Глава 15. Экстракция

15.1. Общие сведения. Бинарная экстракция

Экстракцией называется процесс избирательного поглощения компонентов жидкой смеси другими жидкостямиили «сверхкритическими флюидами» (см. разд. 16.9), называемыми экстрагентами. Поглощаемые компоненты называют экстрагируемыми или распределяемыми, а компоненты исходной смеси не растворимые или частично растворимые в экстрагенте инертными или растворителями. В результате экстракции, как правило, образуются две жидкие фазы: экстракт раствор извлеченных компонентов в экстрагенте ирафинат остаток исходной смеси, обедненный распределенными компонентами. Экстракт и рафинат разделяются с помощью отстаивания или центрифугирования. Выделение поглощенных компонентов из экстракта осуществляется, как правило, ректификацией или реэкстракцией другими экстрагентами. Регенерированный, таким образом, экстрагент вновь используется в процессе экстракции. Преимущество экстракции по сравнению с перегонкой заключается в отсутствии необходимости испарения жидкости, низкой температуре процесса, а недостатокв потребности использования дополнительных веществ (экстрагентов) и в затратах на их регенерацию.

Использование экстракции для разделения жидких смесей имеет смысл в случае экономической целесообразности. Как правило, это достигается в следующих случаях:

а) Разделение разбавленных растворов, если удается подобрать экстрагент, извлекающий компоненты, содержащиеся в малых концентрациях, что позволяет получить их концентрированный раствор в экстрагенте. Последующая ректификация малого количества экстракта потребует меньших затрат, чем ректификация большого количества исходной смеси;

б) Разделение азеотропных смесей или смесей компонентов с близкими летучестями;

в) Разделение смесей, растворитель в которых разлагается при высоких температурах, что не позволяет использовать процесс ректификации.

При проведении процесса экстракции можно выделить следующие стадии: 1) диспергирование одной из фаз (исходная смесь, экстрагент) в другой для обеспечения развитой поверхности их контакта и больших значений коэффициентов массопередачи; 2) собственно экстракция; 3) отделение экстракта от рафината; 4) регенерация экстрагента.

Основным фактором, определяющим целесообразность проведения, процесса экстракции, является подбор соответствующего экстрагента. Главные требования, предъявляемые к нему, заключаются в следующем:

а) экстрагент должен обладать избирательностью (селективностью), извлекая из исходной смеси лишь необходимые (целевые) компоненты и, по возможности, не растворять остальные;

б) гидромеханическое отделение экстракта от рафината возможно при различии плотности этих фаз отсюда требование на существенное отличие плотности экстрагента от плотности инертных компонентов;

в) экстрагент и поглощаемые им компоненты должны обладать существенными различиями в летучести для успешного разделения экстракта с помощью ректификации или десорбции для сверхкритических флюидов.

Селективность одного компонента исходной смеси по отношению к другому можно охарактеризовать с помощью коэффициента селективности , который показывает увеличение доли данного компонента в экстрагентепо отношению к другомув сравнении с исходной смесью,в условиях равновесия

, (15.1)

где и– коэффициенты распределения соответствующих компонентов, определяемые соотношениям (12.62). Здесь в качестве фазы I рассматривается фаза экстракта (концентрации компонентов в ней обозначены буквой y), а фаза II фаза рафината (концентрации в ней обозначены буквойx), находящиеся в условии равновесия. Экстракция возможна лишь в том случае, когда коэффициенты селективности целевых компонентов по отношению к нецелевым больше единицы, а практическое значение она имеет при их величине больше 2. Коэффициент селективности при экстракции имеет смысл, схожий с коэффициентом относительной летучести при перегонке.

Начнем рассмотрение процесса экстракции с простейшего случая бинарной экстракции, когда в каждой из фаз находится не более двух компонентов. Это возможно лишь при условии, что исходная смесь состоит из двух компонентов А и В, экстрагент S извлекает только распределяемый компонент В, а инертный компонент А в экстрагенте S абсолютно нерастворим. В этом случае коэффициент распределения , а коэффициент селективности. Поскольку расходы компонентовА и S в этом случае изменяться по высоте аппарата не будут, то, как и при описании процесса абсорбции, удобнее выражать концентрацию распределяемого компонента в относительных массовых концентрациях и по аналогии с (13.4) записать уравнение равновесия в виде

, (15.2)

где концентрация распределяемого компонента в экстрагентеS, а в инертном компонентеА. Как и в случае бинарной абсорбции для трехкомпонентной двухфазной системы число степеней свободы равно трем , но поскольку экстракция, как правило, проводится при постоянных давлении и температуре, то. Отличие от абсорбции заключается в переходе компонента из фазых в фазу у, то есть аналогия в описании экстракции наблюдается с процессом десорбции, когда рабочая линия на диаграмме расположена ниже равновесной (см. рис. 13.3).

Схема установки для проведения процесса бинарной экстракции при регенерации экстрагента с помощью ректификации изображена на рис. 15.1. Исходная смесь F компонентов А и В поступает в экстрактор 1, где при взаимодействии с экстрагентом S концентрация распределяемого компонента в

Рис. 15.1. Схема установки для бинарной экстракции: 1 экстрактор; 2ректификационная колонна; 3подогреватель; 4дефлегматор; 5кипятильник; 6холодильник.

нем увеличивается с до, а концентрацияB в А уменьшается от до. РафинатR, состоящий в основном из компонента А с остатком В отводится в виде готового продукта, а экстракт Е через подогреватель 3 направляется вректификационную колонну 2 для регенерации экстрагента и выделения из него целевого компонента В, экстрагент с остаточным содержанием распределяемого компонента вновь подается в экстрактор.