Процессы диффузии и экстракции основные понятия и определения

Экстрагированием называется процесс извлечения одного или нескольких компонентов из смеси веществ путем обработки ее жидким растворителем, обладающим способностью избирательно растворять только извлекаемые компоненты. Физическая сущность экстрагирования заключается в переходе извлекаемого (экстрагируемого) компонента из одной фазы (жидкой или твердой) в фазу экстрагента при их взаимном соприкосновении.

В пищевой промышленности наиболее распространен процесс экстрагирования в системах жидкость-твердое тело: извлечение сахара из свеклы в свеклосахарном производстве, извлечение масел из масличных семян в производстве растительных масел, получение эфирных масел в эфиромасличном производстве, экстрагирование ферментов из культур плесневых грибов в производстве ферментных препаратов, производство вина, пива, крахмала, ликероводочных изделий, растворимых кофе и чая и др.

Жидкостная экстракция (экстрагирование в системах жидкость-жидкость) применяется в производствах, связанных с получением спирта, вина, растительных масел и других пищевых продуктов.

Движущей силой диффузии компонентов из исходных технологических сред в экстрагенты является разность концентраций в обеих средах, т. е. процесс экстракции базируется на законах диффузии и равновесного распределения переходящих компонентов между двумя фазами (жидкость-жидкость, твердое тело-жидкость).

Экстракция в системе жидкость-жидкость

Жидкие фазы, участвующие в процессе экстракции, носят названия экстрагент (растворитель) и исходный раствор. Извлекаемыми компонентами могут быть органические и неорганические вещества.

В начальный момент процесса исходные фазы (первичный раствор и экстрагент) приводят в тесное соприкосновение, обеспечивающее большие поверхности контакта между ними. При этом получают две фазы, которые называются экстрактом и рафинатом. Экстракт представляет собой раствор извлеченного компонента в экстрагенте, рафинат – остаточный исходный раствор. Обычно одна фаза является сплошной, а вторая – дисперсной, распределяемой в первой в виде капель.

Экстрагирование включает следующие основные операции:

1. смешение исходной смеси веществ и экстрагента с целью более тесного контакта между ними;

2. механическое разделение двух несмешивающихся фаз на экстракт и рафинат;

3. удаление и регенерацию экстрагента и рафината.

Для успешного проведения экстракции исходный раствор и экстрагент должны быть взаимно нерастворимы друг в друге. Выбор экстрагента в каждом конкретном случае представляет собой сложную задачу, поскольку при этом необходимо уметь определять или оценивать характер сил взаимодействия молекул экстрагента и растворяемого вещества.

Для промышленного использования экстрагента необходимо, чтобы он обладал: малой растворимостью в первичном растворителе; хорошей избирательностью (селективностью), т. е. способностью извлекать из исходной смеси или материала только один (целевой) компонент или группу компонентов; высоким коэффициентом распределения k_P, что дает возможность снизить расход растворителя на единицу исходной смеси; высоким коэффициентом диффузии D, что позволяет увеличить скорость процесса и, следовательно, уменьшить размеры экстрактора; невоспламеняемостью или узким пределом температур вспышки; некоррозионными свойствами по отношению к материалу аппаратуры; низкой температурой замерзания или застывания; безвредностью для здоровья обслуживающего персонала; низкой теплоемкостью, высокой летучестью, низкой теплотой испарения для снижения затрат на регенерацию.

Равновесие в системах жидкость-жидкость. Расчет статики процесса. В системах жидкость-жидкость обычно существует две фазы (две несмешивающиеся жидкости) и три компонента, т. е. такие системы называются тройными. Поэтому согласно правилу фаз число параметров, определяющих состояние системы, будет

3 + 2 = 2 + N, N = 3.

Равновесное распределение третьего компонента между двумя жидкими фазами фиксируется значениями концентраций в каждой фазе и температурой и наглядно выражается при помощи треугольной диаграммы (рис. 1).

В этой диаграмме процентное содержание компонентов А, В и С отложено на сторонах треугольника, состав смеси определяется точками (М), расположенными внутри него, а точки S, лежащие на его сторонах определяют составы бинарных смесей. Компонент В растворим в А и С во всех соотношениях, компоненты А и С ограниченно растворимы друг в друге.

С

Рис. 1. Треугольная диаграмма

остав тройной смеси определяют на сторонах треугольника длиной отрезков, отсекаемых параллельными сторонам линиями, проведенными через точкуМ (на рис. 1: 35 % А; 25 % В; 40 % С). Кривая RE ограничивает область взаимной растворимости компонентов и выражает равновесное распределение компонента В в А и С. Точки, лежащие под пограничной кривой RE, соответствуют области расслоения жидкостей А и С; точки, расположенные выше пограничной кривой, находятся в области полной взаимной растворимости компонентов, где существует лишь одна фаза.

Состав расслаивающихся жидкостей при равновесном насыщении под пограничной кривой для точки М характеризуется точками R и E. Все смеси вдоль линии RE образуют два слоя состава R и E.

Так как полученная после экстракции смесь расслаивается на две фазы: экстракт Е, обогащенный компонентом В, и обедненный рафинат R, которые находятся в равновесии, то построенная по экспериментальным данным линия ЕR, соединяющая точки равновесных концентраций для рафината и экстракта и называемая линией равновесных концентраций (конодой), будет находиться внутри треугольной диаграммы. Угол наклона этой линии зависит от коэффициента распределения, определяемого как

k_р= y^*/х, (1)

где y^* и x – равновесные доли распределяемого компонента в экстракте и рафинате соответственно.

По величине коэффициента распределения судят об экстракционной способности растворителя: чем больше k_р, тем выше способность данного растворителя извлекать целевой компонент.

Для оценки разделяющей способности растворителя используют соотношение

. (2)

Величину называюткоэффициентом, или фактором разделения в экстракции, который показывает, во сколько раз отношение равновесных концентраций разделяемых компонентов в экстракте больше по сравнению с рафинатом. Концентрации чаще выражают в абсолютных или относительных массовых долях (или процентах).

По данным треугольной диаграммы можно построить диаграмму равновесия типа х-у (х – содержание экстрагируемого компонента В в рафинате, а у – в экстракте), удобную для дальнейшего расчета процесса (рис. 2).

Случаю, представленному на рис. 1, соответствует k_p > 1; при k_p < 1 коноды будут наклонены в обратном направлении, а при k_p = 1 они будут параллельны стороне АС. Число таких конод в пределах пограничной кривой равно бесконечности. При пересечении конод в одной точке можно определить положение фокуса О по двум известным конодам, что позволяет наносить любые другие точки при отсутствии для них экспериментальных данных и построить график равновесного распределения.

К

Рис. 2. Преобразование диаграммы равновесия экстракции

оноды в пределах пограничной кривой с увеличением компонентаВ становятся все меньше и меньше, превращаясь в точку перегиба К (в критическую точку). Здесь два жидкостных слоя становятся идентичными по составу и плотности. Равновесное распределение третьего компонента (например, В) между фазами (А и С) при расчетах процесса экстракции можно представить в виде коэффициента распределения k_p.

При изменении содержания компонента В в смеси равновесные составы будут располагаться на других хордах равновесия. Перемещения от стороны треугольника АС до критической точки К соответствует исчезновению поверхности раздела между фазами при их расслаивании, т. е. когда система становится гомогенной.

При расслаивании смеси М на фазы R и Е составы последних находятся на одной прямой с составом исходной смеси. Количество фаз R и Е относятся как длины отрезков МЕ и МR. Это правило пропорциональности является общим, и поэтому оно справедливо для случаев, когда к смеси двух компонентов добавляется третий. Если к смеси А и В, состав которой выражается точкой S, добавлен компонент С, то состав полученной тройной смеси выразится точкой М на прямой CS, причем

, (3)

что вытекает из правила пропорциональности. При этом отрезок АS соответствует содержанию в исходной смеси компонента В, а отрезок SВ – содержанию компонента А. На прямой линии, соединяющей точки S и С, будет находиться точка М, отвечающая составу новой смеси, положение которой определяют по правилу рычага из уравнения

. (4)

Это уравнение выводится из подобия треугольников СМб и MSc (на рис. 1).

Разделение смеси возможно, если точка М располагается в области диаграммы, ограниченной бинодальной кривой. Проводя через точку М прямую RE (коноду) под углом

, (5)

можно определить на ее концах, лежащих на бинодальной кривой, составы фаз после их расслоения: состав рафината – в точке R, экстракта – в точке Е.

Количество экстракта

, (6)

где общее количество смеси

; (7)

причем количество растворителя

. (8)

Количество рафината

. (9)

Количество экстракта после испарения растворителя С, если пренебречь растворением компонента В в рафинате, можно определить по формуле

. (10)

Содержание в экстракте компонента В определяется отрезком АЕ` на пересечении линии, проведенной из точки С через точку Е, со стороной АВ треугольника. Содержание в рафинате компонента В определяется отрезком AR`. Если провести касательную из точки С к бинодальной кривой и продолжить ее до пересечения со стороной АВ, то получим отрезок АЕ_max, который характеризует максимально возможное содержание компонента В в экстракте. При этом можно определить положение точек m и r, если провести через точку касания e коноду er.