Принципиальные схемы экстракции.

1. Однократная экстракция для частично растворимых жидкостей.

Схема установки представлена на рис. 284.

Рис. 284. Однократная экстракция. 1 - экстрактор, 2 - отстойник,

F - исходная смесь, S - растворитель, М - смесь двухфазной системы, E - экстракт, R - рафинат.

Материальный баланс

Соотношение потоков определяется по правилу отрезков на тре­угольной диаграмме / Розебума/, которая представлена на рис. 285.

Рис. 285. Изображение однократной экстракции на треугольной

диаграмме.

1 - бинодальная кривая, К - критическая точка, 2 - коннода /хорда равновесия/.

Из диаграммы на рис. 285

;

Расход растворителя

;

Очевидно, что в точке М₁, расход растворителя будет минимальным, а в точке M₂ - максимальным.

Точка Е' определяет состав экстракта после удаления раствори­теля.

Для более полного извлечения компонента из исходной смеси применяют многократную экстракцию.

2. Многократная экстракция для частично растворимых жидкостей.

Схема установки и треугольная диаграмма представлены на рис.286.

Рис. 286. Схема установки а/ и треугольная диаграмма

б/ для многократной экстракции. 1 - экстрактор, 2 - отстойник /сепаратор/.

Материальный баланс.

Первая ступень.

;;;

Вторая ступень.

;;;

Третья ступень.

;; ; ;

Расход растворителя

Выход экстракта

Рафината

R₃

3. Противоточная экстракция для частично растворимых жидкостей.

Схема аппарата представлена на рис. 287.

Рис. 287. Колонный аппарат для противоточной экстракции.

К недостаткам многократной экстракции следует отнести громозд­кость аппаратуры и большой расход растворителя. Этих недостатков лишена противоточная экстракция в аппарате колонного типа.

Для изображения процесса противоточной экстракции на треуголь­ную диаграмму наносят точки F, E₁, S и R_к. Соединяют точки F и Е₁ , R_k и S. Линии продолжают дальше. Пересечение прмых F Е₁ и R_kS определяет полюс диаграммы Q. Условным построением коннод R₁E₁, R₂E₂, R_kE₃, определяется число теоретических ступеней /в данном случае N_c = 3/. Диаграмма представлена на рис. 288.

Рис. 288. Треугольная диаграмма для противоточной экстракции.

Материальный баланс.

Для представления материального баланса условно соединют

точки F и S ₁, R_к и E_1. Линия R_кE₁ не является коннодой.

Потоки:

; ; ; ;

4. Противоточная экстракция для взаимно нерастворимых жидкостей.

Для этой системы применимы обозначения и теория основ массо-передачи. Схема аппарата и диаграмма У-Х приведены на рис. 289.

Рис. 289. Схема аппарата а/ и диаграмма У-Х б/ для противоточной экстракции при взаимно нерастворимых жидкостях.

1 - исходная смесь, 2 - рафинад. 3 - растворитель. 4 - экстракт.

Материальный баланс

Удельный расход растворителя

Конструкции экстракторов

1. Смесительно-отстойные.

2. Полые /распылительные/ колонны.

3. Насадочные колонны.

4. Тарельчатые колонны /ситчатые тарелки/.

5.Роторно-дисковые.

6. Пульсационные.

7. Центробежные /экстрактор Подбельняка/.

8. Инжекторные.

И другие.

Конструкции рассмотреть самостоятельно по учебнику

ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ

Экстракция в системе твердое тело - жидкость. Широко применяется в производстве органических полупродуктов, красителей, минеральных удобрений, при химической переработке рудных материалов, в химико-фармацевтической промышленности, в производстве сухих порошков для приготовления различных напитков и др.

Статика растворения

В качестве растворителей используют воду, водные растворы неко­торых минеральных кислот и щелочей, органические растворители.

Состояние равновесия твердой и жидкой фаз характеризуется кривой растворимости. Обозначим:

У - концентрация компонента в жидкой фазе,

Х - концентрация компонента в твердой фазе.

Диаграмма растворимости представлена на рис. 290.

Рис. 290. Диаграмма растворимости.

1 - пересыщенный раствор /область кристаллизации, 2 - кривая растворимости /насыщенный раствор/, 3 - ненасыщенный раствор /область растворения и выщелачивания/.

Движущая сила в начале и в конце процесса выщелачивания

Изменение движущей силы с течением времени представлено на рис. 291. Площадь под кривой

Откуда

или

Рис. 291. Изменение движущей силы с течением времени.

Материальный баланс для произвольного аппарата аналогичен предыдущему:

Расход растворителя.

Кинетика растворения.

Схема массоотдачи представлена на рис. 292.

Закон Щукарева

Полагаем

Тогда

/161/

Рис. 292. Схема массоотдачи.

Расчеты продолжительности выщелачивания по уравнению /161/ затрудняются зависимостью двух величин от времени

Для определения коэффициента массоотдачи применяется

критериальное уравнение

Из кинетики следуют пути интенсификации процесса выщелачивания

/ увеличение /:

1. Увеличение поверхности F твердого материала /измельчение/.

2.Увеличение относительной скорости движения жидкой фазы W.

3. Увеличение температуры проведения процесса t .

Аппаратура для выщелачивания.

1. Аппараты с мешалкой.

2. Аппараты с пневматическим перемешиванием.

3. Аппараты с пневмомеханическим перемешиванием.

4. Аппараты с просачиванием жидкости через неподвижный слой зернистого материала / перколяторы/.

5. Аппараты под давлением / автоклавы/.

6. Шнековые.

7. Барабанные.

8. Трубчатые.

9. Со взвешенным слоем.

10. Каскад аппаратов с мешалками.

В качестве примера рассмотрим переход от аппарата с мешалкой /1/ к каскаду аппаратов /10/.

/1/. Аппарат с мешалкой.

Схема аппарата и график изменения концентрации компонента в твер­дой фазе с течением времени представлены на рис. 293.

Рис. 293. Схема аппарата с мешалкой а/ и график изменения концентрации X с течением времени б/.

В общем случае продолжительность выщелачивания зависит от кон­центрации компонента в твердой фазе, температуры процесса и диаметра частиц твердой фазы.

/10/ Каскад аппаратов с мешалками.

Для перехода от периодического процесса в одном аппарате к каскаду аппаратов непрерывного действия, под кривой на рис. 293(б) строят ступенчатую ломаную линию. Число ступеней определяет число аппаратов в каскаде. Это показано на рис. 294.

Рис. 294. Определение ступеней для каскада аппаратов.

В принципе под кривой /рис. 294/ можно построить сколько угодно ступеней. Поэтому оптимальное число ступеней принимается на основе технико-экономического расчета, принимается критерий оптимальности

где:

С- себестоимость единицы продукции,

К - объем капиталовложений,

П - объем продукции,

- нормативный срок окупаемости

Оптимальное число ступеней определяется по минимуму критерия "Е", как это показано на рис. 295.

Рис. 295. Определение оптимального числа ступеней для каскада аппаратов с мешалками.