5.5 Екстрагування

Екстрагування в системі рідина – рідина

Теорія процесу. Для екстрагування з рідкої суміші якого-небудь компонента підбирають розчинник, який не змішується з оброблюваною рідкою сумішшю, але добре розчиняє витягуваний компонент. Цей розчинник (екстрагент), таким чином, нерастворим в початковій рідині або слабо в ній розчинимо. В результаті обробки початкової рідини екстрагентом отримують дві рідкі фази.

Однією з них є початкова рідина, що містить залишок витягуваних компонентів і деяку кількість екстрагента, оскільки важко підібрати абсолютно нерозчинний в початковій рідині екстрагент. Ця фаза називається рафинатной, або просто рафінатом.

Другу фазу складає екстрагент з компонентами, витягнутими їм з початкової суміші. Ця фаза називається екстрактом.

Розподіл витягуваного компонента між фазами визначається умовами рівноваги. У простому випадку, якщо екстрагент і початкова рідина повністю нерастворимы, умова рівноваги буде записана простим рівнянням

у = Кх, (5.21)

де у – концентрація витягуваного компонента в екстракті;

х – концентрація витягуваного компонента в рафінаті;

К – коефіцієнт розподілу.

У координатах х – у лінія рівноваги ОА має вигляд прямої, що виходить з початку координат (мал. 5.5). Величина коефіцієнта розподілу К для заданої системи залежатиме тільки від температури. Якщо екстрагент частково розчинимо в початковій рідині, то лінія рівноваги ОВ не буде прямою, оскільки на величину коефіцієнта розподілу робить вплив взаємна розчинність. В цьому випадку лінія рівноваги відхиляється від прямої, наприклад лінія ОВ на мал. 5.5.

Малюнок 5.6 Трикутна діаграма рівноваги

Оскільки в процесі екстракції, описаному вище, беруть участь три компоненти, то при розгляді процесу рідинної екстракції користуються трикутною діаграмою (мал. 5.6).

Малюнок 5.5 Лінія рівноваги при екстракції в системі рідина – рідина

На мал. 5.6 представлений рівносторонній трикутник, на сторонах якого відкладений відсотковий вміст кожного з трьох компонентів. Вершини трикутника відповідають чистим компонентам А, В і С. На сторонах трикутника відмічені відрізки, що відповідають подвійним сумішам. Наприклад, точка а на стороні АС відповідає суміші, що не містить компонент В і що складається з 50% компонента А і 50% компонента С. Будь-яка точка G усередині трикутника зображує суміш трьох компонентів. Щоб визначити її склад, треба з точки G провести лінії, паралельні сторонам трикутника, як це показано на мал. 5.6. Склад суміші, що відповідає точці G, буде: х_А =45%, х_В = = 26%, х_С = 29%. Принято вважати, що вершина А відповідає рідині, що екстрагується, точка С – екстрагенту, точка В – витягуваному компоненту.

Початкова суміш містить рідину, що екстрагується, А і компонент В (див. мал. 5.7). Наприклад, точка S відповідає змісту 50% компонента А і 50% компонента В. Якщо до цієї суміші додати екстрагент, то склад суміші відповідатиме якійсь точці, що лежить усередині трикутника АВС. Можна довести, що у міру збільшення в суміші екстрагента усі точки, суміші, що відповідають проміжним складам, знаходитимуться на лінії SС.

Малюнок 5.7. Зона розшаровування в потрійній діаграмі

Малюнок 5.8 Зображення процесу екстракції в потрійній діаграмі

Оскільки екстрагент тільки частково розчинимо в початковій рідині, то на потрійній діаграмі зображатимуться дві зони: гомогенна, де усі компоненти взаємно розчинні, і гетерогенна, де система має дві фази – рафінат і екстракт. Гетерогенна зона на мал. 5.7 лежить нижче лінії РКR.

Нехай, наприклад, при збільшенні до початкової суміші екстракту отриманий склад суміші, зображений точкою М. Ця точка знаходиться в гетерогенній області, т.е. при цьому складі суміш розшаровуватиметься і утворюються дві рідкі фази: екстрактна і рафинатная. Склад цих фаз може бути знайдений експериментально, що дозволить побудувати в діаграмі лінії сполучення, або коноди. Ці лінії позначені на мал. 5.7 пунктиром. Нахил конод визначається величиною коефіцієнта розподілу К. Якщо, наприклад, при додаванні до суміші S екстрагента С отримана суміш, що зображується точкою М, то ця суміш розшарується, утворюючи дві фази. Склад однієї з них, екстрактною, буде даний точкою F, склад інший, рафинатной, – точкою Н. По мал. 5.7 можна визначити не лише склад фаз, але і співвідношення їх кількостей. Маси фаз відноситимуться один до одного згідно з рівнянням

G_H / G_F = MF / MH.

Це рівняння називається правилом важеля.

З викладеного витікає, що для процесу екстракції представляє інтерес тільки та область діаграми, яка лежить нижче області, що обмежує гетерогенну зону кривої. Саме у цій зоні можливе розшаровування і виведення з системи компонента, що екстрагується.

Розглянута потрійна діаграма дозволяє зображувати графічно процес, що відбувається в екстракторі для рідини. Припустимо, що маємо потрійну діаграму для якої-небудь потрійної системи (мал. 5.8). Нехай склад початкової суміші заданий точкою D, а склад екстрагента – точкою Е. Припустимо, що кількість суміші із складом, що відповідає точці D, рівне G_D (в кг), а кількість екстрагента узята G_Е (в кг). При їх змішенні отримують склад суміші, що відповідає точці М. При цьому

G_D / G_Е = МЕ / МD.

Отримана суміш, склад якої відповідає точці М, розшаровується, утворюючи екстракт і рафінат.

Таким чином, в результаті одноразового контакту початкової суміші і екстрагента виходять дві фази, одна з яких (екстракт) збагачена компонентом D, а інша, навпаки, збіднена (рафінат). Кількість цих фаз може бути знайдена з мал. 5.8 по рівнянню

G_R / G_L = МL / МR.

Рідинну екстракцію можна представити як простіший процес, якщо вважати, що початкова рідина і екстрагент взаємно нерозчинні. Тоді графічна побудова значно спроститься і може бути представлено діаграмою, приведеною на мал. 5.9. На цій діаграмі приведені лінія рівноваги і робоча лінія. На горизонтальній осі відкладені концентрація компонента, що екстрагується, в рідині, що екстрагується, на вертикальній осі – концентрація компонента, що екстрагується, в екстрагенті.

Малюнок 5.9 Знаходження числа східців концентрації для рідинної екстракції

Робочу лінію будують по заданих кінцевих і початкових концентраціях компонента, що екстрагується, в екстрагенті.

Побудувавши ступінчастий графік, отримують число східців концентрації, необхідне для проведення екстракції в заданих межах концентрації.

Рівняння робочої лінії може бути отримане з матеріального балансу компонента, що поглинається

G₁ (x_н – x_к) = G₂ (y_к – y_н). (5.22)

де G₁ – кількість рідини, що екстрагується, кг;

G₂ – кількість екстрагента, кг.

Звідси одержують рівняння робочої лінії

G₁ / G₂ = (y_к – y_н) / (x_н – x_к). (5.23)