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