4.1.2 Материальный баланс процесса жидкостной экстракции. Однократная (одноступенчатая) экстракция.

Рассмотрим одноступенчатую (однократную) экстракцию. Этот простейший метод заключается в том, что исходный раствор F и экстрагент S перемешивается в смесителе, после чего разделяется на два слоя: экстракт E и рафинат R:

F + S = E + R (4.5)

Здесь F,S – количество исходного раствора и экстрагента соответственно кг.

Рис. 4.7 Схема одноступенчатой экстракции: 1 – смеситель, 2 – отстойник (сепаратор).

Фазы, участвующие в жидкостной экстракции, обладают частичной взаимной растворимостью. Тогда система как минимум является трехкомпонентной. Для трехкомпонентной смеси используется треугольная диаграмма. Уравнение (4.5) можно переписать как:

F + S = N = R + E (4.6)

Рис. 4.8. К выводу уравнения материального баланса.

Выражение (4.6) позволяет представить материальный баланс на треугольной диаграмме как процесс смешения потоков F + S = N и затем разделения этой тройной смеси состава N на потоки R + E. По правилу рычага можно записать:

(4.7)

Тогда при заданной F находим необходимое значение S для процесса. Соотношение потоков Е и R находят по формуле

(4.8)

Материальный баланс компонентов А и В в потоках экстракта Е и рафината R с учетом рис.4.3 имеет вид:

(4.9)

Так как сумма концентраций всех трех компонентов А, В, С равна 100%, то матбаланс по компоненту С не нужен. Учитывая, что N = E + R получим:

Разделив одно на другое получим:

(4.10)

Уравнение (4.10) является уравнением прямой линии. По уравнениям (4.7) – (4.10) можно найти состав любого потока, если известны количества и состав трех остальных потоков.

4.1.3 Кинетика жидкостной экстракции.

Поскольку при экстракции массообмен происходит между двумя жидкими фазами , то для развития поверхности фазового контакта обычно одну из жидкостей диспергирует. Таким образом распределяемое вещество В переходит из сплошной фазы к поверхности капли и затем внутрь ее или из капли через поверхность раздела фаз в ядро потока сплошной фазы. В соответствии с общим уравнением массопередачи количество проходящего из одной фазы в другую вещества можно записать:

(4.11)

(4.12)

(4.13)

(4.14)

Здесь - коэффициенты массоотдачи для дисперсной фазы и сплошной фазы.

Поскольку поверхностью контакта фаз при экстракции являются капли, то массоперенос осуществляется через сферическую поверхность. Очевидно, что гидродинамические условия внутри капли и в сплошной фазе различны. Поэтому массоперенос в пределах каждой из фаз не может быть описан идентичным уравнением. Рассмотрим частные случаи.

Случай первый – диффузионное сопротивление внутри капли незначительное по сравнение диффузионным сопротивлением в сплошной фазе, тогда , следовательно . Коэффициент массоотдачи может быть определен по критериальному уравнению:

(4.15)

Случай второй – диффузионное сопротивление внутри капли велико, в то время как диффузионное сопротивление сплошной фазы незначительно, тогда . В этом случае . Коэффициент массотдачи определяется по аналогичному уравнению (4.15).

Случай третий – диффузионные сопротивления сплошной фазы и внутри капли примерно равны. В этом случае необходимо использовать уравнения (4.11) и (4.13) или (4.12) и (4.14).