液液萃取化工基础（第二版）

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。本书分概述、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、静态混合器及微萃取器、萃取过程的强化、新型萃取分离技术共15章，介绍了液液萃取基本原理、设备设计，以及过程强化和新型萃取分离技术。
本书可供从事分离过程研究开发、设计和运行的工程技术人员参考，同时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。

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。

前言
《液液萃取化工基础》较为系统地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，介绍了新型萃取分离技术，展望了萃取化工未来的新发展趋势，使读者对化工分离技术的发展，对化工与生物、化工与新材料、化工与环境、化工与医药、化工与信息技术等新兴交叉领域及高新技术的发展产生兴趣。《液液萃取化工基础》一书自2015年出版以来，得到许多院校的教师、学生以及其他读者的阅读反馈，增进了读者与作者间的交流，对萃取分离技术的研究、应用及拓展起到了一定的作用。
党的二十大开启了以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴的新时代新征程。今天的化学工业，呈现着绿色低碳、可持续发展的特点。化工工艺和化学工程在理论和实践的结合上不断创新，新兴领域及战略高新技术领域与化工领域交叉融合发展，体现出强大的内生动力，也为萃取分离科学与技术的发展提供了良好的机遇。最近，作者对全书进行了修订，特别是对一些章节的内容做了新的补充，形成《液液萃取化工基础》（第二版），以满足读者的需求。

戴猷元
2024年5月



第一版前言
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，一直受到工业界和研究者的重视。多样化产品的分离、高纯物质的提取、环境污染的严格治理，又极大地促进了萃取分离技术的发展。从化学工程的角度出发，对萃取分离单元操作进行深入地演绎和探究，为萃取分离过程的强化以及新型萃取分离技术的完善和发展提供必要的知识基础，是十分重要的工作。
本书内容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。
本书引用了大量文献资料。对于他们的工作成果，作者在此一并表示感谢。此外，书中的许多内容是作者和作者指导的博士研究生及硕士研究生多年从事的研究工作及公开发表的研究成果。这些研究工作一直受到国家自然科学基金重点项目和一般项目的支持。另外，感谢杨基础教授、王涛教授、王运东教授在第14章编写中所做的工作。
随着现代过程工业的发展，面对新的分离工艺要求，萃取分离也面临着新的挑战和机遇，出现了一批新型萃取分离技术。随着萃取分离技术的发展和研究工作的不断深入，各种新观点、新技术仍在不断出现和完善。本书力求对液液萃取过程涉及的化工基础问题做较为系统的分析，旨在表述萃取分离单元操作的规律性的知识。由于作者自身的学术水平和研究实践的限制，书中难免有不全面乃至错误之处，希望得到专家、同行和广大读者的赐教和斧正。

戴猷元
2015年5月

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　萃取分离因子 007
1.3.6　饱和度 008
1.3.7　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
1.5　定量结构-活性/性质关系（QSAR/QSPR）的研究 010
符号说明 012
参考文献 012

第2章　物质的溶解特性及常用萃取剂014
2.1　物质溶解过程的一般描述 014
2.2　物质在溶剂中的溶解特性 015
2.2.1　物质在水中的溶解特性 015
2.2.2　物质在有机溶剂中的溶解特性 017
2.3　物质萃取的各种影响因素 018
2.3.1　空腔作用能和空腔效应 018
2.3.2　被萃溶质亲水基团的影响 021
2.3.3　溶质与有机溶剂相互作用的影响 024
2.4　常用的萃取剂 025
2.4.1　萃取剂选择的一般原则 025
2.4.2　中性络合萃取剂 026
2.4.3　酸性络合萃取剂 029
2.4.4　胺类萃取剂 031
2.4.5　螯合萃取剂 033
参考文献 036

第3章　金属萃取的基本原理037
3.1　金属离子配合物 037
3.1.1　金属离子的水合 037
3.1.2　金属离子配合物的形成及稳定性 038
3.2　中性络合萃取过程 039
3.2.1　中性金属配合物的萃取 039
3.2.2　金属配阴离子加合阳离子的萃取过程 040
3.3　酸性络合萃取过程及螯合萃取过程 041
3.3.1　酸性络合萃取过程 041
3.3.2　螯合萃取过程 042
3.4　离子缔合萃取过程 043
3.4.1　阴离子萃取过程 044
3.4.2　阴离子交换过程 044
3.4.3　阳离子萃取过程 044
3.5　金属萃取过程的影响因素 045
3.5.1　萃取剂特性的影响 045
3.5.2　金属离子成键特性的影响 048
3.5.3　萃合物特性及其形成条件和存在环境的影响 049
3.6　协同萃取过程 052
3.6.1　酸性萃取剂和中性萃取剂的协同萃取 053
3.6.2　肟与酸性萃取剂的协同萃取 054
3.6.3　螯合萃取剂和中性萃取剂的协同萃取 054
3.6.4　其他协同萃取体系 054
参考文献 054

第4章　有机物萃取的基本原理055
4.1　简单分子萃取 055
4.2　有机物络合萃取过程 055
4.2.1　有机物络合萃取的过程描述 055
4.2.2　有机物络合萃取体系的基本特征 056
4.2.2.1　分离对象的特性 056
4.2.2.2　络合剂的特性 056
4.2.2.3　助溶剂和稀释剂的选择 058
4.2.3　有机物络合萃取的高效性和高选择性 058
4.3　有机物络合萃取过程的机理分析 059
4.3.1　络合萃取的作用机制 059
4.3.2　络合萃取的萃合物结构 060
4.3.3　络合萃取的历程 061
4.3.3.1　中性磷氧类络合剂络合萃取有机羧酸的历程 061
4.3.3.2　胺类络合剂络合萃取有机羧酸的两种历程 061
4.3.3.3　胺类络合剂络合萃取苯酚的两种历程 063
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 063
4.4　有机物络合萃取的特征性参数 064
4.4.1　分离溶质的疏水性参数lgP 064
4.4.2　分离溶质的电性参数pKa 065
4.4.3　络合萃取剂的表观碱(酸) 度 066
4.4.3.1　络合萃取剂表观碱(酸) 度的定义 067
4.4.3.2　络合萃取剂表观碱(酸) 度的测定方法 068
4.4.3.3　络合萃取剂表观碱(酸) 度的影响因素 069
4.4.4　络合剂相对碱(酸) 度 070
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 071
4.4.4.2　络合萃取剂相对碱(酸) 度的测定方法 072
4.5　表观碱(酸) 度、相对碱(酸) 度与络合萃取平衡常数 072
4.5.1　表观碱(酸) 度与络合萃取平衡常数 072
4.5.2　相对碱(酸) 度与络合萃取平衡常数 074
符号说明 075
参考文献 076

第5章　液液萃取相平衡077
5.1　物理萃取相平衡 077
5.1.1　物理萃取相平衡的一般性描述 077
5.1.2　弱酸或弱碱的萃取相平衡 078
5.1.3　萃取相溶质自缔合的萃取相平衡 080
5.1.4　混合溶剂物理萃取的相平衡 081
5.2　化学萃取的相平衡 082
5.2.1　化学萃取相平衡的一般性描述 082
5.2.2　萃合物化学组成的确定 084
5.2.3　络合萃取相平衡的质量作用定律分析方法 085
5.3　萃取相平衡的图示方法 087
5.3.1　完全不互溶体系直角坐标图 087
5.3.2　三角形相图 088
5.3.2.1　三角形相图中的组成表示法 088
5.3.2.2　杠杆法则 089
5.3.2.3　液液平衡关系在三角形相图上的表示法 090
5.3.2.4　液液相平衡在直角坐标上的表示法 093
5.4　萃取相平衡的模型预测方法 094
符号说明 095
参考文献 096

第6章　扩散及相间传质过程097
6.1　分子扩散及涡流扩散 097
6.1.1　分子扩散 097
6.1.2　扩散系数 099
6.1.3　单相中的稳态分子扩散 101
6.1.3.1　等摩尔反向扩散 102
6.1.3.2　单向扩散 103
6.1.4　涡流扩散 104
6.2　相间传质 104
6.2.1　对流传质 105
6.2.2　相间传质模型 106
6.2.3　传质分系数 108
6.2.4　总传质系数 108
6.3　界面现象及其影响 109
6.3.1　Marangoni 效应 110
6.3.2　Taylor 不稳定性 111
6.3.3　表面活性剂的影响 112
6.4　液滴传质特性 112
6.4.1　液滴和液滴群的运动 112
6.4.2　液滴和液滴群的传质 114
6.4.2.1　液滴生成阶段的传质 114
6.4.2.2　液滴自由运动阶段的传质 115
6.4.2.3　液滴凝并阶段的传质 117
6.4.2.4　考虑液滴内外传质的总传质系数 117
符号说明 118
参考文献 119

第7章　逐级接触液液萃取过程的计算121
7.1　单级萃取过程及其计算 121
7.1.1　溶剂部分互溶体系 122
7.1.2　溶剂不互溶体系 124
7.2　多级错流萃取过程及其计算 125
7.2.1　溶剂部分互溶体系 125
7.2.2　溶剂不互溶体系 128
7.3　多级逆流萃取过程及计算 129
7.3.1　溶剂部分互溶体系 130
7.3.1.1　三角形坐标图求理论级数 130
7.3.1.2　直角坐标图求理论级数 132
7.3.2　溶剂不互溶体系 133
7.3.3　多级逆流萃取过程的最小萃取剂用量 134
7.3.3.1　溶剂部分互溶体系 135
7.3.3.2　溶剂不互溶体系 136
7.3.4　两相完全不互溶体系的多级逆流萃取过程计算 137
7.4　复合萃取 138
7.4.1　完全不互溶体系的萃取率和去污系数 139
7.4.2　完全不互溶体系的物料衡算和操作线 139
7.4.3　双溶质组分分离的操作条件选择原则 140
7.4.4　多级逆流复合萃取过程的图解法 141
7.4.5　多级逆流复合萃取过程的公式解法 141
7.5　带有回流的复合萃取 142
7.5.1　带有回流的复合萃取过程 142
7.5.2　带有回流复合萃取过程的回流比和操作线 144
7.5.3　完全不互溶体系的带有回流的复合萃取过程计算 144
符号说明 146
参考文献 147

第8章　微分接触连续逆流萃取过程的计算148
8.1　柱塞流模型 148
8.2　萃取柱内流动的非理想性 151
8.2.1　非理想流动和停留时间分布 151
8.2.2　萃取柱内的轴向混合及其影响 154
8.3　考虑萃取柱内轴向混合的计算模型 155
8.3.1　分级模型 155
8.3.2　返流模型及其求解方法 156
8.3.2.1　返流模型的建立 156
8.3.2.2　线性平衡关系时返流模型的求解方法 157
8.3.2.3　非线性平衡关系时返流模型的求解方法 160
8.3.3　扩散模型及其求解方法 160
8.3.3.1　扩散模型的建立 160
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 162
8.3.3.3　分散单元高度及其近似计算 165
8.3.4　前混现象 167
8.4　相互作用模型 168
8.5　萃取柱轴向混合参数的实验测定 169
8.5.1　扰动响应技术及其数据处理方法 170
8.5.1.1　扰动响应法及模型方程 170
8.5.1.2　扩散模型方程 171
8.5.1.3　几种主要的模型参数求取方法 172
8.5.1.4　几种数据处理方法的比较 176
8.5.2　稳态浓度剖面法 177
8.5.2.1　基于扩散模型的单变量估值法 177
8.5.2.2　基于返流模型的多变量估值法 178
8.5.3　动态响应曲线法 180
符号说明 180
参考文献 181

第9章　液液萃取设备的分类及特点183
9.1　液液萃取设备的基本条件和主要类型 183
9.2　液液萃取设备的性能特点 184
9.2.1　液液萃取设备的特点 184
9.2.2　液液萃取设备的液泛流速和比负荷 185
9.2.3　萃取设备的传质速率和总传质系数 187
9.3　液液萃取设备的选择 189
符号说明 190
参考文献 190

第10章　混合澄清器191
10.1　混合澄清器及其类型 191
10.2　箱式混合澄清器的特点 195
10.3　混合澄清器的设计 196
10.3.1　混合室的设计 197
10.3.2　澄清室的设计 198
10.3.3　混合澄清器的设计举例 199
10.4　混合澄清器的操作 201
符号说明 201
参考文献 202

第11章　柱式萃取设备203
11.1　柱式萃取设备的类型和特点 203
11.1.1　喷淋萃取柱 203
11.1.2　填料萃取柱 203
11.1.3　筛板萃取柱 204
11.1.4　脉冲筛板萃取柱和脉冲填料萃取柱 205
11.1.5　振动筛板萃取柱 206
11.1.6　转盘萃取柱（RDC） 207
11.1.7　混合澄清型萃取柱 208
11.2　填料萃取柱的设计计算 209
11.2.1　液滴平均直径dP 的计算 210
11.2.2　特性速度和液泛流速计算 211
11.2.3　总传质系数的计算 211
11.2.4　柱高的计算 212
11.3　筛板萃取柱的设计计算 212
11.3.1　液滴平均直径的计算 212
11.3.2　特性速度和液泛流速计算 213
11.3.3　筛板萃取柱传质性能计算 215
11.4　脉冲筛板萃取柱的设计计算 216
11.4.1　液滴平均直径的计算 216
11.4.2　特性速度和液泛流速计算 216
11.4.3　脉冲筛板萃取柱的操作特性 218
11.4.4　脉冲筛板萃取柱的传质特性计算 219
11.4.5　脉冲筛板萃取柱的设计计算举例 221
11.5　转盘萃取柱的设计计算 222
11.5.1　液滴平均直径的计算 222
11.5.2　特性速度和液泛流速计算 223
11.5.3　转盘萃取柱的操作特性 224
11.5.4　转盘萃取柱的传质特性计算 225
11.5.5　转盘萃取柱的设计计算步骤 227
11.6　柱式萃取设备的性能比较 227
符号说明 229
参考文献 230

第12章　离心萃取设备233
12.1　离心萃取器及其类型 233
12.1.1　离心萃取器的分类 233
12.1.2　连续接触离心萃取器 234
12.1.3　逐级接触离心萃取器 235
12.2　离心萃取器的关键参数 238
12.2.1　离心分离因数‰ 238
12.2.2　离心萃取器的压力平衡和界面控制 239
12.2.2.1　离心力场条件下的流体静力学方程 239
12.2.2.2　转筒式离心萃取器的界面控制 239
12.2.3　离心萃取器的分离容量 241
12.2.4　离心萃取器的级效率 242
符号说明 243
参考文献 244

第13章　静态混合器及微萃取器245
13.1　静态混合器概述 245
13.2　静态混合器的类型及结构特点 246
13.3　静态混合器的压降 249
13.3.1　Kenics 静态混合器的压降 249
13.3.2　SMV 型静态混合器的压降 250
13.4　静态混合器的混合特性 251
13.4.1　Kenics 静态混合器的混合特性 251
13.4.2　Kenics 静态混合器中液液两相体系的混合 252
13.5　静态混合器中液液两相的分散特性及传质效率 253
13.6　静态混合器的数值模拟技术 254
13.7　静态混合器的典型应用 256
13.8　微化工技术及设备概述 257
13.9　微通道 257
13.9.1　微通道特征尺寸 258
13.9.2　微通道的加工技术 259
13.9.3　微通道的混合原则 259
13.9.4　微通道混合性能的表征方法 260
13.10　微结构萃取器 261
13.10.1　T 形微通道萃取器 262
13.10.2　多交互薄层微结构萃取器 263
13.10.3　筛孔/窄缝微结构萃取器 264
13.10.4　膜分散微结构萃取器 264
符号说明 265
参考文献 266

第14章　萃取过程的强化268
14.1　单元操作和单元过程 268
14.2 “场”“流”分析的一般性概念 269
14.2.1 “场”“流”的定义及特征 269
14.2.2 “场”“流”分析的基本内容 270
14.2.2.1 “场”和“流”的存在是构成分离过程或反应过程的必要条件 270
14.2.2.2 “场”和“流”按不同方式组合可以构成不同的过程 271
14.2.2.3　调控“场”和“流”的作用可以实现过程强化 272
14.2.2.4　多种“场”和多种“流”的组合可以产生新的强化过程 273
14.2.3　常用分离过程的“场”“流”分析 275
14.3　从基本原理出发强化萃取过程 276
14.3.1　提高过程的传质推动力 276
14.3.2　增大相间总传质系数 285
14.3.3　增加相间传质面积 288
14.4　耦合技术及过程强化 289
14.4.1　过程耦合技术 289
14.4.1.1　同级萃取反萃取耦合过程 289
14.4.1.2　萃取发酵耦合过程 294
14.4.1.3　膜技术与过程耦合 297
14.4.2　化学作用对萃取分离过程的强化 298
14.4.3　附加外场对萃取分离过程的强化 300
14.4.4　实现过程强化的讨论 304
符号说明 305
参考文献 305

第15章　新型萃取分离技术308
15.1　概述 308
15.2　液膜技术 309
15.2.1　概述 309
15.2.2　液膜技术的构型和操作方式 311
15.2.2.1　乳状液膜分离过程 311
15.2.2.2　支撑液膜分离过程 312
15.2.2.3　封闭式液膜分离过程 313
15.2.3　液膜分离过程的传质机理及促进迁移 313
15.2.3.1　液膜分离过程的传质机理 313
15.2.3.2　液膜分离过程的促进迁移 315
15.2.4　乳状液膜 317
15.2.4.1　乳状液膜体系的组成 317
15.2.4.2　乳状液膜分离工艺 319
15.2.4.3　乳状液膜体系的渗漏及溶胀 320
15.2.5　支撑液膜体系 321
15.2.6　封闭液膜体系 322
15.3　超临界流体萃取技术 323
15.3.1　概述 323
15.3.2　超临界流体及其性质 324
15.3.3　超临界流体萃取工艺 328
15.3.3.1　超临界流体-固体萃取工艺 328
15.3.3.2　液体的超临界流体逆流萃取工艺 329
15.3.3.3　溶剂循环 330
15.3.3.4　溶质和溶剂的分离 331
15.3.4　超临界流体萃取设备 331
15.4　双水相萃取技术 332
15.4.1　概述 332
15.4.2　双水相体系的形成 332
15.4.3　双水相体系的主要参数 334
15.4.4　双水相萃取的特点及两相分配 335
15.4.4.1　双水相萃取的特点 335
15.4.4.2　影响双水相萃取分配的因素 335
15.4.5　亲和双水相萃取技术 337
15.5　膜萃取技术 337
15.5.1　概述 337
15.5.2　膜萃取的研究方法及数学模型 338
15.5.2.1　膜萃取的研究方法 338
15.5.2.2　膜萃取过程的传质模型 338
15.5.3　膜萃取的影响因素 341
15.5.3.1　两相压差Δp 的影响 341
15.5.3.2　两相流量的影响 341
15.5.3.3　相平衡分配系数与膜材料的浸润性能的影响 341
15.5.3.4　体系界面张力和穿透压 342
15.5.4　中空纤维膜萃取的过程设计 343
15.5.4.1　传质分系数关联式 343
15.5.4.2　中空纤维膜萃取器中流动的非理想性 344
15.5.4.3　中空纤维膜萃取过程强化的途径 344
15.5.4.4　中空纤维膜萃取器的串联和并联 345
15.6　胶团萃取技术和反胶团萃取技术 345
15.6.1　概述 345
15.6.2　胶团的结构及性质 346
15.6.3　胶团萃取 347
15.6.4　聚合物胶团萃取 348
15.6.5　浊点萃取 348
15.6.6　反胶团的结构及性质 350
15.6.7　反胶团体系的增溶及溶质传递 352
15.6.8　蛋白质的反胶团萃取研究 353
15.7　微混合技术和膜分散微萃取技术 354
15.7.1　概述 354
15.7.2　微混合技术 354
15.7.2.1　微混合器的分类及应用 355
15.7.2.2　微混合器的研究展望 356
15.7.3　膜分散微萃取技术 357
符号说明 359
参考文献 360