液液萃取化工基础

　　液液萃取是重要的化工分离单元操作。它具有分离效率高、能耗低、生产能力大、设备投资少、便于快速连续和安全操作等优点。本书包括物质的溶解特性及常用萃取剂、金属萃取的基本原理、有机物萃取的基本原理、液液萃取相平衡、扩散及相间传质过程、逐级接触液液萃取过程的计算、微分接触连续逆流萃取过程的计算、液液萃取设备的分类及特点、混合澄清器、柱式萃取设备、离心萃取设备、萃取过程的强化、新型萃取分离技术等内容，系统阐述了液液萃取的基本原理、平衡关系、过程速率、应用设备及设计计算、萃取过程强化途径，并介绍了新型萃取分离技术。本书可作为高等院校化工、生物化工、环境、制药等专业研究生教材或教学参考书，也可供上述专业从事分离过程研究开发、设计和运行的工程技术人员参考。

　　戴猷元，清华大学，清华工业开发研究院，教授、博士生导师，三十多年来，一直从事化学工程与技术方面的教学科研工作。长期讲授《化工原理》（学校一类课）、《化工概论》等课程；科研方面的重点是液液萃取分离过程的新工艺和新方法的研究。科研方面的重点是萃取分离过程的新工艺和新方法的研究，先后承担“液液萃取过程及设备的基本规律研究”、“新型膜分离过程的研究”等自然科学基金重大项目和重点项目、国家科技支撑计划项目“抗生素大规模生产关键技术创新”、负责国家科技成果重点推广项目“络合萃取法处理工业含酚废水技术”和其他部委和企业的研究课题。萃取新工艺方面，有机物稀溶液络合萃取工艺研究和机理探讨取得突破性进展，形成“络合萃取法处理工业含酚废水技术”和“络合萃取法处理工业苯胺废水技术”等科技成果均属国内首创，达到国际先进水平。萃取新方法方面，在膜萃取过程的研究、外场对分离过程的强化、萃淋树脂分离过程的研究、聚合物反胶团萃取、预分散溶剂萃取、浊点萃取等新的领域取得成果。近二十年，先后获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步奖及教育教学奖20项（一等奖8项、二等奖7项、三等奖4项、四等奖1项），授权专利26项。

第1章概述001
1.1液液萃取过程001
1.2液液萃取技术的发展和应用002
1.3液液萃取中的基本概念004
1.3.1分配定律和分配常数004
1.3.2分配系数006
1.3.3萃取率006
1.3.4相比和萃取因子007
1.3.5萃取分离因数007
1.3.6物理萃取与化学萃取008
1.4液液萃取技术的研究内容及方法009
参考文献010
第2章物质的溶解特性及常用萃取剂011
2.1物质溶解过程的一般描述011
2.2物质在溶剂中的溶解特性012
2.2.1物质在水中的溶解特性012
2.2.2物质在有机溶剂中的溶解特性014
2.3物质萃取的各种影响因素015
2.3.1空腔作用能和空腔效应015
2.3.2被萃溶质亲水基团的影响017
2.3.3溶质与有机溶剂相互作用的影响021
2.4常用的萃取剂022
2.4.1萃取剂选择的一般原则022
2.4.2中性络合萃取剂023
2.4.3酸性络合萃取剂026
2.4.4胺类萃取剂028
2.4.5螯合萃取剂030
参考文献033
第3章金属萃取的基本原理034
3.1金属离子配合物034
3.1.1金属离子的水合034
3.1.2金属离子配合物的形成及稳定性035
3.2中性络合萃取过程036
3.2.1中性金属配合物的萃取036
3.2.2金属配阴离子加合阳离子的萃取过程037
3.3酸性络合萃取过程及螯合萃取过程038
3.3.1酸性络合萃取过程038
3.3.2螯合萃取过程039
3.4离子缔合萃取过程040
3.4.1阴离子萃取过程041
3.4.2阴离子交换过程041
3.4.3阳离子萃取过程041
3.5金属萃取过程的影响因素042
3.5.1萃取剂特性的影响042
3.5.2金属离子成键特性的影响045
3.5.3萃合物特性及其形成条件和存在环境的影响046
3.6协同萃取过程049
3.6.1酸性萃取剂和中性萃取剂的协同萃取050
3.6.2肟与酸性萃取剂的协同萃取051
3.6.3螯合萃取剂和中性萃取剂的协同萃取051
3.6.4其他协同萃取体系051
参考文献051
第4章有机物萃取的基本原理052
4.1简单分子萃取052
4.2有机物络合萃取过程052
4.2.1有机物络合萃取的过程描述052
4.2.2有机物络合萃取体系的基本特征053
4.2.2.1分离对象的特性053
4.2.2.2络合剂的特性053
4.2.2.3稀释剂的选择055
4.2.3有机物络合萃取的高效性和高选择性055
4.3有机物络合萃取过程的机理分析056
4.3.1络合萃取的作用机制056
4.3.2络合萃取的萃合物结构057
4.3.3络合萃取的历程058
4.3.3.1中性磷氧类络合剂络合萃取有机羧酸的历程058
4.3.3.2胺类络合剂络合萃取有机羧酸的两种历程058
4.3.3.3胺类络合剂络合萃取苯酚的两种历程060
4.3.3.4酸性磷氧类萃取剂络合萃取有机胺类的两种历程060
4.4有机物络合萃取的特征性参数061
4.4.1分离溶质的疏水性参数lgP061
4.4.2分离溶质的电性参数pKa062
4.4.3络合剂的表观碱(酸)度063
4.4.3.1络合萃取剂表观碱(酸)度的定义064
4.4.3.2络合萃取剂表观碱(酸)度的测定方法065
4.4.3.3络合萃取剂表观碱(酸)度的影响因素066
4.4.4络合剂相对碱(酸)度067
4.4.4.1以被萃溶质为对象的络合萃取剂相对碱(酸)度的定义068
4.4.4.2络合萃取剂相对碱(酸)度的测定方法069
参考文献069
第5章液液萃取相平衡071
5.1物理萃取相平衡071
5.1.1物理萃取相平衡的一般性描述071
5.1.2弱酸或弱碱的萃取相平衡072
5.1.3萃取相溶质自缔合的萃取相平衡074
5.1.4混合溶剂物理萃取的相平衡076
5.2化学萃取的相平衡076
5.2.1化学萃取相平衡的一般性描述076
5.2.2萃合物化学组成的确定078
5.2.3络合萃取相平衡的质量作用定律分析方法080
5.3萃取相平衡的图示方法081
5.3.1完全不互溶体系直角坐标图082
5.3.2三角形相图082
5.3.2.1三角形相图中的组成表示法083
5.3.2.2杠杆法则083
5.3.2.3液液平衡关系在三角形相图上的表示法084
5.3.2.4液液相平衡在直角坐标上的表示法087
5.4萃取相平衡的模型预测方法088
参考文献090
第6章扩散及相间传质过程092
6.1分子扩散及涡流扩散092
6.1.1分子扩散092
6.1.2扩散系数094
6.1.3单相中的稳态分子扩散096
6.1.3.1等摩尔反向扩散097
6.1.3.2单向扩散098
6.1.4涡流扩散099
6.2相间传质099
6.2.1对流传质100
6.2.2相间传质模型101
6.2.3分传质系数103
6.2.4总传质系数103
6.3界面现象及其影响104
6.3.1Marangoni效应105
6.3.2Taylor不稳定性106
6.3.3表面活性剂的影响106
6.4液滴传质特性107
6.4.1液滴和液滴群的运动107
6.4.2液滴和液滴群的传质109
6.4.2.1液滴生成阶段的传质109
6.4.2.2液滴自由运动阶段的传质110
6.4.2.3液滴凝并阶段的传质112
6.4.2.4考虑液滴内外传质的总传质系数112
参考文献114
第7章逐级接触液液萃取过程的计算116
7.1单级萃取过程及其计算117
7.1.1溶剂部分互溶体系117
7.1.2溶剂不互溶体系119
7.2多级错流萃取过程及其计算120
7.2.1溶剂部分互溶体系120
7.2.2溶剂不互溶体系123
7.3多级逆流萃取过程及计算124
7.3.1溶剂部分互溶体系125
7.3.1.1三角形坐标图求理论级数125
7.3.1.2直角坐标图求理论级数127
7.3.2溶剂不互溶体系128
7.3.3多级逆流萃取过程的最小萃取剂用量129
7.3.3.1溶剂部分互溶体系129
7.3.3.2溶剂不互溶体系131
7.3.4两相完全不互溶体系的多级逆流萃取过程计算132
7.4复合萃取133
7.4.1完全不互溶体系的萃取率和去污系数134
7.4.2完全不互溶体系的物料衡算和操作线134
7.4.3双溶质组分分离的操作条件选择原则135
7.4.4多级逆流复合萃取过程的图解法136
7.4.5多级逆流复合萃取过程的公式解法136
参考文献138
第8章微分接触连续逆流萃取过程的计算139
8.1柱塞流模型139
8.2萃取柱内流动的非理想性142
8.2.1非理想流动和停留时间分布142
8.2.2萃取柱内的轴向混合及其影响145
8.3考虑萃取柱内轴向混合的计算模型146
8.3.1级模型146
8.3.2返流模型及其求解方法147
8.3.2.1返流模型的建立147
8.3.2.2线性平衡关系时返流模型的求解方法148
8.3.2.3非线性平衡关系时返流模型的求解方法151
8.3.3扩散模型及其求解方法151
8.3.3.1扩散模型的建立152
8.3.3.2线性平衡关系时扩散模型方程的解析解及其简化153
8.3.3.3分散单元高度及其近似计算156
8.3.4前混现象158
8.4萃取柱轴向混合参数的实验测定159
8.4.1扰动响应技术及其数据处理方法159
8.4.1.1扰动响应法及模型方程159
8.4.1.2扩散模型方程160
8.4.1.3几种主要的模型参数求取方法161
8.4.1.4几种数据处理方法的比较165
8.4.2稳态浓度剖面法166
8.4.2.1基于扩散模型的单变量估值法167
8.4.2.2基于返流模型的多变量估值法168
8.4.3动态响应曲线法169
参考文献171
第9章液液萃取设备的分类及特点173
9.1液液萃取设备的基本条件和主要类型173
9.2液液萃取设备的性能特点174
9.2.1液液萃取设备的特点174
9.2.2液液萃取设备的液泛流速和比负荷175
9.2.3萃取设备的传质速率和总传质系数177
9.3液液萃取设备的选择179
参考文献180
第10章混合澄清器181
10.1混合澄清器及其类型181
10.2箱式混合澄清器的特点185
10.3混合澄清器的设计186
10.3.1混合室的设计187
10.3.2澄清室的设计188
10.4混合澄清器的操作189
参考文献190
第11章柱式萃取设备192
11.1柱式萃取设备的类型和特点192
11.1.1喷淋萃取柱192
11.1.2填料萃取柱192
11.1.3筛板萃取柱193
11.1.4脉冲筛板萃取柱和脉冲填料萃取柱194
11.1.5振动筛板萃取柱195
11.1.6转盘萃取柱（RDC）196
11.1.7混合澄清型萃取柱197
11.2填料萃取柱的设计计算198
11.2.1液滴平均直径dP的计算199
11.2.2特性速度和液泛流速计算200
11.2.3总传质系数的计算201
11.2.4柱高的计算201
11.3筛板萃取柱的设计计算201
11.3.1液滴平均直径的计算201
11.3.2特性速度和液泛流速计算202
11.3.3筛板萃取柱传质性能计算204
11.4脉冲筛板萃取柱的设计计算205
11.4.1液滴平均直径的计算205
11.4.2特性速度和液泛流速计算206
11.4.3脉冲筛板萃取柱的操作特性207
11.4.4脉冲筛板萃取柱的传质特性计算209
11.4.5脉冲筛板萃取柱的设计计算举例210
11.5转盘萃取柱的设计计算211
11.5.1液滴平均直径的计算211
11.5.2特性速度和液泛流速计算212
11.5.3转盘萃取柱的操作特性214
11.5.4转盘萃取柱的传质特性计算215
11.5.5转盘萃取柱的设计计算步骤215
11.6柱式萃取设备的性能比较216
参考文献220
第12章离心萃取设备223
12.1离心萃取器及其类型223
12.1.1离心萃取器的分类223
12.1.2连续接触离心萃取器224
12.1.3逐级接触离心萃取器225
12.2离心萃取器的关键参数228
12.2.1离心分离因数
12.2.2离心萃取器的压力平衡和界面控制229
12.2.2.1离心力场条件下的流体静力学方程229
12.2.2.2转筒式离心萃取器的界面控制229
12.2.3离心萃取器的分离容量231
12.2.4离心萃取器的级效率232
参考文献233
第13章萃取过程的强化234
13.1单元操作和单元过程234
13.2“场”、“流”分析的一般性概念235
13.2.1“场”、“流”的定义及特征235
13.2.2“场”、“流”分析的基本内容236
13.2.2.1“流”和“场”的存在是构成分离过程或反应过程的必要条件236
13.2.2.2“流”和“场”按不同方式组合可以构成不同的过程237
13.2.2.3调控“流”和“场”的作用可以实现过程强化238
13.2.2.4多种“流”和多种“场”的组合可以产生新的过程239
13.2.3常用分离过程的“场”、“流”分析241
13.3从基本原理出发强化萃取过程242
13.3.1提高过程的传质推动力242
13.3.2增大相际总传质系数251
13.3.3增加相间传质面积254
13.4耦合技术及过程强化255
13.4.1过程耦合技术255
13.4.1.1同级萃取反萃取耦合过程255
13.4.1.2萃取发酵耦合过程260
13.4.1.3膜技术与过程耦合263
13.4.2化学作用对萃取分离过程的强化264
13.4.3附加外场对萃取分离过程的强化266
参考文献268
第14章新型萃取分离技术271
14.1概述271
14.2液膜技术272
14.2.1概述272
14.2.2液膜技术的构型和操作方式274
14.2.2.1乳状液膜过程274
14.2.2.2支撑液膜过程275
14.2.2.3封闭液膜过程276
14.2.3液膜分离过程的传质机理及促进传递277
14.2.3.1液膜分离过程的传质机理277
14.2.3.2液膜分离过程的促进迁移278
14.2.4乳状液膜280
14.2.4.1乳状液膜体系的组成280
14.2.4.2乳状液膜分离工艺282
14.2.4.3乳状液膜体系的渗漏及溶胀283
14.2.5支撑液膜体系284
14.2.6封闭液膜体系285
14.3超临界流体萃取技术287
14.3.1概述287
14.3.2超临界流体及其性质287
14.3.3超临界流体萃取工艺291
14.3.3.1超临界流体固体萃取工艺291
14.3.3.2液体的超临界流体逆流萃取工艺292
14.3.3.3溶剂循环293
14.3.3.4溶质和溶剂的分离294
14.3.4超临界流体萃取设备294
14.4双水相萃取技术295
14.4.1概述295
14.4.2双水相体系的形成295
14.4.3双水相体系的主要参数297
14.4.4双水相萃取的特点及两相分配298
14.4.4.1双水相萃取的特点298
14.4.4.2影响双水相萃取分配的因素298
14.4.5亲和双水相萃取技术300
14.5膜萃取技术300
14.5.1概述300
14.5.2膜萃取的研究方法及数学模型301
14.5.2.1膜萃取的研究方法301
14.5.2.2膜萃取过程的传质模型301
14.5.3膜萃取的影响因素304
14.5.3.1两相压差Δp的影响304
14.5.3.2两相流量的影响304
14.5.3.3相平衡分配系数与膜材料的浸润性能的影响304
14.5.3.4体系界面张力和穿透压305
14.5.4中空纤维膜萃取的过程设计306
14.5.4.1分传质系数关联式306
14.5.4.2中空纤维膜器中流动的非理想性306
14.5.4.3中空纤维膜萃取过程强化的途径307
14.5.4.4中空纤维膜萃取器的串联和并联308
14.6胶团萃取技术和反胶团萃取技术308
14.6.1概述308
14.6.2胶团的结构及性质309
14.6.3胶团萃取310
14.6.4聚合物胶团萃取311
14.6.5浊点萃取311
14.6.6反胶团的结构及性质313
14.6.7反胶团体系的增溶及溶质传递315
14.6.8蛋白质的反胶团萃取研究316
参考文献317