Методы экстракции

При экстракции неорганических веществ обычно извлекают одно или несколько веществ из водной фазы одним экстрагентом.

При разделении экстракцией смесей органических веществ в зависимости от числа применяемых экстрагентов различают:

1) Экстракция одним экстрагентом в системах, состоящих минимум из 3-х компонентов.

2) Экстракция двумя экстрагентами (фракционная экстракция) в системахб состоящих минимум из 4-х компонентов (2 компонента исходного раствора, разделяющихся между двумя несмешивающимися экстрагентами).

Наиболее распространена экстракция одним компонентом.

Рассмотрим несколько вариантов на примере ступенчатой экстракции.

Одноступенчатая однократная экстракция

Количество экстрагируемого вещества фиксировано законом равновесного распределения, степень его извлечения является относительно низкой.

Степень извлечения может возрастать, увеличивая количество экстрагента, но при этом снижается содержание целевого компонента (ЦК) в экстракте, что в свою очередь приведет к удорожанию процесса.

Поэтому одноступенчатую экстракцию применяют лишь в том случае, если коэффициент распределения высок.

Процесс может быть периодическим и непрерывным.

Рассмотрим 2 системы:

1. фазы практически взаимно растворимы;

2. фазы ограниченно растворимы друг в друге.

1. Исходный растворитель и экстрагент практически

нерастворимы друг в друге

Пусть А кг исходного раствора с концентрацией ЦК , смешивают с S кг экстрагента, при чем в результате экстракции получают равновесные фазы, рафинат концентрацией и экстрагент концентрацией .

Весовое соотношение фаз . Тогда материальный баланс по распределяемому веществу:

.

Откуда:

.

Учитывая, что , находим:

,

.

Определим степень извлечения распределяемого вещества:

.

При ε < 1 – достаточно высокое остаточное содержание ЦК в рафинате, при ε > 2 – возрастает стоимость регенерации экстрагента. Оптимальное значение ε [1,2…2].

Для систем с нерастворимыми друг в друге растворителями достаточно рассмотреть равновесные процессы на -диаграмме.

Из материального баланса следует вид рабочей линии процесса:

,

.

Если в результате экстракции достигается равновесие, то точка В показывает составы фаз экстракта и рафината .

.

При увеличении S - tg α уменьшается, соответственно составы экстракта и рафината (точка В₁).

Если вследствие недостаточного времени контактирования или других параметров процесса, разделяемые фазы неравновесны, то степень извлечения рассчитывают по формуле:

2. Система с ограниченной растворимостью а и s

Пусть при смешении F кг исходного раствора с S кг экстрагента образуется М кг смеси, после расслаивания которой получают R кг рафината и Е кг экстракта.

Тогда материальный баланс процесса:

.

Целью расчета является определение количества экстрагента, количеств и составов фаз экстракта и рафината, исходя из состава исходного раствора и принятому соотношению количества экстрагента и исходного раствора. Расчет ведется по треугольной диаграмме. При этом считаем, что исходный раствор обрабатывается чистым экстрагентом.

F – состав исходного раствора.

FS – соответствует постоянному соотношению А и В в смеси.

Ь – соответствует составу смеси А+В+S.

Ее положение определяют исходя из соотношения .

По правилу рычага: .

Определяют хорду, на которую легла точка М и проводят расчет количеств экстракта и рафината:

.

Составы конечных рафината и экстракта определяют по пересечению лучей SR и SE со стороной АВ: точки R_К и Е_К.

Также по диаграмме определяют количество экстрагента: минимальное и максимальное.

Минимальное соответствует точке М₁, согласно правилу рычага на хорде M₁T₁ будет образовываться только рафинат:

.

Максимальное количество экстрагента соответствует точке М₂, в данном случае образовывается только слой экстракта:

.

На практике S выбирают в промежутке между Smin и Smax так, чтобы обеспечить экономическую оптимальность.

При непрерывном процессе определяют расходы экстрагента, экстракта и рафината.