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| 內容簡介： |
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《串级联动萃取分离理论——解析计算方法》是基于徐光宪先生创立的串级萃取理论，结合作者研究团队对该理论持续研究取得的系统性成果总结撰写而成。 《串级联动萃取分离理论——解析计算方法》共6章，前两章在简单介绍稀土串级萃取分离基本工艺的基础上，回顾了早期串级萃取理论中有关极值公式、级数公式和*优化方程等内容；第三章和第四章总结整理了串级萃取理论在多组分联动萃取分离流程设计方面的发展成果；第五章叙述了一种更具普适性的非恒定混合萃取比体系*优化参数计算方法，进一步拓展了串级萃取理论的适用范围；第六章为读者呈现了应用解析计算方法推导、演绎求解串级萃取分离基本参数的过程中，对于串级萃取分离过程内在规律的理解和认识。
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目录序前言第一章 萃取分离过程的一般描述 1第一节 常见分离技术 1一、物理分离过程 1二、化学分离过程 3第二节 串级萃取及其基本工艺形式 6第三节 酸性萃取体系及其基本分离工艺 10一、萃取体系的分类 10二、酸性萃取体系的分馏萃取工艺 14第四节 多组分串级萃取分离流程的演化 16参考文献 22第二章 串级萃取理论 23第一节 分馏萃取体系的基本关系式 23一、基本假设 24二、基本关系式 25第二节 极值公式 31一、水相进料体系 32二、有机相进料体系 36第三节 级数公式 37一、恒定萃取比体系 37二、恒定混合萃取比体系 40第四节 *优化方程 45一、*优化的标准 46二、*优萃取比方程 46三、*优回萃比和*优回洗比公式 48四、极值公式的应用 52第五节 优化串级萃取工艺的设计 53一、设计步骤 53二、计算例题 59参考文献 69第三章 联动萃取理论 71第一节 多组分分离体系的邻级杂质比 71一、基本假设 71二、邻级杂质比公式 72三、邻级杂质比的意义 75第二节 无联动多组分分离单元的极值公式 80一、通用关系式 82二、水相进料体系 85三、有机相进料体系 88四、双相进料体系 90第三节 出口联动多组分分离单元极值公式 92一、通用关系式 92二、水相进料体系 93三、有机相进料体系 94四、双相进料体系 96五、级数的逐级计算方法 97六、计算例题 100第四节 进料级联动多组分分离单元极值公式 104一、水相进料体系 105二、有机相进料体系 113三、计算例题 119第五节 分离单元间的衔接优化 122一、分离单元间的横向衔接 122二、分离单元间的纵向衔接 130第六节 多组分联动萃取全分离流程的设计 137一、设计原则和方法 137二、流程设计所需主要公式汇总 140三、计算例题 144参考文献 155第四章 传统工艺形式的计算设计 156第一节 三组分两出口分离工艺 156一、设计方法 157二、计算例题 160第二节 三组分三出口分离工艺 161一、设计方法 162二、计算例题 167第三节 三组分联动萃取分离等效流程 169一、设计方法 170二、计算例题 171参考文献 172第五章 普适性模型及计算方法 173第一节 含酸萃取分离体系稀土萃取平衡数学模型 173一、数学模型的建立 174二、数学模型的应用 177第二节 皂化酸性萃取剂体系分离工艺的理论设计 180一、工艺设计方法 180二、计算例题 187第三节 不皂化酸性萃取剂体系的理论设计 189一、工艺设计方法 190二、计算例题 194第四节 反萃取工艺的理论计算 196一、工艺设计方法 198二、计算例题 200参考文献 203第六章 串级萃取分离过程规律的新认识 204第一节 进料级的物料组成规律 204第二节 稀土皂和洗涤液中组分的走向规律 207第三节 联动萃取工艺降耗功效的理论证明 210第四节 萃取和洗涤的对称性 215第五节 料液的*立性规律 219第六节 多组分萃取体系分离瓶颈的规律 221参考文献 223附录 萃取化学中的一些名词和符号 225参考文献 230
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第一章萃取分离过程的一般描述 第一节常见分离技术 物质的分离提纯是人类生活、生产中的基本过程。近代产业和科学技术的发展需要提供各种具有特定纯度和组成的无机化合物、有机化合物和生物化学制品等，而天然物质大多以混合物的形式存在，若要从中获得具有使用价值的产品，就必须对混合物进行分离。虽然分离过程多样，但大体上可以分为物理分离和化学分离两大类。 一、物理分离过程 典型的物理分离法有过滤法、沉降法、离心法、蒸发法、结晶法、蒸馏法、磁分离法、膜分离法等[1，2]。 (1)过滤法适用于固、液两相混合物中固体与液体的分离。通常的过滤介质为滤纸、滤膜或其他多孔性物质，有时可辅之以加压或抽真空等强化条件提升过滤分离效率。过滤分离法简单易行，是一种实验室和工业生产中*常用的分离溶液与沉淀的方法。 (2)沉降法是利用具有不同密度的固、液两相物质在重力场下产生沉降速度差异而进行分离的方法。沉降法一般适用于固体与液体介质间密度差别较大体系的分离，而对待分离混合物中固体量少，固、液物种密度差小，以及固体因粒度小、表面与液体介质作用显著等原因造成沉降困难甚至固体物易悬浮的体系不适用。沉降法简单、经济、高效，已广泛应用于生物学、环境科学、矿物选别等领域。 (3)离心法是一种在几倍至上万倍于重力加速度的离心力场中实现固-液或液-液混合物中不同密度物质间分离的方法。离心分离法对两相密度相差较小，黏度较大，颗粒粒度较小，在自然重力场中分离需时较长，甚至不能完全分离的非均相体系尤为有效，已成为生物化学与分子生物学中不可缺少的分离技术手段。 (4)蒸发法是一种通过将混合物中的溶液加热，使溶剂蒸发脱除，从而实现溶剂与溶质分离的方法。该法常用于从溶液中分离固体盐或有机溶剂等，近年广泛用于有色金属和稀土等湿法冶炼行业中工业废水的处理过程，如多效蒸发技术、蒸汽机械再压缩(MVR)技术等。另外，在分析测试领域，蒸发法还可用于处理试样，消除基体干扰，富集目标元素。 (5)结晶法是利用物质溶解度变化规律，通过控制体系的温度或浓度等，使溶质以晶体的形式从溶剂中析出，从而实现分离的方法。结晶操作不仅能够从溶液中获取溶质，而且能够一定程度上实现溶质与杂质的分离，从而提高产品的纯度，因此结晶技术是工业上从不纯溶液中制取纯净固体产品的一种经济而有效的手段。但该法对于组分间溶解度差异较小的体系，要得到高纯单一组分产品往往需要进行多次重复操作，如重结晶法、分步结晶法等。在单一稀土元素的发现过程中，分步结晶法曾发挥了重要作用，但由于该法工作效率低，流程长，在稀土分离工业中逐步被淘汰。 (6)蒸馏法是利用物质在不同温度下沸点的差异，通过加热混合物，使其中的低沸点组分以气态或蒸气挥发后冷凝收集，达到与高沸点组分分离的目的。蒸馏是分离和提纯液态化合物常用的方法之一，如蒸馏水的制备。液体混合物各组分的沸点相差较大(一般30℃以上)时，蒸馏法才能得到较好的分离效果。当蒸馏沸点比较接近的混合物时，产出的往往是混合物蒸气，其中低沸点组分含量仅有一定程度的提高，为此就需将多个单级蒸馏串联进行，由此形成石化工业的基本过程，即分馏分离。分馏法能比较完整地分离原油中不同沸点、不同碳链长度的组分，但所用设备相对复杂，操作要求较高。 (7)磁分离法是在磁场作用下利用物质间磁性差异进行分离的方法，该法可用于从混合浆料或混合粉体中分离出磁性颗粒。如在矿物选别中，可用弱磁场选别矿物中的强磁性颗粒，所得尾矿还可以用强磁场进一步选别其中的弱磁性颗粒；在废水处理中，磁分离可用于分离去除金属颗粒等磁性污染物；在食品加工中，也可用于去除食品中的磁性金属杂质；在生物医学中，可用于分离样品中磁性标记的细胞或分子等。 (8)膜分离法是基于膜的选择渗透性实现混合物料液中不同组分分离、纯化和浓缩的方法。膜可以是固态或液态，所处理的流体可以是液体或气体。膜分离技术是一项简单、快速、高效、选择性好、经济、节能的新技术，目前已广泛用于水处理、湿法冶金、生物化工、医药和食品工业以及环境保护等许多方面。与传统过滤不同之处在于，膜可以在分子和离子尺度上进行分离，但通常膜的寿命较短，成本较高，且易污染，选择性、稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂能力等有限，导致其使用范围受限，通常需要与其他分离技术联合应用。 二、化学分离过程 化学分离技术是指利用化学反应的原理，通过物质的相互作用，使混合物中的某些成分分离出来，实现纯度提高和分离的目的。现代化学分离技术的应用非常广泛，包括化学制品、药品、金属冶炼、环境保护等诸多领域。化学分离的物料可以是均相体系，也可以是非均相体系，大多数情况下待分离物料为均相体系。为实现混合物中不同组分的分离，往往需要形成第二相，除了待分离混合物原先已有的相态外，还需要施加能量或分离剂形成两相系统，即液液、气-液、固-液、固-气等，再根据待分离物质在两相中的分配能力不同，使之实现分离。吸附、沉淀、离子交换、萃取等化学分离过程都需要不相混溶的两个相态作为基本介质。例如在沉淀过程中，加入沉淀剂产生的固相为第二相；在萃取过程中，第二相是加入的萃取剂。除形成第二相外，有时还需借助某种推动力的作用，利用不同组分间扩散速率的差异实现分离，如色谱分离技术、电泳分离技术等。 (1)吸附法是利用吸附介质对液体或气体中某一组分的选择性吸附，使待分离物种得到分离的方法。一般情况下，被吸附物种还需采用适当的洗脱剂将其解吸附，因此吸附介质通常需选用吸附能小、被吸附物质便于与其脱离的材料，如在活性炭吸附气体后，只需加热就可使被吸附的气体解吸附。吸附分离法主要应用于脱色、脱臭，以及目标产物提取、浓缩和粗分离等过程。吸附分离过程操作简便、安全、设备简单，且由于有机溶剂掺入少、pH变化小、吸附剂对溶质的作用小，更适于稳定性较差物质的分离提纯。但该法通常选择性差、处理通量小、收率较低，不能连续操作。 (2)沉淀法是一种通过加入沉淀剂，使其与溶液中的某个物种反应生成难溶物，并以沉淀形式析出，从而实现混合物中特定组分分离的方法。沉淀分离技术在多个领域都有广泛的应用，如可用于制备高纯度的化工产品、处理废水中的重金属离子，以及提纯和分析多种化学样品等。当溶液中存在多种待分离组分时，还可采用分步沉淀法，即通过逐渐加入沉淀剂，使不同组分按照其溶解度的顺序逐步沉淀，从而实现彼此间的分离。分步沉淀法在单一稀土元素的发现过程中与分步结晶法一样发挥了重要作用，但同样因存在低效、费时、耗工，且最终产品纯度不高等问题，在稀土分离提纯领域陆续被离子色层和溶剂萃取法所取代。 (3)离子交换法是利用离子交换剂与混合物溶液中的离子发生交换反应进行分离的方法，适用于离子状态物质间的分离。离子交换剂的种类很多，主要分为无机离子交换剂和有机离子交换剂两类。在分析化学中应用较多的是高分子离子交换剂，又称离子交换树脂。离子交换法可一次操作实现多个元素的分离，并能得到高纯度的产品，具有选择性好、适用性强等优点，广泛应用于化工生产、环境保护、湿法冶金、原子能工业、食品工业、医药工业、分析化学等领域。但该法也存在难以连续处理、操作周期长、成本较高等问题。 (4)萃取法又称溶剂萃取或液液萃取，是一种常用的分离方法，它利用混合物中不同组分在两种互不相溶的溶剂中分配系数的差异实现分离。溶剂萃取*初只用于分析化学中，到第二次世界大战末期，美国采用溶剂萃取技术，实现了青霉素提取和核燃料后处理(提取和纯化钚-239)的高效、连续、大规模生产。溶剂萃取法具有平衡速度快、分离效果好、处理能力大、能耗低(通常都在常温、常压下操作)、资源回收率高以及操作容易实现自动控制等优点，已经广泛应用于石油化工、湿法冶金、环境化工、食品工业、医药工业、生物化工、核燃料提取和辐照核燃料后处理等领域，元素周期表中绝大部分元素都可以采用溶剂萃取技术进行分离和提纯[3]。 (5)色谱分离技术又称层析分离技术或色层分离技术，是一种分离复杂混合物中不同组分的有效方法。色谱法利用物质在固定相与流动相之间相互作用差异产生的选择性分配，以流动相对固定相中的混合物进行洗脱，混合物中不同物质会以不同的速度沿固定相移动，最终达到不同组分分离的效果。色谱技术的应用包括实验室分析以及大规模工业分离两个方面，具有分离效率高、应用范围广、分析速度快、样品用量少、灵敏度高等优点。但当被分离物极性等物性差异较小时，分离效果不好，且洗脱时需消耗大量溶剂。从理论上说，所有的色谱技术都可应用于工业上的分离，但传统工业制备色谱为单柱间歇式进料、洗脱模式，运行效率很低，使工业化规模色谱分离的设备投资、空间占用以及运行处理成本都很高，严重制约了该技术在工业生产中的应用。 (6)电泳分离技术利用电场的作用，根据不同电荷和质量带电物种在电场中移动的速度和方向不同，实现对混合物中不同组分间的分离。早期电泳技术主要用于蛋白质的分离，随着生物技术的快速发展，其在基因组学、蛋白质组学等领域的应用日益广泛，已成为当前生命科学研究的基本手段。电泳分离技术用于生物分子分析具有高分辨率、高灵敏度、高分离速度等优点，但对于大量样品的处理能力有限，电场的不均匀性还可能导致分离效果不佳。另外，该法还存在成本高、操作复杂等问题。 总的来说，分离方法是人类科学探索和工业生产中*基本、*常用的方法，应用范围极为广泛，不同的分离方法适用于不同的原料、需求和场景，选择合适的分离方法是实现低成本高效分离的关键。分离技术的门类很多，每种分离技术都有它不同的理论、机理以及应用范围，各种分离技术之间是互补的，不可相互取代。为合理和有效利用好各种分离技术，有必要充分理解每种分离技术的基本原理，分析认识它们的适用领域，了解和掌握它们的工艺设计方法。 为了聚焦本书讨论的范围，便于读者鉴阅，作者将着重阐述和讨论溶剂萃取中的串级萃取过程，以期从工艺设计方法、模拟计算和实际流程的*优化设计、工业应用等方面深入阐述。 溶剂萃取作为一种重要的提取和分离方法已在工业生产中得到了非常广泛的应用。从20世纪50年代后期，在萃取剂、萃取化学及过程机理和萃取分离理论研究方面，我国的科技工作者做出了大量高水平的贡献，陆续开发和建设了稀土湿法冶金、核燃料后处理等工业，并产生了一定的国际影响。尤其是在稀土分离工业，自20世纪80年代末起，我国的稀土萃取分离生产能力超越了当时拥有世界最大、*先进的罗纳-普朗克公司的法国等国家，占领了世界75%以上的单一高纯稀土化合物生产和国际市场，推动我国从稀土资源大国发展成为稀土生产大国，被国外同行称为“中国冲击”。北京大学徐光宪院士及其团队建立的串级萃取理论是当时引导我国稀土分离科技和产业实现全面革新的重要力量。 串级萃取理论是主要针对稀土的溶剂萃取过程发展的工艺设计理论。自20世纪70年代该理论创立至今已50年，为适应更高效、绿色萃取分离新工艺技术的发展要求，串级萃取理论自身也始终在不断发展和完善。然而不同阶段的研究成果迄今未得到系统整理，不便于相关研究人员和相关专业学生的研读学习。在已发展的串级萃取理论中，部分成果是应用数学推导、公式演绎的解析法直接求解得到工艺参数的，如*小萃取量、*小洗涤量等极值公式和萃取级数计算公式等；部分成果则是通过数值计算方法来近似求解工艺参数的，如串级萃取动态平衡的数学模拟计算等。下面，本书将系统整理串级萃取理论中有关解析计算方法的相关内容呈现给读者朋友们。 第二节串级萃取及其基本工艺形式 互不相溶的两个液相经相接触发生传质交换的过程统称为萃取过程，实际操作中的萃取、洗涤、反萃取(也简称反萃)均属于广义的萃取过程。通常人们将待分离混合物分为易萃组分和难萃组分两部分，若体系中的两相分别为水相和有机相，前者更倾向于富集难萃组分，后者更倾向于负载易萃组分。为了统一全书的表述，除非特殊说明，本书所述的“萃取”专指从水相将易萃组分萃入有机相，从而实现水相
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