Многоступенчатая экстракция

Многоступенчатая экстракция в перекрестном токе – ограниченно применима в промышленности вследствие дороговизны и невысокой эффективности, однако позволяет получить весьма чистый компонент А, поэтому используют этот метол в том случае, когда можно применять дешевый экстрагент и не регенерировать его впоследствии.

Схема процесса:

Исходный раствор подается на первую ступень, со второй ступени исходным раствором является рафинат предыдущей ступени.

Общее количество экстрагента разделяется на части и подводится в количествах S₁, S₂, S₃… на каждую ступень.

При достаточно большом числе ступеней можно получить практически чистый А, однако выход его невелик из-за потерь на каждой ступени.

Многоступенчатая экстракция противоточная – наиболее широко применима в промышленности. Эта схема обеспечивает выравнивание движущей силы на ступенях, достигается высокое значение средней движущей силы и обеспечивается наиболее полное извлечение ЦК.

По сравнению с экстракцией в перекрестном токе при одинаковой чистоте конечного рафината уменьшается расход экстрагента и увеличивается выход рафината, но требуется большее число ступеней.

Пусть на экстрагирование поступает F кг/сек исходного растворителя, с противоположного края аппарата подается S кг/сек экстрагента. Их общий расход М кг/сек.

Принимается, что А и S взаимно нерастворимы, т.е. количества А и S на ступенях постоянны.

Уравнение материального баланса по компоненту В для всей установки имеет вид:

.

Это же уравнение для n-1 ступени имеет вид:

- уравнение рабочей линии, прямая с .

Расчет числа теоретических ступеней сводится к построению ступеней между равновесной и общими линиями (аналогично ректификации и абсорбции).

Если А и S обладают значительной взаимной растворимостью, то расчет числа теоретических ступеней и состава фаз проводят по треугольной диаграмме на основе материальных балансов для всего аппарата и отдельных его ступеней.

Материальный баланс для всего аппарата:

- обозначим разность.

Если составить материальный баланс для каждой ступени, то следует разность количеств двух смесей есть величина постоянная, равная Р. На треугольной диаграмме прямые, соединяющие эти составы, пересекаются в точке Р, называемой полюсом.

Известно F, S, E₁, R_n.

Для нахождения точки Р соединяем E₁F, R_nS прямыми и проводим их до пересечения. Точка пересечения дает полюс Р. Из точки E₁ проводим хорду равновесия и находим R₁ – состав рафината, выходящего с первой ступени.

Соединяем R₁Р, продолжая до пересечения с бинодальной кривой, получаем E2 точку, соответствующую составу экстракта. Затем по хорде E₂R₂ определяем точку R₂ и т.д.

Полюс:

1- ступень: .

2- ступень: .

3- ступень: .

Разница Р постоянна на каждой ступени.

Если к R₂ добавить смесь состава Р (2-я ступень), то образуется смесь состава Е₂, и все эти точки, согласно правилу смесей (рычага) лежат на одной прямой. Следовательно, все прямые выходят из одной точки Р для каждой ступени.

Число хорд равновесии, заключенных между Е₁Р и SP даст число теоретических ступеней.

Точка пересечения FS и E₁R_n позволит определить удельный расход экстрагента:

.

Для повышения степени разделения исходного раствора используют многоступенчатую противоточную экстракцию с флегмой.

Многоступенчатая противоточная экстракция с флегмой.

Для повышения степени разделения исходного раствора используют орошения аппарата с флегмой.

После регенерации растворителя часть экстракта возвращается в экстрактор в виде флегмы. Поток флегмы, поступающей в аппарат на стороне отбора экстракта, вымывает из последнего некоторое количество исходного растворителя, который в конечном счете переходит в рафинат.

Этот процесс аналогичен ректификации, однако, аналогия неполная.

Возврат флегмы должен быть таким, чтобы составы смесей жидкостей соответствовали двухфазной области треугольной диаграммы.

Многоступенчатая экстракция двумя растворителями (фракционная экстракция) – позволяет увеличить разделяющую способность.

Применяется для разделения веществ с близкой растворимостью, например редкоземельных металлов.

Этот метод требует значительных расходов экстрагентов, поэтому является дорогим.

Пусть экстракция проводится экстрагентами S₁, S₂, при этом образуется экстракт S₁+В и рафинат S₂+А.

S₁ - называют экстрагирующим экстрагентом;

S₂ - промывным.

Часть колонны между вводом F и выводом экстракта (S₁+В) называется секцией экстракции, (S₂+А) – секцией отмывки.