3.8. Ректификационные установки.

Основное оборудование ректификационных установок – колонна, кипятильник и дефлегматор. Ректификационные колонны – тарельчатые и насадочные колонны, которые по устройству принципиально не отличаются от абсорберов. Пленочные колонны применяются при ректификации под вакуумом. Основной особенностью ректификационных колонн состоит в том, что они покрыты тепловой изоляцией. В качестве кипятильника используется кожухотрубчатые и змеевиковые теплообменники, а в качестве дефлегматоров (конденсаторов) – кожухотрубчатые теплообменники.

4. Экстракция.

Экстракция – процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и значительно слабее или практически вовсе не растворяются остальные компоненты исходной смеси. Экстракцию из твердых тел жидкостью (растворителем) называют экстрагированием. Если в этом процессе в качестве растворителя используется вода, то такой процесс называется выщелачиванием. В химической технологии экстракция из растворов экстрагентами более распространена, чем экстракция из твердых тел.

4.1.Жидкостная экстракция

Процессы жидкостной экстракции применяются в химической, нефтехимической, фармацевтической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности получении редких и рассеянных элементов из растворов. Жидкостная экстракция, наряду с перегонкой, является одним из основных методов разделения однородных жидких смесей. Процесс экстракции обычно экономически выгоднее ректификации, поскольку при экстракции не нужно испарять всю жидкую смесь. Обычно жидкостную экстракцию с сочетают с ректификацией, которую применяют для регенерации экстрагента. Экстракт – раствор извлеченных веществ в экстрагенте, рафинат – остаточный исходный раствор.

На рис. 4.1 представлена схема без регенерации. Чаще всего используются схемы с регенерацией экстрагента. Исходный раствор и экстрагент подается в экстракционный аппарат – экстрактор, в котором происходит перенос вещества М из фазы в фазу . В результате, получают экстракт и рафинат .

Рис. 4.1. Схема проведения экстракции.

4.1.1 Равновесия в системе жидкость – жидкость.

Для трехкомпонентной системы жидкость – распределяемое вещество–жидкость можно изменять концентрацию одной из фаз без нарушения равновесия. По правилу фаз Гиббса:

В процессе жидкостной экстракции обычно Т не меняется, Р на равновесие системы не влияет. По этому для экстракции .

Данной концентрации распределяемого вещества х в одной фазе в состоянии равновесия соответствует определенная концентрация вещества в другой фазе. Эта связь соответствует закону распределения: отношение равновесных концентраций распределяемого между двумя жидкими фазами вещества при Т=const есть величина постоянная:

или (4.1)

где у* и х – равновесные концентрации распределяемого вещества соответственно в экстракте и рафинате, m – коэффициент распределения.

По формуле (4.1) линия равновесия должна быть прямой, выходящей из начала координат. Однако это справедливо для случая полной взаимной нерастворимости участвующих в процессе фаз, что довольно редко встречается в реальных условиях. Обычно m зависит от концентрации распределяемого вещества при Т=const, если же меняется и Т, то величина m может меняться еще сильнее.

Линии равновесия на диаграмме у-х при постоянной темпиратупе называют изотермами экстракции (рис. 4.2). Если известны изотермы для разных Т, то становится возможным выбрать наиболее приемлемое Т.

Рис.4.2. Типичные изотермы экстракции неэлектролитов (1) и электролитов (2).

Треугольные диаграммы. Составы тройных смесей в состоянии равновесия удобно изображать в треугольной диаграмме Гиббса. Отметим, что часто фазы, участвующие в процессе экстракции, частично растворимы друг в друге. Тогда экстракт помимо экстрагента и растворенного вещества содержит еще некоторое количество растворителя из исходного раствора, а рафинат помимо первоначального раствора и некоторого количества растворенного вещества – определенное количество экстрагента. Оба раствора состоят из трех компонентов.

А, В, С – чистые компоненты. В точке А – чистый Фх, в точке В – чистый М, в точке С – чистый Фу. Точки на площади треугольника соответствуют составам трехкомпонентных растворов.

Определим концентрации компонентов в точке М. Для этого через точку М проведем параллельные линии к линиям АВ, ВС и АС до пересечения. При этом отрезок определяет концентрацию компонент А в точке М, – компонента В, – компонента С.

Рис. 4.3. Треугольная диаграмма.

С помощью треугольных диаграмм, используя правила рычага, можно достаточно просто определить не только состав, но и количество (массу) фаз (рис.4.4).

Рис.4.4. Правила рычага на треугольной диаграмме.

Средний состав смеси, образующихся при смешении двух трехкомпонентных смесей (например, состава R и E) лежит на отрезке прямой, соединяющей эти точки (например, состава М). Эта точка М по правилу рычага разделяет отрезок на отрезки, обратно пропорциональные количествам (массам) исходных смесей. При разделении М кг смеси по правилу рычага имеем:

(4.2)

где R и E – количества рафината и экстракта соответственно, кг. Выражение (4.2) позволяет найти положение точки М, если известны количества растворов R и E.

При расчете процесса экстракции, как и для любого массообменного процесса, необходимо знание равновесных концентраций. Рассмотрим кривую равновесия в треугольной диаграмме.

Рис. 4.5. Равновесная кривая в треугольной диаграмме.

А – 100% - растворитель в исходном растворе, В – 100% - растворенное вещество, С – 100% - экстрагент.

Линии АВ, ВС, СА – характеризуют состав двухкомпонентных растворов. Пусть А и В, В и С, неограниченно растворимы друг в друге, а А и С – ограниченно растворимы. На участке G₁ и G₂ любая смесь компонентов А и С расслаивается на два однородных двухкомпонентных раствора, состава которых отвечают точкам G₁ и G₂ . Если к ним добавить В, получим трехкомпонентный расслаивающий раствор соответствующий точкам D₁ и D₂. Хорда соединяющие точки D₁ и D₂ соответствует растворам, находящихся в равновесии друг с другом. При дальнейшим добавлении компонента В получим расслаивающиеся системы характеризующиеся точкам Е₁ и Е₂ и т.д. Эти точки постепенно сближаются, наконец соединятся в точке К. Точка К– критическая точка, соответствует однофазному раствору.

Соединяя точки G₁ , D₁ , Е₁ , … , G₂ , D₂ , Е₂ и т.д. получают равновесную (бинодальную) кривую, выше которой система однофазна и для процесса экстракции интереса не представляет.

Хорды, соединяющие точки D₁ и D₂ , E₁ и E₂ и т.д. на бинодальной кривой, называют конодами, которые непараллельны друг другу, так как компонент В неравномерно распределяется между компонентами А и С. Любая точка, лежащая на площади, ограниченной равновесной кривой кривой, соответствует двухфазной системе

Взаимная растворимость с увеличением температуры повышается, поэтому область существования гетерогенных систем уменьшается. При высоких температурах может вообще исчезнуть (точка Т_кр на рис. 4.6).

Рис. 4.6. Влияние Т на равновесную кривую.

Селективность экстрагента. Основным свойством экстрагента является селективность, которая характеризует его способность преимущественно извлекать один из двух, трех и более компонентов раствора. Селективность С по отношению к В выражается отношением концентраций компонентов В и А в фазе экстракта , разделенным на отношение концентраций в фазе рафината . Селективность экстрагирования по отношению к распределяемому компоненту характеризуется коэффициентом селективности (коэффициент разделения) :

(4.3)

или с учетом (4.1)

(4.4)

Как видно, чем больше тем больше . Если =1, то селективность равна 0. В реальных условиях больше 2. Увеличение можно добиться изменением рН раствора.