5.3 Характеристика процесу екстракції у системі рідина-рідина та обладнання для його реалізіції

5.3.1 Особливості масообміну в процесі рідинної екстракції

Рідинна екстракція використовується для вилучення із рідини розчинених рідких компонентів. Процес має місце при необхідності розділення таких рідких неоднорідних систем або розчинів, які важко розділити методом рек­тифікації, так як компоненти, що входять у склад такої суміші, мають близькі температури кипіння або розкладаються при нагріванні.

При екстрагуванні в контакт приводяться вихідний розчин (сирець), який міс­тить компонент, що підлягає вилученню та розчинник. В якості розчинника підби­ра­ється рідина, яка добре розчинює компоненти, що вилучаються, та не володіє влас­тивостями взаємної розчинності з рідиною, яка обробляється в процесі. Крім того, з метою полегшення процесу регенерації і розчинника, потрібно, щоб щільність розчинника була меншою за щільність вихідної рідини. В ре­зультаті взаємодії технологічного середовища з роз­чинником при досягненні рівно­ваги у системі утворюються:

– екстракт, що являє собою розчин необхідного компонента з розчинником;

– рафінат, тобто залишок вихідної суміші.

На останньому етапі процесу здійснюється виділення від екстракту розчинника, зазвичай, гравітаційним відстоюванням або центрифугуванням та регенерація розчинника, для чого використовується дистиляція та інші методи.

5.3.2 Методи екстрагування у системі рідина-рідина

Рідинне екстрагування може проводитись ступінчасто або шляхом без­перерв­ного контакту обидвох рідин. У разі ступінчастої екстракції змішу­вання речовин та розділення фаз здійснюється у мішалках або відстійниках, які попарно створюють ступені екстракції. При цьому залежно від схеми здійснення процесу розріз­няють одноступінчате, багатоступінчасте прямотечійне та багатоступінчате проти­течійне екстрагування. У випадку безперервного контакту рідин технологічні середо­вища взаємодіють протитечійно в одному апараті-колоні.

При одноразового контакті компонент, що най­більш схильний до роз­чинення, буде переходити з вихідної суміші до розчинника, поки не від­будеться фазова рівно­вага між екстрактом та рафінатом. Така взаємодія стано­вить ступінь зміни концентрації у процесі екстрагування або теоретичну ступінь екстракції. При цьому змішування вихідних елементів відбувається за допомогою мішалки (або змішуючого пристрою), а після практичного уста­нов­лення рівноваги між фазами здійс­нюється розділення суміші у сепараторі (відстійнику) на екстракт та рафінат.

Проте одноступінчате екстрагування дає незнач­ний ефект розділення та відповідно низьку продук­тивність.

Багатоступінчаста екстракція у виробництві здійс­ню­ється за протитечійною схемою. Вихідна суміш над­ходить до верхньої, а розчинник – до нижньої частини колони. У результаті протитечійної взаємодії зверху та знизу колони утворюються незмішуючі фази, що роз­діляються методом відстоювання. При цьому вихідний розчин надходить до першої ступені апарату, а роз­чинник – до останньої. Кінцевий екстракт видаляється з першої ступені, а кінцевий рафінат – з останньої. Отже, свіжий вихідний роз­чин зустрічається з переробленим розчинником, а рафі­нат, що виходить із ступені про­ми­вається свіжим розчин­ником. Аналогічно у кожній про­міжній ступені розчинник взаємо­діє з більш концен­тро­ваним розчином та насичується компонентом, що екстра­гується.

Залежно від способу енергопостачання про­цес екстра­гування може здійсню­ватись без засто­су­ван­ня до­дат­кової механічної енергії та при використанні останньої.

В екстраційних апаратах без застосування ме­ха­нічної енергії масообмін, як пра­вило, відбувається між системою крапель (дисперсна фаза) та іншою рідиною (су­цільна фаза) (див. рис.5.10). Дисперсійна фаза перемі­щується із суцільною під дією гра­вітаційних сил. При цьому процес масообміну значною мірою визна­чається швидкістю руху одиничної краплі. При від­сутності внутрішньої циркуляції у краплі бачимо най­меншу швидкість масопередачі. При наявності внут­ріш­ньої циркуляції збільшується степінь рухомості меж розділу та покра­щується масообмін.

Рис. 5.10. Рух дис­перс­ної фази в пульсуючих апаратах

У разі, коли різниця щільностей фаз незначна, для отримання певної степені диспергування необхідно використовувати механічну енергію. Найбільший ефект при цьому способі обробки досягається у системах, що мають високий міжфазний по­верхневий натяг. Інтенсифікація процесу пояснюється періодичним руйнуванням граничних плівок при пульсаційному русі середовищ.