Тема 3.5. Экстракция 4ч.

Студент должен:

знать:

• физические основы и методы проведения процесса экстракции в различных системах;

• конструктивные особенности, схемы и принципы расчета экстракторов.

Назначение экстракции. Экстракция в системе жидкость-жидкость. Принцип выбора экстрагента.

Экстракционные установки. Статика процесса экстракции. Материальный баланс.

Конструкции экстракторов. Характеристики и выбор экстракторов.

Экстракция в системе жидкость-твердое тело.

Экстракция

Экстракция – массообменный процесс извлечения компонента из жидких смесей или твердых веществ жидким растворителем (экстрагентом), избирательно растворяющим только извлекаемые компоненты.

В соответствии с агрегатным состоянием взаимодействующих фаз различают жидкостную экстракцию, характеризующуюся извлечением компонента, растворенного в одной жидкости другой жидкостью, не растворимой и не смешивающейся с первой, и экстрагирование (выщелачивание), заключающееся в растворении компонента, находящегося в твердой фазе, жидкостью с последующим удалением его вместе с ней.

Движущей силой процесса экстракции является разность концентраций извлекаемого компонента в исходной смеси и в растворителе.

Экстракция осуществляется как периодически, так и непрерывно.

Процессы экстракции применяются для очистки жидкостей и твердых веществ от примесей, извлечения из них ценных компонентов.

Жидкостная экстракция

Принцип экстракции в системе жидкость – жидкость основан на различной растворимости распределяемого компонента в распределяющих веществах.

Жидкостная экстракция находит широкое применение в различных отраслях промышленности: при производстве технологических органических веществ и редких металлов, очистке продуктов и полупродуктов от примесей, получении ядерного горючего, синтезе лекарственных веществ, а также в радиационной химии, процессах нефтепереработки и нефтехимии.

Благодаря простоте осуществления, низким энергетическим затратами высокой эффективности процессы жидкостной экстракции успешно конкурируют, а иногда используются в сочетании с другими процессами разделения (ректификацией, выпариванием и др.). Ею можно разделять азеотропные смеси, а также смеси компонентов с близкими температурами кипения и малой относительной летучестью.

В процессе жидкостной экстракции исходная смесь F, содержащая распределяемое вещество, вступает в контакт с экстрагентом (растворителем) S, в который в результате массопередачи переходит компонент. После разделения (отстаивание, центрифугирование или другой метод) получают две новые фазы – экстракт Е, представляющий собой раствор распределяемого вещества в экстрагенте, и рафинат R – исходный раствор, из которого частично или полностью извлечено распределяемое вещество.

В ряде случаев следующей стадией за процессом экстракции и разделения полученных продуктов является регенерация экстрагента (удаление из экстракта ранее поглощенного компонента), которую можно осуществить ректификацией, перегонкой в токе водяного пара, повторной экстракцией, реже кристаллизацией или химической обработкой.

При выборе экстрагента (растворителя) к его составу предъявляют ряд требований: селективность (избирательность) по отношению к извлекаемому компоненту; высокая растворимость извлекаемого компонента; возможность проведения эффективной регенерации; разность плотностей с исходной смесью, достаточной для расслоения полученных продуктов; безопасность при работе (отсутствие токсичности, пожаро- и взрывобезопасность); сохранение свойств при обработке, хранении, регенерации; низкая стоимость; доступность.

Основные промышленные экстрагенты, применяемые в процессах экстракции, делятся на три класса.

1. Органические кислоты или их соли (алифатические монокарбоновые кислоты, нафтеновые кислоты, сульфокислоты, фенолы, оксимы, кислые эфиры фосфорной кислоты), которые извлекают катионы металлов в органическую фазу из водной.

2. Соли органических оснований (соли первичных, вторичных и третичных аминов, а также четвертичных аммониевых оснований), с помощью которых извлекают анионы металлов из водных растворов.

3. Нейтральные растворители (вода, спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды и кетоны), с помощью которых осуществляют разные механизмы извлечения в зависимости от кислотности исходного раствора.

Равновесие в процессах жидкостной экстракции подчиняется так называемому закону распределения. В соответствии с этим законом отношение равновесных концентраций распределенного между двумя жидкими фазами вещества при постоянной температуре есть величина постоянная, называемая коэффициентом распределения

В уравнениях (12.1) и (12.2) размерность концентраций выражена в кг/м³.

Если уравнения (12.1) и (12.2) записать для соответствующих, концентраций (у, х), размерности которых выражаются в кг/кг растворителя, они примут вид

По величине коэффициента распределения судят об экстракционной способности экстрагента. Так, увеличение значения Ψ соответствует более высокой способности экстрагента извлекать целевой компонент. Значение коэффициента распределения находится в пределах от 1 до 10000.

Коэффициент распределения зависит от свойств взаимодействующих систем, наличия химического взаимодействия извлекаемого компонента с растворителем. Величина т незначительно зависит от температуры и, вследствие несжимаемости жидкостей, практически не зависит от давления.

Данные для построения линий равновесия и значения коэффициентов распределения приведены в справочниках.

При рассмотрении статики процесса экстракции предполагалось, что экстрагент и раствор, содержащий распределяемый компонент, являются взаимно нерастворимыми или же обладают незначительной растворимостью.

Если же они взаимно растворимы, то для таких систем равновесные соотношения изображаются с помощью треугольных ди­аграмм, построенных для постоянной температуры.

Треугольная диаграмма (рис. 12.1) представляет собой равносторонний треугольник, вершины которого соответствуют содержанию чистых компонентов А, В и С. При этом А и В – компоненты жидкой смеси, подлежащей разделению, С – растворитель. Стороны треугольника являются шкалами, точки которых определяют составы двухкомпонентных смесей или растворов АВ (компонента В), СА (компонента А) и ВС (компонента С), а точки внутри треугольника – составы трехкомпонентных систем.

Так, точка М на рис. 12.1 соответствует составу тройной смеси, содержащей 20% компонента А, 40% компонента В и 40% компонента С.

В дальнейшем, считая, что исходная смесь и экстрагент взаимно нерастворимы, для изображения процессов экстракции будем использовать диаграмму у – х.

Материальный баланс процесса экстракции соответствует об­щему для массообменных процессов уравнению

где G – количество экстрагента; L – количество исходного растворителя; Y₁ и Y₂ – содержание распределяемого компонента в экстракте и экстрагенте, кг компонента/кг экстрагента; Х₁ и Х₂ –содержание распределяемого компонента в исходном растворе и рафинате, кг компонента/кг исходного растворителя.

Из уравнения (12.3) можно определить необходимый расход экстрагента

Зависимость между составами экстрагента и рафината графически выражается рабочей линией, являющейся прямой, уравнение которой соответствует уравнениям (9.4) и (9.5), крайние точки которой определяются составами исходного раствора, экстрагента, экстракта и рафината.

Процессы экстракции проводятся чаще всего без подвода или отвода теплоты, поэтому для их расчета составление теплового баланса не требуется.

Уравнение материального баланса может быть записано для процесса экстракции по входящими выходящим потокам в виде

F+S=R+E,

где F, S, R, Е – весовые расходы исходного раствора, экстрагента, рафината и экстракта.

Кинетика процесса экстракции (кинетические закономерности) определяются основными законами массопередачи. В процессе происходит взаимодействие капель дисперсной фазы и дисперсионной среды. При этом основными стадиями этого процесса являются: переход распределяемого вещества из среды к поверхности капли, а затем внутрь нее или, наоборот, из капли через поверхность раздела фаз в ядро потока среды.

При этом различают три случая.

1. Диффузионное сопротивление сосредоточено в дисперсионной среде.

В этом случае коэффициент массопередачи К_х может быть принят равным коэффициенту массоотдачи среды β_с, т. е. К_х ≈ β_с, а количество переданного вещества определяется из соотношения

М = β_с*Δх_ср*F

Коэффициент массоотдачи для этого случая рассчитывается по критериальному уравнению

Nu_диф.с = β_с*d/D_диф.с = f*(Pe_диф.с),

где Nu_диф.с – диффузионный критерий Нуссельта для среды; D_диф.с – коэффициент диффузии распределяемого вещества в среде; d — диаметр капли; Pe_диф.с = wd/D_диф.с - диффузионное число Пекле для среды; w —относительная скорость движения капли и

среды.

2. Диффузионное сопротивление сосредоточено в дисперсной фазе (капля).

Коэффициент массопередачи К_у может быть принят равным коэффициенту массоотдачи дисперсной фазы β_дисп, т. е. К_у≈ β_дисп, а количество переданного вещества определяется из соотношения

М = β_дисп*Δу_ср* F

Коэффициент массоотдачи для этого случая определяется из уравнения

Nu_диф.д = β_с*d/D_диф.д = f*(Pe_диф.д),

где Nu_диф.д – диффузионный критерий Нуссельта для дисперсной фазы; D_диф.д – коэффициент диффузии распределяемого вещества в капле; Pe_диф.д = wd/D_диф.д – диффузионное число Пекле для капли.

Диффузионные сопротивления в среде и капле соизмеримы.

В этом случае количество переданного вещества определяется в соответствии с основным уравнением массопередачи (9.7), а ко­эффициенты массопередачи рассчитываются по выражениям

Конструкции экстракторов

Промышленные экстракторы, как правило, представляют собой устройства непрерывного действия. Экстракторы периодического действия применяют в малотоннажных производствах и при лабораторных работах.

По характеру изменения состава жидких фаз экстракционные аппараты делятся на смесительно-отстойные, колонные (дифференциально-контактные) и центробежные.

В смесительно-отстойных экстракторах происходит смешение и разделение фаз в каждой ступени. Поэтому концентрации извлекаемого компонента в экстрагенте и обрабатываемой смеси изменяются ступенчато.

В колонных экстракторах осуществляется непрерывный или близкий к непрерывному контакт экстрагента и исходного раствора. Фазы движутся противотоком друг к другу и непрерывно разделяются на выходе из аппарата. Концентрация извлекаемого компонента в фазах изменяется также непрерывно по всему аппарату.

В центробежных экстракторах сам процесс экстракции и разделение фаз происходит в центробежном поле, причем контакт фаз может осуществляться как ступенчато, таки непрерывно.

Смесительно-отстойные экстракторы могут представлять собой один аппарат, в котором процесс осуществляется периодически (перемешивание – расслоение), либо два аппарата, обеспечивающих непрерывный процесс: в первом происходит процесс экстракции (перемешивание), во втором – разделение полученных продуктов (отстаивание).

Экстракторы с мешалками являются наиболее распространенными аппаратами этого типа. Перемешивающее устройство необходимо для дробления одной из жидкостей в другой, что обеспечивает увеличение поверхности контакта фаз. Кроме того, оно обеспечивает поддержание капель во взвешенном состоянии и их перемещение относительно дисперсионной среды.

Для перемешивания применяют чаще всего быстроходные пропеллерные или турбинные мешалки. На рис. 12.2 представлен экстрактор с мешалкой, на вертикальном валу которой установлено

два пропеллера 1 и 2 с противоположным наклоном лопастей. Для усиления дробящего действия эти пропеллеры могут быть помещены в центральную циркуляционную трубу 3 с отверстия ми 4.

Смесительные экстракторы могут не иметь движущихся частей.

Инжекторный смеситель (рис. 12.3, а) обеспечивает перемешивание фаз в диффузоре путем подачи в него с большой скоростью жидкости L, засасывающей за счет своей кинетической энергии жидкость G.

Диафрагменный смеситель (рис. 12.3, б) обеспечивает дробление и перемешивание жидкостей L и G путем пропускания и: через установленные внутри трубы перфорированные диафрагмы. К экстракторам этого типа относятся трубы, заполненные насад кой, сопла, а также вентили.

Трубчатый смеситель (рис. 12.3, в) состоит из коаксиально установленных труб. Во внутреннюю перфорированную трубу подается под давлением жидкость (фаза G), в межтру6ное пространство, также под давлением, - фаза L. Перемешивание фаз (экстракция) происходит в кольцевом зазоре между трубами.

Недостатками последних трех типов смесителей является незначительная продолжительность перемешивания жидкостей в их рабочих зонах, а также необходимость установки после них сепарационного о6орудования (отстойников).

Колонные экстракторы подразделяют на распылительные (полые), насадочные, тарельчатые, пульсационные и роторно-дисковые.

Распылительные (полые) экстракторы представляют собой пустотелые колонны, заполненные одной из взаимодействующих жидкостей. На рис. 12.4 представлен экстрактор 1, заполненный тяжелой жидкостью L. Более легкая жидкость G распыляется в нее с помощью диспергирующего устройства 2, установленного в нижней части аппарата. Если в качестве сплошной фазы используется легкая жидкость, тяжелая жидкость распыливается в нее сверху.

Н

а некотором уровне капли дисперсной фазы сливаются и образуют слой, отделенный от сплошной фазы поверхностью раздела. Над ней установлен патрубок для отвода экстракта. Из нижней части колонны постоянно отводится сплошная фаза в качестве рафината.

Распылительные колонны обладают высокой производительностью, но малоэффективны, что объясняется укрупнением капель дисперсной фазы и обратным перемешиванием вследствие возникновения местных циркуляционных токов, нарушающих противоток фаз.

Насадочные экстракторы представляют собой распылительные экстракторы, заполненные насадочными телами, что способствует многократному дроблению и слиянию капель дисперсной фазы, а также сводит к минимуму обратное перемешивание.

По конструкции и простоте устройства насадочные экстракторы близки к распы‑

лительным, но производительность их несколько ниже, так как некоторая часть

сечения колонны занята насадкой. Эффективность разделения в этих аппаратах также невысокая.

Колонные экстракторы с тарелками (перегородками) применяют для уменьшения явления обратного перемешивания, а также организации благоприятных гидродинамических режимов проведения процессов экстракции.

В качестве перегородок могут использоваться чередующиеся друг с другом плоские диски (тарелки) и кольца. Контакт между фазами осуществляется при обтекании перегородок дисперсной фазой в виде тонкой пленки (при коалесценции* капель) и при движении капель дисперсной фазы в пространстве между перегородками.

В промышленности часто применяются колонные экстракторы с ситчатыми тарелками (рис. 12.5). В этом случае экстрактор 1 заполняется сплошной средой, которая перетекает из одного межтарельчатого пространства в другое через переливные патрубки 2.

Противотоком ей вводится дисперсная фаза, которая, накапливаясь в виде подпорного слоя под каждой тарелкой 3, диспергируется через отверстия тарелок в сплошную среду. Капли под действием подъемной силы движутся в среде и сливаются вновь в подпорном слое следующей тарелки.

В результате многократного диспергирования и слияния капель дисперсной фазы в противоточном слое сплошной среды осуществляется ступенчатая противоточная экстракция. С последней тарелки капли дисперсной фазы поступают в разделительную камеру или в специальный отстойник, откуда и выводятся из аппарата.

В колонных экстракторах дисперсной фазой может быть как легкая (см. рис. 12.5), таки тяжелая жидкости. В последнем случае переливные патрубки направлены вверх, подпорные слои накапливаются над тарелками, а разделительная камера находится под последней тарелкой в нижней части аппарата.

Колонные экстракторы с механическим перемешиванием фаз применяют при малой разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды и значительном межфазовом поверхностном натяжении, затрудняющем дробление из-за естественного течения жидкости. Высокая степень диспергирования в этом случае достигается путем введения в двухфазный поток механической энергии с помощью мешалок различных конструкций.

Одним из распространенных аппаратов такого типа является роторно-дисковый экстрактор (рис. 12.6, а). По оси колонны вращается ротор-вал 1, на который насажены плоские диски 2, перемешивающие двухфазный поток. Колонна делится на секции кольцевыми перегородками 3, укрепленными на стенках корпуса 4. Диски ротора вращаются в середине каждой секции. Движущиеся противотоком фазы L и G смешиваются дисками 2 и затем частично расслаиваются около неподвижных кольцевых перегородок.

Если в экстракторе сплошной фазой является тяжелая жидкость L, то для окончательного расслоения легкой дисперсной

фазы G и сплошной L служит верхняя часть б аппарата, отделенная от рабочей зоны перфорированной перегородкой 5.

Разновидностью аппаратов этого же типа является колонный экстрактор (рис. 12.6, б), в котором вместо плоских дисков установлены на валу лопастные 3 или открытые турбинные мешалки.

Для улучшения расслаивания фаз между смесительными секциями 1 расположены отстойные зоны 2, заполняемые сеткой, насадочными телами или блоками концентрических цилиндров.

Достоинством колонных экстракторов с механическим перемешиванием фаз является сочетание значительной производительности с высокой интенсивностью процесса массопередачи, что 1 позволяет уменьшать их высоту по сравнению с распылительными и насадочными колоннами. В то же время они потребляют значительное количество энергии.

В пульсационных экстракторах ввод дополнительной энергии в двухфазный поток осуществляется путем придания возвратно-поступательного движения (пульсации) жидкостям в рабочей зоне аппарата. Пульсация жидкостей увеличивает турбулизацию потоков и степень дисперсности фаз, повышая тем самым эффективность массопередачи в насадочных экстракторах или экстракторах с ситчатыми тарелками.

Для придания возвратно-поступательного движения жидкостным потокам используют бесклапанный поршневой, плунжерный или мембранный насос, или специальные пневматические устройства.

Режим работы пульсационного экстрактора зависит от интенсивности пульсации, характеризуемой произведением амплитуды (расстояния между крайними положениями уровня жидкости в экстракторе за один цикл) на частоту пульсации (число циклов в единицу времени). При малой интенсивности пульсации попеременно диспергируются легкая жидкость в слой тяжелой жидкости над тарелкой (первый период цикла) и тяжелая жидкость в слой легкой жидкости под тарелкой (второй период цикла). При увеличении интенсивности пульсации рабочая зона равномерно заполнена мелкими каплями, движущимися противотоком в сплошной фазе.

При дальнейшем увеличении интенсивности пульсации наступает захлебывание экстрактора вследствие образования стойкой эмульсии.

В центробежных экстракторах в качестве дополнительной механической энергии, обеспечивающей эффективное диспергирование, повышение относительной скорости движения фаз, а также интенсивного разделения, используется центробежная сила.

Центробежные экстракторы являются интенсивно работающими аппаратами. Значительные скорости движения жидкости обусловливают их высокую производительность и компактность.

Недостатками центробежных экстракторов по сравнению с другими типами аппаратов является их высокая стоимость и значительные затраты на эксплуатацию и ремонт из-за сложности конструкции.

Характеристики и выбор экстракторов

Все перечисленные типы экстракционных аппаратов используются в химической и других отраслях промышленности. Причем, выбор той или иной конструкции определяется в первую очередь конкретными условиями ее использования, а также технико-экономической целесообразностью.

Так, к преимуществам колонных экстракторов перед смесительно-отстойными относятся: простота конструкции, более низкие капитальные затраты на сооружение и меньший расход энергии на проведение процесса.

Однако смесительно-отстойные экстракторы имеют меньшие габаритные размеры. Они менее чувствительны к наличию механических примесей в жидкостях, которые могут забивать насадку, отверстия тарелок и распиливающих устройств. Время для достижения стационарного режима работы смесительно-отстойных экстракторов после пуска очень мало по сравнению с колонными аппаратами, запуск которых продолжается в течение нескольких часов. Эти преимущества смесителыно-отстойных экстракторов имеют особое значение в производствах с периодическим циклом работы и там, где возможны частые остановки аппаратов.

Следует отметить, что все более широко применяются экстракторы с принудительным перемешиванием, в которых в результате подвода к жидкости энергии из внешнего источника достигаются значительное увеличение поверхности контакта фаз и интенсификация массообмена.

В крупнотоннажных производствах, где необходима большая производительность, но требуется умеренное число единиц переноса для разделения смеси, эффективны колонные экстракторы с механическими мешалками.

Общим недостатком экстракторов с механическими мешалками является сложность их эксплуатации при обработке химически агрессивных или вредных веществ. Этот недостаток отсутствует у пульсационных экстракторов, сочетающих большую производительность с высокой интенсивностью массопередачи.

Пульсационные экстракторы успешно применяются в процессах разделения и получения редких и рассеянных элементов. Использование этих аппаратов в многотоннажных производствах сопряжено с трудностями сообщения вибраций значительным массам жидкости.

Центробежные экстракторы – компактные высокоэффективные аппараты, отличающиеся от экстракторов других типов малым временем пребывания в них взаимодействующих веществ. Эти экстракторы пригодны для обработки систем с малой разностью

плотностей фаз и веществ, требующих проведения высокоскоростной экстракции. В то же время, из-за сложной конструкции эти аппараты имеют более высокую стоимость и повышенные эксплуатационные расходы.

Принципиальные схемы экстракции

В технологических процессах используются различные схемы экстракции: однократная; многократная с перекрестным током растворителя (экстрагента); многократная с противотоком растворителя; непрерывная противоточная; ступенчатая противоточная.

Однократная экстракция осуществляется как периодическим, таки непрерывным способом. В экстрактор загружается исходный раствор F, содержащий распределяемое вещество концентрацией х_F, и к нему добавляют порцию растворителя S с концентрацией распределяемого вещества у_S. Жидкости перемешивают длительное время, так что можно считать, что в массообменной системе наступает состояние равновесия. После проведения процесса экстракции жидкости расслаиваются в этом же аппарате. В результате получают рафинат R с концентрацией х_R и экстракт Е с концентрацией у_Е.

При проведении непрерывного процесса однократной экстракции смесь рафината и экстракта непрерывно отводится из смесительного устройства в отстойник, где осуществляется их разделение.

Э

тот процесс в случае взаимной нерастворимости фаз может быть изображен на у – х-диаграмме (рис. 12.7) прямой аb, тангенс угла наклона которой соответствует отношению массовых расходов исходного раствора F и растворителя S. Как следует из приведенной диаграммы при увеличении количества растворителя можно получить рафинат высокой степени чистоты, но предельное насыщение экстракта определяется величиной y_Emax.

Эффективность проводимого по этой схеме процесса экстракции невелика, поскольку концентрации распределяемого вещества в целевых продуктах мало отличаются от исходных.

Многократная экстракция с перекрестным током растворителя (рис. 12.8) обеспечивает более высокую эффективность проведения процесса. В ходе экстракции исходный раствор на каждой стадии обрабатывается свежим растворителем.

Из первой ступени однократной экстракции Э₁ исходного раствора F растворителем S₁ полученный после разделения рафинат R₁ с концентрацией х _R1, вводится в контакт с новой порцией растворителя S₂ на второй ступени Э₂ и т. д. (рис. 12.8, а). Процесс обработки осуществляют до тех пор, пока не получен рафинат требуемого состава.

Общий расход растворителя равен сумме всех порций экстрагента на всех ступенях экстракции. В зависимости от количества растворителя, подаваемого на каждую стадию, может меняться угол наклона рабочих линий процесса ab и cd (рис. 12.8, б).

Недостатком данного способа является значительный расход растворителя и его невысокое насыщение на стадиях процесса экстракции.

Многократная экстракция с противотоком растворителя (рис. 12,9) состоит из нескольких стадий смесительно-отстойной экстракции (рис. 12.9, а). Свежий растворитель S вводится в процесс на последней стадии Э₃ обработки исходной смеси, а получаемый экстракт в качестве растворителя перемещается на предыдущую стадию Э₂. Таким образом на каждой ступени осуществляется однократная экстракция очищаемого рафината движущимся противотоком ему растворителем.

При взаимной нерастворимости фаз этот процесс может быть представлен на диаграмме у – х (рис. 12.9, б) в виде рабочих ли ний ab, cd и ef, соответствующих каждой ступени однократной экстракции.

Поскольку отношение количества исходного вещества и растворителя в процессе не меняется, угол наклона рабочих линий на каждой стадии постоянен.

Непрерывная противоточная экстракция осуществляется в ко­лонных экстракторах (полых, насадочных, тарельчатых). При этом составы взаимодействующих фаз могут меняться как непрерывно, так и скачкообразно от ступени к ступени.

Рабочая линия в том и другом случае представлена отрезком, соответствующим противоточному процессу массопередачи (см. рис. 9.3, в).

Экстрагирование

Экстракция в системе жидкость – твердое тело (экстрагирование) представляет собой процесс извлечения одного или нескольких компонентов, распределенных в твердом веществе. Извлекаемый компонент либо в твердом, либо в жидком состоянии может находиться в твердом веществе, скелет которого играет роль инертного носителя.

Извлечение распределяемого компонента из твердой структуры жидкостью эффективно по следующим причинам:

• жидкое состояние вещества позволяет обеспечить максимальную поверхность контакта фаз;

• диффундирование компонентов к границе раздела фаз и в обратном направлении в жидкости ускоряется вследствие увеличения подвижности молекул и микрообъемов среды;

• молекулы, находящиеся в растворе, более активны, чем молекулы вещества, находящегося в твердом состоянии.

Механизм процесса экстрагирования имеет две основные стадии, определяющие его кинетику: диффузию вещества из пор твердого скелета-носителя к поверхности вещества и диффузию от поверхности через пограничный слой в ядро потока.

Движущей силой процесса экстрагирования является разность концентраций. Если извлекаемое вещество находится в растворенном состоянии, то равновесие наступает при равенстве концентраций компонента в порах и растворителе. При экстракции компонентов, находящихся в твердом состоянии, равновесие наступает в момент достижения в растворителе концентрации насыщения по извлекаемому компоненту.

Повышение температуры способствует возрастанию движущей силы (разности концентраций), вызывает увеличение коэффициента молекулярной диффузии, что значительно интенсифицирует процесс экстрагирования. Вследствие этого экстрагирование чаще всего осуществляют при повышенной температуре, ограниченной температурой кипения растворителя при конкретных условиях.

Процесс экстрагирования может проводиться при интенсивном перемешивании, позволяющем обеспечить максимальную поверхность контакта фаз, а также при интенсивной турбулизации растворителя, увеличивающей коэффициент массоотдачи от поверхности твердых частиц в раствор. Однако перемешивание практически не влияет на процесс диффузии компонента внутри твердого вещества, который в этом случае может являться лимитирующей стадией.

В этом случае повышение скорости процесса экстрагирования может достигается путем измельчения твердой фазы, что не только увеличивает поверхность контакта фаз, но и сокращает путь внутренней диффузии.

Процесс экстрагирования осуществляется периодически и непрерывно.

Периодическое экстрагирование применяют обычно в малотоннажных производствах, когда другие операции этого технологического процесса также осуществляются периодически.

В крупнотоннажных производствах экстрагирование осуществляется обычно непрерывными способами, которые в зависимости от движения раствора и твердой фазы делятся на прямоток, противоток и их различные комбинации.

При организации потока растворителя и твердого материала следует учитывать, что эффективность экстрагирования противотоком выше, чем прямотоком. Это обусловлено тем, что средняя скорость процесса увеличивается при извлечении вещества свежим растворителем из внутренней части частиц перед удалением их из процесса, а концентрированным растворителем – с поверхности частиц в момент их ввода в установку.

К основным конструкциям экстракторов для систем жидкость – твердое тело относятся: карусельные, конвейерные, вертикальные колонные, горизонтальные шнековые и лопастные, барабанные, смесительно-отстойные и др.

Контрольные вопросы

1. В чем заключаются принцип и назначение процессов экстракции?

2. Какие требования предъявляются к экстрагентам (растворителям) в процессах жидкостной экстракции?

3. Какому закону подчиняется равновесие в процессах жидкостной экстракции?

4 Какие основные конструкции жидкостных экстракторов применяются в промышленности?

5. Какие принципиальные схемы жидкостной экстракции используются в промышленности?

6. В чем заключаются принцип и особенности процесса экстрагирования?