Экстракция

Экстракцией называют процесс извлечения одного или нескольких компонентов из раствора с помощью избирательного растворителя.

Экстракция широко используется для очистки производственных сточных вод от солей металлов, фенолов и других соединений. При экстракции исходный раствор и несмешивающийся с ним экстрагент приводят в контакт между собой, в результате чего экстрагируемое вещество переходит из раствора в экстрагент. В результате экстракции образуются экстракт – раствор извлекаемого вещества в экстрагенте и рафинат – остаточный исходный раствор, из которого в той или иной степени удалены экстрагируемые компоненты. Экстракт и рафинат отделяют друг от друга отстаиванием, после чего извлекают экстрагированное вещество из экстракта и проводят регенерацию экстрагента из рафината.

Экстракция протекает в двухфазной трехкомпонентной системе. Компонентами этой системы являются: растворитель, из которого извлекается экстрагируемое вещество (применительно к очистке сточных вод таким растворителем является вода), экстрагент и экстрагируемое вещество. Одной из фаз является раствор экстрагируемого вещества в воде, другой – раствор экстрагируемого вещества в экстрагенте.

Не существует нерастворимых друг в друге жидкостей. Экстрагент частично растворяется в воде, а вода – в экстрагенте. Поэтому правильнее было бы говорить о фазе как о растворе экстрагируемого вещества в насыщенном растворе воды в экстрагенте или экстрагента в воде.

При экстракции неорганических веществ из водных растворов обычно удается подобрать экстрагент, практически нерастворимый в водной фазе.

Например, растворимость широко применяемого экстрагента трибутилфосфата в воде составляет 0,02 вес. %. Поэтому в дальнейшем взаимной растворимостью растворителя и экстрагента будем пренебрегать, что позволит упростить изложение материала, не затрагивая общности основных зависимостей.

Движущей силой процесса экстракции является разность химических потенциалов распределяемого вещества в воде и экстрагенте. Переход вещества из одной фазы в другую будет продолжаться до момента выравнивания этих потенциалов, т.е. до наступления равновесия.

Методы экстракции.

1) Одноступенчатая (однократная) экстракция.

Этот простейший метод экстракции заключается в том (рис. 2.33), что исходный раствор F, состоящий из двух компонентов: растворителя (воды) W и растворенного вещества B, перемешивают с экстрагентом S в смесителе периодического действия, после чего смесь сливают в сепаратор-отстойник.

В отстойнике смесь разделяется на два слоя: экстракт E = S + B и рафинат R = W + B. При достаточном времени контакта могут быть получены близкие к равновесным концентрации распределяемого вещества B в экстракте и рафинате.

Рис. 2.33. Схема одноступенчатой экстракции

Рассмотрим наиболее простой случай, когда жидкие фазы практически нерастворимы друг в друге.

Пусть w кг исходного раствора с концентраций x₀ смешиваются с s кг экстрагента. В результате экстракции получаются равновесные фазы: рафинат с концентрацией x* и экстракт с концентрацией y*.

Материальный баланс по распределяемому веществу:

wx₀ = wx* + sy*.

Учитывая, что y* = kx*, найдем концентрацию получаемого рафината:

wx₀ = wx* + skx*;

и концентрацию экстракта

Достигаемая степень извлечения Ф распределяемого вещества определяется как отношение количества извлеченного вещества к количеству этого вещества в исходном растворе:

где z ≡ ks/w – экстракционный фактор.

Величина экстракционного фактора имеет важное технико-экономическое значение при проведении процессов экстракции. При низких значениях z степень извлечения распределяемого компонента из исходного раствора также мала, при высоких значениях z возрастает стоимость регенерации экстрагента. Оптимальные значения экстракционного фактора находятся в пределах от 1,5 до 2.

Для построения графика процесса одноступенчатой экстракции на диаграмме y = f(x) наносят равновесную линию y* = f(x*) и ставят на оси абсцисс начальную точку рабочей линии с координатами x = x₀ и y = 0 (рис. 2.34).

Рис. 2.34. Рабочая линия одноступенчатой экстракции

Из материального баланса экстракции следует, что:

т.е. тангенс угла наклона рабочей линии процесса равен – w/s.

Если в результате экстракции достигается равновесие фаз, то прямую продолжают до пересечения с линией равновесия. Координаты точки пересечения выражают составы получаемых экстракта y_к = y* и рафината x_к = x*. Чем больше расход экстрагента s, тем меньше тангенс угла наклона рабочей линии, и, следовательно, тем ниже концентрации извлекаемого вещества как в экстракте, так и в рафинате.

2)Многоступенчатая экстракция при перекрестном потоке.

Экстракция этим способом проводится в нескольких ступенях, через которые последовательно движется исходный раствор. Во всех ступенях, начиная со второй, исходным раствором является рафинат предыдущей ступени. Экстрагент подается во все ступени параллельно (рис. 2.35).

Рис. 2.35. Схема (а) и рабочая линия (б) многоступенчатой экстракции при перекрестном потоке

На каждую следующую ступень подаются все более обедненные экстрагируемым веществом рафинаты, поэтому концентрации экстрактов снижаются от первой ступени к последней. В результате для получения рафината высокой чистоты требуются большие объемные соотношения экстрагента и исходного раствора, что связано с удорожанием всего процесса экстракции.

Поэтому процессы такого типа применяют в промышленности в редких случаях, когда для экстракции можно применить дешевый экстрагент и утилизировать его без регенерации.

3) Многоступенчатая противоточная экстракция.

По этой схеме (рис. 2.36) исходный раствор и экстрагент поступают с противоположных концов установки и движутся противотоком друг к другу через ряд последовательных ступеней.

Рис. 2.36. Схема (а) и рабочая линия (б) многоступенчатой противоточной экстракции

Конечный экстракт удаляется из первой ступени, а конечный рафинат из последней. При этом на последней ступени рафинат, наиболее обедненный экстрагируемым компонентом, взаимодействует со свежим экстрагентом, не содержащим этого компонента. На первой ступени экстрагент, концентрация извлекаемого вещества в котором близка к насыщению, взаимодействует с наиболее концентрированным раствором этого компонента. Благодаря этому движущая сила процесса выравнивается по всей установке, достигается достаточно высокая средняя скорость процесса и осуществляется наиболее полное извлечение экстрагируемого компонента из исходного раствора.

Рассмотрим материальный баланс процесса экстракции вещества B из исходного двухкомпонентного раствора W + B экстрагентом S. Взаимной растворимостью растворителя исходного раствора W и экстрагента S можно пренебречь. В этом случае массовые потоки растворителей по длине установки остаются постоянными и равными соответственно w и s.

Для некоторой n-й ступени установки справедливо соотношение:

w(х₀ – х_n-1) = s(y₁ – y_n),

откуда следует, что:

Полученное уравнение рабочей линии изображается прямой линией, тангенс угла наклона которой равен w/s (рис. 2.5).

Процесс многоступенчатой экстракции может быть изображен в виде ступенек между рабочей линией и линией равновесия. Каждая такая ступенька называется теоретической ступенью экстракции. Поскольку в реальных установках равновесие на каждой ступени не достигается в силу ограниченности времени контакта, число реальных ступеней экстракции всегда больше числа теоретических ступеней.

Смесительно-отстойные экстракторы.

Экстракторы этого типа состоят из ряда ступеней, каждая из которых содержит смеситель и отстойник (рис. 2.37). Движение жидких фаз через ступени осуществляется в режиме противотока. Экстрагент подается в смеситель последней ступени. Туда же параллельным потоком подается рафинат из отстойника предыдущей ступени. После смешения фазы разделяются в отстойнике последней ступени, откуда конечный рафинат удаляется в качестве основного продукта, а экстракт направляется в смеситель предыдущей ступени.

Смешение жидкостей может происходить не только с помощью механических мешалок, но и посредством насосов, инжекторов и другими способами. Разделение фаз можно осуществлять не только в гравитационных отстойниках, но и в сепараторах центробежного типа, например в гидроциклонах или центрифугах. Поэтому число вариантов смесительно-отстойных экстракторов велико.

Рис. 2.37. Двухступенчатый смесительно-отстойный экстрактор

В смесительно-отстойных экстракторах достигается интенсивное взаимодействие между фазами, причем эффективность каждой ступени может приближаться к одной теоретической ступени разделения. Эти аппараты хорошо работают при малых расходах экстрагента – 1/10 и менее от расхода водного раствора, что позволяет получать концентрированные экстракты. Важным достоинством смесительно-отстойных экстракторов является возможность изменения числа ступеней экстракции.

Недостатками экстракторов этого типа является сложность конструкции, обусловленная наличием мешалок в каждой ступени, и большая площадь, занимаемая установкой. Капитальные затраты и эксплуатационные расходы для таких экстракторов выше, чем для экстракторов других типов.

Распылительные колонны.

Распылительный колонный экстрактор представляет собой полую колонну, оборудованную устройствами для ввода и вывода фаз (рис. 2.38).

Легкая фаза, которой может быть как экстрагент, так и водный раствор, подается в нижнюю часть колонны через распределитель. Проходя через отверстия распределителя, легкая фаза диспергируется на капли и движется снизу вверх (всплывает) через слой тяжелой фазы, которой заполнена колонна. В верхней части колонны находится верхняя отстойная зона, имеющая больший диаметр по сравнению с колонной.

Рис. 2.38. Распылительный колонный экстрактор

В этой зоне происходит отделение легкой фазы от эмульсии и вывод ее из аппарата. Тяжелая фаза подается на дно верхней отстойной зоны, переливом поступает в колонну и собирается в нижней отстойной зоне. Вывод тяжелой фазы осуществляется через гидравлический затвор, с помощью которого достигается полное заполнение колонны жидкостью. Уровень раздела фаз в колонне регулируется высотой перелива тяжелой фазы с помощью вентилей.

Каждому расходу тяжелой фазы соответствует некоторый оптимальный расход легкой фазы. С увеличением расхода легкой фазы возрастает число ее капель в единице объема аппарата, и уменьшается доля поперечного сечения, свободного для прохождения сплошной тяжелой фазы. Это, в свою очередь, вызывает возрастание локальных скоростей относительного движения фаз, и все большее число капель начинает двигаться вниз вместе с тяжелой фазой, т.е. навстречу основному потоку легкой фазы. Возникают циркуляционные токи дисперсной фазы (обратное перемешивание), которые существенно уменьшают среднюю движущую силу процесса и интенсивность экстракции. Дальнейшее увеличение расхода тяжелой фазы приведет к уносу капель из зоны экстракции, образованию второй поверхности раздела фаз в нижней отстойной зоне, нарушению противотока, т.е. к захлебыванию колонны.

С уменьшением расхода дисперсной (легкой) фазы резко снижается поверхность раздела фаз как за счет уменьшения числа капель в единице объема, так и за счет увеличения их размеров. При этом происходит пропорциональное снижение степени извлечения экстрагируемого компонента.

Распылительные экстракторы характеризуются простотой конструкции, высокой производительностью, но вместе с тем очень низкой интенсивностью экстракции.

Полочные колонные экстракторы.

Полочные экстракторы (рис. 2.39) представляют собой колонны с тарелками-перегородками различной конструкции. Перегородки имеют форму либо чередующихся дисков и колец, либо дисков с вырезами в виде сегментов. Расстояние между соседними полками составляет обычно 50 – 150 мм.

Рис. 2.39. Полочный колонный экстрактор

Легкая жидкость (экстрагент) при движении вверх разбивается на капли, которые под каждой полкой сливаются друг с другом (коалесцируют) и обтекают полку в виде ламинарной пленки, которая омывается сплошной фазой.

Интенсивность массопередачи в полочных колоннах несколько выше, чем в распылительных, главным образом за счет уменьшения обратного перемешивания.

Дата добавления: 2015-05-07