68. Экстракция. Основные понятия

Экстрагированием называется процесс полного или частичного разделения смеси веществ, обладающих неодинаковой растворимостью в том или ином растворителе. Разделяемую смесь обрабатывают растворителем для извлечения из нее более легко растворимого вещества. Экстрагирование веществ из твердого тела водой называется выщелачиванием. При экстрагировании извлекаемое из смеси вещество переходит в раствор, и для выделения его в чистом виде необходимо полученный раствор подвергнуть выпариванию или кристаллизации или обоим процессам одновременно с последующим удалением оставшегося в твердом теле растворителя путем фильтрования, центрифугирования и сушки. В специальных аппаратах, называемых экстракторами, экстрагируемая смесь и растворитель вступают в тесный контакт. Выделение фаз, вновь образовавшихся в результате взаимодействия растворителя с экстрагируемой смесью, производят или отстаиванием с последующей декантацией, фильтрованием, центрифугированием, добавлением специальных веществ, вызывающих расслаивание двух жидких фаз (высаливание), или добавлением веществ, вызывающих выделение одной твердой фазы (кристаллизация). Удаление и регенерацию растворителя из каждой фазы производят путем нагревания, дистилляции или выпаривания, причем часто различ­ные методы разделения фаз и удаления из них растворителя взаимно сочетаются.

Процесс экстрагирования основан на свойстве веществ, обладающих разными концентрациями, при соприкосновении взаимно диффундировать, т. е. проникать друг в друга. Вследствие диффузии при соприкосновении с обрабатываемойсмесью растворитель, как фаза с более низкой концентрацией, чемобрабатываемая смесь, насыщается тем компонентом, который растворим в нем. Равновесное распределение вещества между разделяемой смесью и растворителем или между двумя несмешивающимися фазами определяется законом распределения. Закон распределения можно выразить уравнением yp = k2x (3-231) где х—концентрация растворенного вещества в смеси, подлежащей экстрагированию, в кгс/кгс; ур–равновесная концентрация растворенного вещества в растворителе-в кгс/кгс. Следовательно, если отложить на графике по оси х содержание растворенного вещества в одной фазе, а по оси у—содержание раство­ренного вещества в состоянии равновесия в другой фазе, сохраняя тем­пературу или давление постоянными, то получим обычную фазовую у—%-диаграмму. Так как уравнение (3—231) является уравнением прямой, то на у—%-диаграмме линия равновесия должна быть также прямой. Однако коэффициент распределения k₂ практически не является величиной постоянной и изменяется с изменением концентрации раство­ренного вещества и температуры. Поэтому обычно линия равновесия только на некоторых участках приближается к прямой. Для процесса перехода вещества из одной фазы в другую при экстрагировании действительны рассмотренные выше уравнения диффу­зии и массопередачи. Применяя к экстрагированию эти основные урав­нения, можно сделать следующие обобщения:

1. При экстрагировании из твердых тел необходимо увеличиватьповерхность взаимодействия F между фазами, что может быть достигнуто измельчением твердого вещества путем устройства перемешивающих приспособлений или барботажных, распылительных и тому подобных приспособлений при экстрагировании из жидкостей жидкостями. Необходимо увеличивать градиент концентрации, опреде­ляющий движущую силу процесса, что может быть достигнуто путем увеличения количества растворителя или путем проведения процесса экстрагирования противотоком.

При экстрагировании в движущейся среде необходимо по возможности увеличивать скорость w движения фаз, что приводит к значительному увеличению скорости массообмена вследствие большей турбулентности потоков фаз. Необходимо повышать продолжительность экстрагирования т для увеличения количества извлеченного вещества G. Однако величину т можно увеличивать до некоторого предела, после которого даже значительное удлинение времени экстрагирования дает лишь незначи­ельный прирост количества экстрагированного вещества. Процесс экстрагирования состоит из трех стадий: 1) приведение смеси, подлежащей экстрагированию, в тесный контакт с растворителем; разделение образовавшихся фаз; удаление и регенерация растворителя из каждой фазы.