Процесс экстракции

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Экстракция

Экстракция - процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и значительно слабее или практически вовсе не растворяются остальные компоненты исходной смеси. В химической технологии экстракция из растворов экстрагентами более распространена, чем экстракция из твердых тел.

Используют для выделения в чистом виде органического синтеза. Применяется для очистки сточных вод от вредных примесей.

Экстракция в системе жидкость-жидкость есть массообменный процесс, протекающий с участием 2-х взаимно нерастворимых или органически растворимых друг в друге жидкостей.

Экстрагентом называется раствор извлеченных веществ в экстрагенте. Остаток раствора называется рафинатом. Рафинат извлекается в отстойниках. Из рафината извлекается экстрагерт.

2. Жидкостная экстракция

Процесс экстракции обычно экономически выгоднее ректификации, поскольку при экстракции не нужно испарять всю жидкую смесь.

Обычно жидкостную экстракцию с сочетают с ректификацией, которую применяют для регенирации экстрагента. Экстракт - раствор извлеченных веществ в экстрагенте, рафинат - остаточный исходный раствор.

На рис. 1 представлена схема без регенезации. Чаще всего используются схемы с регенезацией экстрагента.

Рис. 1 Схема проведения экстракционных процессов

Равновесия в системе жидкость - жидкость

Для трехкомпонентной системы жидкость - распределяемое вещество-жидкость можно изменять концентрацию одной из фаз без нарушения равновесия. В процессе жидкостной экстракции обычно Т не меняется, Р на равновесие системы не влияет.

Закон распределения: отношение равновесных концентраций распределяемого между двумя жидкими фазами вещества при Т=const есть величина постоянная.

или (1)

где у* и х - равновесные концентрации распределяемого вещества соответственно в экстракте и рафинате, m - коэффициент распределения.

По формуле (1) линия равновесия должна быть прямой, выходящей из начала координат. Однако это справедливо для случая полной взаимной нерастворимости участвующих в процессе фаз, что довольно редко встречается в реальных условиях. Обычно m зависит от концентрации распределяемого вещества Т=const, если же меняется Т, то величина m может меняться еще сильнее.

Линии равновесия на диаграмме у-х при постоянной темпиратупе называют изотермами экстракции (рис. 2). Если известны изотермы для разных Т, то становится возможным выбрать наиболее приемлемое Т.

1 - неэлектролит

2 - электролит

Рис.2. Типичные изотермы экстракции.

Треугольные диаграммы. Отметим, что часто фазы, участвующие в процессе экстракции, частично растворимы друг в друге. Тогда экстракт помимо экстрагента и растворенного вещества содержит некоторое количество растворителя из исходного раствора, а рафинат помимо первоначального раствора и некоторого количества растворенного вещества - определенное количество экстрагента. Оба раствора состоят из трех компонентов.

А, В, С - чистые компоненты. В точке А - чистый Фх, в точке В - чистый М, в точке С - чистый Фу. Точка М характеризуется величинами. Точки на площади треугольника соответствуют составам трехкомпонентных растворов.

Рис. 3 Треугольная диаграмма

Равновесную концентрацию для трехкомпонентных смесей ж-ж можно представить на треугольной диаграмме.

Рис. 4 Равновесная кривая в треугольной диаграмме.

А - 100% - растворитель в исходном растворе,

В - 100% - растворенное вещество,

С - 100% - экстрагент

Линии АВ, ВС, СА - характеризуют состав двухкомпонентных растворов. Пусть А и В, В и С, неограниченно растворимы друг в друге, а А и С - ограниченно растворимы. Пусть состав А и С характеризуются точками G1 и G2. Если к ним добавить В, получим трехкомпонентный расслаивающий раствор соответствующий точкам D1 и D2. Эта хорда соответствует растворам, находящихся в равновесии друг с другом. Точка К - критическая точка, соответствует однофазному раствору.

Взаимная растворимость с увеличением температуры повышается, поэтому область существования гетерогенных систем уменьшается. При высоких температурах может вообще исчезнуть (точка Ткр на рис. 5).

Рис. 5 Влияние Т на равновесную кривую.

Основным свойством экстрагента является селективность, которая характеризует его способность преимущественно извлекать один из двух, трех и более компонентов раствора. Селективность экстрагирования по отношению к распределяемому компоненту характеризуется коэффициентом селективности (коэффициент разделения)

(2)

или с учетом (1)

(3)

Как видно, чем больше тем больше . Если =1, то селективность равна 0. В реальных условиях больше 2.

Обозначены через у - экстракт, х - рафинат.

- коэффициент распределения для компонента В.

3. Материальный баланс процесса жидкостной экстракции

Однократная (одноступенчатая) экстракция.

Рассмотрим одноступенчатую (однократную) экстракцию. Этот простейший метод заключается в том, что исходный раствор F и экстрагент S перемешивается в смесителе, после чего разделяется на два слоя: экстракт E и рафинат R.

F + S = E + R (4)

Рис. 6 Схема одноступенчатой экстракции.

Фазы, участвующие в жидкостной экстракции, обладают частичной взаимной растворимостью. Тогда система как минимум является трехкомпонентной. Для трехкомпонентной смеси используется треугольная диаграмма. Уравнение (4) можно переписать (при разделении N кг исходной смеси).

F + S = N = R + E (5)

Рис. 7 К выводу уравнения материального баланса.

Выражение (5) позволяет представить материальный баланс на треугольной диаграмме как процесс смешения потоков F + S = N и затем разделения этой тройной смеси состава N на потоки R + E. По правилу рычага можно записать

(6)

Точки при заданной F находим необходимое значение S для процесса. Соотношение потоков Е и R находят по формуле

(7)

Материальный баланс компонентов А и В в потоках экстракта Е и рафината R с учетом (2) имеет вид:

(8)

(9)

Так как сумма концентраций всех трех компонентов А, В, С равна 100%, то матбаланс по компоненту С не нужен. Учитывая, что N = E + R получим: раствор экстракция многоступенчатая изотерма

Разделив одно на другое получим:

(10)

Уравнение (10) является уравнением прямой линии. По уравнениям (4) и (10) можно найти состав любого потока, если известны количества и состав трех остальных потоков.

В соответствии с общим уравнением массопередачи количество проходящего из одной фазы в другую вещества М можно записать:

(11)

Здесь - коэффициенты массоотдачи для дисперсной фазы и сплошной фазы.

Поскольку поверхностью контакта фаз при экстракции является капли, то массоперенос осуществляется через сферическую поверхность. Очевидно, что гидродинамические условия внутри капли и в сплошной фазе различны. Поэтому массоперенос в пределах каждой из фаз не может быть описан идентичным уравнением.

4. Многоступенчатая экстракция с перекрестным током растворителя

Исходный раствор и соответствующие рафинаты обрабатывают порцией свежего экстрагента S1 и S2 и т. д. На каждой ступени экстракции, состоящей из смесителя и отстойника, причем рафинаты направляют последовательно в следующие ступени, а экстракты Е1 и Е2 и т. д. после каждой ступени выходят из колонны.

Рис. 8 Схема многократной экстракции с противоточным током растворителя

По этому способу можно полностью извлечь из исходного раствора распределяемый компонент и получить чистый рафинат. Однако, неизбежны потери растворителя, содержащегося в исходном растворе, так как в каждой ступени происходит частичное удаление растворителя экстрактом.

5. Многократная экстракция с противоточным движением

растворителя

Этот способ проведения экстрагирования характеризуется многократным контактированием ступени 1, 2 и т. д. при противоточном движении потоков рафината R и экстракта Е при условии подачи исходного раствора F и и экстагента S с противоположных концов.

Рис. 9 Схема многократной экстракции с противоположным движением растворителя

Непрерывная противоточная экстракция. Такой способ экстрагирования осуществляют в аппаратах колонного типа (например, насадочных). Более тяжелый раствор поступает сверху, в нижнюю часть колонны поступает легкая фаза.

Размещено на Allbest.ru