYY1.1.错流萃取错流萃取理论级数理论级数2.2.逆流萃取
26、逆流萃取特特 点：有机相和水相逆流通过多级萃取室的萃取。点：有机相和水相逆流通过多级萃取室的萃取。物料衡算：物料衡算：理论级数理论级数)-(1FnmXSBYXSBY1lg)11lg(een图解法图解法计算法计算法qen-1)1lg()1lg(图解法图解法计算法计算法 料液从中间加入，水相和有机相从两端流出，萃取和洗涤同料液从中间加入，水相和有机相从两端流出，萃取和洗涤同时在一个设备中完成。时在一个设备中完成。3.3.分馏萃取分馏萃取第第2929页页/共共3030页页三、萃取设备三、萃取设备1.1.萃取设备的分类萃取设备的分类按液流接触方式划分按液流接触方式划分按相分散动力划分按相分散动力划分逐
27、级接触式：混合澄清器逐级接触式：混合澄清器连续接触式：萃取塔连续接触式：萃取塔重力式重力式机械搅拌式机械搅拌式机械振动式机械振动式脉冲式脉冲式离心式离心式2.2.萃取设备的选型萃取设备的选型混合澄清器混合澄清器萃取塔萃取塔转盘塔转盘塔离心萃取器离心萃取器3.3.常用的萃取设备常用的萃取设备第第3030页页/共共3030页页思考题思考题1.阐述错流萃取、逆流萃取和分馏萃取工艺的特点。阐述错流萃取、逆流萃取和分馏萃取工艺的特点。2.用用5%TBP煤油溶剂，按相比煤油溶剂，按相比2：1进行进行 逆流萃取分离钍铀，已知逆流萃取分离钍铀，已知料液成分料液成分U3O8为为10g/dm3，ThO2170g/dm3，D=3，求欲使残液中，求欲使残液中U3O8达达0.005g/dm3，需要几级萃取？，需要几级萃取？
