Жидкостная экстракция

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Общие сведения о процессе и области его применения

2. Основные схемы проведения экстракционных процессов

3. Равновесие в системе жидкость - жидкость

4. Выбор экстрагента

5. 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.

В) в сочетании с реэкстракцией. (рис. 1, в) за экстракцией следует обратный процесс, который называют реэкстракцией. При этом органическую фазу обрабатывают растворами реагентов, которые обеспечивают достаточно полный переход целевого компонента в водный раствор или осадок и его концентрирование. Получаемый при этом продукт называют реэкстрактом. Таким образом, процесс экстракции всегда связан с добавлением к разделяемому раствору экстрагента, что неизбежно приводит к загрязнению продуктов разделения и к необходимости последующей очистки и к удорожанию процесса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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:

1) органические кислоты или их соли (фенолы, нафтеновыe кислоты, сульфокислоты и т.п.), которые извлекают катионы металлов в органическую фазу из водной;

2) соли органических оснований (соли первичных, вторичных и третичных аминов и т.п.), С помощью которых извлекают анионы металлов из водных растворов;

3) нейтральные растворители (вода, спирты, альдегиды, кетоны и т.п.).

Селективность экстрагирования характеризуется так называемым коэффициентом селективности, или коэффициентом разделения вв, значение которого определяется селективностью экстрагента по отношению к распределяемому компоненту В:

вв = (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

вв = тв/та (3)

Из этого выражения следует, что с увеличением значения коэффициента распределения тв селективность возрастает. Поскольку вв = f(mв), то очевидно, что величина вв зависит от тех же факторов, что и тв - изменяется с изменением концентрации компонента В в экстракте и температуры. Поскольку при вв = 1 селективность процесса равна нулю, т.е. разделение смеси экстрагированием невозможно, то при выборе эсттрагента необходимо, чтобы вв > 1. В реальных условиях значение вв должно быть не менее 2. Если какой-либо экстрагент обладает малым коэффициентом распределения (а значит, и малой величиной в), но по другим причинам его применение целесообразно, то увеличить значение т можно изменением рН раствора (для диссоциированного экстрагируемого вещества). Правильный выбор рН в таких случаях может привести к существенному возрастанию в вследствие увеличения тв и уменьшения та в уравнении (3). Увеличить значение тв можно также введением в систему неэкстрагируемой соли, т.е. применением метода «высаливания».

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:

Gн + Lн = Gк + Lк (4)

или в принятых в данном разделе обозначениях

F + 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.

1.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.

Процесс можно осуществлять как периодически, так и непрерывно. При периодической организации процесса стадию разделения экстракта и рафинада можно проводить в смесителе 1. В этом случае отпадает необходимость в отстойнике

2. 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.

Размещено на Allbest.ru