Теплотехника (стр. 17 )

Процессы экстракции являются преимущественно физическими, так как подлежащие переносу из фазы в фазу вещества извлекаются обычно без химических превращений.

Вместе с тем физические равновесные соотношения в значительной мере зависят от химических характеристик растворенных веществ и избирательных растворителей (экстрагентов).

Применение экстрагента, который ближе по своей химической природе к одному из компонентов смеси, приводит к повышению концентрации этого компонента в фазе экстракта.

Экстракция избирательными растворителями проводится различными способами. В простейшем случае к жидкой смеси (исходному раствору) добавляют один экстрагент, что приводит к образованию второй жидкой фазы.

Иногда добавляют два взаимно нерастворимых экстрагента, чтобы компоненты исходного раствора распределялись между двумя жидкими фазами. В водную фазу желательно добавлять соль для повышения активности распределяемого компонента. Это способствует его переходу в неводную фазу, в которой данная соль не растворяется. Можно изменять рН водной среды, содержащей кислые или щелочные растворенные вещества, чтобы уменьшить ионизацию некоторых из них и обеспечить их концентрирование в неводной фазе экстрагента.

Для получения наиболее благоприятного равновесного соотношения на каждой ступени экстракции изменяют температуру контролируемых фаз.

Простое выщелачивание растворимого компонента из инертного твердого вещества можно рассматривать как специальный случай жидкостной экстракции. Многие расчетные методы для систем жидкость-жидкость применимы и для систем жидкость-твердое тело.

Для увеличения интенсивности процесса массопередачи, в любом случае необходимо проводить фазы экстрагента и исходного раствора в тесный контакт.

Когда система приближается к равновесию, производится механическое разделение фаз.

После этого, желательно подвергнуть каждую из фаз дальнейшей обработке, например, в противоточном процессе. Экстрагент регенерируют для повторного использования, после выделения конечных продуктов в чистом виде.

Этот процесс связан с проведением дистилляции.

На рис. 2.6 показана простейшая схема экстракции, где экстрактор работает совместно с двумя дистилляционными установками.

Схема позволяет проводить процесс непрерывно, получая в достаточно чистом виде легколетучие компоненты А и В.

Из экстрактора удалятся два потока.

Фаза, состоящая в основном из экстрагента (избирательного растворителя) называется фазой экстракта, а очищенный конечный продукт – очищенным экстрактом. Фаза, подвергшаяся обработке избирательным растворителем, называется фазой рафината. Рафинатом или экстрактом может быть любая из фаз.

Коэффициентом распределения в процессах экстракции называется отношение весовой или молярной доли распределенного компонента С в фазе, богатой А (хСа), т. е.

, (2.68)

где К – коэффициент распределения, величина большая единицы.

Соотношение (2.68) обычно хорошо оправдывается для малых концентраций распределяемого вещества и когда отсутствует диссоциация или ассоциация молекул распределяемого вещества в фазах.

В общем случае хорошо применимым является соотношение:

, (2.69))

где m>1 в общем случае величина переменная.

Графики, характеризующие величину коэффициента распределения, представлены на рис 2.7.

Так как С больше растворим в В, чем в А, то точки левой ветви пограничной кривой треугольной диаграммы дают значение хСА, а точки правой части ветви – значение хСВ, точка перегиба Q лежит на диагонали прямоугольной диаграммы и ей соответствует равенство хСВ= хСА.

При малых концентрациях, близко к началу координат, кривая распределения приближается к прямой (линейный закон распределения), что находится в соответствии с равенством (2.68).

Типичная треугольная фазовая диаграмма с изображением процесса представлена на рис. 2.8. Диаграмма (рис. 2.7) для жидкой смеси типа I, для которой область взаимной нерастворимости компонентов примыкает только к одной стороне треугольника.

Экстрагент S настолько близок химически компоненту В, что смеси В и S полностью взаимно растворимы. Химическая природа экстрагента S и компонента А различна, в результате чего бинарные смеси А и S разделяются на две жидкие фазы.

Добавление компонента В к подобным смесям способствует повышению растворимости А в S и наоборот. В критической точке обе фазы превращаются в одну. Состав слоев экстракта лежат справа от критической точки. Составы слоев рафината – слева от критической точки. Линия RE представляет собой хорду равновесия, которая соединяет составы рафината и экстракта, находящиеся в термодинамическом равновесии друг с другом.

Физическая смесь М исходного раствора и экстрагента расслаивается на фазы R и E.

После удаления экстрагента из последних получают фазы R¢ и E¢.

Рассмотренный процесс чаще включает многократное проточное смещение и разделение фаз, чем единичные контакты и сепарацию, показанные на диаграмме.

На рис 2.8 видно, что концентрация компонента В в очищенном экстракте ограничена вследствие замыкания области существования двух фаз в критической точке. Наиболее концентрированный экстракт, который может быть получен в данном случае, соответствует точке Е*.

Избирательный растворитель сообщает противоположные термодинамические свойства молекулам растворенного вещества в фазах экстракта и рафината.

Для облегчения сепарации желательно наличие существенной разности плотности фаз и большое межфазовое натяжение.

В экстракторе любая из фаз может диспергироваться в другую, как показано на рис 2.9.

Экстрактор представляет собой, по существу, одно из колен двухжидкостного манометра, работающего так, чтобы поверхность раздела между фазами поддерживалась в верхней или нижней части рабочего объема аппарата.

Если точка перелива (гидравлический затвор) расположена высоко, то столбы жидкости в аппарате и переливе балансируются, когда поверхность раздела фаз находится у верха аппарата (рис. 2.9а). При более низком расположении точки перелива поверхность раздела фаз поддерживается вблизи днища аппарата (рис. 2.9б).

В первом случае, при высокой точке перелива, более легкая фаза диспергируется в более тяжелой, причем последняя является сплошной.

Во втором случае, показано диспергирование более тяжелой фазы в легкой (сплошной).

Коэффициент массопередачи и скорость захлебывания в противоточном экстракторе зависит от того, какая из фаз (легкая или тяжелая) является сплошной.

При прочих равных условиях обычно лучше диспергировать фазу с большей объемной скоростью, чтобы обеспечить большую величину поверхности контакта фаз.

Проектирование аппаратуры для процессов жидкостной экстракции основывается на законах равновесия фаз, уравнениях скоростей массопередачи и материальных балансов, а также на закономерностях, описывающих производительность оборудования.

2.5.2. Методы экстракции

Для проведения жидкостной экстракции применимы любые принципиальные схемы, возможные при осуществлении других массообменных процессов.

В промышленных экстракционных процессах наиболее часто используются многоступенчатые противоточные экстракторы в батарее смесителей и отстойников или тарельчатой колонне и др.

Простейшим и наиболее широко применяемым в лабораторных условиях является одноступенчатая экстракция (рис. 2.10).

Этот метод наименее эффективен и редко применяется в промышленном масштабе.

В данном процессе всегда устанавливается состояние очень близкое к равновесному.

Поэтому количество экстрагируемого вещества фиксировано равновесными состояниями и количеством использованного экстрагента.

При однократной экстракции степень разделения компонентов исходного раствора относительно низка. Процесс проводится периодически или непрерывным способом.

Многоступенчатая экстракция в перекрестном токе представлена на рис. 2.11.

Общее количество экстрагента делится на несколько частей. Исходный раствор обрабатывается этими частями свежего экстрагента в нескольких последовательно соединенных ступенях.

Степень извлечения зависит от распределения экстрагента по ступеням. При постоянном коэффициенте распределения наилучшие результаты достигаются в случае равномерного распределения экстрагента по ступеням.

Этот метод может применяться как в периодическом процессе, так и процессе, проводимом в единичном смесителе-отстойнике, или в непрерывном процессе при использовании ряда смесителей-отстойников, последовательно соединенных друг с другом.

Непрерывная противоточная многоступенчатая экстракция представлена на рис. 2.12.

Противоточная многоступенчатая экстракция (рис. 2.12) аналогична процессу разделения в тарельчатой дистилляционной колонне. Экстракт и рафинат движутся непрерывно через систему, противотоком друг к другу.