Процесс экстракции. Материальный баланс процесса экстракции

Экстрагированием называется извлечение одного или нескольких компонентов из смеси веществ путём обработки её жидким растворителем, обладающим способностью избирательно растворять только извлекаемые компоненты. В химической промышленности наиболее распространена экстракция в системах жидкость-жидкость.

Жидкостная экстракция предусматривает две технологические операции:

- контактирование исходной смеси с растворителем, в ходе которого осуществляется собственно массообменный процесс, т.е. переход компонента через границу раздела из одной фазы в другую;

- отделение полученного раствора от оставшейся жидкой смеси.

Таким образом, жидкостная экстракция предполагает неполную взаимную растворимость исходной смеси и растворителя – в противном случае вторая операция неосуществима. Операция контактирования фаз обычно проводится путём распределения (дробления) одной фазы в виде капель в объёме другой.

Разделение жидких смесей экстрагированием ведётся при низких температурах, что даёт возможность разделить смесь, состоящую из термически нестойких компонентов. Экстрагированием можно разделить азеоторопные смеси, а также смеси, состоящие из близкокипящих компонентов.

Экстрактом называется экстрагент, содержащий извлечённый компонент и часть исходного растворителя. Исходная смесь, обеднённая извлекаемым компонентом и содержащая некоторое количество экстрагента, называется рафинатом.

Экстрагент должен обладать селективностью, лёгкой регенерируемостью, отличаться от исходного раствора по плотности и вязкости, обеспечивающих процесс расслоения фаз. Кроме того, экстрагент должен по возможности быть малолетучим, нетоксичным, доступным и с низкой стоимостью.

Экстрагирование включает следующие основные операции:

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

- механическое разделение двух несмешивающихся фаз на так называемые экстракт и рафинат;

- удаление и регенерацию экстрагента из экстракта и рафината.

Разделение образовавшихся фаз может происходить вследствие разности плотностей, либо под действием поля центробежных сил. Регенерация экстрагента из рафината и экстракта может производится дистилляцией, ректификацией, выпариванием и другими методами.

Промышленные методы экстрагирования могут осуществляться в аппаратуре периодического и непрерывного действия. В первых исходная смесь и растворитель загружаются периодически и в процессе экстракции непрерывно может выделяться только один компонент исходной смеси. В установках непрерывного действия загрузка исходной смеси и растворителя осуществляется непрерывно и непрерывно выделяются оба компонента разделяемой исходной смеси.

В настоящее время жидкостная экстракция применяется в химической технологии, гидрометаллургии, аналитической химии для извлечения, разделения, концентрирования и очистки веществ. Экстракционные процессы используются в производстве органических продуктов, антибиотиков, пищевых продуктов, редкоземельных элементов, ряда редких, цветных и благородных металлов, в технологии ядерного горючего, при очистке сточных вод.

В состоянии равновесия при определённой температуре концентрации растворённого вещества в экстракте и рафината находятся между собой в функциональной зависимости

у = f(х) (1)

Эта зависимость на диаграмме в системе координат х-у может быть изображена в виде кривой, ход которой определяется экспериментально на основе простых измерений. Иногда равновесие может быть изображено на диаграмме х-у в виде прямой или уравнением у = kр × х (2), т.е. система подчиняется закону равновесного распределения вещества между экстрактом и рафинатом.

Здесь kр – постоянная величина при данной температуре, называется коэффициентом распределения

kр = y/x

Уравнение (2) справедливо при условии, если исходный растворитель и экстрагент взаимно совершенно нерастворимы, отсутствует ассоциация или диссоциация молекул экстрагируемого вещества и отсутствует химическое взаимодействие между фазами.

Процессы экстрагирования подчиняются общим законам массопередачи. Уравнение материального баланса для процесса экстракции в общем виде можно записать:- L × dx = G × dy (3)

Уравнение (3) интегрируется в пределах в зависимости от условий проведения экстрагирования.

Рассмотрим случай, когда жидкости взаимно нерастворимы.

Примем, что уо – содержание чистого растворителя,

хо – начальное содержание экстрагируемого компонента в

исходной смеси,

х1 – конечное содержание экстрагируемого компонента в той же

смеси,

у1 – конечное содержание экстрагируемого компонента в

экстрагенте.

При однократном контакте жидкостей (исходной смеси и экстрагента) уравнение материального баланса проинтегрируется в пределах от хо до х1 и от 0 до у1, т.е.

FE – рабочая линия пересекает кривую равновесия в точке Е, определяя состав экстракта у1 и рафината х1. FE – рабочая линия пересекает кривую равновесия в точке Е, определяя состав экстракта у1 и рафината х1.

Если справедлив закон распределения, то совместное решение уравнения равновесия у = kр × х и уравнение (4) приводит к соотношению:

-L × (х1 – хo) = G × k × x или

L × хo = L × х1 + k × G × х1, откуда

х1 = L × хo/(L + k × G) - уравнение позволяет вычислить состав жидкости после экстрагирования

Поиск по сайту: