4.6.3. Эстракция жидкостная экстракция

Экстракция (жидкостная) — извлечение одного или нескольких растворенных веществ из одной жидкой фазы другой, практически не смешивающейся с первой.

Процесс широко используется для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов. Но главное, экстракцию следует рассматривать, наряду с ректификацией, как один из основных способов разделения жидких однородных смесей.

L

Экстракция

Ректификация

+ M (разбавленный раствор) G + M (концентрированный раствор) G L M

Рис. 4.41.Принципиальная схема сочетания процессов экстракции и ректификации.

(G – экстрагент; M – распределяемое вещество; G + M – экстракт; L – рафинат)

В большинстве случаев экстракция используется в сочетании с ректификацией. Пусть в растворителе L растворено распределяемое вещество М, и концентрация раствора (исходной смеси) незначительна. Можно подобрать второй растворитель G (экстрагент), которым можно экстрагировать распределяемое вещество М из исходного раствора и получить концентрированный раствор распределяемого вещества в растворителе G + М (экстракт) и очищенный от распределяемого вещества растворитель L (рафинат). Поскольку расход тепла на ректификацию резко уменьшается с ростом концентрации исходного вещества в разделяемой смеси, предварительное экстрагирование позволяет значительно сократить затраты тепла на разделение исходной смеси. Принципиальная схема сочетания процессов экстракции и ректификации показана на рис. 4.41.

Для регенерации экстрагента вместо ректификации иногда используют простую перегонку с водяным паром, выпаривание, вторичную экстракцию (реэкстракцию), реже – кристаллизацию и химическую очистку.

Влияние температуры. В большинстве случаев взаимная растворимость компонентов с увеличением температуры повышается и область существования гетерогенных двухфазных систем уменьшается.

Влияние давления. Изменение растворимости малорастворимых жидкостей, вызванное изменением внешнего давления, невелико и в большинстве случаев им можно пренебречь.

Принципиальные схемы экстракции. В химических производствах используются преимущественно следующие схемы экстракции: однократная экстракция, многократная экстракция с перекрестным током растворителя, многократная экстракция с противотоком растворителя, непрерывная противоточная экстракция, ступенчатая противоточная экстракция.

Рис. 4.42. Схема однократной экстракция, проводимой периодическим (а) или непрерывным (б) способом.

Однократная экстракция. Однократная экстракция может быть проведена периодическим или непрерывным способом. Схема однократной периодической экстракции показана на рис. 14.42, а. В аппарат загружается исходный раствор F, содержащий распределяемое вещество концентрацией х_F и к нему прибавляется порция растворителя G концентрацией Y_G. Обе жидкости перемешивают до установления равновесия. По окончании перемешивания жидкости расслаиваются в том же аппарате. После отстаивания сливают сначала нижний слой рафината R концентрацией Х_R, а затем — верхний слой экстракта Е концентрацией Y_е

Для расслаивания фаз часто используют особые отстойники (рис. 4.42, б). В этих случаях процесс однократной экстракции проводят непрерывным способом, так как при непрерывном вводе исходного раствора F и свежего растворителя G из отстойника также непрерывно выводят полученные экстракт Е и рафинат R. Количества F, G, Е и R относят к единице времени.

Эффективность экстракции может быть значительно повышена, если ее проводить многократно, используя каждый раз свежую порцию растворителя для обработки одной и той же порции исходного раствора. Такой способ проведения процесса получил название многократной экстракции с перекрестным током растворителя.

Многократная экстракция с перекрестным током растворителя. Из первой ступени однократной экстракции исходного раствора F растворителем G полученный рафинат состава R₁ вводится во вторую ступень, где обрабатывается свежей порцией растворителя G. Тройная смесь состава N₂ расслаивается на рафинат R₂ и экстракт Е₂. Процесс обработки ведут до тех пор, пока не получат рафинат заданного состава.

Полученные в каждой ступени порции экстракта E₁, Е₂,. . . и т. д. содержат все меньшее количество распределяемого вещества.

Общий расход растворителя равен сумме всех порций G во всех ступенях экстракции.

Процесс многократной экстракции можно провести периодическим способом в одном аппарате с мешалкой (см. рис. 4.42, а). Для этого одну и ту же порцию исходного раствора обрабатывают несколькими порциями растворителя, каждый раз смешивая, расслаивая и выводя порцию экстракта из одного и того же аппарата. Процесс ведут до тех пор, пока рафинат не будет иметь заданную концентрацию.

Недостатками способа являются большой расход свежего растворителя и его недостаточное насыщение в ступенях экстракции. Эти недостатки могут быть устранены, если использовать противоточное движение рафината и экстракта при многократной экстракции.

Многократная экстракция с противотоком растворителя. Исходный раствор перетекает самотеком со ступени на ступень, отдавая распределяемое вещество растворителю G. В каждой ступени осуществляется однократная экстракция очищенного рафината более свежим противоточно движущимся растворителем. В последней ступени рафинат контактирует со свежим растворителем G.

Противоток растворителя от последней ступени к первой (по току рафината) осуществляется насосами. На первой ступени насыщенный распределяемым веществом растворитель контактирует с концентрированным раствором F и выходит в виде экстракта Е предельно насыщенного распределенным веществом.