16.9. Экстрагирование

Экстрагированиезаключается в переходе распределяемого целевого компонента из твердой пористой фазы в жидкую (не путать сэкстракцией, когда переход происходит из одной жидкой фазы в другую). В отличие от десорбции, применяемой, в основном, с целью регенерации адсорбента, экстрагирование может использоваться как самостоятельный процесс извлечения ценных компонентов из минерального или растительного сырья. Целевой компонент может находиться в внутри пор как в жидком, так и в твердом состоянии. В последнем случае процесс экстрагирования иногда называютвыщелачиванием.

Механизм процесса экстрагирования жидкого целевого компонента заключается в следующем: за счет взаимной диффузии с растворителем (экстрагентом), проникающим в поры, он перемещается к поверхности твердой частицы, а затем происходит его массоотдача в жидкой фазе. Здесь можно провести аналогию с процессом десорбции с применением вытесняющего агента. При экстрагировании твердого компонента добавляется стадия его растворения. Скорость каждой из стадий определяется свойствами участвующих в ней компонентов и условиями проведения процесса. Возможно наличие лимитирующей стадии, скорость которой значительно меньше других, в таком случае именно она будет определять кинетику процесса. Если скорости всех стадий соизмеримы, то все они должны влиять на кинетику процесса, например, учитываться при расчете коэффициента массопередачи. Для его увеличения необходимо прежде всего повышать скорость самой медленной стадии.

Увеличения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе возможно за счет повышения скорости ее движения относительно твердых частиц, турбулизации потока, в том числе с использованием перемешивающих устройств, применения пульсаций, а также повышения температуры. Однако необходимо учитывать возникающие при этом дополнительные затраты энергии.

Повышение скорости доставки целевого компонента из глубины частицы к ее поверхности (коэффициента массоотдачи в твердой фазе) возможно путем увеличения температуры с целью повышения коэффициента диффузии или уменьшения размера частиц. Однако последний способ приводит к дополнительным затратам на измельчение материала и последующего его отделения от жидкой фазы.

Скорость каждой из стадий, включая и растворение целевого компонента, если он находится в твердом состоянии, можно увеличить за счет замены растворителя, который должен обеспечивать высокие коэффициенты диффузии и низкую вязкость в каждой из фаз, а также хорошую растворимость. Зачастую всеми этими свойствами обладают сверхкритические флюиды(состояние вещества находящегося при давлении и температуре выше критических значений). Использование сверхкритических флюидов в качестве экстрагентов началось сравнительно недавно. В большинство случаев применяется СО₂благодаря его высокойрастворяющей способности, дешевизне, доступности, нетоксичности и невысоких критических параметров (критическая температура 31,3 °С, критическое давление 7,36 МПа). Большим преимуществом сверхкритических флюидов является простота их регенерации за счет перевода в газовое состояние при снижении давления.

Особым случаем экстрагирования можно считать возникновение химической реакции между целевым компонентом и растворителем, которая может сопровождаться образованием жидких, твердых или газообразных продуктов реакции. Это может, как ускорять, так и замедлять каждую из стадий процесса.

Экстрагирование может осуществляться в аппаратах, аналогичных адсорберам (разд. 16.7). Кроме того могут применяться аппараты схожие со смесительно-отстойными экстракторами (разд. 15.3.1) периодическими или непрерывными, как единичными, так и соединенными в многоступенчатую установку (разд. 15.2.3), а также аппараты иных конструкций [1, 3, 7]. Особенности будут заключаться в необходимости шнековых транспортеров для перемещения твердой фазы из одной ступени в другую [1, 3, 7], а также в невозможности, зачастую, использовать допущение о достижении равновесия между фазами, покидающими каждую ступень. Последнее обстоятельство объясняется существенно меньшими эффективными коэффициентами диффузии целевого компонента в твердой пористой частице и соответственно коэффициентами массоотдачи по сравнению с каплей. В связи с этим возможно применение не только противоточных многоступенчатых установок, но и прямоточных, хотя эффективность последних будет ниже.

При расчете ступенчатых экстракторов можно вводить к.п.д. ступени по аналогии с эффективностью ступени изменения концентрации по Мэрфри (разд. 12.7.3), учитывающей степень достижения равновесия. Величина к.п.д. будет определяться временем контакта фаз и кинетикой массопередачи. Решение обычно представляется в виде (12.129) (12.131) и в конкретных случаях может находиться аналитически или численно [47, 3, 7], либо методом физического моделирования.