Теория экстрагирования

Экстрагированием называют извлечение вещества М из его раствора в А с помощью другого растворителя В, не смешивающегося с А и образующего самостоятельную фазу.

По теории растворов известна закономерность, связывающая равновесные концентрации растворенного вещества в двух сосуществующих растворах, а именно:

(16)

где [М]а и [М]в — концентрации: вещества М соответственно в растворителе А и в растворителе В, а К' — постоянная для заданной температуры величина —коэффициент распределения.

Если концентрации вещества М в обоих растворах малы, то можно принять объемы обоих растворов равными объемам растворителей, т. е. пропорциональными массам растворителей в каждом из растворов, тогда коэффициент распределения можно выразить следующим образом:

(17)

где Ма и Мв — массы растворенного вещества в растворителях А и В, а А и В - массы растворителей в каждом из сосуществующих растворов. Коэффициент распределения К останется постоянной величиной' для данной температуры, но будет иметь иное, отличное от К' чис­ленное значение.

Второй растворитель, применяемый для извлечения вещества М из его раствора в А, называют экстрагентом (экстрагирующим реагентом), получаемый раствор М в экстрагирующем реагенте— экстрактом и обедненный веществом М раствор его в А — рафинатом.

Технологическая операция экстрагирования может быть осуществлена в простейшем экстракторе — сосуде, снабженном мешалкой и краном для выпуска конечных продуктов. Операция состоит из следующих стадий: 1) загрузки исходного раствора и экстрагента; 2) перемешивания до достижения равновесия распределения; 3) отстаивания смеси до разделения экстракта и рафината и 4) раздельного выпуска продуктов операции. В опорожненном экстракторе можно вести такую же опе­рацию с новыми порциями сырья и экстрагента. Описан­ная операция имеет начало и конец и определенную про­должительность; такие операции называют периодиче­скими или циклическими. При использовании более сложного аппаратурного оформления операцию экстра­гирования можно проводить как непрерывный процесс. Если обозначить массу вещества М в исходном растворе Хо, массу вещества М в рафинате — х, массу исходного растворителя — w, массу экстрагирующего реа­гента—-L и коэффициент распределения К, то масса вещества М в экстракте будет равна (х0 — х), а коэффи­циент распределения выразится следующей, формулой:

(18)

Отсюда тождественными преобразованиями получаем общее выражение для величины х при экстрагировании:

(19)

Процесс экстрагирования имеет очень интересную особенность— извлечение растворенного вещества в экстракт при последовательном применении нескольких равных порций экстрагирующего реагента будет боль­шим, чем при применении всей массы реагента, в одной. операции.

Пусть экстрагирующий реагент применяют для последовательных экстраций одного и того же исходного раствора (х0, w), величина (масса) порций экстрагирующего реагента равна L, тогда масса вещества М в рафинате составит:

(20)

Если вместо п последовательных экстракций применять одно экстрагирование с nL массой экстрагирующего реагента, то содержание вещества М в полученном рафинате х' определяется следующей формулой

(21)

Сравнение выражений' (20) и (21) показывает, что х_п<х1 т. е. деление экстрагирующего реагента на порции и их последовательное применение дает лучшее (более полное) удаление вещества М от исходного раствора.

Схема такого многократного экстрагирования дана на рис. 19; она используется в тех случаях, когда веще­ство М не представляет ценности и его только нужно. удалить из исходного раствора, а экстрагирующий peaгент — вещество дешевое.

Если вещество М нужно не только отделить от вещества А, но и получить в чистом виде, то предшествующая схема неудобна, так как при такой работе получается n различных экстрактов с постепенно уменьшающимися концентрациями вещества M. В этом случае целесообразно использовать приведенную на рис. 20 схему каскада операций экстрагирования, в которой экстракты последующих, операций применяют

Рис.11 Схема многократного экстрагирования

Рис.12 Схема противоточного экстрагирования

в качестве экстрагирующего реагента для предшествующих операций. При такой организации работы экстрагирующий реагент дается только в последнюю операцию; все остальные операции, получают экстракты последующей операции. Каскад выдает только два продукта: экстракт первой операции и рафинат последней опера­ции, все остальные продукты операций будут: промежуточными. Для подобных схем характерно встречное дви­жение — противоток продуктов операций каскада.

Противоточные каскады технологических операций предназначены только для длительной непрерывной работы в определенном установившемся режиме. Условием такой работы — стационарности действия каскада — будет неизменность во времени, характеристик действия всех операций, составляющих каскад. Для описанных циклических операций экстрагирования условием стационарности будет неизменность масс и составов экстракта и рафината каждой операции.

(22)

Это выражение позволяет рассчитать величину х_п -массу компонента М в рафинате последней, операции каскада по данным х₀, L, w, К и n, т. е. определить результат, работы каскада. Полнота удаления компонента М из исходного раствора, определяемая отношением х_о/х_n, увеличивается с ростом: отношения L/w, уменьше­нием величины коэффициента распределения К и повышением числа операций каскада.

Если величина L/Kw равна или больше единицы, то с увеличением числа операций каскада можно получить какую угодно высокую степень удаления вещества М из; исходного раствора; если L/Kw. меньше единицы, то при увеличении числа операций каскада величина x_n/х_о стремится к определенному конечному пределу т. е.

какая угодно высокая степень удаления М из раствора не может быть получена.

Дата добавления: 2015-06-25