Екстракція в системах рідина-рідина.

В основі рідинної екстракції лежить перехід речовини з однієї рідини (розчину) в іншу, що не змішується з першою.

У результаті взаємодії екстрагенту з вихідною рідиною одержують екстракт-розчин витягнутих речовин і рафінат - остаточний вихідний розчин, збіднений витягнутими речовинами і такий, що містить деяку кількість екстрагенту. Перехід речовин відбувається при наявності різниці концентрації між рідкими фазами за законом рівноважного розподілу між рідкими фазами до динамічної рівноваги між ними. Згідно такому закону відношення рівнважних концентрацій розподіленої між двома рідкими фазами речовини є величина постійна (для даної температури), яка називається коефіцієнтом розподілу:

,

де V i x – рівноважні концентрації речовини, що розподіляється, в екстракті і рафінаті, %.

Процес екстракції в системах рідина-рідина складається з наступних стадій: змішування вихідного розчину із екстрагентом для створення між ними тісного контакту, поділ двох рідких фаз, що незмішуються, регенерація екстрагенту, тобто видалення його з екстракту (розчину) і рафінату.

Рідинна екстракція може бути східчастою і неперервною. Східчаста екстракція поділяється на одноступінчасту, що проходить в одному апараті, багатоступінчасту - екстракція протікає в декількох апаратах. Багатоступінчаста екстракція може бити прямоплинною і навпротиплинною.

У промисловості застосовують різні технологічні схеми екстракційних процесів. Апарати для рідинної екстракції працюють за принципом механічного перемішування і гравітації. Апарати, що працюють за принципом механічного перемішування, - це колони з мішалкою і центробіжні екстрактори, що використовують центробіжну силу для змішування і поділу фаз. У гравітаційних апаратах використовується різниця щільностей розчинників. Принцип гравітації лежить в основі роботи різних насадочних колон, з ситчатими тарілками, колонного типу, розпилюючих і інших конструкцій.

Одноступінчата екстракція.

Після змішування первинної витяжки з екстрагентом, суміш розділяється у відстійнику на рафінат і екстракт з концентраціями екстрагуємої речовини - відповідно х і у. Матеріальний баланс процесу у випадку взаємної нерозчинності вихідного розчинника (W) і екстрагенту (D) зображається на діаграмі у - х (рис.4) прямою АВ, точки якої відповідають концентраціям екстракту і рафінату на різних стадіях процесу.

Рис. 4. Схема і зображення процесу однократної екстракції:

1 - змішування; 2 - розливання речовини

Так як максимальна роздільна здатність одноступінчатої екстракції обмежена однією теоретичною ступінню рівноваги, то при її використанні досягається лише обмежене витягування.

Найбільш ефективні неперервні процеси екстрагування, здійснювані в багатоступінчастих апаратах при навпротиплину вихідного розчину. В цьому випадку найбільш повно використовується рушійна сила процесу масообміну, а заданий ступінь екстрагування досягається при найменшій витраті екстрагенту. Схема найпростішого процесу у випадку взаємної нерозчинності вихідного розчинника і екстрагенту приведена на рис. 5. Тут число теоретичних ступенів рівноваги визначається ступінчастою побудовою між кривою розподілу і робочою лінією, рівняння якої визначається з матеріального балансу.

По довжині апарату потоки вихідного розчину, що незмінюються, і екстрагенту рухаються назустріч один одному. Вихідний розчин (х_n) виснажується і концентрація екстрагуємої речовини збільшується в рафінаті (у), який виходить з колони, що має кілька ступенів n. Кожна ступінь є порогом, де відбувається віддача екстрагуємої речовини з вихідного розчину в екстрагент.

При екстракційному поділі декількох компонентів (А, В,...), особливо при їхній близькій розчинності, часто використовується екстрагування з двома екстрагентами, при якому вихідна суміш надходить у середню частину колони, а екстрагент – у нижню. В цьому процесі компонент А переходить у фазу одного екстрагенту, а компонент В – в фазу іншого. Деякі конструкції багатоступінчастих апаратів для неперервної навпротиплинної екстракції схематично зображені на рис. 6. Ефективність цих апаратів звичайно оцінюється ККД окремих ступенів чи висотою (довжиною).

Рис. 5. Схема процесу неперервної навпротиплинної екстракції:

1 ,2,3,4,5,6,7 – контактні пристрої екстракційної колони; х₁,х₂,х₃,х₄,х₅ – концентрація речовини, що витягається, у вихідному розчині; у₁,у₂,у₃,у₄,у₅ – концентрація речовини, що витягається, у екстрагенті; х₀ і у₀ – початкова концентрація речовини, що витягається, у вихідному розчині і екстрагенті; W i D – масові потоки вихідного розчину і екстрагенту, ступені рівноваги яких визначаються ступінчастою побудовою між кривою розподілу і робочою лінією, рівняння якої визначається з матеріального балансу процесу

Рис. 6. Схеми екстракційних колон:

а – розпилююча колона; б – колона з ситковими тарілками; в – насадочна колона; г – роторно-дисковий екстрактор; д - колона з змішуючими і відстійними насадочними секціями, що чергуються (колона Нейбелля); 1 - колона; 2 - розпилювачі; 3 - ситкова тарілка; 4 - переливні труби; 5 - насадка; 6 - розпилювачі; 7 - вал; 8 - плоский ротор; 9 - кільцеві перегородки; 10 - мішалки; 11 - насадка; л.ф. - легка фракція, в.ф. - важка фракція

Для того щоб одержати стійкі емульсії, використовуються конструкції, здатні забезпечити сильне емульгування.

Цілеспрямовано використовувати апарати, в яких досягається гарний контакт фаз за рахунок контакту без їх емульгування. Вигідно використовувати конструкції різних модифікацій, для того щоб кожна ступінь була на порядок вища (рис. 6).

Розпилююсий екстрактор а – це повна колона, заповнена однією з рідин – суцільною фазою – важкою рідиною. Для створення більшої поверхні контакту фаз інша рідина розпилюється за допомогою розподільного пристрою в суцільній фазі. На визначеному рівні краплі дисперсної фази зливаються й утворюють шар, який відділений від суцільной фази поверхнею поділу. Іноді зверху і знизу екстракційна колона розширена, що сприяє кращому відстоюванню фаз. З цього розпилюючого екстрактора рідина надходить у колону із ситковими тарілками б для перепливу суцільної фази. У колоні за допомогою спеціального механізму (пульсатора) рідини повідомляються коливаннями невеликої амплитуди і визначеної частоти. Як пульсатор використовують безклапанний поршневий насос, який приєднаний до днища колони. При пульсуванні відбувається тонке диспергування однієї з фаз, що обумовлює інтенсивну масопередачу. Таким чином, йде рівномірний і поступовий поділ фаз у колонах, що чергуються, різних модифікацій. Наступна колона, у яку надходить рідина – насадочна в. Усередині вона заповнена насадкою, зверху і знизу знаходяться розпилювачі, що подають дві рідини, що незмішуються. Зверху надходить важка фракція, а знизу легка, що рухаються назустріч одна одній. Насадка призначена для створення поверхні контакту фаз. Рідини зливаються й утворюється дисперсна фаза, відділена від важкої фракції поверхнею насадки. Легка фракція переходить через суцільну фазу, утворюючи дисперсний шар, який затримується на насадці. Фракції, пройшовши одна через одну, надходять у роторно-дисковий екстрактор г, де відбувається подальше екстрагування. Роторно-дискова колона має вал, на якому розташовані плоскі ротори. На стінках колони знаходяться кільцеві перегородки. У таких колонах для зменшення зворотнього перемішування і для турбулізації потоків фаз встановлені насадки-перегородки у вигляді тарілок чи кілець. При русі ротора вала і ротора контакт між фазами здійснюється при обтіканні перегородок дисперсною фазою у вигляді тонкої плівки (коалесценції крапель) і при русі крапель дисперсної фази в просторі між перегородками. При контакті важка фракція стікає вниз, а дисперсна фаза залишається на перегородках-кільцях.

Подальше екстрагування відбувається в колоні з чередуючими змішуючими і відстійними насадковими секціями д.

Колона має насадки, що чергуються з мішалками, які призначені для змішування фаз під дією центробіжної сили.

На горизонтальному валу обертаються насадки. Контактуючі рідкі фази подаються за допомогою насосів через вал по каналах. Важка рідина підводиться до периферії насадки. Рідини рухаються навпроти течії, вони багаторазово змішуються при витіканні через отвори в перегородці, і розділяються під дією центробіжних сил. Рафінат і екстракт видаляються також через відособлені канали валу. Апарати цього типу выдрызняються високою інтенсивністю поділу.

Такі апарати, які застосовуються в багатотонажному виробництві, володіють високим ККД ступені (90%). Діаметр їх досягає 6 м, висота - 4 м, а продуктивність перевищує 100 м³/год.

Колони мають різний принцип дії. У гравітаційних апаратах відбувається екстрагування за рахунок різниці щільностей двох рідин, що не змішуються. До таких апаратів відносяться насадкові колони, розпилюючі колони і колони із ситковими тарілками.

Наступні два екстрактори працюють за принципом механічного перемішування, за рахунок центробіжної сили йде змішування і поділ фаз. Це роторно-дисковий екстрактор і колона з змішувальними і відстійними секціями, що чергуються.

Значне поширення одержали ящикові екстрактори (рис. 7), що представляють собою різновид змішувально-відстійних апаратів.

В цих апаратах вертикальними перегородками відділені ступіні, кожна з яких складається зі змішувальної і відстійної камер. У кожній ступіні рух фаз прямоплинний, а по апараті в цілому - навпротиплинний. Транспортування рідин зі ступіні в ступінь здійснюється турбінними мішалками. Такі змішувально-відстійні екстрактори можуть працювати з будь-якими відношеннями розчину і екстрагенту, зберігаючи робочий розподіл концентрацій у ступінях при зупинках. Змішувально-відстійні екстрактори, особливо ящикові, можна збирати в батареї, що складаються практично з будь-якого числа ступіней, що робить їх дуже перспективними при екстрагуванні важкороздільних компонентів. Окремі секції цих апаратів можуть використовуватися для однократної періодичної і неперервної екстракції, а їх групи – для перехрестної.

Рис. 7. Ящиковий екстрактор:

1 – камера змішування; 2 – жалюзійна перегородка; 3 – відстійна камера; 4 – границя поділу фаз; 5 і 6 – різьбові трубки з перекриваючими вікнами; 7 – рециркуляційна труба; 8 – всмоктуючий колектор; 9 – турбінний змішувач

У хіміко-фармацевтичній промисловості широко застосовують різні відцентровані екстрактори, в яких змішування і розділення рідин відбувається в полі відцентрованих сил. Робочий орган деяких екстракторів (ротор) складається з набору перфорованих циліндрів чи спіральних стрічок. Ці машини забезпечують високу продуктивність (до 120 м/год при діаметрі ротора 1,2 м). Пристрій трубчастого відцентрового екстрактора представлений на рис. 8.

Важка рідина Важка рідина

Легка рідина Легка рідина

Легка рідина Важка рідина

Рис. 8. Схема трубчастого відцентрованого екстрактора

Циліндричний барабан 3 має швидкість обертання 1500- 5000 об/хв. Усередині барабан розділений перфорованими перегородками 7 на ряд екстракційних ІІ, ІV, VІ і сепараційних І, ІІІ, V, VІІ ділянок. Рідини надходять у барабан по відособленим каналах, що проходять всередині нерухомого циліндра 4. Важка рідина подається по каналі 2 у нижню екстракційну ділянку VІ, легка - по каналі 6 у верхню екстракційну ділянку ІІ. Рухаючись в барабані навпроти течії, рідини багаторазово перемішуються, проходячи між нерухливими перфорованими дисками 5, закріпленими на циліндрі 4. Емульсія, яка утворилася при цьому, попередньо розслоюється при проходженні через перфоровані відбійні перегородки 7, які зроблені у вигляді декількох дискових чи конусних тарілок. Остаточний поділ фаз відбувається під дією відцентрової сили в сепараційних ділянках. Рідкі фази (екстракт і рафінат) видаляються з екстрактора через відособлені канали: легка - через верхній кільцевий злив 8, важка - через нижній 1.

У деяких виробництвах (антибіотики) такі апарати, забезпечуючи дуже незначний час контакту фаз, є незамінними; крім того, такі екстрактори застосовуються при дуже малій різниці в питомій вазі обох фаз, при утворенні стійких емульсій і ін.

Розпилюючі колони, які застосовувалися раніше, механічний, горизонтальний екстрактор з обертовою насадкою, показали їх незручність у роботі (часті промивки екстрактора, негерметичність установок, необхідність строгого і постійного контролю). Запропонований відцентровий екстрактор багатоступінчастий (раніше застосовувався в ядерному військовому виробництві) дуже компактний, високоефективний, малометаловмнісний, малоенерговмнісний. Не дає емульсій, дуже легко збільшується ступінь витягу введенням додаткових ступіней.

Розглянемо принцип дії відцентрового багатоступінчастого екстрактора на прикладі готування фламіну (рис. 9.).

Рис. 9. Схема багатоступінчастого відцентрового екстрактора: