串级萃取理论
稀土串级萃取法
稀土串级萃取法
稀土串级萃取法是一种分离稀土元素的工艺流程，由于17种稀土元素的物理性质和化学性质极其相近，且稀土元素同伴生杂质元素较多，因此，其萃取流程是较为复杂的。
常用的萃取工艺有三种：分步法、离子交换和溶剂萃取。
串级萃取理论是徐光宪教授在20世纪70年代创建的，建立了稀土串级萃取工艺的最优化参数计算方法。
结合计算机技术，又建立了串级萃取工艺的静态参数设计和动态仿真计算技术，实现了工艺设计参数到工业规模生产应用的“一步放大” 。
精品解析：2024年江西高考真题化学试题(原卷版)(合并)
2024年江西省新高考化学试卷一、选择题：本题共14小题，每小题3分，共42分。
在每小题给出的四个选项中，只有一项符合题目要求。
1.景德镇青花瓷素有“国瓷”的美誉。
是以黏土为原料，用含钴、铁的颜料着色，上釉后一次性高温烧制而成的青蓝色彩瓷。
下列关于青花瓷说法正确的是A.青蓝色是由于生成了单质钴 B.表面的釉属于有机高分子膜C.主要成分为铝硅酸盐D.铁元素的存在形式只有Fe 2O 32.科学家发现宇宙中存在100多种星际分子。
下列关于星际分子说法正确的是A.分子的极性：SiH 4>NH 3 B.键的极性：H—Cl>H—HC.键角：H 2O>CH 4D.分子中三键的键长：HC≡N>HC≡CH3.“稀土之父”徐光宪先生提出了稀土串级萃取理论，其基本操作是利用有机络合剂把稀土离子从水相富集到有机相再进行分离。
分离时可用的玻璃装置是A.B. C. D.4.蛇孢菌素(X)是一种具有抗癌活性的天然植物毒素。
下列关于X 说法正确的是A.含有4种官能团，8个手性碳原子B.1mol X 最多可以和3mol H 2发生加成反应C.只有1种消去产物D.可与新制的Cu(OH)2反应生成砖红色沉淀5.某新材料阳离子为W 36X 18Y 2Z 6M +。
W 、X 、Y 、Z 和M 是原子序数依次增大的前20号主族元素，前四周期中M 原子半径最大，X 、Y 、Z 同周期。
X 6W 6分子含有大π键(66)，XZ 2分子呈直线形。
下列说法正确的是A.WYZ 2是强酸B.MZW 是强碱C.M 2Z 2是共价化合物D.X 2W 2是离子化合物6.由下列实验事实得出的结论正确的是实验事实结论A 铝和氧化铁反应需要引燃该反应H 0∆>B KI 溶液加热浓缩后加入淀粉溶液，溶液变蓝氧化性：22O I >C 久置的NaOH 溶液试剂瓶口出现白色固体NaOH 结晶析出D久置的2FeCl 溶液中出现红褐色沉淀()()sp sp 32K Fe OH >K Fe OH ⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦A.A B.B C.CD.D7.我国学者把游离态氮固定在碳上(示踪反应如下)，制得的[N=C=N]2﹣离子可用于合成核酸的结构单元。
串级萃取理论
1 < EM ' < ( EM ' ) ma x
( EM ' ) ma x =
f B − P Bn + m fB − P Bn + m β ⋅ fA + fB
当 A 、B 均为高纯产品时，则满足
7
1.0 > EM > ( EM ) min ≈ f A+
Js > ( Js) min =
fB
β
1 < EM ' < ( EM ' ) ma x ≈ β ⋅ f A + f B
( EM ) min β ⋅ f A + fB ≈ 1 − ( EM ) min f B ( β − 1)
n= P * − PA1 lg b + 2.303 lg A lg( β ⋅ EM ) PA * − PAn
PAn:进料级水相中 A 的含量 水相进料： PAn = f A 有机进料：
PAn =
fA P An = (纯度平衡线方程) β − ( β − 1) P An β − ( β − 1) ⋅ f A
（b 决定水相出口中 B 的纯度和有机相出口中 A 的收率）
2）分离效果指标之间的关系
（1） φ A， φ B 与 a,b 之间的关系
ϕB = ϕA =
B1 BF A1 AF
ϕB B1 / A1 ϕB = =b⇒ =b ϕA BF / AF ϕA
An+m AF B n+m BF
串级萃取理论的发展历程及最新进展
强化学习算法优化萃取过程
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机器学习算法提升萃取效率的方法
串级萃取技术在金属分离与提取中的应用 串级萃取理论在环境保护领域的应用 串级萃取理论在制药工业中的应用 串级萃取理论在食品工业中的应用
新的萃取剂和技术的研发 串级萃取理论在新能源领域的应用 串级萃取理论在环保领域的应用 串级萃取理论在其他领域的应用
串级萃取理论的应 用价值在于为解决 实际分离问题提供 了有效方法
串级萃取理论的应用有助于提高分离效率，为未来科技发展提供新的分离技术手段。
串级萃取理论在多组分分离方面的优势，为未来科技发展提供更高效、更环保的分离方法。
串级萃取理论的发展有助于推动相关领域的技术创新，为未来科技发展提供新的思路和方向。
串级萃取理论的发展对于实现绿色化学、可持续发展等具有重要意义， 符合当今社会对于环保和可持续发展的需求。
促进资源高效利用，减少环境污染
拓展分离科学领域，为其他领域提 供借鉴与支持
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推动工业可持续发展，提高经济效 益
提升人类生活质量，满足日益增长 的需求
汇报人：
,a click to unlimited possibilities
汇报人：
串级萃取理论的提出背景和初衷
该理论在实践中的应用和初步验证
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ห้องสมุดไป่ตู้早期的发展历程和重要研究成果
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对后续研究的影响和启示
串级萃取理论在20世纪70年代的进一步发展，解决了多组分分离的问题。 80年代开始，该理论在工业上得到广泛应用，提高了分离效率并降低了成本。 90年代，随着计算机模拟技术的发展，串级萃取理论在过程控制和优化方面取得重要突破。 进入21世纪，该理论在新能源、新材料等领域的应用研究不断深入，为科技进步做出了贡献。
第二章 串级萃取计算机仿真
级有机相 中i组分 纯度推导 水相i组 分纯度。
Ci =
βi
n
∑C
L =1
P (i , j ) =
β (i , j ) P (i , j )
∑ β (k , j ) P (k , j )
k =1
n
P(i , j ) =
P (i , j ) / β (i , j )
∑ P (k , j ) / β (k , j )
k =1
n
(2) 质量平衡关系式
i − 组分
j − 级数
S − 萃取量 W − 洗涤量 M1 − 水相出口的金属量 当M F = 1时， M1 = fb' M n + m − 有机相出口的金属量 当M F = 1时， n + m = fa' M 当i = B时， β ( i，j ) = 1 当i = A时， β ( i，j ) = β e or β w
=
C i ⋅Vw Vw ⋅ ∑ C L ⋅ C k ⋅Vw
L =1 n
(1)
= )
β i ⋅ Ci
∑ (β
k =1
n
=
β i ⋅ Pi
k
⋅ Ck )
∑ (β
k =1
n
k
∑C
L =1
n
L
⋅Vw
∑ (β
k =1
n
k
⋅ Pk )
计算机在冶金中的应用 2-2-1 萃取平衡关系推导(续) (3)洗涤段萃取平衡关系推导
萃取串级理论浮选中的应用
萃取串级理论浮选中的应用综合利用包头白云鄂博矿标志应是各种有用矿物综合回收，并为彻底解决包头放射性和氟的污染提供可靠工艺流程。
包头白云鄂博主动矿含有大量有用元素工业矿物，例如稀土（稀土矿物）、铁（铁矿物）、氟（萤石矿物）、磷（磷矿物）、钡（重晶石矿物）等，由于矿山储量大、各种矿物的绝对出两度很大。
长时期以来，我们总有一个想法，能不能把这些矿物相互分开、获得各种有用元素精矿，如能做到这一点，就算是真正解决了包头矿的综合利用，这就为从根本上解决放射性和氟污染提供了可靠的工艺流程。
矿物的最大限度的综合利用，可大大降低尾矿量，例如主矿萤石型矿中有用矿物占85%以上，如都能综合回收，则尾矿就很少了。
而且是含氟和放射性很低的尾矿，但现在生产中尾矿量达到矿石量的70%以上，并含大量的稀土（也就有钍）和氟。
综合选矿的解决将为冶炼提供了很大的方便。
多年来由于选矿没有解决，使冶炼流程各种各样，如中贫矿直接入高炉的“第二流程”；低品位稀土精矿湿法冶炼；低品位稀土精矿脱铁冶炼稀土合金；高碱度烧结；尾矿的选矿等等。
这都是由于矿物间分离不好而造成的，如果各种矿物的分离很好，精矿品位和收率都很高，则冶炼流程就会比较简单，有些流程都比较定型了。
要做到有用矿物的相互分离，必须加强浮选选矿串级工艺理论研究，当前在浮选中大家主要集中于寻找更有效的药剂和单级最优化的条件（如药剂制度、温度、浓度、粒度等）方面，这两方面固然很重要，但当前更重要的是在单级最优的条件下寻找串级最优化的工艺条件。
熟知稀有金属萃取的同志一定知道，元素的萃取分离化，不仅要确定一个单级最优化条件，（即选择一个分离系数大的体系）更重要的是确定串级最优化（多级工艺）条件，才能得到预期的高品位、高收率的指标。
包头稀土元素中七个轻稀土元素的萃取分离就是一个典型的例子。
我们的研究工作就是从这里开始的，就是企图用萃取串级理论来解决浮选问题。
通过实践证明，浮选虽有其特殊性，但萃取串级理论完全是适用的。
萃取课件-3
1. 取含La 、Pr 的混合稀土料液浓度为200 g/L (其中La 占50%)的料液10ml ，有机相30ml 进行单级萃取，分析平衡水相中La 和Pr 的浓度分别为48g/L 和18g/L 。
分别计算La 和Pr 的分配比、萃取比、萃取百分率以及La 和Pr 的分离系数。
作业36.0DLa(2’)1、P204、P507、TBP、P350、环烷酸、N2352、在高/低Cl-浓度溶液中萃取铁3、P507萃取分组稀土，Gd/Tb分离段的洗涤段平衡水相酸度为1 mol/l HCl，所用洗酸为5.5 mol/l HCl，则平衡水相稀土浓度为：_________ mol/l。
4、某稀土料液浓度(M)F=1.2 mol/l，用1.0 mol/l P204+煤油作有机相萃取稀土，皂化率30%，将50% RE萃入有机相，则萃取剂的饱和容量=_________ mol/l，R=第3章串级萃取理论Theory of countercurrent extraction3串级萃取理论3-1 研究内容3-2 分馏萃取的基本关系式3-3 优化串级萃取理论的设计步骤3-4 串级萃取工艺设计实例3-1-1 串级萃取确定下列变量1、萃取液的组成（有机相出口）2、萃余液的组成（水相出口）3、各种溶液的流量（Vs 、V F 、Vw）4、总级数（n+m）及进料级位置（n , m）3-1 研究内容3-1-2 串级萃取研究内容1、研究待分离的两种或两组物质在各级萃取器两相间的分布随工艺条件不同而变化的规律。
2、找出产品纯度，收率与串级萃取条件之间的关系目的：确定最优串级萃取工艺。
3-1 研究内容最优串级萃取工艺的两条标准：1、分离效果最好2、日产量最大—在萃取器的总容积和日产量相同的情况下，分离效果最好的工艺；—在萃取器的总容积和分离效果相同的情况下，日产量最大，生产单位产品的原材料消耗最低的工艺。
只要满足(1)或(2)就可以称为最优工艺。
多组分稀土串级萃取有效分离系数的研究
多组分稀土串级萃取有效分离系数的研究作者：李兰云来源：《科学大众》2019年第07期摘; ;要：文章主要对多组分稀土串级萃取有效分离系数问题进行重点研究。
在具体分析过程中，文章提出计算多组分稀土串级萃取有效分离系数的研究方法，如平均分数法。
重点针对稀土摩尔分数问题与有效分离系数之间的关联性进行分析。
并在此基础上，综合对比等效组分法、数学模型法等传统方法的计算情况。
根据分析显示，唯有利用平均分数法计算得出的有效分离系数满足多组分稀土串级萃取有效分离系数要求，介于最大值与最小值之间，值得推广与应用。
关键词：多组分稀土;串级萃取;有效分离系数根據以往的调查结果显示，稀土原料中存在15个具备难分离特点的稀土元素。
为及时分离具备上述特点的稀土元素，工业生产常常会选择应用串级萃取工艺针对上述稀土元素进行分离处理。
结合实际应用经验来看，以往所应用的簇萃取工艺在分离体系方面多以多组分稀土分离过程为主，目的在于确保萃取效果。
然而，早期多组分稀土萃取工艺常常借助二元体系实现分离过程，在分离切割位置方面存在一定的限制性。
再加上实验过程过于简单，导致工艺参数数值存在一定偏差。
鉴于此，研究人员针对多组分稀土串级萃取问题进行了进一步分析，重点针对稀土元素摩尔分数问题进行研究，以期可以给多组分稀土串级萃取过程提供技术保障。
1; ; 有效分离系数的相关研究在分析有效分离系数的前提基础下，需要明确分离系数的基本定义。
所谓的分离系数主要是指分离因素，常常用来表示某一单元分离操作或者分离流程涉及的分离程度，主要针对两种物质分离程度而言。
一般来说，根据分离系数作用情况的不同，研究人员将其细分为二，即单级分离系数、流程分离系数。
其中，单级分离系数主要以物料体系中两种物质涉及的单元分离操作后的含量比值为主。
而流程分离系数更加侧重于两种物质经过分离流程前后，涉及的相对含量比值[1]。
有效分离系数是在分离系数的概念基础上延伸而来的内容。
所谓的有效分离系数主要是指物料中两种物质在经过单元分离操作之后，涉及的实验所需的有效含量问题。
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Mn
Mj
洗 液 进 口
2、物料平衡的基本关系式
(1) 整个分馏萃取的物料平衡关系式 AF MF BF
1
n
n+m
MF =1.0 M F = M 1 + M n + m ⎯⎯ ⎯→ f A '+ f B ' = 1
AF = A1 + A n+ m BF = B1 + B n+ m
(2) 萃取段的物料平衡关系式
Js =
Em 1 − EM
S = Js ⋅ M 1
6、回洗比公式
Jw = W M n+m
EM ' =
S M n+m + W 1 = = 1+ >1 W W Jw
Jw =
1 EM '−1
W = Jw ⋅ M n + m
S = M n+m + W
7、水相进料的物料平衡关系式
W + 1 = S + fB ' S = W + fA'
k
W=
1 > Wmin , β −1
k
S = W + fA'
EM =
S , W +1
EM ' =
S W
，满足以下公式 (2)有机相进料时（ M F = 1.0 ）
1.0 > EM > ( EM ) min
fA − PA1 β ⋅ fA + fB 1 = ≈ f A − PA1 β ⋅ fA + fB
1、根据原料组成，确定分离切割线位置，确定 A 和 B，即确定 f A , f B 2．根据市场需求，确定产品分离指标
若 A 为主要产品，则规定 P An + m , Y A ⇒ a, b, PB1 ,Y B 若 B 为主要产品，则规定 PB1 ,Y B⇒ a, b, P An + m , Y A 规定两头产品纯度 P An + m , PB1 ⇒ a, b, Y A ,Y B
P A n+m =
af A fB 1 = ≈ 1− fB f B + af A a(1 − f B ) +1 (9) afA
(9)
b=
PB1 /(1 − PB1 ) fB / fA
⇒
PB1 =
bf B f 1 = ≈ 1− A fA bf B + f A bf B +1 bf B
(10)
a b 计算小结 1) 要求 A、B 纯度较高时，确定 P A n + m , PB1 ，求 YA、YB 与 a、b
W > (W ) min = ( S ) min + f B ≈
1 + fB β −1 EM ' = S +1 W
取S =
1 S (0 < k < 1) , W = S + f B ' = S + 1 − f A ' EM = , W β −1
k
（3）最优串级萃取工艺的确定
R=S*（n+m）
8
四、级数 n m 的确定 1、萃取段的级数
3
(c) a,b——纯化倍数
1）纯化倍数
a= ( A) n + m /( B) n + m P An + m / P Bn + m P An + m /(1 − P An + m ) = = ( A) F /( B) F fA / fB fA / fB
物理意义： 表示有机相出口产品中 A 与 B 的浓度之比，相对于料液中 A 与 B 的浓度之比增加的倍数。
YB =
B1 B1 = BF fB * M F
⇒ M1 =
YB * f b * MF YB * fb = = fB ' ( M F = 1.0水相出口的金属量) PB1 PB1
P A n+m =
An + m Mn + m f A * M F * YA P An + m
=
YA = f A *Y A P An + m
a(b − 1) ab − 1
a=
b − YB b(1 − YB)
fB af A 1 = ≈ 1− fB a(1 − f B ) f B + af A +1 afA
YA =
P A n+ m =
3）对有机相产品 YA, P A 有要求，求 YB, PB1
a, b
a=
P An + m /(1 − P An+ m ) fA / fB
S > ( S ) min = ( Js) min M 1 ≈ ( Js) min f B =
β ⋅ fA + fB 1 = + fA β −1 β −1
1 β −1
W > (W ) min = ( S ) min − M n + m ≈ ( S ) min − f A =
取W =
1 (0 < k < 1) β −1
M n −1 M1
1
2
n
Mn
(3) 洗涤段的物料平衡关系式
3、纯度，收率，出口分数的关系式
PB1 ：水相出口产品 B 的纯度
P An + m ：有机相出口产品 A 的纯度
YB：水相出口产品 B 的收率
YA：有机相出口产品 A 的收率
fA’：有机相出口分数
fB’：水相出口分数
PB1 =
B B1 ⇒ M1 = 1 PB1 M1
1 − ϕA An+m / B n+m 1 − ϕA (2) = =a⇒ =a AF / BF 1 − ϕB 1 − ϕB
(2)
ϕA =
a −1 ab − 1
(3)
ϕB =
b(a − 1) ab − 1
(4)
4
（2）YA、YB 与 a、b 的关系
b(a − 1(5) ) YB = ϕB = ab − 1
β ⋅ fA β ⋅ fB + fA
− P Bn + m ≈ 1 fB + fA
1 < EM ' < ( EM ' ) ma x =
f B − P Bn + m
β
Js > ( Js) min =
( EM ) min 1 1 ≈ S > ( S ) min = ( Js ) min M 1 ≈ ( Js) min f B ≈ 1 − ( EM ) min f B ( β − 1) β −1
当 A 、B 均为高纯产品时，则满足
7
1.0 > EM > ( EM ) min ≈ f A+
Js > ( Js) min =
fB
β
1 < EM ' < ( EM ' ) ma x ≈ β ⋅ f A + f B
( EM ) min β ⋅ f A + fB ≈ 1 − ( EM ) min f B ( β − 1)
fB'+ fA' = 1
6
优化串级萃取工艺的设计步骤
工艺设计任务：已知 β , β ' , f A , f B ，规定分离指标 （1）确定工艺参数： EM , EM ' , S ,W （2）计算工艺条件： n, m, Vs, VF , Vw 一、确定萃取体系，测定平均分离系数 β , β ' 二、分析原料组成，计算 f A , f B ；确定分离指标，计算纯化倍数 a,b
YA = 1 − ϕA = 1 −
(5) ⇒
a=
b − YB b(1 − YB)
(7)
(6)
a − 1 a (b − 1) = ab − 1 ab − 1
b=
a − YA a(1 − YA)
(8)
（3） P A n + m , PB1 与 a、b 的关系
a=
P An + m /(1 − P An+ m ) ⇒ fA / fB
PA*：萃取段纯度平衡线与操作线的交点
2 ⎧ 4(1 − EM )PA1 ⎫ ⎡ β ⋅ EM − 1 ⎤ 1 ⎪ β ⋅ EM − 1 ⎪ PA * = ⎨ + (1 − EM )PA1 + ⎢ + (1 − EM )PA1 ⎥ + ⎬ 2 ⎪ β −1 β −1 β −1 ⎣ ⎦ ⎪ ⎩ ⎭ β ⋅ EM − 1 (当PB1很高，P A1很小时) ≈ β −1
fB ' =
f B ⋅ M F ⋅ YB f B ⋅ YB = M F ⋅ PB1 PB1
5、回萃比公式 MF 级数
M
1
n
N+m
M
Js = S M1
EM = S / M1 S S Js = = = <1 W + MF S + M 1 S / M 1 + 1 Js + 1 W = S − Mn + m
（b 决定水相出口中 B 的纯度和有机相出口中 A 的收率）
2）分离效果指标之间的关系
（1） φ A， φ B 与 a,b 之间的关系
ϕB = ϕA =
B1 BF A1 AF
ϕB B1 / A1 ϕB = =b⇒ =b ϕA BF / AF ϕA
An+m AF B n+m BF
(1)
1 − ϕA = 1 − ϕB =
a=
P An + m /(1 − P An+ m ) fA / fB