横向流到筛板另一端降液管。两相如是依 244 “图4—33 筛板萃取塔(轻相为分散相)
图4—34 筛板结构示意图(重相为分散相)
次反复进行接触与分层，便构成逐级接触萃取。如果选择重相为分散相，则应使轻相通过升液管进入上层塔板，如图4-34所示。
萃取设备的操作特性与分散相的选择有关．分散相的选择，通常考虑如下原则：
(1)当两相流量相差很大时，将流量大的选作分散相可增加相际传质面积。但是，若所用的设备可能产生严重轴向返混时，应选择流量小的作分散相，以减小返混的影响。
(2)在填料塔，筛板塔等萃取设备中，应将润湿性差的液体作分散相。
(3)当两相粘度差较大时，应将粘度大的液体作分散相，这样液滴在连续相内沉降(或升浮)速度较大，可提高设备生产能力。
(4)为减小液滴尺寸并增加液滴表面的湍动，对于界面张力梯度÷(x为溶质的组成)>0的物系，·应使溶质从液滴向连续相传递。反之，对于二U．v厂<0的系统，溶质应从连续相向液滴传递。
(5)为降低成本和保证安全操作，应将成本高和易燃易爆的液体作分散相。
筛板萃取塔’内由于塔板的限制，减小了舶向返混，同时由分散相的多次分散和聚结，液滴表面不断更新，1．使筛板萃取塔的效率比填料塔有所提高，再加上筛板塔结构简单，价格低廉，可处理腐蚀性料液，因而在许多萃取过程中得到广泛应用，如在芳烃提取中，用筛板塔取得良好效果。
三、脉冲筛板塔
脉冲筛板培也称液体脉动筛板塔，是指由于外力作用使液体在塔内产生脉冲运动的筛板塔，其结构与气一液系统中无溢流臂的筛板塔类似，如图4-35所示。操作时，轻、重液体皆穿过筛板而逆向流动，分散相在筛板之间不凝聚分层；使液体产生脉冲运动的方法有许多种，如图4-36所示。其中，活塞型、膜片型、风箱型脉冲发生器是常用的机械脉冲发生器。近年来，空气脉冲技术发展较快。在脉冲筛板塔内，脉冲振幅的范围为9～50mm，频率为30～200 1／rain。根据研究结果和生产实践证明，萃取效率受脉动频率影响较大，受振幅影响较小。经验认为较高的频率和较小的振幅萃取效果较好。如脉动过分激烈，会导致严重的轴向返混，传质效率反而降低。
脉冲萃取塔内，液体的脉动增加了相际接触面积和液体的湍动程度，因而传质效率可较大幅度提高，使塔能提供较多的理论级数，但其生产能力一般有所下降，在化工生产应用上受到一定限制。
四、往复筛板萃取塔
往复筛板塔的结构如匪4-37所示，将若干层筛板按一定间距固定在中心轴上，由塔顶的传动机构驱动而作往复运动。无溢流筛椒的周边和塔内壁之间保持一定的间隙。往复振幅一毒6 般为3～50mm，频率可达1000 1／min。往复筛板的孔径比脉动筛板的要大，一般为7～16 mm。当筛板向下运动时，筛板下侧的液体经筛孔向上喷射，反之，筛板上侧的液体向下喷射。为防止液体沿筛板与塔壁间的缝隙而走短路，应每隔若干块筛板，在塔内壁设置一块环形挡板。
往复筛板萃取塔的效率与塔板的往复频率密切相关。当振幅一定时，在不发生液泛的前提下，效率随频率加大而提高。
往复筛板塔可较大幅度地增加相际接触面积和提高液体的湍动程度，传质效率高，流体阻力小，操作方便，生产能力大，在石油化工、食品、制药和湿法冶金工业中应用日益广泛。
五、转盘革取塔(RDC)及偏心转盘萃取塔(ARDC)
转盘萃取塔的基本结构如图4-38所示，在塔体内壁面上按一定间距装置若干个环形挡板(称为固定环)，固定环使塔内形成许多分割开的空间。在中心轴上按同样间距安装若干个转盘，每个转盘处于分割空间的中间。转盘的直径小于固定环的内径，以便于装卸。固定环和转盘均由薄平板击械。，转盘随中心轴作高速旋转时，对液体产生强烈的搅拌作用，增加了相际接触表面积和液体的湍动。固定环在一定程度上抑制了轴向返混，因而转盘塔的效率较高。
转盘塔结构简单，生产能力大，传质效率高，操作弹性大，因而在石油和化工中应用比较广泛。 近年开发的不对称转盘塔(又称偏公转盘塔)得到了广泛的应用。其基本结构如图4-39所示。带有搅拌叶片1 (又称转盘)的转轴宏装在塔体的偏心位置，塔内不对称地设置垂直挡板，将其分成混合区3和澄
清区4。混合区由横向水平挡板分割成许多小室，每个小室内的转盘起混合搅拌器的作用。澄清区又由环形水平挡板分割成许多小室。
偏心转盘萃取塔既保持原有转盘萃取塔用转盘进行分散的作用，同时，分开的澄清区可以使分散相液滴反复进行凝聚一再分散，减小了轴向混合，从而提高了萃取效率。此外，这种类型萃取塔的尺寸范围很宽(可制成醒～4000mm塔径，塔高可达30m)，对物系的性质(密度差，粘度、界面张力等)适应性很强，并适用于含有悬浮固体或易乳化的物料。
1.4.3离心萃取器
离心萃取器是利用离心力使两相快速充分混合并快速分腐的萃取装置。至今，已开发出多种类型的离心萃取器，广泛应用于制药(如抗菌素的提取)、香料、染料、废水处理、核燃料处理等领域。
离心萃取器有多种分类方法，按两相接触方式可分为微分接触式和逐级接触式。
一、波德式离心萃取器(Podbielniak)
波德式离心萃取器也称离心薄膜萃取器，简称POD离心萃取器，是卧式微分接触离心萃取器的一种，其基本结构如图4-40所示，在外壳内有一个由多孔长带卷绕而成的螺旋形转于，其转速很高，一般为2b00～5000r／min，操作时轻液被引至螺旋的外圈，重相由蟪旋中心引入。由于转于转动时所产生的离心力作用，重液相由螺旋的中部向外流，轻液相由外圈向中部流动，两相在逆向流动过程中，于螺旋形通道内密切接触。重液相从螺旋的最外层经出口通道而流到器外，轻波相则由中部经出口通道流到器外。它适宜于处理两相密度差很小或易产生乳化的物系。
二、芦威式离心萃取墨(Luwesta)
芦威式离心萃取器简称LUWE离心萃取器，它是立式逐级接触离心萃取器的广种。图4-41所示为三级离心萃取器，其主体是固定在壳体上并随之作高速旋转的环形盘。壳体中央有固定不动的垂直空心轴，轴上也装有圆形盘，盘上开有若干个液体喷出孔。被处理的原料液和萃取剂均由空心轴的顶部加入。重液相沿空心轴的通道下流至器的底部而进入第三级的外壳内，轻液相由空心轴的通道流入第一级。在空心轴内，轻液与来自下一级的重液相混合，再经空心轴上的喷嘴沿转盘与上方固定盘之间酌通道被甩到外壳的四周。靠离心力的作用使两相分开，重液由外部沿着转盘与下方固定盘之间的通道而进入轴的中心(如图中实线所示)，并由顶部排出，其流向为由第3级经第2级再到第1级，然后进入空心轴的排出通道。轻液则沿图中虚线所示的方向，由第土级经第2级再到第3级，然后进入空心轴的排出通道。两相均由萃取器顶部排出。此种萃取器也可由更多的级组成。
这种类型的萃取器主要应用于制药工业中，其处理能力为7．6(三级)—49(单级)／h，在一定操作条件下，级效率叮接近100％。离心式萃取器的优点是结构紧凑，生产强度高，物料停留时间短，分离效果好，特别遗用于轻重两相密度差很小、难于分离、易产生乳化及要求物料停留时间短，处理量小的场合。但离心萃取器的结构复杂、制造困难、操作费高，使其应用受到一定限制。
1.4.4液一液传质设备的流体流动和传质特性
在液一液萃取操作中，依靠两相的密度差，在重力或离心力场作用下，分散相和连续相产生相对运动并密切接触而进行传质。两相之间的传质与流动状况有关，而流动状况和传质速率又决定了萃取设备的尺寸，如塔式设备的直径和高度。
一、革取设备的流动特性和液泛
在逆流操作的塔式萃取设备内，分散相和连续相的流量不能任意加大。流量过大，一方面会引起两相接触时间减小，降低萃取效率，另一方面，两相速度加大引起流动阻力增加，当速度增大至某一极限值时，一相会因阻力的增大而被另一相夹带由其本身入口处流出塔外。这种两个液体互相夹带的现象称为液泛。
关于液泛速度，许多研究者针对不同类型的萃取设备提出了经验或半经验的公式，还有的绘制成关联线圈。图4—42所示为填料萃取塔的液泛速度U。，关联图。
由所选用的填料查出该填料的空隙率c及比表面积。，再依已知物系韵有关物性常数算出250茁4-42横坐标—Ap—㈢‘)’．‘的数值。按此值从图上确定纵坐标兰三上二二g车：二工严Dc厩；厩的数值，从而可求出填料塔的液泛速度U：／o实际设计时，空塔速度可取液泛速度的50～80X。根据适宜空塔速度便可计算塔径，
即，
式中 0——塔径，m，
h，Pd——分别为连续相和分散相的体积流量，m/
Uc、Ud——分别为连续相和分散相的空塔速度，m／s．
二、苯取塔的传质特性
为了获得较高的萃取效率，必须提高萃取设备内的传质速率。传质速率与两相之间的接触面积、传质系数及传质推动力等因素有关。
(1)萃取设备内，相际接触面积的大小主要取决于分散相的滞液率和液滴尺寸。单位体积混合液体具有的相际接触面积可近似由下式计算，即：
式中 口——单位体积内具有的相际接触面积，m‘／m‘， oo——分散相的滞液率(体积分率)， d，——液滴的平均直径，m。
由上式看出，分散相的滞液率愈大 液滴尺寸愈小，则能提供的相际接触面积愈大，对传质愈有利。但分散相液滴也不宜过小，液滴过小难于再凝聚，使两相分层困难，也易于产生被连续相夹带的现象。另外，太小的液滴还会产生为萃取操作中不希望出现的乳化现象。
在萃取操作中，不仅希望分散相液滴均布于连续相中，同时还期望分散相液滴能聚结成大液滴。实际操作中，液滴尺寸及其分布，取决于液滴的凝聚和再分散两种过程的综合效应。在各种萃取装置中采取不同的措施促使液滴不断产生凝聚和再分散，从而使液滴表面不断更新，以加速传质过程。
(2)和气一液传质过程相类似，在液一液萃取过程中，同样包括了相内传质和通过两相界面的传质。在没有外加能量的萃取设备中，两相的相对速度决定于两相密度差。由于液了液两相的密度差很小，因此两相的传质分系数都很小；通常，液滴内传质分系数比连续相的更小。在有外加能量的萃取装置内，外加能量主要改变液滴外连续相的流动条件，而不能造成液滴内的湍动。但是，液滴内还是存在流体运动。液滴在连续相中相对运动时，由于相界面的摩擦力会使液滴内产生环流。此外，液滴外连续相处于湍流状态，由于湍流运动所固有的不规则性，以及液滴表面传质速度的不规则变化，使液滴表面的不同位置、或者液滴表面的同一位置在不同时间的传质速率、溶质组成及界面张力均不相同。界面张力不同，液滴表面上受力不平衡，液滴便产生抖动。液滴内的环流及液滴抖动，均加大液滴内的传质分系数。
另外，在液一液传质设备内采用促使液滴凝聚和再分散、加速界面更新的一切措施，都会使滴内传质系数大为提高。
(3)传质推动力是影响萃取速率的另一重要因素。如果在萃取设备的同一截面上各流体质点速度相等，流体象一个液柱平行流动，这种理想流动称为柱塞流。此时，无返混现象，传质推动力最大，塔内组成变化如图4-43中的虚线所示
但是，萃取塔内卖际流动状况并不是理想的柱塞流，无论是连续相还是分散相，总有一部分流体的流动滞后于主体流动，或者向相反方向运动，或者产生不规则的旋涡流动，这些现象称为返混或轴向混合， 塔内液体的返混使两相之间的组成差减小(如图4-48中的粗实线所示)，也即减小了传质推动力。萃取塔内的返混不仅降低传质速率，同时也降低了萃取设备的生产能力。据报导，有些工业萃取塔约有60～90％的有效高度用以弥补轴向返混作用。与气一液系统相比，由于液一液萃取过程中两相密度差小、粘度大，两相的空塔速度(即单位塔截面上的体积流量)都比较小，所以返混对萃取设备的不利影响更为严重。
需要指出，大型萃取设备内的返混程度比小型设备内可能要大得多，因而萃取设备的放大设计更为困难，往往要通过中间试验。中试条件与工业生产条件应当尽可能接近。
1.4.5萃取设备的选择
各种不同类型的萃取设备具有不同的特性，萃取过程中物系性质对操作的影响错综复杂。对于具体的萃取过程选择适宜设备的原则是：首先满足工艺条件和要求，然后进行经济核算，使设备费和操作费总和趋于最低。萃取设备的选择，应考虑如下一些因素：
1．所需的理论级数
当所需的理论级数不大于2—3级时，各种萃取设备均可满足要求，当所需的理论级数较多(如大于4～
5级)时，可选用筛板塔，当所需的理论级数再多(女1110～20级)时，可选用有能量输入的设备，如脉冲塔、转盘塔、往复筛板塔，混合一澄清槽等。
2．生产能力
当处理量较小时，可选用填料塔，脉冲：培。对于较大的生产能力，可选用筛板塔，转盘雾5零塔及混合一澄清槽。离心萃取器的处理能力也相当大．
3．物系的物性性质
对界面张力较小，密度差较大的物系，可选用无外加能量的设备。对界面张力较大，密度差较小的物系，宜选用有外加能量的设备。对密度差甚小，界面张力小、易乳化的难分层物系，应选用离心萃取器。
对有较强腐蚀性的物系，宜选用结构简单的填料塔或脉冲填料塔。对于放射性元素的提取，脉冲塔和混合一澄清槽用得较多。
若物系中有固体悬浮物或在操作过程中产生沉淀物时，需周期停工清洗，一般可选用转盘萃取塔或混合一澄清槽。另外，往复筛板塔和液体脉动筛板塔有一定自清洗能力，在某些场合也可考虑选用。
4．物系的稳定性和液体在设备内的停留时间
对生产中要考虑物料的稳定性、要求在萃取设备内停留时间短的物系，如抗菌素的生产，选用离心萃取器为宜，反之，若萃取物系中拌有缓慢的化学反应，要求有足够的反应时间，选用混合一澄清槽较为适宜。
5．其它
在选用萃取设备时，还需考虑其它一些因素，诸如：能源供应情况，在缺电地区应尽可能选用依重力流动的设备，当厂房地面受到限制时，宜选用塔式设备，而当厂房高度受到限制时，则应选用混合一澄清槽。
选择萃取设备时应考虑的各种因素列于表4
第二节 各种萃取方法介绍
2-1双水相萃取
某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可形成两相，并且在两相中水分均占很大比例，即形成双水相系统(aqueous-two-phase system，ATPS)。利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性质，Albertsson于50年代后期开发了双水相萃取法(Aqueous two-phase extraction)，又称双水相分配法(Aqueous-two-phase partitioning)。70年代以后，Kula，Hustedt和Johansson等发展了双水相萃取技术在生物分离过程中的应用，为蛋白质特别是胞内蛋白质的分离与纯化开辟了新的途径。
2.1.1双水相系统
原理：根据热力学第二定律可知，混合是熵增加的过程，因而可自发进行。但另一方面，分子间存在相互作用力，并且这种分子间相互作用力随分子量的增大而增大。因此，传统观点认为，当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于分子量较大，分子间的相互排斥作用与混合过程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物的不相容性(incompatibility)。
可形成双水相的双聚合物体系很多，如聚乙二醇(polyethylene glycol，略作PEG)/葡聚糖(dextran，略作Dx)，聚丙二醇(polypropylene glycol)/聚乙二醇和甲基纤维素(methylcellulose)/葡聚糖等。双水相萃取中常采用的双聚合物系统为PEG/Dx，该双水相的上相富含PEG，下相富含Dx。
除双聚合物系统外，聚合物与无机盐的混合溶液也可形成双水相，例如，PEG/磷酸钾(略作KPi)、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠等常用于生物产物的双水相萃取。PEG/无机盐系统的上相富含PEG，下相富含无机盐。
图4.16a和b分别为PEG/Dx和PEG/KPi系统的典型相图。图中的曲线称为双节线(binodal)，双节线以下的区域为均相区，以上的区域为两相区。连接双节线上两点的直线称为系线（联结线）(tie line)，K点称为临界点(critical point)。在系线上各点处系统的总浓度不同，但均分成组成相同而体积不同的两相。两相的体积近似服从杠杆规则，特征与前面介绍相似。
