10.1.3. Методы экстракции

При экстракции неорганических веществ обычно извлекают одно или несколько веществ из водной фазы одним экстрагентом.

При разделении экстракцией смесей органических веществ в зависимости от числа применяемых экстрагентов различают:

1. экстракцию одним экстрагентом в системах, состоящих минимум из трех компонентов (двух разделяемых компонентов исходного раствора и экстрагента);

2. экстракцию двумя экстрагентами (фракционная экстракция) в системах, состоящих минимум из четырех компонентов (двух компонентов исходного раствора, распределяющихся между несмешивающимися экстрагентами).

Экстракция одним экстрагентом наиболее распространена. Рассмотрим разные варианты этого процесса на примере ступенчатой экстракции, различные способы осуществления которой приведены ниже.

Одноступенчатая (однократная) экстракция. Этот простейший метод заключается в том, что исходный раствор F и экстрагент S перемешиваются в смесителе 1 (рис 10.6.), после чего разделяются на два слоя: экстракт Е и рафинат R. Разделение обычно происходит в сепараторе-отстойнике 2. При таком однократном взаимодействии экстрагента и исходного раствора при достаточном времени контакта могут быть получены близкие к равновесным составы экстракта и рафината.

Таким образом, количество экстрагируемого вещества фиксировано законом равновесного распределения, и степень его извлечения является относительно низкой. Степень извлечения можно повысить путем увеличения количества используемого экстрагента, но с увеличением объемного соотношения потоков экстрагента и исходного раствора снижается концентрация экстракта, что удорожает извлечение конечного продукта. По этим причинам одноступенчатую экстракцию применяют в промышленной практике лишь в тех случаях, когда коэффициент распределения очень высок. П

Рис.10.6. Схема одноступенчатой экстракции: 1 - смеситель; 2 - сепаратор - отстойник

роцесс может проводиться как периодически, так и непрерывным способом - при непрерывном возврате экстрагента в смеситель (после его регенерации).

Ниже приводится расчет одноступенчатого процесса экстракции, лежащий в основе расчета процессов многоступенчатой экстракции.

Первоначально рассмотрим наиболее простой случай, когда фазы практически взаимно нерастворимы.

Пусть А [кг] растворителя исходного раствора концентрацией X₀ [%] смешиваются с S [кг] экстрагента, причем в результате экстракции получаются равновесные фазы: рафинат концентрацией X и экстракт концентрацией Y (в кг/кг растворителя). Весовое соотношение фаз b’ = S/A. Тогда материальный баланс по распределяемому веществу

,

откуда

.

Учитывая, что , находим

.

Следовательно, концентрация получаемого рафината

и концентрация экстракта

.

Достигаемая степень извлечения распределяемого вещества

,

где ε = b’m - экстракционный фактор.

Величина ε имеет важное технико-экономическое значение при проведении процессов экстракции. Чтобы остаточное содержание экстрагируемого компонента в рафинате было низким, экстракционный фактор должен быть больше единицы. Однако при больших значениях ε лежат в пределах 1,2< ε <2.

Для построения процесса на - диаграмме (рис.10.7, а) наносят равновесную линиюи откладывают на оси абсцисс начальную точкуF рабочей линии с координатами и.

Из точки F проводят прямую под углом tg α = –A/S, так как из материального баланса по распределяемому веществу (см. выше) уравнение рабочей линии, аналогичное общему уравнению, имеет вид:

.

Если в результате экстракции достигается равновесие фаз, то прямую из точки F продолжают до пересечения с линией равновесия в точке В. Координаты точки В выражают составы получаемых экстракта и рафината.

На диаграмме экстракционный факторε выражается отношением наклонов линии равновесия и рабочей линии.

К

Рис.10.7. Изображение процесса одноступенчатой экстракции: а - на прямоугольной диаграмме Y - X; б - на треугольной диаграмме.

оличество экстрагента, необходимого для получения рафината состава(точкаR), определяют из зависимости . Количество или расход экстрагента составляет:

.

Чем больше расход экстрагента S, тем меньше tg α и, следовательно, тем меньше содержание экстрагируемого компонента в экстракте и рафинате, составы которых соответствуют, например, точке B₁ на рис. 10.7, а, для которой и.

В случае недостаточного перемешивания или слишком малого времени контакта при одноступенчатой экстракции получаемые экстракт и рафинат не равновесны друг другу. В этом случае степень извлечения экстрагируемого компонента определяется величиной φ.

Более сложен расчет процесса в системах с ограниченной взаимной растворимостью компонентов.

Пусть при смешении F [кг] исходного раствора с S [кг] экстрагента образуется М [кг] смеси, после расслаивания которой получают R [кг] рафината и E [кг] экстракта. Тогда материальный баланс процесса будет иметь вид:

М= F+ S = R+ E.

При расчете процесса по заданному составу исходного раствора и принятому соотношению количеств экстрагента и исходного раствора находят количество экстрагента, а также количества и составы получаемых рафината и экстракта.

Воспользуемся для расчета треугольной диаграммой (рис. 10.7, б), причем для упрощения рассмотрим случай, когда исходный раствор обрабатывается чистым экстрагентом S ,а получаемые экстракт и рафинад не содержат экстрагента.

Для построения диаграммы процесса точку F, соответствующую составу исходного раствора, соединяют прямой с точкой S ,выражающей состав экстрагента. Каждая точка прямой FS соответствует постоянному соотношению компонентов А и В исходного раствора.

По правилу рычага определяют положение точки М, пользуясь соотношением . Следовательно, количество экстрагента

. (10.5.)

Зная положение хорды равновесия, проходящей через точку М, и применяя то же правило рычага, находят

и

или ,

откуда количество рафината

.

Тогда количество получаемого экстракта

.

Для определения состава рафината соединяют точки S и R лучом до пересечения со стороной АВ треугольника. Точка R_К определяет состав конечного рафината. Аналогично, проводя луч через точки S и E, находят точку E_К, выражающую состав конечного экстракта. Точки R_К и E_К лежат на стороне АВ треугольника, т.е. соответствуют бинарным смесям, не содержащим экстрагента.

Пользуясь треугольной диаграммой, можно определить также максимальный и минимальный расходы экстрагента. При перемещении точки М по лучу SF влево (рис 10.7, б) отрезки FM уменьшаются, а отрезки MS увеличиваются. Соответственно, согласно уравнению (10.5.) уменьшается количество S экстрагента.

В пределе точка M может совместиться с биноидальной кривой (точка М₁ на рис. 10.7, б). При этом отрезок FM минимален, и в результате экстракции получают лишь один слой рафината. Точке М₁ соответствует минимальное количество экстрагента:

,

при котором концентрация распределяемого компонента В в рафинате является наибольшей.

Аналогично при перемещении точки М вправо по лучу SF ее нижнее предельное положение выражается точкой М₂. При этом получают только слой рафината. В данном случае количество необходимого экстрагента максимально и составляет:

.

Практически количество экстрагента выбирают промежуточным между максимальным и минимальным, причем желательно, чтобы оно соответствовало экономически оптимальным условиям экстракции. При непрерывном процессе определяют расходы экстрагента, экстракта и рафината (в кг/с или в кг/ч).

Многоступенчатая экстракция при перекрестном токе. Экстракция этим способом проводится в нескольких ступенях (рис.10.8.) через которые последовательно движется исходный раствор, причем во всех ступенях, начиная со второй, исходным раствором является рафинат предыдущей ступени.

Общее количество свежего экстрагента разделяется на части и подводится в количествах R₁, R₂, R₃,…, R_n-1 как показано на рис.10.8,а, параллельно на все ступени.

Изображение процесса в прямоугольной диаграмме приведено на рис.10.8,б. Построение на диаграмме проведено так же, как для процесса одноступенчатой экстракции. При этом предполагалось, что экстрагент и растворитель исходного раствора нерастворимы друг в друге, экстрагент равномерно распределяется между ступенями и содержит некоторое количество экстрагируемого компонента, т.е. имеет начальную концентрацию x_E0. При достаточно большом числе ступеней указанным способом можно получать практически в чистом виде компонент А, остающийся в рафинате, т.е. растворитель исходного раствора. Однако это связано с большими потерями данного компонента и уменьшением уменьшением его выхода, так как на каждой ступени некоторая часть компонента А удаляется с экстрактом.

Н

Рис.10.8. Схема многоступенчатой экстракции: а - при перекрестном токе; б - изображение процесса на диаграмме Y - X; 1,2,3,…,n - ступени.

а каждую последующую ступень в качестве исходного раствора поступают все более обедненные экстрагируемым компонентом рафинатыR₁, R₂, R₃,…, R_n-1 поэтому концентрации экстрактов снижаются от первой (E₁) к последней (Е_n) ступени. В результате для получения рафината высокой чистоты требуются большие объемные соотношения экстрагента и исходного раствора, т.е. большой суммарный расход свежего экстрагента, что связано со значительным удорожанием процесса его регенерации. Вследствие указанных недостатков описанный способ экстракции находит ограниченное применение в промышленности. Так, его используют в тех случаях, когда необходимо получить, не считаясь с потерями, в весьма чистом виде компонент А или когда для этой цели можно применять дешевый экстрагент (например, воду), при этом не требуется регенерации экстрагента.