作者：李洲 编著
出版社：化学工业出版社
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液-液萃取过程设计试读：
前言
自恩师滕藤教授引领笔者进入溶剂萃取的教学和研究领域至今已近60年了，笔者对恩师和其他前辈的指导、帮助终生不忘。由于职责所在和个人兴趣的驱使，笔者大半生一直从事液-液萃取的教学和理论及实验研究，曾长期主讲“液-液萃取过程和设备”等专业主干课程；在萃取理论研究方面，通过多年的教学和研究实践，笔者和同事们已经出版了多部论著或译著；在实验研究方面，主要从事了萃取工艺过程的工艺改造和萃取技术的扩展应用工作，研究领域涉及核化工、水法冶金、医药化工和环境化工。
20世纪60年代笔者曾有幸参与辐照核燃料后处理的Purex萃取流程的工艺研究，至今仍记忆犹新。
在Purex和其他相应萃取流程的研究中萃取技术的“高效提取，精细分离”的技术特点得到了最集中的体现。进而我们将其应用于制药工业的研究领域，早于1995年即成功开发了适用于大环内酯类抗生素红霉素萃取的新的反应萃取体系，至今已在国内红霉素生产厂得到广泛应用；所开发的协同萃取体系亦已在麦白霉素和麦迪霉素生产厂获得了应用，为厂家和社会创造了显著效益。在萃取技术的扩展应用方面，在赤霉素萃取和乙二醛水溶液萃取纯化等工艺研究中均获得了开创性的研究成果，并已用于工业生产。
本书分14章，对几项有代表性的萃取技术的应用项目进行了深度剖析，以期对液-液萃取过程设计中萃取溶剂的选择、萃取机制分析、萃取工艺和操作条件的确定、萃取流程的设计以及萃取设备的选择等有更进一步的认识。所选项目包括：（1）辐照核燃料后处理的Purex萃取流程；（2）稀土元素的萃取分离流程；（3）电镀污泥中有价金属元素的萃取法提取分离流程；（4）青霉素的萃取提取工艺流程；（5）大环内酯类抗生素（红霉素、麦白霉素）的萃取提取工艺流程；（6）林可霉素的萃取提取流程；（7）衣康酸的萃取；（8）赤霉素的萃取浓缩；（9）乙二醛水溶液的萃取纯化。
进而介绍了萃取技术扩展应用的若干领域：①代替沉淀法进行产物的直接提取；②代替离子交换法用于产物的萃取提取；③代替蒸发用于产物的浓缩；④代替水蒸气蒸馏用于产物的纯化；⑤代替精馏用于性质相近产物的精细分离；⑥用于产物的介质转换；⑦萃取转移法制备无机盐；⑧用于废水、废渣处理，进行资源的综合回收；⑨用于化学分析的预处理。
选择以上萃取流程进行剖析的原因一是它们多是笔者所亲历或亲为，二是以上诸萃取流程各具特色，具有代表性和典型性，三是这些萃取流程多是已获生产应用，或是通过技术鉴定或获国家发明专利以及获科技成果奖励的研究成果。
笔者希望读者通过阅读本书不仅对以上项目的具体内容有所了解，更重要的是能够据此“举一反三”，更好地了解溶剂萃取技术的“高效提取，精细分离，节能低碳”的精髓，掌握萃取技术的应用技巧，扩展它的应用领域。
笔者特别感谢曾参加上述有关课题实验研究的所有同事、学生（研究生和本科生）和合作方的参试人员，本书的编辑出版正是笔者与他们共同辛勤研究的成果。
笔者衷心感谢读者在对已出版的《液-液萃取》一书（李洲、秦炜编著，化学工业出版社，2013年1月）的书评中所提出的宝贵意见，希望在本书中对该书的不足之处给予一定的弥补。
本书作为《液-液萃取》一书的续篇，更具有实用性。希望此“续篇”能对从事萃取技术研究和应用的同行们以启示和帮助。本书已尽量避免重复在《液-液萃取》一书中已经详述的内容，建议读者必要时参考前书，以有助于对本书的解读。
在此笔者再次申明应注意区分“液-液萃取”和“溶剂萃取”，不能将二者等同。“液-液萃取”是两液相之间的传质过程，而“溶剂萃取”则包含“固-液”（通称为“浸取”）、“液-液”以及“超临界流体-液”或“超临界流体-固”（通称为超临界萃取）等多种两相间的传质过程，因此“液-液萃取”只是“溶剂萃取”的一个组成部分。本书论及的内容除了在第12章中“溶剂萃取在化学分析中的应用”部分涉及溶剂萃取之外，其他全部内容均局限于“液-液萃取过程”。
笔者非常感谢费维扬院士对本书的推荐和出版社的编辑为本书的出版所付出的辛劳及家人、友人的无私支持、帮助，也希望广大读者继续给予批评指导，提出宝贵意见，谢谢。于北京清华园第1章 概述1.1 液-液萃取过程设计的基本内容
液-液萃取过程设计包括的基本内容是：萃取剂和萃取有机相体系的选择确定，萃取工艺条件和操作条件的确定，萃取方式的确定，萃取和反萃取（以下简称为“反萃”）过程理论级数的计算，萃取流程的设计，萃取设备类型选型和设计，萃取单元的车间或工厂设计等。此外，还应包括对流程设计的各个阶段和总体的环境评价及经济评估，下面分述之。1.1.1 萃取剂和萃取有机相体系的选择确定
针对萃取分离的对象“对症下药”地选定萃取剂是第一位的研究课题，首先所选溶剂必须能顺利地实现与水相的混合传质和两相的分离，即其与水相不互溶或只是部分互溶。在《液-液萃取》一书的表1-1列出了有可能作为萃取剂的若干溶剂，其一般的选择准则亦已述［1］及，现将表1-1中的有关数据进行了复核和补充，由于所引数据出处不同，有些数据仍然可能有误差，而且仍存大量的数据空白，特恳请各位读者予以补充和指正。另为了便于阅读，重新调整了版面，作为附件，排在本章之后。
为了阅读方便，对萃取剂的选择准则重录如下：①高萃取容量；②高萃取选择性；③易于反萃取，便于回收复用；④传质速率快，萃取动力学性能好；⑤理化性能好；⑥低水溶性（也可并入⑤，为了突出其重要性而单独列出）；⑦不乳化或低乳化趋势；⑧安全性（稳定性好，无毒或毒性很小）和环境友好；⑨有工业生产，且价廉易得。应予指出的是这九条准则不是各自孤立的，也不是“平起平坐”的。例如，第⑦条、第⑧条往往就会成为某一溶剂能否选用的制约条件，又如第⑨条的溶剂价格则需与它的损耗量、它所萃取的对象的价值以及该溶剂的特效性进行综合评估。
我们在研究实践中采取了以理论分析为先导、以实验筛查为基础的选择萃取剂的方法，即首先根据萃取对象的结构特点，进行萃取机制的分析，进而选择可作为候选的萃取剂，而后再通过实验研究筛选确定适用的萃取剂。如在《液-液萃取》一书中所述，萃取剂按萃取机制可有多种分类方法，本书所述主要是基于徐光宪等提出的分类方［2］法。
具体选择途径有二：一是根据萃取机制从现有的经过实践检验的常用萃取溶剂中进行选择；二是针对萃取对象研发特定的新的萃取溶剂。相对而言，从常用萃取溶剂中进行选择既有可行性，也有可靠性，这是因为在长期的研究和生产实践中人们已经针对不同的萃取对象研发了多种类型多达数十种可用的萃取溶剂，因此我们首先推荐这种萃取溶剂的选择途径。而一个新的萃取溶剂从研发到应用需要一个较长的研究和实践检验的过程，但在有特殊需求时这也是必须走的一条途径。1.1.1.1 根据萃取机制从常用萃取溶剂中进行选择
除了溶剂化萃取溶剂之外，能够进行萃取的溶剂，即萃取剂由功能基和非功能基组成，常见的功能基是O、N、P、S等原子，称之为配位原子，它们与其他原子组成活性基团，如羟基（—OH）、羰基、磷酰基、磷酸基和膦酸基、氨基（—NH）、亚氨基（NH）、硫醚基（—S—）、磺酸基（—2SOH）、肟基（N—OH）、羧基（—COOH）等。其中的配位原3子有孤对电子，能与被萃物进行配位成为萃合物而实现被萃物的萃取。
下面列出几种有代表性的常用萃取剂，并摘列了其常规的物性数据，由于一些数据的出处不同，所列数据可能与其他文献数据互有偏差。在表列数据中我们特别关注它们在水中溶解度、饱和蒸气压和比蒸发速度等数据，这些数据可以反映萃取剂在萃取过程中可能损耗的大小。在物性数据表中我们还添加了溶剂的毒性和其在工作场所最大容许浓度的数据，这是考查生产安全的重要指标。另还列入了萃取溶剂与水的共沸点的数据，用以考察从萃余液中回收溶剂的难易。显然溶剂的价格应该是溶剂选择的另一个重要考虑因素，溶剂的价格取决于生产萃取溶剂的原料成本、溶剂的生产工艺以及市场的供求关系等因素，它们的价格是实时波动的，所以在表中未予列入。（1）中性含氧萃取剂中的酯类萃取剂
中性含氧萃取剂属溶剂化萃取溶剂，其中包括酯类、醇类以及醚、酮、醛类等萃取剂。酯类萃取剂中最常见的就是乙酸丁酯（乙酸正丁酯），或称之为醋酸丁酯（醋酸正丁酯），它是在各种抗生素的提取过程中几乎无一例外的首选的萃取剂，在大多数情况下，乙酸丁酯作为萃取剂是单独使用的，它具有良好的萃取性能和理化特性，其具体的性能指标见表1-1，同时在表中列出了其异构体乙酸异丁酯和乙酸仲丁酯的相关数据，以作比较。表1-1 乙酸丁酯等的物性数据 ①1mmHg=133.322Pa。
在此，我们特别注意到不同资料给出的它们在水中的溶解度的数［3］据差别很大，在《溶剂手册》中给出的数据分别是：1.0%（乙酸正丁酯）、0.67%（乙酸异丁酯）、0.62%（乙酸仲丁酯），但其他资料给出的乙酸异丁酯和乙酸仲丁酯的溶解度的数据分别为［4］［5］2.5%和2.9%。对此虽然我们还不能给出确切的判断，但是根据我们在实验中实测，乙酸异丁酯和乙酸仲丁酯的水溶性应大于乙酸正丁酯。作为萃取剂应用的乙酸丁酯的主要缺点是水溶性偏大，而［3］且随着温度的升高，其溶解度明显加大，此如表1-2所列。表1-2 乙酸丁酯在水中的溶解度与温度的关系
高的水溶性不仅加大了溶剂在萃取过程中的损耗，而且增加了从萃取废水（萃余液）中回收溶剂的负担，从而增加生产的成本，这也是我们研发新的低水溶性萃取剂代替乙酸丁酯的初衷。乙酸异丁酯和乙酸仲丁酯亦可作为萃取剂使用，而且它们具有一定的价格优势，特别是乙酸仲丁酯的价格较乙酸正丁酯低约30%，但是它们在水中的溶解度更大，从而限制了它们的应用。
在此特别补述一个萃取研究失败的案例，某厂提出了如何提高采用乙酸丁酯萃取利福霉素O的萃取容量的研究课题，经深入研究，并通过小试采取了在乙酸丁酯中添加一定比例的TBP（磷酸三丁酯）的方案，满足了提高萃取容量的要求。后来考虑到乙酸异丁酯的价格又略低于乙酸丁酯，于是进行了乙酸异丁酯代替乙酸丁酯加TBP的萃取试验，小试也很“成功”。为此，我们特意到天津购买了10t乙酸异丁酯托运到厂，但投产应用的结果大出所料，溶剂的损耗大大高于原来的乙酸丁酯，这一工艺改革则以失败告终。从这一案例中我们取得的教训其一是要慎重比较审核文献中给出的萃取剂的重要物性数据，如此处提到的水溶性数据，特别是当某些文献给出“不溶”或“微溶”的字眼时，就需格外慎重；二是在小试中很难对溶剂损耗之类的技术指标做出比较判断，为了做出这种判断，必须进行适度放大规模的试验。（2）中性含氧萃取剂中的醇类萃取剂
由于醇分子含有羟基，因此它具有电子给予和电子接受两种性质，是给、受电子型溶剂。研究资料表明，从丁醇到癸醇作为萃取剂均有所研究应用，但实际应用较多的则是辛醇，特别是异辛醇，其萃取性能好，物性亦佳，特别是其极低的水溶性引起了人们的兴趣，我们开发了用异辛醇取代乙酸丁酯萃取大环内酯类抗生素的新工艺。
仲辛醇亦有极低的水溶性，且其价格较低（是蓖麻油加工制取尼龙原料时的一种副产品）而多有应用。它们的理化数据列于表1-3。表1-3 辛醇的理化数据 注：1mmHg=133.322Pa。（3）中性有机磷类萃取剂
中性有机磷类萃取剂是磷酸分子中的两个羟基完全被酯化或被取代后的化合物。其中起萃取作用的官能团是磷酰基，其萃取反应都是通过磷酰基上的氧原子与金属离子或氢离子配位，或形成氢键而发生的，它对金属离子的萃取属中性配合萃取机制，即有化学反应的萃取机制，而对其他有机酸则是通过生成氢键形成中性萃合物。在中性有机磷类萃取剂中最具代表性的莫过于磷酸三丁酯（TBP）了，它的优良的萃取性能和稳定的物性使之成为辐照核燃料后处理过程中萃取分离铀、钚的Purex萃取流程中的首选的萃取剂。我们亦曾开发了TBP萃取纯化赤霉素的萃取流程。我国研制的甲基膦酸二甲庚酯（P350）是另一具有结构特色的中性有机磷类萃取剂，它由于α-碳上存在支链甲基的位阻效应而萃取选择性好，它适用于从混合稀土中萃取分离镧和铀、钍和稀土的分离等。此外，三烷基氧膦亦属于中性有机磷类萃取剂，其中的三辛基氧膦（TOPO）、三烷基氧膦（TRPO）具有更强的萃取能力，清华大学核能研究院已成功地研发了采用TRPO萃取处理辐照核燃料后处理过程中产生的长半衰期高放废物的新工艺。
表1-4列出了TBP和P350等的若干物性数据。
表1-4 磷酸三丁酯（TBP）、甲基膦酸二甲庚酯（P350）、三辛基氧膦（TOPO）和三烷基氧膦（TRPO）的物性数据注：其他物性数据暂缺（表1-5～表1-9也是如此）。（4）酸性有机磷类萃取剂
酸性有机磷类萃取剂对金属离子的萃取反应主要是靠羧基中的氢与金属离子发生交换反应，是阳离子交换反应的萃取机制。含有基的酸性磷（膦）酯类萃取剂，它们的解离常数pK是a决定萃取能力的主要因素。常用的酸性有机磷类萃取剂主要有：二（2-乙基己基）磷酸（D2EHPA，P204）、2-乙基己基磷酸单（2-乙基己基）酯（EHEHPA，P507）、5709和2-（2，4，4-三甲基戊基）亚膦酸（HBTMPP，Cyanex272）。表1-5列出了四者的物性数据。（5）胺类萃取剂
胺类萃取剂是碱性萃取剂，其萃取机制有季铵盐为萃取剂时的阴离子交换反应机制和伯、仲、叔胺萃取时的离子缔合萃取机制。按阴离子交换萃取机制萃取的金属离子首先须能生成配位阴离子。而离子缔合萃取反应则是烷基胺阳离子和酸根之间的离子对缔合反应或是生成胺酸氢键。影响其萃取性能的主要因素是碱的强度、空间效应、氢键效应和溶解度。常用的胺类萃取剂有叔胺类中的三烷基胺N235（Alamine336）、7301（Adogen363）、三异辛胺（TIOA，Adogen381，Alamine330）和季铵类中的氯化三烷基甲胺N263，即国外的Aliquat336、Adogen464。其物性数据列于表1-6。表1-6 N235、7301、TIOA和N263的物性数据 （6）羟肟螯合萃取剂
在羟肟类螯合萃取剂的分子结构中含有羟基（—OH）和肟基，通过羟基的氧原子和肟基上的氮原子与金属离子的螯合作用即可实现对金属的萃取，它们对铜等金属离子有较强的螯合能力。由相应的酮或醛合成的肟，可分为羟酮肟和羟醛肟两种类型的萃取剂。在羟酮肟类萃取剂中常见的有LIX系列（LIX63，LIX64，LIX65N，LIX70）和N510、N530、N509等，在羟醛肟类萃取剂中主要有5-壬基水杨醛肟（P1或P50），它们与壬基酚的混合试剂称为Acorga P5000系列萃取剂。
表1-7列出了LIX64、LIX65N、N510、N530和N509的若干物性数据。表1-7 LIX64、LIX65N、N510、N530和N509的物性数据 （7）中性含硫（亚砜类）萃取剂
亚砜分子中含有亚磺酰基，通过氧与金属离子配位进行萃取。其中我们感兴趣的是二异辛基亚砜（DIOSO）和石油亚砜（PSO），前者曾被用于贵金属的萃取研究，亦曾用于青霉素的萃取。它们的物性数据列于表1-8。表1-8 二正辛基亚砜、二异辛基亚砜和石油亚砜的物性数据 （8）有机羧酸类萃取剂
有机羧酸类萃取剂属于弱酸性萃取剂，分子中均含有官能团羧基（—COOH）。其萃取过程即是羧酸的氢离子与金属阳离子进行交换成盐的过程，也是羧酸根阴离子与金属阳离子的配合反应过程。
其中有代表性的萃取剂有环烷酸，它是在石油工业中精制柴油时的副产品，它的结构随产地不同而异。还有叔碳羧酸Versatic911（国内代号为C547）和Versatic9。表1-9列出了其若干物性数据。表1-9 环烷酸和叔碳羧酸Versatic911及Versatic9的物性数据 1.1.1.2 新萃取剂的研发
针对特定的萃取对象研发新的萃取剂首先需要探求萃取剂的结构［6］与其萃取性能的关系。马荣骏在《萃取冶金》一书中从配位原子或基团的反应性、结构空间响应（萃取剂和萃合物的结构、构型）和溶解度效应三个方面探讨了萃取剂的结构与其萃取性能的关系。笔者认为首先应选择确定适用于被萃物的萃取剂的类型（如中性、酸性或碱性），然后再根据需求对萃取剂的非功能基的结构进行调试（如链长、异构化），并对功能基进行“嫁接”或“修饰”。在这方面人们已经进行了相当深入的研究，其中萃取铜的LIX系列（国内为N系列）的萃取剂和稀土元素分离的多种萃取剂的研发具有典型性。［7～11］（1）铜萃取剂的研发
在铜的水法冶金过程中溶剂萃取占有重要的位置，为了提高萃取容量，提高萃取选择性，并适应于从不同介质中进行萃取，研发了一系列的萃取剂，其中多为肟类萃取剂。
肟类分为顺式和反式两种结构，顺式结构由于位阻的原因不能与金属离子形成配合物，反式结构能够与铜形成螯合物。羟基中的H能与金属离子发生置换。分子中的R及R'为含有支链的烷基，二者可以相同，也可以不同。具有较大的位阻，有利于反萃取。螯合物的结构如图1-1所示。图1-1 铜-肟螯合物的结构
肟类结构萃取剂的代表是德国汉高公司早期开发的LIX63（5，8-二乙基-7-羟基-十二烷基-6-肟），其结构如图1-2所示。图1-2 LIX63的结构
现在肟类萃取剂已经被萃取性能更好的α-羟肟类结构的萃取剂取代。α-羟肟类结构可以分为醛肟和酮肟两大类，其结构如图1-3所示。图1-3 醛肟和酮肟的结构
α-羟肟类化合物具有分子内氢键，能够增大螯合物的稳定性，减小水溶性，因而有利于萃取铜离子。同时由于其酸性较强，故可在水相pH值较低的范围内萃取铜。其中R为饱和脂肪族基团（含碳1～25个）、乙烯基不饱和基团（含碳3～25个）或烷氧基；R'为饱和脂肪族基团（具有1～25个碳）或乙烯基、芳基等不饱和基团（含碳3～25个）；R+R'含C总数为3～25个。
α-羟肟类结构的代表是：汉高公司的LIX64（2-羟基-5-十二烷基-二苯甲酮肟）、LIX65N（2-羟基-5-壬基-二苯甲酮肟）、LIX622（5-十二烷基-水杨醛肟+十三醇）、LIX70（2-羟基-3-氯-5-壬基二苯甲酮肟）、LIX84（2-羟基-5-壬基-乙酰苯酮肟）、LIX860（2-羟基-5-十二烷基-水杨醛肟）、LIX86I（5-十二烷基-水杨醛肟）以及英国壳牌公司的SME529（2-羟基-5-壬基-乙酮肟）。
为了进一步改善α-羟肟类萃取剂的萃取性能，人们又采用两种萃取剂复配的方法制取了若干新的萃取剂，并且加入改性剂改性，改性剂一般采用十二醇、十三醇、壬基酚和酯类。
这类复配的产品主要有：LIX64N（LIX63+LIX64）、LIX71（LIX70+LIX65N）、LIX73［LIX70+LIX65N+LIX63（1%）］、LIX864（LIX860+LIX64N）、LIX865（LIX860+LIX65N）、LIX984（LIX860+LIX84）。
目前较典型的、应用较为广泛的复配类萃取剂是Cognis公司的LIX984N（LIX984+对壬基酚）和Acorga公司的M5640。
国内研发的铜萃取剂有上海有机所研制的N系列萃取剂：N510、N530、N509、酸性N902（成分与M5640相近）、碱性N910（β-二酮类复配）等。
N510［2-羟基-5-（1-甲庚基）-二苯甲酮肟］的萃取性能与LIX65N的性能类似，适宜在铜和酸浓度都较低的溶液中萃取铜。N530［2-羟基-5-（1-甲庚氧基）-二苯甲酮肟］萃取酸度范围较宽。酸性N902是在N510、N530的基础上近期研发的新萃取剂，其主要成分为2-羟基-5-壬基-水杨醛肟，在硫酸介质中萃取效果好于硝酸和盐酸。另外，国内其他研究单位还研制了CA-12（一种新型羧酸类萃取剂）、BK992（羟酮肟和羟醛肟复配物）等多种铜萃取剂。（2）稀土萃取剂［12］
稀土的萃取剂多种多样，表1-10列出的是酸性磷（膦）酸酯的化学结构与萃取以铌、钐、钇、镱为代表的轻、中、重稀土的性［6］能的关系。表1-10 酸性磷（膦）酸酯的化学结构与萃取稀土的性能 注：σ表示磷（膦）酸酯的取代基极性常数Taft总值。
由表列数据可见，随着化合物σ值的增大或pK值的降低，它们a萃取稀土的K值相应上升，并有线性关系。由此可见，酸性磷（膦）酸酯中的反应基团的解离常数是决定萃取能力的主要因素，这是在萃取剂的结构设计中必须考虑的因素。
用于稀土元素萃取的新萃取剂的开发见后叙（第3章）。
在萃取有机相中除萃取剂外，还包括稀释剂、改良添加剂和协萃剂等，它们对萃取性能的影响参见《液-液萃取》一书。1.1.2 萃取和反萃取工艺条件与操作条件的确定
萃取工艺条件包括水相体系（料液）的组成：水相介质，pH值，被萃物的状态，浓度；
萃取有机相体系的组成：萃取剂-稀释剂体系，萃取剂的浓度。
萃取操作条件主要是两相相比（流比）和萃取操作温度，下面分述之。1.1.2.1 萃取工艺条件的确定
由浸出而来的浸出液或由发酵产生的滤洗液经调料后即成为进行萃取的萃取料液。其组成往往不是单一的被萃取物，同时还会存在欲分离的组分、常量的盐类或添加的盐析剂以及其他杂质。在不同的介质中被萃取物的存在状态可以是离子态，或是中性化合物，其含量则可能是常量，或是微量，或是多组分的常、微量并存。
在水相工艺条件中影响萃取的最重要的条件是pH值，调整不同的pH值可有效地进行金属离子的分离。对抗生素或有机酸的萃取，由于其存在状态随pH值改变而影响其萃取行为。
有机相萃取体系是根据水相料液的组成和萃取对象确定的，一般的有机相体系由萃取剂和稀释剂组成，稀释剂的作用和选择前已述及［1］
，其中萃取剂的浓度则是根据萃取分离的要求确定的。1.1.2.2 萃取操作条件的确定（1）两相相比（流比）
在萃取操作条件控制中两相相比（流比）乃是最为重要的调控手段。对某单一组分的提取而言，必须控制流比（n），使nD>1。对A、B两组分的分离而言，若A为欲萃取组分（可称为易萃组分），B为欲分离组分（可称为难萃取组分），则流比应控制在使nD>1、AnD<1，即1/D>n>1/D的范围之内。当然，流比的调节也还是受若BBA干其他因素的制约的，因为一般萃取过程均希望在萃取某组分的同时，使其得到浓缩，特别是当萃取的后续处理过程对提取物的浓度有一定要求时对流比的要求是有上限的。例如，在铜的浸出-萃取-电积处理过程中，铜电解液中的铜浓度一般要求在50g/L以上。又如在抗生素生产的发酵-萃取-结晶过程中对结晶母液中的被提取组分的浓度4均有一定的要求，如泰乐菌素的萃取进料液中其含量不足1×10u/mL，4而经萃取后的反萃取液需达（18～20）×10u/mL才能满足喷雾结晶的要求。（2）萃取温度
萃取温度对萃取平衡的影响可由下式表示： （1-1）式中 K——萃取平衡常数；
T——热力学温度；
ΔH——焓变；
R——气体常数。
若萃取反应过程的焓变ΔH>0，则该萃取过程为吸热过程，升高温度，反应平衡常数增加，即萃取分配系数随温度的升高而增大，有利于萃取；反之，若ΔH<0，则此萃取过程为放热过程，这时升高温度，萃取分配系数减小，不利于萃取。ΔH的绝对值越大，温度对萃取过程的影响就越显著。
萃取（或反萃取）温度的确定除了考虑萃取（或反萃取）平衡的这一主要因素之外，还需综合考虑以下诸因素：①温度对萃取（或反萃取）动力学，即萃取（或反萃取）速率的影响；②温度对两相物性（包括密度、黏度、界面张力、蒸气压、两相的相互溶解度，特别是有机相的水溶性等）的影响；③温度对产物的热稳定性（降解损失）的影响；④温度对生产过程能耗的影响等。（3）两相混合接触时间
根据宏观萃取（或反萃取）动力学实验结果即可以确定所需的两相混合接触时间。
综合上述，通过研究各萃取工艺条件和操作条件对萃取平衡及萃取动力学的影响，即可优选确定相应的各个工艺和操作条件参数。1.1.2.3 反萃工艺和操作条件的确定
反萃过程的工艺条件和操作条件包括待反萃有机相的组成、反萃液的组成、反萃流比、反萃温度等的研究确定，以及相应的反萃动力学的研究。1.1.3 萃取方式的确定和萃取流程的设计［1］1.1.3.1 萃取方式的确定
根据萃取或分离的对象确定采用相应的萃取方式，即单级萃取、多级错流萃取、多级逆流萃取和分馏萃取，以及带回流的分馏萃取过程。在此，应再次指出的是：
①单级萃取的萃取率和分离效果都是有限的，只适用于被萃物的萃取分配系数很大，或无分离要求的场合。
②多级萃取可有效地提高被萃物的萃取率，但分离效果不显著。
③多级逆流的萃取效果优于多级错流萃取。
④分馏萃取可兼收提高被萃物的萃取率和与欲分离物的分离效果。采用带回流的分馏萃取过程，则可得更佳的萃取分离效果。1.1.3.2 萃取循环流程的设计
所谓萃取循环即指用萃取溶剂将被萃取组分从水相萃入溶剂相，而后又通过反萃取转入另一水相的过程。如此，对被萃组分而言经历了一个从水相到有机相，而后再从有机相返回到水相的过程。对萃取循环也可以从有机相的循环复用的角度进行分析，萃取溶剂萃取得负载有机相，经反萃取后得反取后有机相再复用。也有其他循环方式可代替反萃取过程，如在我们研究过的氢化可地松的生产过程中萃取溶剂在萃取后蒸发析出产品后循环复用，又如在利福霉素钠盐的生产过程中萃取溶剂萃取后经碱化成盐，析出结晶，分离出的有机相循环复用。
比较常见的多为单循环萃取流程，但比较复杂的萃取分离过程可以设计为多循环萃取流程，如辐照核燃料后处理的Purex三循环或二循环萃取流程、分离稀土元素的多循环萃取流程等。1.1.3.3 萃取和反萃取理论级数的计算
首先要确定萃取和分离的要求，即萃取率和净化系数（去污系数），以此作为基准采用计算或图解法确定所需的萃取或反萃取的理［1］论级数，具体方法详见《液-液萃取》一书。1.1.4 萃取设备的选型、设计1.1.4.1 萃取设备的选型《液-液萃取》一书已详细介绍了目前广泛应用的三种类型的萃取设备，即混合澄清槽、萃取柱（塔）和离心萃取器，此三种类型的萃取设备中业已研发了诸多的品种，为了追求高效率，有的设备的结构越做越复杂，价格也非常可观。已有很多作者给出了萃取设备的选择指南，有的并不实用。实际上，很多萃取过程三种类型的萃取设备均可适用，没有必要进行严格的应用领域的划分。例如，对Purex萃取过程即是如此。三种类型的萃取设备各有所长，只有在某些特殊的情况下有的设备适用，有些设备不适用。例如，萃取传质比较慢（化学动力学控制）的萃取过程显然应选择混合澄清槽类萃取设备，而密度差比较小、易乳化、被萃组分不稳定等萃取体系则以选择离心式萃取设备或离心萃取器为佳。笔者更倾向于采用结构比较简单、检修方便、运行稳定可靠、制造成本比较低的萃取设备，例如，泵混合式箱型混合澄清槽，无脉冲输入的萃取柱或振动筛板柱、单台单级的环隙式离心萃取器（相对比较昂贵）等。1.1.4.2 萃取设备的设计
如在《液-液萃取》一书中所述，混合澄清槽已有成熟的设计放大方法，我们也曾为一些厂家设计了混合澄清槽，均是一次试车成功。环隙式离心萃取器也已放大设计到相当大的规模，例如，郑州天一萃取科技有限公司制造的CWL-N系列的环隙式离心萃取器的最大转鼓3直径为650mm，通量可达70m/h；其自主研发的专利产品CWL-M系3列的离心萃取机的转鼓直径达850mm，最大通量达150m/h，且在同样处理通量的条件下其功耗远低于传统的环隙式离心萃取器。相对而言，萃取柱放大设计到大型柱时由于轴向返混的影响仍有一些不确定的因素。
萃取设备的材质选择需视所处理的介质而定，可选用的材料有塑料、不锈钢、玻璃钢、钛材等，或采用钢材内衬塑料、石墨板材、耐酸瓷砖等。1.1.5 萃取车间的设计
萃取车间的结构设计与一般化工厂的车间设计并无大异，厂房的占地与高度取决于所选定的萃取设备，显然若采用柱型萃取设备，则需要较高的厂房高度（设备放置在露天例外），若采用混合澄清槽式萃取设备，则需较大的厂房面积，而不需过高的高度。对萃取车间的设计最为重要的是确保安全生产，要防火（严禁明火，配备全套的消防设备）、防爆（全部采用防爆的电气设备）、防静电，并保证良好的通风（确保车间内的溶剂浓度低于最大容许浓度），装设有效的监测报警系统，构建隔离的生产控制间和可靠的人员逃生通道，以确保生产和人员的安全。
在这方面，与我们合作过的某化工厂由于相应的技术措施未能跟上，在引进萃取工艺后曾因火灾而停产。
对生产放射性产品的车间或工厂的设计与上述有所不同，它们必须满足放射性防护的要求，对强放射性操作设备需要设计和构建隔离的设备室，并实施远程遥控操作或自动控制操作。［13］
在张启修等所著的《萃取冶金原理与实践》一书中以铜的萃取为例论及了有关萃取车间或工厂的设计问题，可供参考。
前已述及，应对上述的每个环节进行环境评价和经济评估，环境评价主要涉及的是在萃取过程中采用的萃取剂和其他化学试剂，它们的毒性、走向和处置，特别是萃余液的处理排放。
考察萃取过程的经济性无疑是非常重要的，从萃取剂的选择到萃取设备的选择都与生产成本紧密相联，为此，希望优化到生产过程的每一个环节，对此在《液-液萃取》的第9章“液-液萃取过程的优化”［1］中已有论述，在此不再赘述。1.2 液-液萃取过程的研发程序和方法
液-液萃取过程的研发程序大体可分为三个阶段：①实验室实验研究阶段；②工厂现场试验阶段；③工业生产验证阶段，下面分述之。1.2.1 实验室实验研究阶段
本阶段的主要任务是：
①通过理论分析和实验比较筛选萃取剂和萃取体系；萃取体系包括萃取剂、稀释剂和其他所需的添加剂。
②进行萃取动力学实验，测定萃取和反萃取的动力学数据。具体的萃取动力学实验可分两步进行：首先是测定达到萃取平衡和反萃取平衡所需的时间，以确定萃取平衡实验的时间条件；其次是通过实验确定萃取动力学过程的控制机制，以为萃取和反萃取操作条件的确定和萃取设备的选型、设计提供依据。为了简化，有时只完成第一步动力学实验即可。
③进行萃取平衡实验，测定萃取和反萃取过程中各工艺条件和操作条件对萃取平衡的影响的数据，而后确定各工艺条件和操作条件参数。
④确定萃取和反萃取操作方式，计算萃取和反萃取的理论级数。
⑤根据理论计算得到的萃取或反萃取级数进行萃取串级实验（extraction cascade experiment），以完成萃取或反萃取要求。
为了保证按预定的料液组成条件进行工艺和操作条件实验，①～③的实验应采用配制的模拟料液和初步选定的萃取体系在分液漏斗或其他相应容器中进行混合传质，达萃取平衡后分相，取样分析两相中的被萃物的平衡浓度。
手摇分液漏斗获取萃取分配数据费时费力，为此我们曾设计制作了容积为10～15mL带磨口塞的玻璃试管，可在振荡器上同时振荡多支试管，然后用离心机进行离心分相，从而节省了分相时间，大大提高了实验效率。市场上还见有人研制了QQ-44全自动萃取仪和四联全自动萃取器等，它们由萃取瓶和空气压缩机两部分组成，利用气压将两相充分混合以达到萃取的目的，这些仪器可同时测定四个萃取样品，从而提高了实验工作的效率。
为了提高实验效率，J.Rydberg教授研制了一种被称为［14～16］“AKUFVE”的快速测定萃取平衡关系的装置。图1-4示出了外观照片，其结构示意如图1-5所示，它主要由混合室、用于相分离的离心分离器和一系列流线分析测量仪器及相应的记录装置等组成。它不仅测量速度快（比摇分液漏斗的手工操作快10倍以上），而且所用料液和萃取溶剂的用量少。图1-4 AKUFVE外观照片［16］图1-5 AKUFVE萃取装置示意图（图示①～⑨为泵）
在图1-7装置中采用了放射性示踪物进行在线连续分析检测，根据需要也可装设其他分析检测仪器进行在线分析。
萃取串级实验按串级图（参见《液-液萃取》第6章）进行，由于操作排数需达萃取级数的3倍以上才可接近萃取平衡，因此，当萃取级数较多时，操作更是繁复，而且若稍有不慎，出现溶液泄漏，则前功尽弃。为此，可采用连续操作的萃取装置或微型萃取设备代替手工操作。其中的一种是玻璃制作的液-液萃取器（参见《液-液萃取》第215页），根据萃取级数的要求可将相应个数的萃取器单元插接起来，即可实现多级逆流萃取操作。采用小型混合澄清槽（见图1-6）或小型离心萃取器（见图1-7，不适用于萃取速度慢的萃取过程）也可实现所要求的多级逆流萃取过程。图1-6 小型混合澄清槽图1-7 ϕ20mm的小型离心萃取器1.2.2 工厂现场试验阶段
所谓工厂现场试验即采用实际生产料液进行试验，本阶段的主要任务是：
①采用实际生产物料按实验室实验阶段确定选用的萃取体系和萃取工艺及操作条件进行工艺和操作条件的验证、确认。这时由于实际物料的组成比模拟料复杂，有可能需要根据实际物料的萃取试验的结果对萃取工艺和操作条件进行调整。
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