10. Екстракція
Екстракція - вилучення одної або декількох розчинних речовин з однієї рідкої фази іншою, яка практично не змішується з першою.
Процес широко застосовується для вилучення цінних продуктів з розбавлених розчинів, а також для отримання концентрованих розчинів. Екстракція - це один з основних способів розділення рідких однорідних сумішей.
Рис. 10.0.1. Принципова схема поєднання процесів екстракції і ректифікації.
В більшості випадків екстракція використовується разом з ректифікацією. Нехай в розчиннику L розчинна розподіляюча речовин М, і концентрація розчину (вихідної суміші) незначна. Можна підібрати другий розчинник G (екстрагент) і очищений від речовини, що розподіляється, розчинник L (рафінат).
Оскільки витрата тепла на ректифікацію різко зменшується з ростом концентрації вихідної речовини, яка розділяється, в суміші, попереднє екстрагування дозволяє значно зменшити затрати тепла на розділення вихідної суміші.
Принципова схема поєднання і ректифікації показана на рис. 10.0.1
10.1. Рівновага в процесах екстракції
Рівновага для систем рідина - речовина, що розподіляється, - рідина підлягає закону розподілення Відповідно до цього закону відношення рівноважних концентрацій розподіленої між двома рідкими фазами речовини при постійній температурі є величина постійна, вона називається коефіцієнтом розподілення.
Нехай фазами, що розподіляються, є G і L, а рівноважними концентраціями будують СG1 і СL1, СG2 і СL2, Cg3 і СL3 , ,Cg і СL , тоді за законом розподілення
(10.1.1)
або
Cg=ψCl, (10.1.2)
де ψ - коефіцієнт розподілення.
В рівнянні (10.1.2) концентрація виражена в кг/м3. Якщо позначити концентрації речовини, що розподіляється в фазах, через у і х [в кг/кг інертної речовини(розчинника)] і позначити густини фаз G і L через ρG і ρl, рівняння (10.1.2) набуває вигляду
,
де
Добутком (1+Ар)Х при малих концентраціях X можна знехтувати , тому
Yp = ApX (10.1.5)
10.2 Діаграма х-у
Якщо знехтувати взаємною розчинністю фаз G і L, то кожна з фаз буде являти двокомпонентний розчин. Тоді, відкладаючи рівноважні склади по осям координат х-у, згідно (10.1.5), отримуємо рівноважну лінію у вигляді прямої.
Але на практиці залежність (10.1.5) досить рідко відповідає рівновазі навіть в першому наближенні, так як коефіцієнт розподілення ψ в дійсності не є величиною постійною : він залежить не лише від природи взаємодіючих речовин, температури і тиску, але і від концентрацій. Тому лінія рівноваги в системі координат х-у має форму кривої Yp =f(x). Величина ψ визначається для кожного окремого випадку дослідним шляхом.
10.3. Трикутна діаграма
При частковій взаємній розчинності фаз G і L кожна з фаз при екстракції буде являти собою трикомпонентний розчин, склад котрого неможливо відкласти на діаграмі з координатами х-у . Склади таких трикомпонентних фаз зручно зображувати в трикутній системі координат на так званій трикутній діаграмі (рис. 10.3.1).
Рис. 10.3.1. Трикутна діаграма.
Вершини рівностороннього трикутника L, G і М позначають чисті компоненти: розчинник вихідного розчину L, екстрагент G і речовина М, що розподіляється. Кожна точка на сторонах LM, MG і GL відповідає складу двокомпонентних розчинів.
Кожна точка на поверхні всередині діаграми відповідає складу трикомпонентного розчину (або потрійної суміші). Для визначення вмісту кожного компоненту в розчині на сторонах діаграми нанесені шкали, причому довжина кожної сторони прийнята за 100% (масових, об'ємних або мольних) або за одиницю. Склад розчину або суміші визичається довжиною відрізків, проведених паралельно кожній зі сторін трикутника до перетину з двома іншими.
Точка N характеризує потрійну суміш, як складається з 20% розчинника L, 50% розчинника G і 30% речовини М, що розподіляється. Довжини перпендикулярів, опущених з точки N на сторони рівностороннього трикутника, пропорційні вмісту відповідних компонентів в суміші.