Методы осуществления экстракции
Любой процесс экстракции содержит следующие стадии: 1) смешение растворителя с разделяемой смесью, обеспечивающее их контактирование; 2) разделение образовавшейся смеси на рафинатный и экстрактный р-ры. В зав-ти от числа ступеней экстракции и способа их соединения различают следующие разновидности процесса экстракции: однократную, многократную и противоточную.
При однократной экстракции: исходное сырье Fв один прием обрабатывают заданным кол-вом растворителя L в смесителе С. Образовавшуюся в результате контакта смесь разделяют в отстойнике О на рафинатный Rи экстрактный S растворы, которые отводят из аппарата.
При многократной экстракции: исходное сырье Fи соответствующие рафинатные р-ры Ri обрабатываются порцией свежего растворителя на каждой ступени экстракции, где имеются смеситель С и отстойник О. При этом рафинатный р-р направляется в следующую ступень экстракции, а экстрактные р-ры S1, S2, S3, после каждой ступени экстракции выводятся из системы. При таком способе обработки исходная разделяемая смесь F поступает в первую ступень экстракции, а окончательный рафинатный р-р R3отбирается из последней ступени.
Очевидно, в этом случае можно получить лучшее качество рафинатного раствора по сравнению с однократной экстракцией, однако выход конечного рафинатного раствора (рафината) уменьшается.
Противоточная экстракцияхарактеризуется многократным контактированием в противотоке рафинатных и экстрактных р-ров, целью которого является обеспечение заданного изменения их составов. Противоточное контактирование фаз может быть осуществлено либо в системе аппаратов типа смеситель-отстойник, либо в аппарате колонного типа с контактными устройствами различных конструкций.
Противоточная экстракция обеспечивает получение продуктов заданного качества при высоких их выходах. Бывает также многоступенчатая противоточная экстракция с флегмой и многоступенчатая противоточная экстракция двумя растворителями.
4. Однократная экстракция
Для расчета процесса однократной экстракции необходимо располагать бинодальной кривой с конодами и составом сырья, определяемой (∙) F. В результате расчета определяют удельный расход растворителя gL/gF,кол-во образовавшихся рафинатного и экстрактного р-ров gR и gS, содержание в них растворителя xLR и хLS, выходы рафината gР и экстракта gQ.
Проводят однократную обработку сырья Fраст-лем L. На ∆-ой диаграмме смесь сырья и р-ля определяется (∙), лежащими на прямой LF, к-ая хар-ет постоянство соотношения комп-тов А и Впри разбавлении исходной с-мы р-лем L.
N1 и N2 –мин-ный и макс-ный расход р-ля при однократной экстракции. Расход р-ля должен быть выбран таким, чтобы (∙)Nтройной системы располагалась м/у (∙)N1 и N2 внутри области, ограниченной бинодальной кривой.
Пусть расход р-ля выбран таким, что его смесь с сырьем хар-зуется (∙)N, а конц-я р-ля в смеси будет равна хLN. Тогда расход р-ля gLопределится из следующего соотношения: 
откуда 
На основании первого св-ва ∆-ой диаграммы кол-во образующихся рафинатного gRи экстрактного gS р-ров опр-ся из соотношения: 
и уравнения мат. баланса экстракции 
Конц-и р-ля в рафинатном xLR и экстрактном xLS р-рах опр-ются (∙)ами, полученными при пересечении горизонталей, проведенных из (∙)ек R и S, со стороной ∆-ка AL.
При удалении р-ля из рафинатного р-ра получим рафинат, характеризуемый (∙)Р, к-рая находится на стороне АВ, так как содержание р-ля в рафинате равно нулю. Положение (∙) определяется прямой, проходящей через (∙)ки р-ля L и рафинатного р-ра Rи пересекающей сторону АВ∆-ка в (∙)Р. Аналогично определяется (∙)Q.
Выходы рафината gPи экстракта gQ могут быть найдены на основании первого св-ва ∆-ной диаграммы 
5. Расчёт противоточной экстракции по ∆-ой диаграмме
Чтобы получить рафинатный и экстрактный р-ры требуемого качества при высоком выходе рафинатного р-ра применяют процесс противоточной экстракции.
Для расчета противоточной экстракции должны быть заданы бинодальная кривая с конодами, состав исходного сырья ((∙)F),и состав конечного рафината R3и (или) экстракта S1.Все остальные величины могут быть определены расчетом.
Уравнения материального баланса для каждой ступени экстракции:
1 ступень 
, откуда 
2 ступень откуда
3 ступень откуда
Из приведенных уравнений следует, что
Ур-ние (1) хар-ет пучок прямых, проходящих через (∙) каждой пары встречных потоков S1 и F, S2.и R1, S3 и R2, L и R3 и пересекающихся в (∙)М. Эти линии являются рабочими.
Расход растворителя gLв этом случае определяется координатами (∙)N:
Пусть задан расход растворителя: 
Кол-во конечных рафинатного и экстрактного р-ров:
и 
Выходы рафината и экстракта: 
и 
6. Расчёт противоточной экстракции по диаграмме X-Y
Рi — потоки рафинатов (без учета массы р-ля), уi — конц-ции извлекаемого комп-та.
Li — потоки р-ля, а через хi — конц-ции извлекаемого комп-та
Мат. баланс по извлекаемому компоненту для аппарата в целом:
Если конц-ции х и у выразить относительно входящих потоков:
и 
Из ур-ния (1) →: 
или 
(2)
Ур-ние (2) позволяет определить удельный расход р-ля в зав-ти от конц-ции извлекаемого комп-та в потоках входящих и покидающих аппарат.
На диаграмме X-Y наклон рабочей линии определяется удельным расходом растворителя LN+1/P0. На диаграммeу X-Y необходимо нанести также равновесную кривую ОС, отвечающую определенной температуре экстракции.
Источник
Принципиальные схемы экстракции
В технологических процессах используются различные схемы экстракции: однократная; многократная с перекрестным током растворителя (экстрагента); многократная с противотоком растворителя; непрерывная противоточная; ступенчатая противоточная.
Однократная экстракция осуществляется как периодическим, таки непрерывным способом. В экстрактор загружается исходный раствор F, содержащий распределяемое вещество концентрацией хF, и к нему добавляют порцию растворителя S с концентрацией распределяемого вещества уS. Жидкости перемешивают длительное время, так что можно считать, что в массообменной системе наступает состояние равновесия. После проведения процесса экстракции жидкости расслаиваются в этом же аппарате. В результате получают рафинат R с концентрацией хR и экстракт Е с концентрацией уЕ.
При проведении непрерывного процесса однократной экстракции смесь рафината и экстракта непрерывно отводится из смесительного устройства в отстойник, где осуществляется их разделение.
|
Этот процесс в случае взаимной нерастворимости фаз может быть изображен на у – х-диаграмме (рис. 12.7) прямой а b, тангенс угла наклона которой соответствует отношению массовых расходов исходного раствора F и растворителя S. Как следует из приведенной диаграммы при увеличении количества растворителя можно получить рафинат высокой степени чистоты, но предельное насыщение экстракта определяется величиной yEmax.
Эффективность проводимого по этой схеме процесса экстракции невелика, поскольку концентрации распределяемого вещества в целевых продуктах мало отличаются от исходных.
Многократная экстракция с перекрестным током растворителя (рис. 12.8) обеспечивает более высокую эффективность проведения процесса. В ходе экстракции исходный раствор на каждой стадии обрабатывается свежим растворителем.
Из первой ступени однократной экстракции Э1 исходного раствора F растворителем S1 полученный после разделения рафинат R1 с концентрацией х R1, вводится в контакт с новой порцией растворителя S2 на второй ступени Э2 и т. д. (рис. 12.8, а). Процесс обработки осуществляют до тех пор, пока не получен рафинат требуемого состава.
Общий расход растворителя равен сумме всех порций экстрагента на всех ступенях экстракции. В зависимости от количества растворителя, подаваемого на каждую стадию, может меняться угол наклона рабочих линий процесса ab и cd (рис. 12.8, б).
Недостатком данного способа является значительный расход растворителя и его невысокое насыщение на стадиях процесса экстракции.
Многократная экстракция с противотоком растворителя (рис. 12,9) состоит из нескольких стадий смесительно-отстойной экстракции (рис. 12.9, а). Свежий растворитель S вводится в процесс на последней стадии Э3 обработки исходной смеси, а получаемый экстракт в качестве растворителя перемещается на предыдущую стадию Э2. Таким образом на каждой ступени осуществляется однократная экстракция очищаемого рафината движущимся противотоком ему растворителем.
При взаимной нерастворимости фаз этот процесс может быть представлен на диаграмме у – х (рис. 12.9, б) в виде рабочих ли ний ab, cd и ef, соответствующих каждой ступени однократной экстракции.
Поскольку отношение количества исходного вещества и растворителя в процессе не меняется, угол наклона рабочих линий на каждой стадии постоянен.
Непрерывная противоточная экстракция осуществляется в колонных экстракторах (полых, насадочных, тарельчатых). При этом составы взаимодействующих фаз могут меняться как непрерывно, так и скачкообразно от ступени к ступени.
Рабочая линия в том и другом случае представлена отрезком, соответствующим противоточному процессу массопередачи (см. рис. 9.3, в).
Экстрагирование
Экстракция в системе жидкость – твердое тело (экстрагирование) представляет собой процесс извлечения одного или нескольких компонентов, распределенных в твердом веществе. Извлекаемый компонент либо в твердом, либо в жидком состоянии может находиться в твердом веществе, скелет которого играет роль инертного носителя.
Извлечение распределяемого компонента из твердой структуры жидкостью эффективно по следующим причинам:
· жидкое состояние вещества позволяет обеспечить максимальную поверхность контакта фаз;
· диффундирование компонентов к границе раздела фаз и в обратном направлении в жидкости ускоряется вследствие увеличения подвижности молекул и микрообъемов среды;
· молекулы, находящиеся в растворе, более активны, чем молекулы вещества, находящегося в твердом состоянии.
Механизм процесса экстрагирования имеет две основные стадии, определяющие его кинетику: диффузию вещества из пор твердого скелета-носителя к поверхности вещества и диффузию от поверхности через пограничный слой в ядро потока.
Движущей силой процесса экстрагирования является разность концентраций. Если извлекаемое вещество находится в растворенном состоянии, то равновесие наступает при равенстве концентраций компонента в порах и растворителе. При экстракции компонентов, находящихся в твердом состоянии, равновесие наступает в момент достижения в растворителе концентрации насыщения по извлекаемому компоненту.
Повышение температуры способствует возрастанию движущей силы (разности концентраций), вызывает увеличение коэффициента молекулярной диффузии, что значительно интенсифицирует процесс экстрагирования. Вследствие этого экстрагирование чаще всего осуществляют при повышенной температуре, ограниченной температурой кипения растворителя при конкретных условиях.
Процесс экстрагирования может проводиться при интенсивном перемешивании, позволяющем обеспечить максимальную поверхность контакта фаз, а также при интенсивной турбулизации растворителя, увеличивающей коэффициент массоотдачи от поверхности твердых частиц в раствор. Однако перемешивание практически не влияет на процесс диффузии компонента внутри твердого вещества, который в этом случае может являться лимитирующей стадией.
В этом случае повышение скорости процесса экстрагирования может достигается путем измельчения твердой фазы, что не только увеличивает поверхность контакта фаз, но и сокращает путь внутренней диффузии.
Процесс экстрагирования осуществляется периодически и непрерывно.
Периодическое экстрагирование применяют обычно в малотоннажных производствах, когда другие операции этого технологического процесса также осуществляются периодически.
В крупнотоннажных производствах экстрагирование осуществляется обычно непрерывными способами, которые в зависимости от движения раствора и твердой фазы делятся на прямоток, противоток и их различные комбинации.
При организации потока растворителя и твердого материала следует учитывать, что эффективность экстрагирования противотоком выше, чем прямотоком. Это обусловлено тем, что средняя скорость процесса увеличивается при извлечении вещества свежим растворителем из внутренней части частиц перед удалением их из процесса, а концентрированным растворителем – с поверхности частиц в момент их ввода в установку.
К основным конструкциям экстракторов для систем жидкость – твердое тело относятся: карусельные, конвейерные, вертикальные колонные, горизонтальные шнековые и лопастные, барабанные, смесительно-отстойные и др.
1. В чем заключаются принцип и назначение процессов экстракции?
2. Какие требования предъявляются к экстрагентам (растворителям) в процессах жидкостной экстракции?
3. Какому закону подчиняется равновесие в процессах жидкостной экстракции?
4 Какие основные конструкции жидкостных экстракторов применяются в промышленности?
5. Какие принципиальные схемы жидкостной экстракции используются в промышленности?
6. В чем заключаются принцип и особенности процесса экстрагирования?
Тема 3.6. Адсорбция 2ч.
Студент должен:
знать:
— сущность процесса адсорбции;
— типы адсорбентов, устройство и принципы работы адсорбентов;
— принципы составления материального баланса процесса адсорбции.
Источник
