3.4. Экстракция
Экстракциейв широком смысле называются процессы разделения, основанные на извлечении одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты.
В химической технологии наибольшее распространение получила экстракция из растворов. Экстракция из твердых веществ используется главным образом в лесохимической, пищевой и фармацевтической промышленности. В химической технологии наибольшее распространение получила экстракция из твердых пористых веществ водой, водными растворами кислот и щелочей (процессы выщелачивания).
В связи с тем, что процесс массоотдачи в твердой фазе существенно отличается от массотдачи в жидкостях, рассмотрим процессы экстракции в системах жидкость-жидкость, наиболее распространенные в химической и нефтехимической технологии.
3.4.1. Жидкостная экстракция
Экстракция в системах жидкость-жидкость– процесс разделения, основанный на извлечении одного или нескольких растворенных веществ из одной жидкости другой жидкостью, практически не смешивающейся с первой.
Процесс находит широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Эффективно используется для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод.
Экстракция – массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ). Так, например, при очистке сточных вод экстракцией с использованием бутилацетата в качестве экстрагента в него предпочтительно переходят одноатомные и многоатомные фенолы.
Для повышения скорости процесса исходный раствор и экстрагент приводят в тесный контакт. В результате взаимодействия фаз получается экстракт– раствор извлеченных веществ в экстрагенте ирафинат– остаточный исходный раствор, из которого в определенной степени удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяются друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими механическими способами. После этого производятся извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерация экстрагента из рафината.
Соответствующие компоненты выделяются из экстракта и рафината либо ректификацией, либо реэкстракцией. Это делается во избежание потерь экстрагента, растворенного или унесенного рафинатом, экстрагент необходим для повторного использования. Процессы экстракции и ректификации считаются основными способами разделения жидких однородных смесей.
Пусть в растворителе Lрастворено распределяемое веществоМи концентрация раствора (исходной смеси) незначительна. Подбирается второй растворительG(экстрагент), которым можно экстрагировать распределяемое веществоМиз исходного раствора и получить концентрированный раствор распределяемого вещества в растворителеG+M(экстракт) и очищенный от распределяемого вещества растворительL(рафинат).
Поскольку расход тепла на ректификацию резко уменьшается с ростом концентрации исходного вещества в разделяемой смеси, предварительное экстрагирование позволяет значительно сократить затраты тепла на разделение исходной смеси. Принципиальная схема сочетания процессов экстракции и ректификации приведена на рис.3.47.
Рис. 3.47. Принципиальная схема совмещенных процессов экстракции и ректификации
Для регенерации экстрагента вместо ректификации можно использовать также простую перегонку с водяным паром, выпаривание, вторичную экстракцию (реэкстракцию), реже – кристаллизацию и химическую очистку.
Основным свойством экстрагента является его селективность, которая характеризует его способность преимущественно извлекать один из двух, трех или более компонентов раствора. Наиболее предпочтительным считается тот, который растворяет наибольшее количество одного компонента и как можно меньшее количество остальных из многокомпонентного раствора. Высокая селективность снижает расход экстрагента, позволяет более экономично проводить процесс.
Помимо высокой селективности экстрагент должен обладать также значительной емкостьюпо отношению к экстрагируемому компоненту. Если это требование не выполняется, то возрастает количество циркулирующего экстрагента и снижается экономичность процесса.
Применяются три группы экстрагентов:
органические кислоты или их соли, к ним относятся: фенолы, нафтеновые кислоты, сульфокислоты и т.п. Применяются для извлечения катионов металлов в органическую фазу из водной. Например, очистку сточных вод экстракцией производят бутилацетатом, в который предпочтительно переходят одноатомные и многоатомные фенолы;
соли органических оснований, к ним относятся соли первичных, вторичных и третичных аминов и т.п. Применяются для извлечения анионов металлов из водных растворов;
нейтральные растворители(вода, спирты, альдегиды, кетоны и т.п.).
При извлечении летучих веществ экстракция конкурирует с ректификацией, особенно при разделении смесей, состоящих из близкокипящих компонентов или азеотропных смесей.
Экстракция незаменима при разделении смесей веществ, чувствительных к повышенным температурам, например антибиотиков, которые могут разлагаться при разделении их ректификацией или выпариванием.
Весьма перспективно применение экстракции для разделения смесей неорганических веществ, когда другие способы разделения неприменимы. Процессы жидкостной экстракции успешно используются для переработки ядерного горючего, получения циркония, гафния и многих редких металлов. С помощью экстракции можно получать высокочистые цветные и благородные металлы.