Жидкостная экстракция
План
1.
Общие сведения о процессе и области его применения
.
Основные схемы проведения экстракционных процессов
.
Равновесие в системе жидкость - жидкость
.
Выбор экстрагента
.
Материальный баланс процесса экстракции
1. Общие сведения о процессе и
области его применения
Экстракционное разделение - процесс извлечения
одного или нескольких компонентов из растворов или твердых пористых материалов
избирательно действующими растворителями (экстрагентами).
Различают:
жидкофазная экстракция- экстрагирование в системе
Ж-Ж.
твердофазное экстрагирование - экстрагирование в
системе ТВ-Ж.
Жидкостная экстракция - процесс перехода одного
или нескольких растворенных веществ из одной жидкой фазы в другую, практически
нерастворимую или частично растворимую в первой, но растворяющую эти вещества.
Процесс протекает при непосредственном контакте двух жидких фаз.
Экстракцию из твердых веществ жидкостью
(растворителем) часто называют экстрагированием. Если в этом процессе в
качестве растворителя используется вода, то такую экстракцию называют
выщелачиванием.
Экстракция широко применяется: в химической,
нефтехимической, фармацевтической, гидрометаллургической и других отраслях
промышленности при получении редких и рассеянных элементов и т.п. с целью
извлечения в чистом виде ценных или токсичных веществ из растворов, для
получения концентрированных растворов этих веществ, для очистки сточных вод
предприятий.
Жидкостную экстракцию, наряду с перегонкой,
следует рассматривать как один из основных методов разделения однородных жидких
смесей. Процесс экстракции обычно экономически выгоднее, например, ректификации
в тех случаях, когда концентрация извлекаемого компонента мала (поскольку при
экстракции не нужно испарять всю жидкую смесь). Кроме того, экстракцию
целесообразно применять в случае, если смесь невозможно или трудно разделить
ректификацией или разделяемая смесь разлагается при нагревании. Обычно
жидкостную экстракцию сочетают с ректификацией, которую применяют для
регенерации экстрагирующей жидкости, называемой экстрагентом или растворителем.
Наряду с ректификацией для регенерации экстрагента применяют такие методы, как
нагревание, выпаривание и др. Плотности экстрагента и разделяемого раствора
должны быть различными.
Экстрак m - раствор извлеченных веществ в
экстрагенте.
Рафинат - раствор, из которого удалены
экстрагируемые компоненты.
2. Основные схемы проведения
экстракционных процессов
А) без регенерации экстрагента (рис. 1, а)
исходный раствор (фаза. Фх + М) и экстрагент (фаза Фу) подают в экстракционный
аппарат - экстрактор, в котором происходит перенос вещества М из фазы Фх в фазу
Фу. В результате получают экстракт (фаза Фу + М) и рафинат (фаза Фх). Схема без
регенерации экстрагента в технике встречается редко.
Б) с регенерацией экстрагента (рис. 1, б)
применяют чаще. По этой схеме проводят регенерацию экстрагента из экстракта и
экстрагента из рафината, если экстрагент частично в немрастворим. Очищенный
экстрагент вновь подают на экстракцию.
Рис. 1
3. Равновесие в системе жидкость -
жидкость
По правилу фаз Гиббса С=К-Ф+п.
При проведении процесса жидкостной экстракции
обычно температура не изменяется, а давление на равновесие в системе жидкость -
жидкость практически не оказывает влияния. Поэтому для экстракции величина п =
О. Тогда для трехкомпонентной системы жидкость- распределяемое
вещество-жидкость С = 1 (К = 3, Ф = 2, п = О), и в ней можно изменять
концентрацию одной из фаз без нарушения равновесия. При этом у* = f (х), т. е.
данной концентрации распределяемого вещества х в одной фазе в состоянии
равновесия соответствует определенная концентрация у* вещества в другой. Эта
связь следует так называемому закону распределения: отношение равновесных
концентраций распределяемого между двумя жидкими фазами вещества при постоянной
температуре есть величина постоянная:
m = у*/х или у*= mх (1)
где у* и х - равновесные концентрации
распределяемого вещества соответственно в экстракте и рафинате в относительных
единицах; m -коэффициент распределения.
Следовательно, в координатах у - х при
постоянных температуре и давлении получим обычную плоскую фазовую диаграмму,
причем линия равновесия должна быть прямой, выходящей из начала координат.
Однако величина m является постоянной только при практически полной взаимной
нерастворимости участвующих в процессе фаз, что довольно редко встречается в
реальных условиях. Обычно значение m зависит от концентрации распределяемого
вещества, даже если температура при этом постоянна. Причиной отклонения закона
распределения от прямолинейности может быть ассоциация или диссоциация
растворенного вещества в одной или обеих фазах.
4. Выбор экстрагента
Основное свойство экстрагента - селективность,
которая характеризует его способность преимущественно извлекать один из двух,
трех или более компонентов раствора. Поэтому наиболее предпочтительным следует
считать тот экстрагент, который растворяет максимальное количество одного
компонента и минимальнoe количество остальных. Селективные свойства
экстрагентов обусловлены различием во взаимодеиствии с компонентами исходной
смеси, вследствие различии их химической природы. Высокая селективность
позволяет снизить расход экстрагента и более экономично проводить процесс
жидкостной экстракции.
Основные промышленные экстрагенты можно
подразделить на три группы:
) органические кислоты или их соли (фенолы,
нафтеновыe кислоты, сульфокислоты и т.п.), которые извлекают катионы металлов в
органическую фазу из водной;
) соли органических оснований (соли первичных,
вторичных и третичных аминов и т.п.), С помощью которых извлекают анионы
металлов из водных растворов;
) нейтральные растворители (вода, спирты,
альдегиды, кетоны и т.п.).
Селективность экстрагирования характеризуется
так называемым коэффициентом селективности, или коэффициентом разделения βв,
значение которого определяется селективностью экстрагента по отношению к
распределяемому компоненту В:
βв = (Ув/Хв)/(Уа/Ха)
(2)
Коэффициент селективности является аналогом
относительной летучести компонентов в процессе ректификации.
С учетом уравнения (1) коэффициент селективности
[уравнение (2)] примет вид
βв = тв/та (3)
экстракционный разделение равновесие
5. Материальный баланс процесса
экстракции
Если участвующие в процессе экстракции фазы
практически нерастворимы, то материальный баланс процесса описывается общим
уравнением. При однократном взаимодействии фаз (периодическая экстракция)
материальный баланс процесса по потокам принимает вид уравнения:
н + Lн = Gк + Lк (4)
или в принятых в данном разделе обозначениях
+ S = Е + R, (5)
где F, S-количества исходного paствоpa и
экстрагента соответственно, кг.
Е и R - количества полученного экстракта и
paфинатa соответственно, кг.
Уравнение (4) может быть использовано и для
непрерывного процесса при условии, что все входящие в него величины выражаются
в единицах расхода, например в кг/с. Для рассматриваемого случая уравнение
рабочей линии процесса экстракции описывается общим для массообменных процессов
уравнением:
Ук = Ун + (L/G)(Xн- Хк). (6)
Поэтому для анализа и расчета процесса
экстракции в условиях взаимной нерастворимости фаз можно использовать известный
метод графического построения равновесной и рабочей линии на фазовой диаграмме
у - х, с помощью которого определяют движущую силу процесса и высоту
экстрактора (например, через ЧТТ или ЧЕП).
Однако чаще участвующие в жидкостной экстракции
фазы обладают частичной взаимной растворимостью. Поэтому количества потоков по
высоте экстрактора будут изменяться, а значит отношение L/G в уравнении (6) не
будет постоянным. Тогда очевидно, что на диаграмме у - х рабочая линия будет
криволинейной. Поскольку в этом случае система является как минимум
трехкомпонентной, то для анализа таких систем целесообразно воспользоваться
треугольной диаграммой для построения не только равновесных, но и рабочих
концентрационных зависимостей.
Способы проведения экстракции
В зависимости от глубины извлечения из исходного
раствора растворенного в нем вещества, требований, предъявляемых к рафинату и
экстракту, и других условий возможны различные варианты проведения процесса
жидкостной экстракции. Однако любое экстрагирование обязательно включает в себя
две основные стадии: смешение растворителя с исходной смесью для создания между
ними тесного контакта и разделение образовавшейся смеси на экстракт и рафинад.
Очень часто процесс экстрагирования сопровождается регенерацией экстрагента,
т.е. удалением его из экстракта и рафинада. Эту стадию процесса обычно проводят
в специальном регенерационном аппарате.
В химической технологии используются в основном
следующие способы проведения экстракции:
однократная экстракция,
многократная экстракция с перекрестным и
противоточным движением растворителя,
непрерывная противоточная экстракция.
Наибольшее распространение в промышленности получила
экстракция одним растворителем, хотя находит применение и экстракция двумя
экстрагентами.
.Однократная (одноступенчатая) экстракция. Этот
способ проведения экстракции заключается в том, что исходный раствор F и
экстрагент S перемешивают в смесителе 1 (рис. 2), после чего в отстойнике 2
разделяют на два слоя: экстракт Е и рафинад R. Обычно считают, что в смесителе
1 вследствие интенсивного перемешивания и достаточного времени контакта
устанавливается фазовое равновесие, т.е. однократная экстракция позволяет
достигнуть эффективности, соответствующей теоретической ступени изменения
концентрации. Степень извлечения при таком методепроведения экстракции можно
повысить, увеличивая подачу экстрагента в аппарат 1, но это приведет к снижению
концентрации экстракта и удорожанию процесса.
. Многократная экстракция с перекрестным током
растворителя;
При проведении экстракции по этому способу
исходный раствор F и соответствующие рафинаты обрабатывают порцией свежего
экстрагента S1, S2 и т.д. на каждой ступени экстракции, состоящей из смесителя
и отстойника, причем рафинаты направляют последовательно в следующие ступени, а
экстракты Е1, Е2 и т.д. после каждой ступени выводят из системы. При таком
способе экстрагирования исходный раствор F поступает в первую ступень, а
конечный рафинат R отбирают из последней, п-ой ступени. По этому способу можно
практически полностью извлечь из исходного раствора распределяемый компонент и
получить чистый рафинат. Однако при этом неизбежны потери растворителя,
содержащегося в исходном растворе, так как в каждом ступени происходит
частичное удаление этого растворителя с экстрактом.