5.2 Кинетика экстракции

Кинетические закономерности экстракции определяются основными законами массопередачи. Для развития поверхности контакта фаз обычно одну из жидкостей диспергируют до капель определенной величины. Распределяемое вещество переходит из сплошной фазы к поверхности и затем внутрь капель или из капли через поверхность раздела фаз в ядро потока сплошной фазы.

Если диффузионное сопротивление внутри капли незначительно по сравнению с диффузионным сопротивлением в сплошной фазе, то массообмен определяется только диффузионным сопротивлением сплошной фазы. Количество перенесенного вещества из фазы определяется по уравнению:

, (5.5)

где _с – коэффициент массоотдачи по сплошной фазе; х_м – изменение концентрации распределяемого вещества в сплошной фазе; F – поверхность контакта фаз.

Если диффузионное сопротивление сплошной фазы незначительно, а диффузионным сопротивлением внутри капли нельзя пренебречь, то массопередача определяется диффузионным сопротивлением внутри капли. Количество вещества, перенесенное из фазы, определяется по уравнению:

, (5.6)

где – коэффициент массоотдачи по дисперсной фазе; у_м – изменение концентрации распределяемого вещества в дисперсной фазе.

В случае необходимости учета распределения массы как в сплошной среде, так и внутри капли при сопоставимости величин диффузионных сопротивлении в сплошной фазе и внутри капли необходимо использовать уравнения (5.5) и (5.6) и на их основе рассчитывать коэффициенты массопередачи по уравнениям:

, , (5.7)

где , и – плотности водной и органической фаз.

5.3 Принципиальные схемы экстракции

Органические вещества извлекают из сточных вод экстракцией с перекрестным током, по методу ступенчатого противотока или путем противоточной экстракции (рис.5.3).

В ступенчатой экстракции с перекрестным током воду, подлежащую очистке (L), последовательно экстрагируют несколько раз свежим растворителем (Э). Каждую обработку называют ступенью экстракции. Рафинаты R₁ и R₂ направляют в последующие ступени.

К

Рис. 5.3. Схемы экстракции органических веществ из сточных вод:

1 – ступенчатая экстракция с перекрестным током;

2 – экстракция по методу ступенчатого противотока;

3 – противоточная экстракция

онечный рафинат R₃ представляет собой очищенную воду. Э_1, Э_2, Э₃ – экстракты после первой, второй и третьей ступеней процесса. Основной недостаток ступенчатой экстракции с перекрестным током – относительно высокий расход растворителя (экстрагента) и относительно невысокая концентрация распределяемого вещества в экстрактах. В производственных условиях работа по данной схеме целесообразна только в тех редких случаях, когда полученные экстракты не направляют на регенерацию растворителя.

Экстракцию по методу ступенчатого противотока широко используют в производственных условиях, в том числе для обесфеноливания сточных вод. Один и тот же поток очищаемой воды ступенчато перемешивают с экстрагентом, движущимся навстречу потоку.

В процессах противоточной экстракции обрабатываемый раствор и экстрагент непрерывно движутся навстречу друг другу, а экстрагируемое вещество непрерывно переходит из одной фазы в другую. Противоток обеспечивает равномерную разность рабочей и равновесной концентрации по всей высоте или длине экстрактора.

П

Рис. 5.4. Процесс однократной экстракции на прямо- угольной диаграмме

ри взаимной нерастворимости фаз процесс однократной экстракции может быть изображен на прямоугольной диаграмме х-у прямой аb. Тангенс угла наклона прямой равен отношению массовых загрузок исходной воды и растворителя (рис. 5.4). По диаграмме могут быть найдены также составы рафинатов и экстрактов при различных соотношениях загрузок. Если при увеличении количества растворителя можно получить рафинат любой степени чистоты, то предельное насыщение экстракта определяется точкой .

Эффективность проводимого по этой схеме процесса экстракции невелика и широкого распространения в промышленности способ не получил. Эффективность экстракции может быть значительно повышена, если проводить ее многократно, используя свежую порцию растворителя для обработки одной и той же порции исходного раствора. Такой способ проведения процесса получил название многократной экстракции с перекрестным током растворителя.

Из первой ступени однократной экстракции исходной сточной воды (L) растворителем (Э) полученный рафинат состава (R₁) вводится во вторую ступень, где обрабатывается свежей порцией растворителя. Тройная смесь расслаивается на второй рафинат и экстракт. Процесс ведут до тех пор, пока не получат рафинат заданного состава. Полученные в каждой ступени порции экстракта содержат все меньшее количество распределяемого вещества, а общий расход растворителя равен сумме всех порций во всех ступенях экстракции.

При многократной экстракции с противотоком растворителя исходный раствор самотеком перетекает со ступени на ступень, отдавая распределяемое вещество растворителю. В каждой ступени осуществляется однократная экстракция частично очищенного рафината более свежим противоточно движущимся растворителем. В последней ступени рафинат контактирует со свежим растворителем. Противоток растворителя от последней ступени к первой (по ходу рафината) осуществляется насосами. На первой ступени насыщенный распределяемым веществом растворитель контактирует с концентрированным исходный раствором и выходит в виде экстракта, предельно насыщенного распределяемым веществом. При взаимной нерастворимости фаз процесс многократной экстракции может быть представлен на диаграмме х-у в виде рабочих линий аb, сd, еh однократной экстракции, причем концентрации рафината или экстракта на выходе из предыдущей ступени и на входе в последующую равны (рис. 5.5).

П

Рис. 5.5. Процесс многократной экстракции с противотоком растворителя на прямо- угольной диаграмме

Рис. 5.6. Схема ступенчатой противоточной экстракции и изобра- жение процесса на прямоугольной диаграмме

роцесс по схеме ступенчатой противоточной экстракции (рис. 5.6) отличается тем, что состав одной из фаз при переходе от ступени к ступени меняется скачкообразно (как при многократной экстракции), а состав второй фазы – непрерывно (как при непрерывной противоточной экстракции). Такой процесс может быть осуществлен в колонном тарельчатом экстракторе, где сплошная фаза на каждой тарелке перемешана и имеет постоянный состав, скачкообразно меняющийся от тарелки к тарелке. Дисперсная фаза непрерывно изменяет свой состав по всей высоте аппарата.

На прямоугольной диаграмме процесс экстракции представляется в виде рабочей линии аb, если соблюдается взаимная нерастворимость фаз (или взаимная растворимость фаз близка к нулю). Если взаимная растворимость воды и экстрагента мала, то остаточная концентрация извлекаемого вещества в воде на любой ступени экстракции может быть вычислена по формулам:

– для равновесной перекрестно экстракции

, (5.8)

– для равновесной противоточной экстракции

, (5.9)

где – равновесная концентрация экстрагируемого вещества в воде после N-ступенчатой экстракции; – концентрация экстрагируемого вещества в сточной воде до очистки; N – число ступеней экстракции;  – соотношение объемов экстрагента к объему воды на каждой ступени экстракции ( = const).

Произведение коэффициента распределения (K_э) на соотношение объемов () называют фактором экстракции. Величина подбирается так, чтобы  > 1/К_э. Процессы очистки воды методом экстракции проводятся в экстракторах различной конструкции: в распылительных колоннах, в насадочных аппаратах, в колоннах с перфорированными ситчатыми тарелками, с подвижными ситчатыми тарелками и т.д.