FOREDRAG 16

UDVINDING

16.1. EKSTRAKTION I VÆSKE-VÆSKE-SYSTEMET

16.1.1. GENEREL INFORMATION

Ekstraktion i væskesystem - væske er processen med at udvinde et opløst stof eller stoffer fra en væske ved hjælp af en speciel anden væske, der ikke opløses eller næsten ikke opløses i den første, men opløser de ekstraherede komponenter.

Et skematisk diagram af ekstraktion er vist i fig. 16.1.1.

Antibiotikum" href="/text/category/antibiotik/" rel="bookmark">antibiotika, der nedbrydes ved forhøjede temperaturer.

I mange tilfælde anvendes udsugning i kombination med rektifikation. Da varmeforbruget til rektifikation falder med stigende koncentration af den oprindelige opløsning, gør den foreløbige koncentration af opløsningen ved ekstraktion det muligt at reducere varmeforbruget til udskillelse af den oprindelige blanding.

16.1.2. LIGESTILLING I VÆSKE-VÆSKE-SYSTEMET

Overgangen af ​​det fordelte stof fra en flydende fase (initialopløsning) til en anden (ekstraktionsmiddel) sker indtil ligevægt er etableret, dvs. indtil de kemiske potentialer i faserne er udlignet. Processen involverer tre komponenter (K=3) og to faser (F=2). Ifølge fasereglen er systemvariation F=3 . Temperaturen og trykket under ekstraktionsprocessen holdes dog normalt konstant. Så vil variationen af ​​ekstraktionssystemet være lig med én.

Følgelig svarer en given koncentration af et fordelt stof i én fase i en ligevægtstilstand til en bestemt koncentration i en anden.

Ligevægt i ekstraktionsprocesser er karakteriseret ved fordelingskoefficienten φ, som er lig med forholdet mellem ligevægtskoncentrationerne af det ekstraherede stof i begge væskefaser - i ekstraktet og raffinatet.

I de enkleste systemer er fortyndede opløsninger tilstrækkelige, idet de overholder Berthelot - Nernst-loven; ved en konstant temperatur afhænger fordelingskoefficienten ikke af koncentrationen af ​​det distribuerede stof og φ = ur/x, Hvor du, x- ligevægtskoncentrationer af det fordelte stof i ekstrakten og raffinatet. I dette tilfælde er ligevægtslinjen lige:

DIV_ADBLOCK7">

Fordelingskoefficienten, som regel, i industrielle systemer bestemmes eksperimentelt.

Hvis vi anser begge væskefaser for at være uopløselige i hinanden, så vil hver fase være en to-komponent opløsning. I dette tilfælde kan ekstraktionsprocessen, analogt med andre masseoverførselsprocesser, afbildes i koordinater y- x.

Hvis væskefaserne er delvist gensidigt opløselige, vil hver af dem være en tre-komponent opløsning under ekstraktion. Sammensætningerne af trekomponentblandinger præsenteres i et trekantet koordinatsystem (fig. 16.1.2).

DIV_ADBLOCK8">

Ved fjernelse af stoffet, der skal fordeles M fra en blanding N og de punkter, der svarer til de resulterende sammensætninger, vil ligge på den lige linje RM, og jo mere fortyndet opløsningen er, jo tættere på siden af ​​trekanten L.E..

Materialebalance" href="/text/category/balans_materialmznij/" rel="bookmark">materialebalance

R+E=N,

Hvor: R, E, N- masse af henholdsvis raffinat, ekstrakt, startblanding, kg.

I henhold til de gearingsregler, vi har

https://pandia.ru/text/78/416/images/image007_81.jpg" width="243" height="244 src=">

Ris. 16.1.4. Ligevægtslinje i et trekantdiagram

Sammensætninger af homogene to-komponent opløsninger M Og L Og M Og E kendetegnet ved punkter på siderne af diagrammet L.M. Og SPISE. Opløsningsmidler L Og E kun danne homogene løsninger på små områder LR Og EE. Opløsningsmiddelblanding på stedet RE adskilles i to homogene to-komponent mættede opløsninger R(mættet opløsning E V L) Og E(mættet opløsning L V E). Desuden bestemmes mængden af ​​mættede opløsninger i hvert af de to lag af punktets position N og findes efter vægtstangsreglen [(se ligning (16.1.2)].

Ved tilsætning af et stof M ind i sammensætningsblandingen N en ternær blanding af sammensætning karakteriseret ved en spids dannes N1 liggende på en lige linje N.M.. Blanding af sammensætningen https://pandia.ru/text/78/416/images/image009_88.gif" width="92" height="23 src=">. Med yderligere tilsætning af det distribuerede stof til blandingen M2 , M3 , ...vi får ternære blandinger af sammensætninger N2 , N3 ..., som også adskilles i faser med ligevægtssammensætninger R2 og E2, R3 og E3 osv. Samtidig ændres masseforholdene for ligevægtsstrømningshastigheder også indtil det øjeblik, hvor en af ​​faserne forsvinder i det pågældende tilfælde med sammensætningen N4. Efter dette, når du tilføjer det stof, der skal fordeles M homogene ternære opløsninger af sammensætningen dannes N5 osv. Hvis du tilslutter R 1 og E1, R2 og E2... ved hjælp af lige linjer opnår vi ligevægtsakkorder R1 E1,R2 E2,..., svarende til ligevægtssammensætninger. Ligevægtsakkorderne konvergerer i et punkt TIL, kaldet kritisk. Hældningen af ​​ligevægtsakkorden bestemmes af arten af ​​komponenterne og sammensætningen af ​​faserne. Forbindelse af prikkerne, der karakteriserer ligevægtssammensætningerne R, R1 R2 , ... og E, E1 E2, ..., en glat kurve, får vi en ligevægtskurve (binodal kurve). Afdeling RK ligevægtskurven karakteriserer opløsningsmiddelfasens ligevægtssammensætninger L, og grenen EC- ligevægtssammensætninger af opløsningsmiddelfasen E.

Den binodale kurve i det trekantede diagram afgrænser de områder, der svarer til tofasede blandinger (under den binodale kurve) og enfasede opløsninger (uden for den binodale kurve).

Vist i fig. 16.1.4 ligevægtsdiagrammet er tegnet for en konstant temperatur og kaldes en isoterm.

I praksis er vi nødt til at forholde os til komponenter, der har delvis opløselighed i visse koncentrationsområder. I henhold til komponenternes opførsel kommer trekantede diagrammer med to og tre zoner med begrænset opløselighed.

Temperaturen påvirker også ligevægten i et system. Komponenternes gensidige opløselighed stiger som regel med stigende temperatur; derfor falder rækkevidden af ​​eksistens af heterogene systemer. Med stigende temperatur vil den binodale kurve i fig. 16.1.4 vil nærme sig aksen L.E., mens området under stregen RKE vil falde.

16.1.3. MASSEOVERFØRSEL UNDER UDTAGNING

De kinetiske love for ekstraktionsprocessen er bestemt af de grundlæggende love for masseoverførsel.

For at øge overfladearealet af fasekontakt spredes en af ​​faserne i form af dråber i en anden kontinuerlig fase. Overfladearealet af fasekontakten bestemmes af tilbageholdelsen af ​​den dispergerede fase i ekstraktoren og dråbernes gennemsnitlige overfladevolumendiameter. Det fordelte stof diffunderer fra den kontinuerte fase til overfladen af ​​dråberne og derefter ind i dråben eller omvendt fra dråben gennem fasegrænsefladen til den kontinuerte fase.

Masseoverførsel inde i dråber udføres ved molekylær og konvektiv diffusion. Konvektion inde i dråberne opstår på grund af væskecirkulationen. Formen og størrelsen af ​​dråberne ændrer sig mange gange under ekstraktionsprocessen på grund af dispergering og sammensmeltning. I dette tilfælde fornyes overfladen af ​​grænsefladekontakten.

Ficks anden lov bruges til at beskrive masseoverførsel i ekstraktionsprocesser.

I det generelle tilfælde, når diffusionsmodstanden i de kontinuerte og dispergerede faser ikke kan negligeres, bestemmes masseoverførselskoefficienten af ​​udtrykkene

https://pandia.ru/text/78/416/images/image005_121.gif" width="12" height="23 src=">.gif" width="17" height="24 src=">. gif" width="55" height="24">. Derefter vil den grundlæggende masseoverførselsligning blive omskrevet som følger:

Hvis hoveddiffusionsmodstanden er koncentreret i den dispergerede fase, dvs. gif" width="113" height="25 src=">.

Masseoverførselskoefficienter i faser beregnes ved hjælp af kriterieligninger, som er opnået på baggrund af eksperimentelle data. Kriterieligninger er givet nedenfor, når der beskrives udtræksdesign.

Den gennemsnitlige drivkraft beregnes under hensyntagen til skalaovergangsfaktoren og ved at indføre dens værdi i beregningsligningerne.

16.1.4. DIAGRAMMER OG BEREGNINGER AF EKSTRAKTIONSPROCESSER

I industrien anvendes periodisk eller kontinuerlig ekstraktion efter følgende skemaer: enkelttrins, flertrins modstrøm og flertrins med krydsstrømsekstraktion.

Enkelttrins ekstraktion bruges i tilfælde, hvor separationskoefficienten er høj. Det kan udføres periodisk og kontinuerligt i henhold til skemaet vist i fig. 16.1.5,a. Den indledende opløsning fyldes i blandeapparatet F i mængde L kg opløsningsmiddelkoncentration Hn og ekstraktionsmiddel E, som blandes med en omrører og derefter adskilles i to lag: ekstraher E og raffinere R.

https://pandia.ru/text/78/416/images/image025_42.gif" width="97" height="24 src="> (16.1.5)

At tro det y=φx og ekstraktionsmodul m= E/ L, får vi raffinatkoncentrationerne

https://pandia.ru/text/78/416/images/image028_36.gif" width="77" height="48 src="> (16.1.7)

Samtidig er graden af ​​udvinding

https://pandia.ru/text/78/416/images/image030_37.gif" width="80" height="21">

Lad os overveje processen med enkelttrinsekstraktion på trekantede og rektangulære diagrammer (fig. 16.1.5, b, c). Når den oprindelige opløsning blandes med ekstraktionsmidlet, dannes en ternær blanding, hvis sammensætning er karakteriseret ved punktet N, placeret på blandelinjen F.E.. Efter stratificering af denne blanding dannes et ekstrakt og raffinat, hvis sammensætning bestemmes af punkterne R Og E, liggende på ligevægtsakkorden, der passerer gennem punktet N. Ekstraktionsmodulet bestemmes af håndtagsreglen: E/ F= FN/(DA)

Raffinat mængde R= https://pandia.ru/text/78/416/images/image032_34.gif" width="79" height="24">.

Raffinatets sammensætning bestemmes af punktet RK, og uddraget er punktet Ek på siden af ​​trekanten L.M..

Ekstreme værdier af ekstraktionsmoduler bestemmer point N1 Og N2 på den binodale kurve: Og .

Når den oprindelige opløsning og ekstraktionsmidlet er gensidigt uopløselige i diagrammet på-x udvindingsprocessen er repræsenteret ved en ret linje AB, for at konstruere fra punktet hn tegne en linje i en vinkel DIV_ADBLOCK13">

Ekstraktionsmodul til opnåelse af raffinat med en given koncentration hk

Jo større modulet af ekstraktionsmidlet er, jo mindre er tangenten af ​​hældningsvinklen og koncentrationen af ​​den ekstraherede komponent i raffinatet og ekstrakten : Og . Men efterhånden som ekstraktionsmidlets modul stiger, stiger omkostningerne ved dets regenerering. De optimale ekstraktionsfaktorværdier er 1,2< mφ <2.

Flertrins udsugning udføres i flersektionsudtræk eller udsugningsenheder, hvor hver enhed repræsenterer en selvstændig installation. Flertrinsekstraktion kan udføres med en modstrøm af ekstraktionsmidlet, med en krydsstrøm af den oprindelige opløsning og ekstraktionsmidlet, eller en kombineret metode i nærværelse af flere ekstraktionsmidler.

Modstrømsudvinding kan udføres efter forskellige skemaer. For eksempel i spray-, pakke- og pladeekstraktorer ændres sammensætningen af ​​begge faser kontinuerligt langs apparatets længde, I andre ekstraktorer eller installationer ændres sammensætningen af ​​begge eller en fase brat, når man bevæger sig fra sektion til sektion.

I multi-sektions modstrømsinstallationer (fig. 16.1.6, a) den indledende løsning F og ekstraktionsmiddel E kommer fra modsatte ender af installationen. Et ekstrakt med en koncentration af den ekstraherede komponent tæt på mætning interagerer i det første trin med den oprindelige opløsning F koncentration hn. Efter adskillelse af den ternære blanding i første trin, et ekstrakt med en koncentration på = yTil og raffinatkoncentration x1 . Raffinat sammensætning x1 i det andet trin interagerer det med ekstraktet af sammensætning E3. Efter adskillelse opnås et raffinat af sammensætningen R2 og sammensætningsekstrakt E2. I det sidste n'te trin blev raffinatet udtømt i den ekstraherede komponent Rn-1 koncentrationen interagerer med frisk ekstraktionsmiddel E koncentration DIV_ADBLOCK14">

Lad os skildre processen med flertrins modstrømsekstraktion i et diagram på- x(Fig. 16.1.6, b). For at gøre dette vil vi oprette en ligning for processens arbejdslinje.

Vi skriver materialebalancen for hele installationen for den ekstraherede komponent, idet vi ser bort fra den gensidige opløselighed af opløsningen og ekstraktionsmidlet i koncentrationer pr. 1 kg ekstraktionsmiddel:

https://pandia.ru/text/78/416/images/image043_26.gif" width="169" height="24 src=">

https://pandia.ru/text/78/416/images/image045_26.gif" width="151" height="41 src=">

som er ligningen for en ret linje med hældningstangens

https://pandia.ru/text/78/416/images/image047_21.gif" width="57" height="24"> og til sagen.

Den kinetiske linjes position bestemmes af ekstraktionskoefficienten og den hydrodynamiske situation i apparatet.

Den trekantede diagramproces er vist i fig. 16.1.6 V.

I den første sektion af ekstraktionsinstallationen, på strømmen af ​​den oprindelige opløsning af sidstnævnte F interagerer med uddraget fra den forrige anden fase E2 med dannelsen af ​​en ternær punktblanding N1 , efter adskillelse, hvoraf et ekstrakt opnås i en separator E1 og raffinere Rl i det generelle tilfælde af ikke-ligevægtssammensætning.

I andet trin raffineres Rl interagerer med ekstraktet fra tredje fase E3 dannelse af en ternær blanding N2 , som er opdelt i R2 og E2.

Ved at forbinde to punkter svarende til fasesammensætningerne ved hver sektions ind- og udløb med linjer FE1,RE2,R2 E3 osv. og fortsætter dem, får vi skæringspunktet R.

Lignende processer forekommer i de resterende sektioner af ekstraktoren. Som et resultat bliver den oprindelige opløsning udtømt i den ekstraherede komponent og forlader sidstnævnte nth koncentrationsafsnit hk, og ekstraktionsmidlet mættes med komponenten til den endelige koncentration uk.

Udsugning med krydsstrømsudtræk kan udføres i flere sektioner kontinuerligt (fig. 16.1.7) ,EN) eller i et afsnit med jævne mellemrum (fig. 16.1.7 ,b).

Når processen udføres kontinuerligt, den indledende løsning F er indført i det første afsnit, hvor det behandles med et ekstraktionsmiddel E, efter adskillelse opnås raffinatet R1 og ekstrahere . Raffinat R1 indføres i den anden sektion, hvor den igen forarbejdes med frisk ekstraktionsmiddel E. Udtræk E1 Og E2 fjernes fra installationen, og raffinatsammensætningen R2 kommer ind i næste afsnit, hvor processen gentages igen. Som et resultat opnås et raffinat af en given sammensætning Rn og ekstrakt af variabel sammensætning E1, E2,..., Ep.

DIV_ADBLOCK16">

https://pandia.ru/text/78/416/images/image035_26.gif" width="16" height="15 src=">, hvis tangent bestemmes af ekstraktionsmodulet.

Flertrins modstrømsekstraktion er en mere effektiv proces end krydsstrømsekstraktion. Ved modstrømsudsugning opnås en højere gennemsnitlig drivkraft af processen På grund af udligningen af ​​drivkraften i starten og slutningen af ​​installationen sker der en mere fuldstændig udtrækning af komponenten fra opløsningen, samtidig med at udsugningsmodulet reduceres sammenlignet med ekstraktion i krydsflow, men det nødvendige antal kontakttrin for at opnå samme grad af oprensning.

16.1.5. DESIGN OG BEREGNINGER AF UDTRÆKKER

Effektiviteten af ​​masseoverførsel i ekstraktionsprocesser er proportional med arealet af masseoverførselsoverfladen og processens gennemsnitlige drivkraft. For at øge masseoverførselsoverfladearealet i ekstraktorer dispergeres en af ​​væskefaserne og fordeles i den anden i form af dråber. Masseoverførselsprocessen finder sted mellem dispersionsfasen og den kontinuerlige fase. For at udføre processen med den største drivkraft organiseres vekselvirkningen af ​​strømme i ekstraktorerne under forhold, der nærmer sig ideel forskydning. Dette opnås ved at udføre processen i et tyndt lag i pakkede, centrifugale ekstraktorer, ved at sektionere ekstraktorerne eller ved at anvende flertrins sektionsekstraktionsenheder.

Ifølge princippet om procesorganisering kan ekstraktorer være enten kontinuerlige eller periodiske.

Afhængigt af fasekontaktmetoden kan ekstraktorer opdeles i tre grupper: trinvis eller sektionsdelt, differentiel kontakt og blanding og bundfældning.

Trinformede (sektions)udtrækkere bestå af separate afsnit, hvor koncentrationsændringen i faserne sker brat. I et antal tilfælde nærmer hver sektion sig koncentrationsfeltet for et ideelt blandeapparat. En ekstraktor, der består af flere sådanne sektioner, nærmer sig et ideelt forskydningsapparat med hensyn til koncentrationsfeltet.

Behovet for faseadskillelse efter hver ekstraktionssektion i tilfælde af dårligt adskilte emulsioner kan føre til en betydelig forøgelse af ekstraktorens størrelse.

Differentialkontaktudtræk give kontinuerlig kontakt mellem faser og en jævn kontinuerlig ændring i koncentrationer i faserne. På grund af den langsgående blanding af faser i sådanne anordninger kan der være en betydelig reduktion i den gennemsnitlige drivkraft sammenlignet med ideelle forskydningsanordninger.

Energi er nødvendig for at sprede væskefasen. Afhængigt af den anvendte energitype, kan udtrækker være uden eller med ekstern energiforsyning. Ekstern energi kan indføres i de interagerende faser ved hjælp af blandeanordninger, vibratorer og pulsatorer, f.eks. i, i form af centrifugalkraft i centrifugalekstraktorer, kinetisk energi af strålen i injektions- og ejektorekstraktorer.

Blande- og bundfældningsudtrækkere består af flere trin, som hver omfatter en blander og en separator. I blanderen er en af ​​væskefaserne på grund af tilførslen af ​​ekstern energi dispergeret for at danne en dispersiv fase, som er fordelt i den anden, den kontinuerlige fase. Den dispergerede fase kan enten være en let eller en tung fase.

I separatoren, som er en bundfældningstank, og i moderne installationer en separator, separeres emulsionen i raffinat og ekstrakt. Diagrammet over den enkleste blande- og bundfældningsudtrækker er vist i fig. 16.1.9.

https://pandia.ru/text/78/416/images/image055_12.jpg" width="197" height="253 src=">

Ris. 16.1.10. Diskudtrækker:

1 - cylindrisk krop; 2 - overløbsanordning; 3 – sigteplader

Den dispergerede fase (let eller tung) passerer gennem hullerne i pladerne og knuses til dråber. Den kontinuerlige fase bevæger sig langs pladen fra overløb til overløb. Dråber på pladerne smelter sammen og danner et kontinuerligt lag væske over pladen (tung væske) eller under pladen (let væske). Støttelaget sektionerer ekstraktoren i højden og giver støtte til at sprede væske gennem hullerne i pladerne. Sektionering af ekstraktoren reducerer tilbageblanding af faserne og fører til en stigning i processens gennemsnitlige drivkraft.

Hastigheden af ​​den spredte fase i pladens huller bestemmes ud fra betingelserne for at skabe jet-tilstanden. Den kritiske hastighed svarende til overgangen fra dryptilstand til jettilstand afhænger af hullernes diameter:

vTils=4,4/ d0 .

For at betjene ekstraktoren i en stabil stråletilstand øges hastigheden med cirka 20 % i forhold til den kritiske.

For at bestemme masseoverførselskoefficienterne i den dispergerede fase kan vi anbefale udtrykket

https://pandia.ru/text/78/416/images/image057_24.gif" width="116" height="25 src="> - diffusion Nusselt nummer (her (βd - masseoverførselskoefficient i den spredte fase; døh- ækvivalent dråbediameter; Dd - diffusionskoefficient i den dispergerede fase); - Reynolds kriterium for et fald (her - faldets relative hastighed i den kontinuerte fase; vc - kinematisk viskositet af den kontinuerte fase); - Prandtl-diffusionskriterium for den dispergerede fase (her v- kinematisk viskositet af den dispergerede fase).

Roterende skiveudtrækker(Fig. 16.1.11) henviser til ekstraktorer med mekanisk sammenblanding af faser. Det er et lodret flersektionsapparat, i et cylindrisk legeme, hvoraf en rotor med runde vandrette skiver er installeret langs aksen. Skiverne roterer i det midterste plan af udtrækssektionen og er adskilt af ringformede skillevægge, som forhindrer langsgående sammenblanding af strømmene og er med til at øge processens drivkraft. Når rotoren roterer, skaber skiverne aksiale strømme af den kontinuerlige fase rettet fra rotoraksen til ekstraktorens vægge.

DIV_ADBLOCK20">

Rotorskive diameter Dp er 0,5...0,7 af udtræksdiameteren og diameteren af ​​hullerne i de ringformede skillevægge D =(0,6...0,8) Døh(Hvor Døh- udtræksdiameter), sektionshøjde H=(0,15...0,3) Døh.

I andre designs er åbne turbineblandere placeret på rotoren i midterplanet af hver sektion. Sektionering opnås ved hjælp af ringskillevægge. I sådanne ekstraktorer veksler blandings- og separationszoner.

I stedet for ringformede skillevægge kan blandezonerne adskilles af et lag af pakning, for eksempel Raschig-ringe, hvori den ternære blanding adskilles i let og tung væske. I fig. Figur 16.1.12 viser en udsugning med turbineblandere og bundfældningszoner fyldt med Raschig-ringe.

https://pandia.ru/text/78/416/images/image063_17.gif" width="157" height="27 src=">som bestemmer høje masseoverførselskoefficienter og overfladeareal af interfasekontakt; division af reaktionsvolumenet i sektioner, hvilket fører til en stigning i den gennemsnitlige drivkraft til værdier tæt på dem for et ideelt forskydningsapparat; evnen til at regulere rotorhastigheden, hvilket giver dig mulighed for at ændre udtrækkets produktivitet og effektivitet.

For at beregne og modellere roterende ekstraktorer er det nødvendigt at kende størrelsen af ​​de dannede dråber, varigheden af ​​tilbageholdelse af den dispergerede fase i ekstraktoren, masseoverførselskoefficienter, ekstraktorens maksimale belastning for de kontinuerlige og dispergerede faser, langsgående og tværgående blanding af faserne.

Hvis diffusionsmodstanden er koncentreret i den kontinuerlige fase, kan masseoverførselskoefficienten bestemmes ud fra ligningen

https://pandia.ru/text/78/416/images/image065_18.gif" width="116" height="25 src="> - Nusselt-diffusionskriterium; βс- masseoverførselskoefficient i den kontinuerlige fase; https://pandia.ru/text/78/416/images/image067_19.gif" width="119" height="25 src="> (16.1.11)

hvor: A = henholdsvis 6,58 og 17,9 for stationære dråber og for dråber med intern cirkulation, dvs. βd er omvendt proportional med dråbens gennemsnitlige volumendiameter.

Til dråber med intern væskecirkulation

DIV_ADBLOCK22">

DIV_ADBLOCK23">

Størrelsen af ​​hullerne i ekstraktionspladerne er 3...5 mm, arealet af alle huller antages at være lig med 20...25% af søjlens tværsnitsareal; afstanden mellem pladerne er 50 mm.

Bedre fordeling og spredning opnås på bakker med rektangulære huller og styreskovle.

I vibrerende ekstraktorer forekommer vibration af pladeblokken ved højere frekvenser og lavere amplituder end pulseringen af ​​væske i pulserende ekstraktorer. Energiforbruget til vibration af en blok af plader er meget mindre end i pulsationsekstraktorer til at flytte hele væskesøjlen.

Fordelen ved pulsations- og vibrationsudtrækker er effektiv masseoverførsel, som opnås ved at øge masseoverførselskoefficienter, den gennemsnitlige drivkraft for processen og den udviklede fasekontaktflade. VETS i sådanne ekstraktorer er 5...6 gange lavere end i pladesigter.

Høje specifikke belastninger overstiger de tilladte belastninger i roterende skiveudtræk.

Den høje effektivitet af masseoverførsel gjorde det muligt at reducere metalforbruget af ekstraktionsudstyr betydeligt, hvilket førte til en reduktion i kapitalomkostningerne.

Samtidig kræver pulsations- og vibrationsudtrækkere kraftigere fundamenter, der kan modstå betydelige dynamiske belastninger. Driftsomkostningerne for sådanne udtrækker er lidt højere end for konventionelle skiveudtrækkere.

I centrifugalekstraktorer (fig. 16.1.14) sker ekstraktion med kontinuerlig kontakt mellem faser, der bevæger sig i modstrøm med en minimum interaktionstid.

I maskinlegemet, som består af to huse: øvre og nedre, er der en aksel med en rotor fastgjort til den. Skaftet er hult i begge ender og er lavet af typen "rør-i-rør", og i den centrale del er det fast, med kanaler til afledning af let væske. Akslen roterer sammen med rotoren med en frekvens på omkring 4500 rpm.

Opløsningen, der behandles, og ekstraktionsmidlet kommer ind i ekstraktoren fra modsatte ender af den hule aksel, som vist i fig. 16.1.14. Let væske tilføres fra drivsiden, og tung væske tilføres fra den modsatte ende af akslen. Akslen er tætnet ved hjælp af dobbelte mekaniske tætninger. Tætningsvæsken er den væske, der behandles i ekstraktoren.

Inde i rotoren er der en pakke med koncentriske V-formede ringe. Rotoren har kanaler til passage af lette og tunge væsker. Tung væske kommer ind i rotorpakken, ind i dens centrale del, mens let væske kommer ind i den perifere del af rotoren. Når rotoren roterer sammen med ringpakken, skynder den tunge væske, under påvirkning af centrifugalkraften, mod rotorens ydre omkreds, og den lette væske bevæger sig mod rotorakslen. Væskerne kommer således i kontakt i modstrøm. På grund af gentagen spredning af væsken i dråber og sammensmeltning af dråberne opnås høj ekstraktionseffektivitet.

Efter at den ternære blanding er adskilt, udledes væskerne gennem kanaler i rotoren ind i den hule aksel: tung væske udledes fra drivsiden, og let væske udledes fra den modsatte ende af akslen, fra indgangssiden af ​​den tunge. væske.

Faseomvending sker inde i rotoren. Hvis i den perifere del af rotoren den dispergerede fase af en let væske interagerer med den kontinuerlige fase af en tung væske, så kommer den spredte fase af en tung væske i området ved siden af ​​rotoraksen tværtimod i kontakt med den kontinuerlige fase af en let væske.

https://pandia.ru/text/78/416/images/image071_6.jpg" width="335" height="224 src=">

Ris. 16.1.15. Skema af en kontinuerlig ekstraktionsenhed :

1,2 - pumper ; 3,4,5,6 - beholdere ; 5 - udtrækker

Udsugningens ydeevne bestemmes ud fra den maksimale belastning svarende til udsugningens "oversvømmelse". Ved "oversvømmelse"-punktet beregnes belastningen ud fra apparatets maksimale holdekapacitet og den karakteristiske dråbehastighed, svarende til den gennemsnitlige afsætningshastighed for dråber i den stationære kontinuerlige fase.

Lad os bruge Thornton-Pratt-ligningen

https://pandia.ru/text/78/416/images/image073_19.gif" width="115" height="37 src=">.gif" width="163" height="25 src="> ( 16.1.15)

og find udtrækkets holdekapacitet

https://pandia.ru/text/78/416/images/image078_15.gif" width="41" height="24">. Karakteristisk faldhastighed v0 bestemt af de tilsvarende ligninger for hver type ekstraktor.

Driftshastigheden for den kontinuerlige fase antages at være 20...40 % under grænsen:

https://pandia.ru/text/78/416/images/image080_16.gif" width="143" height="25 src="> (16.1.18)

Hvor: hMedOgh d er højden af ​​overføringsenheder i henholdsvis den kontinuerte og den dispergerede fase; - udvindingsfaktor.

Værdier hMedOgh d bestemmes afhængigt af værdien af ​​masseoverførselskoefficienterne:

https://pandia.ru/text/78/416/images/image083_12.gif" width="17" height="24 src="> og h d - masseoverførselskoefficienter i henholdsvis den kontinuerte og dispergerede fase, kmol/(m2*s*kmol/kmol); - specifikt overfladeareal, m2/m3.

Værdierne af βc, βD og beregnes ved hjælp af kriterium og empiriske ligninger opnået for ekstraktorer af en bestemt type. For eksempel kan ligningen bruges til at beregne masseoverførselskoefficienten i den dispergerede fase for pakkede og pladeudtrækkere med sigtebakker

https://pandia.ru/text/78/416/images/image088_15.gif" width="26 height=31" height="31"> falder.

Masseoverførselskoefficienter i den kontinuerte fase kan tilnærmelsesvis bestemmes af ligningen

https://pandia.ru/text/78/416/images/image088_15.gif" width="26" height="31 src=">.gif" width="16" height="17 src=">c - densitet af den kontinuerlige fase, kg/m3; µс - dynamisk viskositet af den kontinuerte fase, Pa s); Рrc=µs/s DC- Prandtl-kriterium for den kontinuerlige fase (her DC- diffusionskoefficient i den kontinuerte fase, m2/s).

For roterende skiveekstraktorer bestemmes masseoverførselskoefficienten i den dispergerede fase ved ligning (16.1.12) og i den kontinuerte fase af (16.1.10).

I det tilfælde, hvor der ikke er data om masseoverførselskoefficienter eller højden af ​​EEP-overførselsenheder, beregnes højden af ​​ekstraktoren ved at bestemme antallet af teoretiske trin af koncentrationsændring.

Kontrolspørgsmål

1. Hvad er essensen af ​​udvindingsprocessen? Hvilke komponenter er involveret i udvindingsprocessen? 2. Hvilke faktorer bestemmer ligevægten under ekstraktionsprocessen? Hvad afhænger fordelingskoefficienten af? 3. Under hvilke forhold beskrives ligevægt i ekstraktionsprocessen med en ret linje? 4. Hvilke diagrammer viser udvindingsprocesser? 5. I hvilke tilfælde kan ekstraktionsprocessen afbildes på et rektangulært y-x diagram? 6. Hvilke diagrammer over ekstraktionsprocesser bruges i fødevareindustrien? 7. Hvad er et ekstraktionsmodul, og hvordan påvirker det positionen af ​​procesarbejdslinjen på y-x-diagrammet? 8 Hvordan er processen med modstrømsekstraktion afbildet på et trekantdiagram og i y-x-koordinater? 9. I hvilket apparat udføres ekstraktionsprocesser? 10. Hvilke love for masseoverførsel adlyder ekstraktionsprocesser? 11. Hvordan beregne masseoverførselskoefficienten under ekstraktion i almindelige og særlige tilfælde 12. Hvilke fordele har ekstraktorer med blandeanordninger i forhold til tyngdekraftudtrækker 13. Hvad er princippet for drift af centrifugale ekstraktorer Hvilke fordele har centrifugalsugere i forhold til andre typer ekstraktorer? 14. Hvad er den kinetiske beregning af ekstraktorer? 15. Hvilke værdier bestemmer højden af ​​kolonneudtrækkeren?

16.2. UDTAGNING I ET FAST KROPSSYSTEM-VÆSKE

16.2.1. GENEREL INFORMATION

Udvaskning(et særligt tilfælde af ekstraktion) er ekstraktion af et eller flere stoffer fra et fast stof ved hjælp af et opløsningsmiddel med selektiv evne.

I fødevareindustrien behandles kapillarporøse legemer af plante- eller animalsk oprindelse ved udvaskning.

Følgende opløsningsmidler anvendes: vand - til udvinding af sukker fra roer, kaffe, cikorie, te; alkohol og vand-alkoholblanding - til opnåelse af infusioner i alkoholholdig drik og øl-ikke-alkoholisk produktion; benzin, trichlorethylen, dichlorethan - i olieudvinding og produktion af æteriske olier osv. Udvaskning er hovedprocessen i roesukkerproduktion, det bruges til at udvinde sukker fra sukkerroer. Vegetabilsk olie udvindes fra solsikkefrø ved hjælp af benzin.

Udvaskning følges ofte i et procesflow af filtrerings-, fordampnings- og krystallisationsprocesser.

16.2.2. STATIK OG KINETIK AF UDLEDNING

Udvaskningsprocessen involverer indtrængning af et opløsningsmiddel ind i porerne på et fast stof og opløsning af de ekstraherede stoffer.

Udvaskningsligevægten etableres, når det opløste stofs kemiske potentiale og dets kemiske potentiale i det faste materiale udlignes. Den opnåede koncentration af en opløsning svarende til dens mætning kaldes opløselighed.

Nær overfladen af ​​et fast legeme etableres ligevægt inden for en kort periode. Når masseoverførselsprocessen analyseres, antages det derfor, at koncentrationen ved grænsefladen mellem faststof og opløsningsmiddel er lig med koncentrationen af ​​den mættede opløsning vi har.

Udvaskningskinetikkens hovedopgave er at bestemme varigheden af ​​kontakt mellem de interagerende faser, der er nødvendige for at opnå en given grad af ekstraktion af det ekstraherede stof. Varigheden af ​​fasekontakt bestemmer størrelsen af ​​ekstraktionsapparatet.

Masseoverførsel under udvaskningen er i høj grad påvirket af faststoffets indre struktur: kapillærernes størrelse og form og partiklernes kemiske sammensætning. Hastigheden af ​​masseoverførsel afhænger af den indre struktur af det faste stof. Som det blev angivet i kapitel 4.1, gør kompleksiteten af ​​den indre struktur af et porøst legeme det vanskeligt analytisk at beskrive processen med masseoverførsel inde i et kapillærporøst legeme.

Udvaskning er en kompleks flertrinsproces, der består af diffusion af et opløsningsmiddel ind i porerne i et fast stof, opløsning af de ekstraherede stoffer eller stoffer, diffusion af de ekstraherede stoffer i kapillærer inde i det faste stof til fasegrænsefladen og massen overførsel af de ekstraherbare stoffer i det flydende opløsningsmiddel fra fasegrænsefladen til kernen af ​​ekstraktionsmiddelstrømmen.

Af de fire trin i processen, der er anført, er de, der begrænser den samlede masseoverførselshastighed, som regel de to sidste, da masseoverførselshastigheden i de to første trin sædvanligvis er betydeligt højere sammenlignet med hastigheden af to efterfølgende etaper.

Den totale diffusionsmodstand ved masseoverførsel består således af diffusionsmodstanden inde i det faste stof og i opløsningsmidlet.

Diffusionshastigheden af ​​et stof inde i et kapillarporøst legeme beskrives som bekendt ved massekonduktivitetsligningen (12.30).

Hastigheden af ​​masseoverførsel fra fasegrænsefladen til kernen af ​​ekstraktionsmiddelstrømmen er beskrevet af masseoverførselsligningen (12.15).

For at vurdere forholdet mellem hastighederne for masseledningsevne og masseoverførsel anvendes Biot-kriteriet [se. ligning (12.32)].

En særlig lav grad af masseledningsevne forekommer i kapillærporøse legemer af plante- og animalsk oprindelse.

I fig. Figur 16.2.1 viser et diagram over strukturen af ​​en plantecelle.

https://pandia.ru/text/78/416/images/image095_13.gif" width="200" height="24 src=">, og i området med lave koncentrationer -

I det tilfælde, hvor hoveddiffusionsmodstanden er koncentreret i væskefasen, kan masseoverførselsligningen (12.15) bruges til at beskrive processen.

Drivkraften for udvaskningsprocessen er forskellen mellem koncentrationen af ​​det ekstraherede stof ved overfladen af ​​det faste stof og dets gennemsnitlige koncentration i ekstraktionsmassen usr.

Processens hastighed i dette tilfælde

https://pandia.ru/text/78/416/images/image099_11.gif" width="21" height="25 src="> - masseoverførselskoefficient i væskefasen.

Hastigheden af ​​molekylær diffusion i et grænselag med tykkelsen δ bestemmes af Fick-ligningen (12.9)

https://pandia.ru/text/78/416/images/image101_10.gif" width="319" height="25 src="> (16.2.2)

hvor: https://pandia.ru/text/78/416/images/image103_11.gif" width="59" height="21"> . Så af (16.2.1) følger, at den er proportional med D2/3. Ved at generalisere de eksperimentelle data under hensyntagen til den angivne afhængighed, blev der opnået en ligning til beregning af masseoverførselskoefficienten https://pandia.ru/text/78/416/images/image104_11.gif" width="143" height=" 27 src="> (16.2. 3)

hvor: https://pandia.ru/text/78/416/images/image106_10.gif" width="85" height="21"> - Reynolds kriterium (her v- ekstraktionsmiddelhastighed; µ - ekstraktionsmidlets dynamiske viskositet); Pr= v/ D- Prandtl-kriterium.

Fra udtryk (16.2.2) er det klart, at β stiger med faldende tykkelse af diffusionslaget δ. Fra teorien om grænselaget er det kendt, at tykkelsen af ​​diffusionslaget falder med stigende Reynolds kriterium, dvs. med stigende relativ hastighed af ekstraktionsmidlet (i forhold til faste partikler). Følgelig kan udvaskningsprocessen intensiveres ved at skabe et effektivt hydrodynamisk miljø, herunder ved at formale fast materiale.

Slibning fører til en stigning i masseoverførselsoverfladen, såvel som et fald i diffusionsvejen for det ekstraherede materiale fra kapillærernes dybder til materialets overflade. På grund af det faktum, at stiger med stigende temperatur, udføres udvaskningen ved temperaturer tæt på ekstraktionsmidlets kogepunkt. Samtidig stiger koncentrationen af ​​den mættede opløsning af unas også, hvilket fører til en stigning i drivkraften til udvaskning og opløsning.

Hastigheden af ​​masseledningsevne kan også øges ved speciel forarbejdning af fødevareråvarer, hvilket fører til et fald i diffusionsmodstanden i cellen.

I praksis kan procesintensivering opnås i ekstraktorer med effektive hydrodynamiske forhold, for eksempel i fluid bed-ekstraktorer, samt i vibrerende og pulserende ekstraktorer.

Som nævnt fører udførelse af processer i et fluidiseret leje med knuste materialer til en kraftig stigning i masseoverførselsoverfladen og et fald i diffusionsmodstand.

I kapitel 4.4 blev det angivet, at lavfrekvente vibrationer af interagerende faser fører til en betydelig intensivering af udvindingsprocessen.

16.2.3. BEREGNING AF UDSUGNINGSANORDNINGER

Zonemetoden til beregning af udvindingsprocesser fra et fast stof, udviklet i de senere år, er baseret på løsning af problemet med ikke-stationær masseledningsevne. For at beregne varigheden af ​​processen i legemer med regelmæssig geometrisk form, kan ligning (18.11) bruges. Men på grund af manglen på eksperimentelle data om er brugen af ​​denne metode i beregningspraksis vanskelig. Til beregning af ekstraktorer anvendes derfor en metode, der er baseret på at bestemme antallet af teoretiske trin af koncentrationsændring. Indførelsen af ​​effektivitetskoefficienter i beregninger gør det muligt at bestemme antallet af reelle stadier af flertrins-enheder eller længden af ​​enheden.

Lad os overveje en grafisk metode til at bestemme antallet af teoretiske trin ved hjælp af et trekantet diagram (fig. 16.2.2). For at lette beregningen, lad os forestille os diagrammet i form af en retvinklet trekant i stedet for en ligesidet trekant.

Lad det oprindelige faste materiale, der skal ekstraheres, bestå af en uopløselig komponent L og en opløselig komponent M, som ekstraheres med et flydende ekstraktionsmiddel E. Som et resultat af processen opnås et ekstrakt bestående af et ekstraktionsmiddel E og stoffet opløst i det M, og raffinat, bestående af et uopløseligt stof L, i hvis porer der er en vis mængde stof M, opløst i ekstraktionsmiddel E.

https://pandia.ru/text/78/416/images/image108_0.jpg" width="438" height="129 src=">

Ris. 16.2.3. Ordning for multi-sektion modstrøm fast-væske-ekstraktion

Opløsning E af det ekstraherede stof M i ekstraktionsmiddel E lad os kalde det det øvre flow og flowet R faste blandinger L med ekstraherbart stof M- bundflow.

Materialebalanceligningerne vil blive skrevet som følger:

F+ E= R y og

Perkolatoren (fig. 16.2.5) er et lodret cylindrisk apparat med konisk bund og låg. I bunden er der en rist, hvorpå et lag af knust fast materiale læsses gennem toplugen. Efter udvaskning udledes materialet gennem den nederste hængslede luge.

Bunker" href="/text/category/bunker/" rel="bookmark">en bunker til lastning af roeflis og snegle til at fjerne papirmasse fra apparatet.

Inde i apparatet flyttes spånerne med to parallelle skruer fra bund til top. Snegle er dannet af blade placeret langs en spirallinje. Knivene på hver snegl går ind i den anden knivs mellemrum. Dette arrangement af snegle fremmer ensartet bevægelse af spåner langs apparatets længde og forhindrer muligheden for rotation af roeflis sammen med bladene. Til samme formål er kontrablade og skillevægge installeret på den nederste del af dækslerne.

https://pandia.ru/text/78/416/images/image138_3.jpg" width="241" height="257 src=">

Ris. 16.2.7. Dobbelt søjle diffusionsapparat:

1,5 - fittings; 2 - roterende kaster; 3 - tromle; 4 - krop; 6 - kæde; 7 - ramme

En rivetransportør og en spånkaster er designet til at føre spåner ind i enheden. Opvarmet juice tilføres gennem dyserne ind i maskinen.

Diffusionssaft tages fra apparatet gennem selvregenererende sigter med koniske huller installeret i kammeret og et rør. Barometrisk vand kommer ind i apparatet gennem den øverste række af dyser, og pulpvand kommer ind gennem den nederste række.

Chipsene, der kommer ind i apparatet, flytter til det sted, hvor de aflæses fra apparatet. Barometrisk vand og pulpvand tilføres den øverste del af den anden søjle i modstrøm til roefliserne. Diffusionssaft sendes til produktion, og frugtkød sendes til presser eller til papirmasselager. I nogle anlæg føres barometrisk vand og pulpvand først ind i en stor blandetank og derefter ind i et varmelegeme for at opvarme blandingen.

Ved udformningen af ​​det pågældende apparat skoldes roeflis inde i apparatet, og der kræves ingen yderligere installation af en skolder. Saften beregnet til skoldning opvarmes til en bestemt temperatur i varmeapparater.

Der er design af apparater, hvor fast materiale flyttes af spande.

Brugen af ​​kædetransportanordninger med rammer eller skovle fører til komprimering af massen af ​​fast materiale på rammerne eller i spandene, hvilket forringer udvindingsprocessen. I diffusionsapparater med klingeskaft og modklinge sker der en betydelig formaling af spåner, hvilket gør det vanskeligt at filtrere diffusionssaften i apparatet og derved reducerer ekstraktionshastigheden. Som et resultat af brugen af ​​store roeflis falder ekstraktionshastigheden også på grund af øget intra-diffusionsmodstand.

Diffusionsanordninger med ophængt leje har ikke disse ulemper. I et tosøjlet apparat (fig. 16.2.8), udviklet af prof. , roechips er i suspension. Drivkraften til at flytte indholdet i apparatet er trykforskellen over materialet i den første og anden kolonne. Når stempeltransportanordningen bevæger sig opad, skabes et vakuum under den. Roechips kommer ind i den øverste del af den første kolonne, som er fyldt til et vist niveau med diffusionssaft. Saftniveauet holdes ved hjælp af en niveaumåler. Således kommer roeflis ind i diffusionssaften og er jævnt fordelt i hele apparatet.

https://pandia.ru/text/78/416/images/image140_5.gif" width="128" height="43 src="> (16.2.11)

Hvor: VP- nyttig volumen af ​​apparatet, m3; q- masse af spåner pr. enhed af nyttigt volumen af ​​apparatet, kg/m3 (for søjleapparater q=600...700 kg/m3); τ - varigheden af ​​ekstraktionsprocessen, s.

Bælteudtrækkere (Fig. 16.2.9) bruges til at udvinde olie fra solsikkefrø. Den faste fase - knuste frø flyttes langs bæltet i et tyndt lag, og ekstraktionsmidlet - benzin tilføres ovenfra ved hjælp af pumper og vander materialet placeret på bæltet. Processen udføres efter et komplekst kombineret strømningsmønster af fast materiale og ekstraktionsmiddel: krydsstrømning i hver sektion og modstrøm som helhed i ekstraktoren. Udformningen af ​​ekstraktoren sikrer ikke en effektiv vekselvirkning mellem den faste fase og ekstraktionsmidlet; ekstraktion forløber med lav hastighed. Der kræves flere ekstraktionstrin for fuldstændigt at udvinde olien.

Ris. 16.2.9. Bælteudtrækker:

1 - krop; 2 - dyser; 3 - læsseaksel; 4 - transportanordning; 5 - pumper

Kontrolspørgsmål

1. Hvad er essensen af ​​udvaskningsprocessen? Hvilke komponenter er involveret i udvaskningsprocessen? 2. Hvilke faktorer bestemmer udvaskningshastigheden? 3. I hvilket tilfælde er udvaskningshastigheden beskrevet af Shchukarev-ligningen? 4. Hvad er beregningen af ​​udtræk? 5. Hvordan er modstrømsekstraktionsprocessen repræsenteret i et trekantdiagram? 6. Hvordan bestemmes antallet af koncentrationstrin i et trekantdiagram? 7. Nævn de skemaer, som udvaskningsprocesser udføres i. 8. Hvilke designs af ekstraktorer bruges i fødevareindustrien?

Introduktion

Udvinding i "væske-væske" systemet. Grundlæggende begreber og indikatorer

Organiske opløsningsmidler anvendt i ekstraktion

Kemiske og masseoverførselsprocesser, der forekommer under ekstraktion

Hovedmetoder til udvinding

Moderne udsugningsudstyr

Beregningsdel

Rensning af afløb

Konklusion

Bibliografi

Introduktion

Ekstraktion i bred forstand refererer til processerne med at ekstrahere en eller flere komponenter fra opløsninger eller faste stoffer ved hjælp af selektive opløsningsmidler. Derfor kan udvinding i princippet udføres i fast-væske-systemer (f.eks. udvinding af guld fra malme med cyanidopløsninger) eller væske-væske. I hydrometallurgi refererer ekstraktion eller ekstraktion normalt til processen med væskeekstraktion, som består i at ekstrahere et stof opløst i et opløsningsmiddel ved hjælp af et andet opløsningsmiddel, der er ublandbart med det første. En vandig metalholdig opløsning af kemiske reagenser og en organisk væske anvendes som to sådanne flydende medier.

De vigtigste fordele ved ekstraktionsprocessen sammenlignet med andre processer til adskillelse af flydende blandinger er:

lav driftstemperatur (processen udføres normalt ved stuetemperatur);

høj masseoverførselshastighed mellem to kontaktfaser (på grund af det meget store areal af deres kontakt under emulgering af den organiske fase i en vandig opløsning);

høj selektivitet af ekstraktionsmidler, hvilket muliggør adskillelse af relaterede, vanskelige at adskille elementer;

let adskillelse af to faser (ublandbare væsker med forskellige densiteter);

evnen til at udvinde metaller fra stærkt fortyndede opløsninger;

så dyb rensning af det resulterende metal som ønsket;

muligheden for at regenerere brugte reagenser;

muligheden for fuldstændig mekanisering og automatisering af processen.

Disse omstændigheder bestemmer den udbredte brug af ekstraktionsprocesser i moderne hydrometallurgi.

Udvinding i "væske-væske" systemet. Grundlæggende begreber og indikatorer

Følgende ekstraktionsterminologi er blevet vedtaget. De to opløsningsmidler involveret i processen (vandige og organiske) i den oprindelige tilstand kaldes "kildeopløsning" og "ekstraktionsmiddel". I kontaktøjeblikket (under ekstraktion) kaldes de "vandige" og "organiske" faser, og efter ekstraktion (aflejring og adskillelse) kaldes de "raffinat" og "ekstrakt".

Udvindingsprocessen består af følgende trin:

fremstilling af den oprindelige opløsning og ekstraktionsmiddel (fig. 1, a);

at bringe disse opløsninger i kontakt med emulgering af de organiske og vandige faser (fig. 1, b, c);

bundfældning og adskillelse af disse faser (godt observeret visuelt) (fig. 1, d);

adskillelse af raffinat og ekstrakt (fig. 1, e).

Fig.1. Skema for væske-væske-ekstraktionsprocessen. 1 - indledende opløsning; 2 - ekstraktionsmiddel; 3 - raffinat; 4 - udtræk.

Fra et ekstraktionsmiddel mættet med det ekstraherede grundstof (ekstrakt) ekstraheres metaller ved genekstraktionsmetoden, som består i at behandle ekstraktet med en vandig opløsning af noget kemisk reagens, hvilket skaber gunstige betingelser for omvendt overførsel af metaller fra den organiske fase til den vandige fase. Rutediagrammet for genekstraktionsprocessen ligner ekstraktionstrinene. I dette tilfælde kaldes det reagens, der bruges til at ekstrahere et stof fra den organiske fase, et re-ekstraktionsmiddel, og det resulterende produkt kaldes et re-extract. Som følge heraf er ekstraktionsmidlet og ekstrakten en organisk fase, og genekstraktionsmidlet og genekstraktet er en vandig fase. Næsten altid, efter genekstraktion, regenereres ekstraktionsmidlet til sin oprindelige tilstand, hvorfor det kaldes et regenereret ekstraktionsmiddel.

Under ekstraktion og genekstraktion anvendes således følgende produktbetegnelser, efterhånden som processen skrider frem:

Udvinding:

ekstraktionsmiddel ® organisk fase ® ekstrakt

initial opløsning ® vandig fase ® raffinat

Genudvinding:

ekstrakt ® organisk fase ® regenereret ekstraktionsmiddel

re-extractant ® vandig fase ® re-extract.

Slutproduktet af "ekstraktion - genekstraktion" cyklus er igen en vandig opløsning - genekstraktion. Men den vandige opløsning, der opnås som følge af strimmelekstraktion, adskiller sig fra den oprindelige ved, at den ikke indeholder eller kun indeholder en lille mængde urenheder, hvorfra adskillelsen af ​​den værdifulde komponent er den største vanskelighed ved at ekstrahere den fra opløsningen. I dette tilfælde er re-ekstrakten, i modsætning til den originale opløsning, ofte beriget med metal.

Organiske opløsningsmidler anvendt i ekstraktion

Organiske forbindelser anvendes som ekstraktionsmidler.

Et ideelt ekstraktionsmiddel bør have følgende egenskaber:

være tilstrækkeligt selektiv (dvs. kun selektivt ekstrahere komponenterne af interesse for os fra vandige opløsninger indeholdende en sum af metaller);

har en høj ekstraktionskapacitet (absorber en betydelig mængde af den ekstraherede komponent pr. volumenenhed);

tilvejebringe ret let regenerering af ekstraktionsmidlet med ekstraktion af metal fra den organiske fase;

være sikker at betjene (ikke-giftig, ikke-flygtig, ikke-brændbar);

forblive stabil under opbevaring eller i kontakt med syrer og baser;

være billig nok.

At finde et sådant ideelt ekstraktionsmiddel er næsten umuligt, så der laves normalt en kompromisløsning.

Under hensyntagen til det faktum, at masseoverførsel spiller en vigtig rolle i mekanismen for ekstraktionsseparation, er en af ​​de vigtigste fysiske egenskaber ved den organiske fase viskositet. Kendskab til egenskaberne ved viskositet, energi af interfasegrænsen og mediernes tæthed er yderst nødvendig for at bedømme kinetikken af ​​ekstraktionsprocessen, ikke kun i betydningen masseoverførsel, men også ud fra et synspunkt om fasespredning og hastigheden for afsætning af væskefaser bragt i ligevægt. Imidlertid er organiske ekstraktionsmidler normalt ret tyktflydende medier. I dette tilfælde stiger viskositeten af ​​den organiske fase kraftigt med stigende mætning af den med metalioner. En stigning i den organiske fases viskositet over en vis grænse kan dramatisk bremse ekstraktionsprocessen. Derfor er det nogle gange upraktisk at opnå betydelig mætning af ekstraktionsmidlet med metaller. Men selvom den mulige mætning af ekstraktionsmidlet er begrænset, er det i nogle tilfælde nødvendigt at kunstigt reducere viskositeten af ​​den organiske fase.

Derudover skal der for en god faseadskillelse efter ekstraktion være en tilstrækkelig forskel i tæthederne af disse faser, det vil sige, at ekstraktionsmidlet skal være meget lettere end den vandige opløsning. Derfor bruges ekstraktionsmidlet i praksis sjældent i sin rene form; det fortyndes normalt med et billigt organisk opløsningsmiddel for at reducere viskositet og densitet. Dette hjælpeopløsningsmiddel er normalt inert og deltager ikke i ekstraktionsprocessen. I et sådant system med to organiske opløsningsmidler kaldes den organiske forbindelse, der er involveret i de kemiske reaktioner ved ekstraktion, ekstraktionsreagenset, og opløsningsmidlet i ekstraktionsreagenset kaldes fortyndingsmidlet. Hele den organiske opløsning er et ekstraktionsmiddel. Det skal bemærkes, at fortyndingsmidlet ikke kun anvendes til at reducere viskositeten og densiteten af ​​den organiske fase, men også til at opløse de resulterende produkter under ekstraktionsreaktionen.

De mest udbredte typer organiske opløsningsmidler er:

carbonhydrider og halogenderivater deraf;

Kulbrinter og deres chlorderivater bruges oftest som fortyndingsmidler til ekstraktionsreagenser. På grund af det faktum, at kulbrinter er meget flygtige, brandfarlige og giftige stoffer, er kun et begrænset antal af dem egnede til industriel brug. De mest almindeligt anvendte er: benzen C 6 H 6; toluen eller methylbenzen CH3C5H5; petroleum; dieselbrændstof; hexan (C6H4), oktan (C8H | 8), benzin. Af chlorderivaterne af carbonhydrider er de mest anvendte carbontetrachlorid CCl 4, chloroform CHC1 3 og dichlormethan CH 2 C1 2. Klorderivater bruges nogle gange som ekstraktionsmidler til uorganiske forbindelser (f.eks. ekstraheres CCl 4 eller CHCl 3 med GeCl 4).

Iltholdige ekstraktionsmidler er opdelt i forbindelser, der ikke indeholder og dem, der indeholder saltdannende grupper. Iltholdige organiske opløsningsmidler, der ikke har saltdannende grupper, anvendes som ekstraktionsmidler til udvinding af halogenider, nitrater, thiocyanater og andre metalsalte. Disse omfatter alkoholer ROH, estere ROR, estere R-OCO-R, ketoner R-COR, d-ketoner RCOCH 2 COR (hvor R er et organisk radikal). Ekstraktion forløber med succes i stærkt sure opløsninger, hvor dannelsen af ​​oxoniumsalte er mulig, eller i opløsninger med lav surhedsgrad, men i nærværelse af udsaltningsmidler. Ved brug af alkoholer, ethere, ketoner observeres dannelsen af ​​et solvat, for eksempel ifølge skemaet: mROR + nMeCl 3 + pHCl = mROR × nMeCl 3 × pHCl. Desuden påvirker surhedsgraden i høj grad forløbet af denne proces.

Af etherne er de mest almindeligt anvendte diethylether C 2 H 5 OS 2 H 5 og dets chlorderivat - chlorex ClC 2 H 4 OS 2 H 4 Cl, eller (C 2 H 4 Cl) 2 O. Chlorex er et ekstremt svag base og udvinder kun meget stærke syrer. Det bruges f.eks. til ekstraktion af chloraurinsyre fra aqua regia-opløsninger i ædelmetallernes raffineringscyklus.

Blandt alifatiske (acykliske) alkoholer (ROH, hvor R er C n H (2n+1)), butyl (C 4 H 9 OH), amyl (C 5 H 11 OH), isoamyl, hexyl (C 6 H 13 OH) anvendes, caprylsyre (C7H15OH), octyl (C8H17OH), nonyl (C9H19OH), en blanding af alkoholer C7-C9 og decyl (C10H21OH). Af de acykliske alkoholer (indeholdende cyklusser i molekyler - ringe med tre eller flere carbonatomer) anvendes oftest cyclohexanol C 11 H 11 OH. Af de aromatiske alkoholer (indeholdende ringe i deres molekyler - benzenringe) anvendes a-naphthol og a, a' -naftoler .

Ved anvendelse af oxygenholdige organiske opløsningsmidler med saltdannende grupper (carboxylsyrer RCOOH) dannes vanduopløselige forbindelser - sæber - på grund af ekstraktion ikke af salte eller deres syrekomplekser, men af ​​metalkationer. Carboxylsyrer er dimeriseret i struktur .

Denne dimerisering fortsætter under ekstraktion, det vil sige, at det organiske salt M(HR 2) 2 dannes. Ekstraktion med carboxylsyrer udføres sædvanligvis ved en pH-værdi på 0,5 mindre end hydrolyse-pH-værdien af ​​det uorganiske udgangsmetalsalt. En lignende type ekstraktion ved hjælp af fedtsyrer C n H 2 n +1 COOH bruges f.eks. i kobolthydrometallurgi til at rense koboltholdige opløsninger fra urenheder.

eller direkte (P-C-binding, organophosphorforbindelser):

hvor R er en alkyl (CnH2n+), cycloalkyl eller aryl (monovalent rest af aromatiske carbonhydrider) radikal.

Ekstraktionsevnen af ​​mellemstore estere af phosphor-, phosphon- og phosphinsyrer, såvel som oxider af substituerede phosphiner, er blevet mest undersøgt. Ekstraktion med alle disse reagenser forløber på basis af donor-acceptorevnen af ​​phosphoryloxygen - P=O, som stiger i serien:

Følgelig øges ekstraktionsevnen af ​​disse forbindelser i samme retning. Af de mellemstore estere af phosphorsyre er det mest udbredte ekstraktionsmiddel tributylphosphat TBP ((C 4 H 9 O) 3 PO), der anvendes i hydrometallurgien af ​​radioaktive metaller (f.eks. til fremstilling af nukleart brændsel, især i udvinding af uranylnitrat), i hydrometallurgi af sjældne metaller (niobium, tantal, zirconium osv.). Dialkylalkylphosfinater DAAF (R1P(O)(OR2)2) anvendes til udvinding af scandium fra saltsyre, niobium, tantal og andre sjældne jordarters grundstoffer.

Fra nitrogenholdige ekstraktionsmidler De mest udbredte til ekstraktionsformål er aminer med forskellige substitutionsgrader (opnået ved at erstatte ammoniakprotoner med et organisk radikal): primære, sekundære , tertiære og kvaternære ammoniumbaser (QAB): R 4 NOH. Mange salte af primære, sekundære og tertiære aminer med normale alkylradikaler C n H 2 n +1 (alkylaminer) er tungtopløselige i flydende carbonhydrider, fortrinsvis i aromatiske (> 0,1 mol/l).

Til ekstraktion af kobber, nikkel og cobalt foreslås blandinger af a-hydroxymer med den almene formel, hvor R og R' er radikaler; R'' er et radikal eller et hydrogenatom.

Svovlholdige ekstraktionsmidler. På grund af svovlatomets lavere elektrondonerende evne sammenlignet med oxygenatomet, fører udskiftning af oxygen med svovl i de tilsvarende oxygenholdige organiske forbindelser (ethere, alkoholer osv.) til et fald i ekstraktionsegenskaberne for svovlholdige organiske forbindelser (thioethere R2S; thioalkoholer RSH; thiosyrer, ; dithiosyrer osv.).

Et fald i thioforbindelsernes basicitet kan dog føre til øget ekstraktionsselektivitet, som et resultat af hvilke svovlholdige organiske ekstraktionsmidler er af vis interesse. Organiske sulfider (thioestere) er ret effektive ekstraktionsmidler. For eksempel ekstraherer diisobutylsulfid (iC 4 H 9) 2 S ferrichlorid godt fra opløsninger af saltsyre i form af НFeСl 4, ligesom almindelig oxygenholdig dibutylether (C 4 H 9) 2 O. I forhold til uorganiske syrer og uransalte, oxider er blevet testet som ekstraktionsmidler dialkylsulfider, opnået ved oxidation af de tilsvarende dialkylsulfider med hydrogenperoxid i eddikesyre CH 3 COOH. Sulfonsyrer R-SO3H (eller ), som er kationbytterekstraktanter, er af praktisk interesse i hydrometallurgi. Sulfonerede kulbrinter anbefales til industriel udvinding af nikkel og kobolt fra vandige opløsninger med metalkoncentrationer fra 0,5 til 10 g/l.

Kemiske og masseoverførselsprocesser, der forekommer under ekstraktion

Adskillelsen af ​​stoffer under ekstraktionsprocessen er baseret på forskellen i fordelingen mellem to ikke-blandbare væsker. I det enkleste tilfælde, når det ekstraherede stof er i samme form i begge faser (den såkaldte fysiske fordeling), gælder Nernsts lov:

,

hvor K d er fordelingskonstanten. Fordelingskonstanten Kd afhænger ikke af koncentrationen af ​​det ekstraherede stof i den vandige fase og forbliver med et fastlagt konstant forhold mellem volumen af ​​kontaktfaserne (P:E) ved en given temperatur en konstant værdi for både rig og dårlige løsninger. Derfor er det i flere på hinanden følgende cyklusser af processen muligt at opnå en vilkårlig dyb grad af ekstraktion eller oprensning.

Distributionsloven i sin klassiske form er dog ikke anvendelig for de fleste reelle ekstraktionssystemer, da stoffets interaktion med opløsningsmidlet i begge faser kan forekomme; ekstraktion af stoffet i form af flere typer forbindelser er også mulig, en ændring i fasernes indbyrdes opløselighed under påvirkning af de ekstraherede stoffer mv. For at karakterisere fordelingen af ​​et stof bruges derfor sædvanligvis fordelingskoefficienten

hvor C x O og C x B er henholdsvis de samlede analytiske koncentrationer af det ekstraherede stof i alle forbindelser i den organiske og vandige fase.

Da ekstraktion ikke så meget udføres for at udvinde metal fra rene opløsninger, men for selektivt at isolere et værdifuldt element fra opløsninger, der indeholder en sum af urenheder, bruges en anden indikator, kaldet separationsfaktoren:

.

Det vil sige, at det repræsenterer forholdet mellem fordelingskoefficienterne for to stoffer. For separationsbetingelser er det nødvendigt at have uligheden D Me1 ¹ D Me 2. Den bedste adskillelse sker, når D Ме1 >> D Ме2. Ydermere, jo tættere S er på enhed, jo større er antallet af ekstraktionstrin, der kræves. Ved beregning af værdien af ​​separationsfaktoren er det sædvanligt at placere den større fordelingskoefficient D Me i tælleren, derfor S ³ 1 altid.

Som i enhver hydrometallurgisk proces er en vigtig indikator for ekstraktion mængden af ​​genvundet metal (eller procentdelen af ​​ekstraktion):

,

hvor V 0 og V B er volumenet af henholdsvis den organiske fase og den vandige opløsning. Fordelingskoefficienten D og ekstraktionsgraden E er indbyrdes forbundne størrelser:

.

Oftest udføres udvindingen af ​​metaller fra den vandige til den organiske fase på tre måder:

Kationbytterekstraktion - ekstraktion af metaller fundet i jodopløsninger i form af kationer med organiske syrer eller deres salte. Ekstraktionsmekanismen består af udskiftning af den ekstraherede kation med H+ eller en anden ekstraktionskation.

Anionbytterekstraktion - ekstraktion af metaller fundet i vandige opløsninger i form af anioner, med salte af organiske baser. Ekstraktion sker på grund af udveksling af en metalholdig anion med en ekstraktionsanion.

Koordinationsekstraktion, hvor den ekstraherede forbindelse dannes som et resultat af koordineringen af ​​et molekyle eller ion af ekstraktionsmidlet direkte til atomet (ion) af det ekstraherede metal, som et resultat af hvilket metallet og ekstraktionsmidlet befinder sig i samme sfære af det ekstraherede kompleks.

Koordinations- eller komplekse forbindelser er dem, der har et centralt atom eller ion omgivet af et bestemt antal ioner eller molekyler kaldet ligander.

Antallet af kemiske (koordinations) bindinger mellem det centrale atom eller ion (kompleksdannende middel) og liganderne kaldes koordinationstallet. Koordinationsbindinger har ofte en donor-acceptor-karakter, det vil sige, at de dannes, når donoratomet har et ensomt (frit) elektronpar, der binder sig til acceptoratomet. Når for eksempel en kompleks ion (NH 4) + dannes:

,

nitrogen, som har et ensomt elektronpar i NH 3-molekylet, er en donor, og hydrogenionen er en acceptor.

Liganderne er anioner af uorganiske syrer, organiske syrer og neutrale molekyler (for eksempel H 2 O), og dannelsen af ​​komplekse ioner kan repræsenteres som forskydning af vandmolekyler, der omgiver (hydratiserer) ionen med en anden ligand. Ligander, afhængigt af antallet af atomer, der danner en koordinationsbinding, kan være monodentate, bidentate osv.

Polydentate ligander (bidentate og mere) danner cykliske komplekser, dvs. den ekstraherede ion er omgivet af flere molekyler af et organisk ekstraktionsmiddel.

Det centrale atom og koordinerede grupper (ligander) danner kompleksets indre koordinationssfære - en kompleks ion. Positive eller negative ioner, der kompenserer for ladningen af ​​den komplekse ion, danner den ydre sfære af den komplekse forbindelse.

Kationbytterekstraktion

Denne type ekstraktion kan generelt beskrives ved ligningen

hvor Me er et metal med valens z;

R er den sure rest af en organisk syre. Almindelige kationbytterekstraktanter er fedtsyrer af RCOOH-typen (f.eks. carboxylsyrer) med antallet af kulstofatomer i R-gruppen fra syv til ni (C 7 - C 9) og naphthensyrer:

Naphthensyrer opnås fra råolie; deres molekylvægt varierer fra 170 til 330. Alkylphosphorsyrer anvendes ofte, især derivater af orthophosphorsyre - alkylorthophosphater. Hvis to hydrogenioner i orthophosphorsyre (H 3 PO 4) erstattes af organiske radikaler, opnås produkter kaldet dialkylorthophosphater, for eksempel di-(2-ethylhexyl)-phosphorsyre (D2EHPA).

En type kationbytterekstraktion er ekstraktion med kompleksdannende (chelaterende) mono-, bi- og polydentatekstraktanter såsom oximer - forbindelser indeholdende (=N-OH)-gruppen. I dette tilfælde sker ekstraktion som et resultat af ionbytning og koordinering af ekstraktionsmidlet til atomet (ion) af det ekstraherede metal med dannelse af intrakomplekse forbindelser.

Anionbytningsekstraktion

Anionbytterekstraktanter tilhører klassen af ​​aminer, som er derivater af ammoniak NH 3. Afhængigt af antallet af hydrogenatomer erstattet i ammoniak med carbonhydridradikaler opnås primære, sekundære eller tertiære aminer:

R er en carbonhydridgruppe indeholdende fra 7 til 9 (nogle gange op til 16) carbonatomer.

I aminer har nitrogen et ensomt elektronpar, som bestemmer disse ekstraktionsmidlers evne til at danne koordinationsforbindelser

Aminsalte dannet under syrebehandling kan for eksempel udskifte syreanionen med metalholdige anioner

I et alkalisk miljø kan aminer ikke findes i form af salte, der er i stand til at udveksle anioner, men i form af neutrale molekyler, så de bruges kun i sure miljøer.

De mest almindelige af aminerne er ANP-samleren - primær amin, dilaurylamin (sekundær amin) og trioctylamin (tertiær amin).

Ud over ekstraktion ved typen af ​​anionbytning fører ekstraktion med aminer nogle gange til indføring af en amin i den interne koordinationssfære af det ekstraherede kompleks annon med dannelse af stærke metal-nitrogenbindinger (hvilket er typisk for f.eks. platinmetaller). De intrakomplekse forbindelser, der dannes i dette tilfælde, er meget stærke, hvilket resulterer i, at processen med omvendt overførsel af metallet fra den organiske fase til den vandige fase - genekstraktion - er vanskelig.

En anden klasse af anionbytterekstraktanter er kvaternære ammoniumbaser (QAB) og deres salte (QAB). QAO er derivater af ammoniumion (NH 4) +:

,

hvor R er en carbonhydridgruppe.

De mest almindeligt anvendte QAC'er er trialkylbenzylammoniumchlorid - forkortet TABAC, trialkylmethylammoniumchlorid (CH 3 R 3 N)Cl - TAMAC, tetraalkylammoniumchlorid (R 4 N)Cl - TAAX. R - CnH2n+1, hvor n = 8 - 10.

QAS ekstraherer kun metaller ved typen af ​​anionbytterreaktion:

hvor z er ladningen af ​​den metalholdige anion MeX;

m er ladningen af ​​HOUR-anionen;

Y - anion TIME.

QAS er i stand til at udvinde metalholdige salte ikke kun fra sure, men også fra alkaliske opløsninger.

Amin- og QAS-salte har i nogle tilfælde begrænset opløselighed i almindeligt anvendte fortyndingsmidler (petroleum, kulbrinter). For at forbedre opløseligheden tilsættes organiske alkoholer (f.eks. decylalkohol) til den organiske fase, men store (over 10%) alkoholkoncentrationer forringer sædvanligvis ekstraktion på grund af interaktion med ekstraktionsmidlet.

Hovedmetoder til udvinding

Følgende ekstraktionsmetoder anvendes hovedsageligt: ​​enkelt ekstraktion, multipel ekstraktion med kryds- og modstrømsbevægelse af opløsningsmidlet, kontinuerlig modstrømsekstraktion. Ekstraktion med et opløsningsmiddel er mest udbredt i industrien, selvom ekstraktion med to ekstraktionsmidler også anvendes.

Enkelt (en-trins) ekstraktion. Denne ekstraktionsmetode består i, at startopløsningen F og ekstraktionsmidlet S blandes i en blander, hvorefter de adskilles i to lag i en bundfældningstank: ekstrakt E og raffinat R. Man tror sædvanligvis, at faseligevægt er etableret i blanderen på grund af intensiv blanding og tilstrækkelig kontakttid, dvs. en enkelt ekstraktion gør det muligt at opnå en effektivitet svarende til det teoretiske niveau af koncentrationsændring. Ekstraktionsgraden med denne ekstraktionsmetode kan øges ved at øge tilførslen af ​​ekstraktionsmiddel til apparatet, men dette vil føre til et fald i koncentrationen af ​​ekstrakten og en stigning i omkostningerne ved processen.

Processen kan udføres enten periodisk eller kontinuerligt. Når processen tilrettelægges periodisk, kan trinnet med adskillelse af ekstrakten og raffinatet udføres i en blander. I dette tilfælde er der ikke behov for en sump.

Multipel ekstraktion med krydsstrøm af opløsningsmiddel. Ved udførelse af ekstraktion ved hjælp af denne metode (fig. 2) behandles startopløsningen F og de tilsvarende raffinater med en portion frisk ekstraktionsmiddel S1, S2 osv. ved hvert ekstraktionstrin, bestående af en blander og en bundfældningstank (fældningstanke er ikke vist i fig. 2), og raffinaterne sendes sekventielt til de næste trin, og ekstrakterne E 1, E 2 fra hvert trin fjernes fra system. Med denne ekstraktionsmetode går den indledende opløsning F ind i det første trin, og det endelige raffinat Rn tages fra det sidste n'te trin.

Ris. 2. Skema med multipel ekstraktion med en krydsstrøm af opløsningsmiddel (1, 2,3, ..., n - trin).

Ved hjælp af denne metode er det muligt næsten fuldstændigt at ekstrahere den fordelte komponent fra den oprindelige opløsning og opnå et rent raffinat. Men i dette tilfælde er tab af opløsningsmidlet indeholdt i den oprindelige opløsning uundgåelige, da der på hvert trin er en delvis fjernelse af dette opløsningsmiddel med ekstrakten.

Flere ekstraktioner med modstrømsbevægelse af opløsningsmiddel. Denne ekstraktionsmetode er karakteriseret ved gentagen kontakt i trin 1, 2 osv. med modstrømsstrømme af raffinat R og ekstrakt E (fig. 3), forudsat at den initiale opløsning F og ekstraktionsmiddel S tilføres fra modsatte ender af installationen. Da metoden til ekstraktion med modstrømsbevægelse af opløsningsmidlet gør det muligt at opnå produkter af en given kvalitet med en tilstrækkelig høj produktivitet af installationen, er denne ekstraktionsmetode ret udbredt i industrien.

Ris. 3. Skema med multipel ekstraktion med modstrømsbevægelse af opløsningsmidlet (1,2, ..., n-1. n - trin).

Kontinuerlig modstrømsudvinding. Denne ekstraktionsmetode udføres i enheder af kolonnetype (f.eks. pakkede). En tungere opløsning (f.eks. den originale opløsning) tilføres kontinuerligt til den øverste del af søjlen (fig. 4), hvorfra den flyder ned.

En let væske (i vores tilfælde et opløsningsmiddel) kommer ind i bunden af ​​kolonnen, som stiger op i kolonnen. Som et resultat af kontakten mellem disse opløsninger overføres det fordelte stof fra den oprindelige opløsning til ekstraktionsmidlet. Denne ekstraktionsmetode bruges ofte i industrien.

Modstrømsekstraktion med tilbagesvaling. Hvis det er nødvendigt at adskille den oprindelige opløsning mere fuldstændigt, kan ekstraktion udføres med tilbagesvaling analogt med rektifikationsprocessen (fig. 5). I dette tilfælde tilføres den oprindelige blanding F til den midterste del af apparatet (til fødetrinnet). Efter regenerering af ekstraktet i regenerator 2 returneres en del af det resulterende produkt R0 i form af tilbagesvaling til apparat 1, og den anden del tages i form af komponent B ekstraheret fra den oprindelige opløsning. løsninger R0 og B er de samme. Node 2 af ekstraktionsenheden er således en analog af destillationsenhedens tilbagesvalingsenhed.

Ris. 5. a) (venstre) diagram af modstrømsekstraktion med tilbagesvaling: 1 - ekstraktionsapparat; 2 - apparater til ekstraktregenerering; b) ekstraktionsskema med to opløsningsmidler: 1 - ekstraktionsapparat; 2 - apparat til ekstraktregenerering.

Tilbageløbsstrømmen R0 udvasker ved kontakt med ekstraktstrømmen det oprindelige opløsningsmiddel A, delvist eller fuldstændigt opløst heri, som til sidst passerer ind i raffinatet, hvilket resulterer i, at graden af ​​adskillelse og udbyttet af raffinatforøgelse.

Det skal bemærkes, at ekstraktion med tilbagesvaling, mens den forbedrer adskillelsen af ​​den oprindelige opløsning, fører til en stigning i forbruget af ekstraktionsmidlet og mængden af ​​udstyr, hvilket gør denne proces dyrere. Derfor bør valget af mængden af ​​tilbagesvaling foretages ud fra en teknisk og økonomisk beregning.

Ekstraktion med to opløsningsmidler. Hvis startopløsningen indeholder to eller flere komponenter, der skal ekstraheres separat eller i grupper af flere komponenter, så anvendes ekstraktion med to ublandbare opløsningsmidler (fig. 5b). Opløsningsmidler vælges på en sådan måde, at hver af dem fortrinsvis opløser en komponent eller gruppe af komponenter. Startblandingen F, bestående af komponenterne A og B, tilføres den midterste del af apparatet 1. Ekstraktionsmidlet S, (tyngre end S 1), som selektivt opløser komponent A, kommer ind i den øvre del af apparatet 1, og ekstraktionsmiddel S 1, som selektivt opløser komponent B, - i dens nedre del.

Ekstraktion med to opløsningsmidler bruges normalt til at adskille stoffer med lignende opløselighed. Denne metode kræver et relativt stort forbrug af ekstraktionsmidler, hvilket øger omkostningerne ved processen markant.

ekstraktionsopløsningsmiddel organisk kationbytning

Moderne udsugningsudstyr

Ifølge princippet om interaktion eller metode til fasekontakt er ekstraktorer opdelt i to grupper: trin og differentiel kontakt. Inden for disse grupper er ekstraktorer ofte opdelt i gravitation (hastigheden af ​​faserne i dem bestemmes af forskellen i tæthederne af disse faser) og mekaniske (når energi tilføres strømme udefra ved mekanisk blanding, centrifugalkraft, en stempelpulsator osv.). I næsten enhver af enhederne i de nævnte grupper, for at øge kontaktfladen af ​​faserne, er en af ​​faserne spredt på forskellige måder og fordelt i en anden, kontinuerlig fase i form af dråber. Efter hver blanding af faserne i apparatet følger adskillelse af disse faser, hvilket primært er nødvendigt for regenereringen af ​​ekstraktionsmidlet (under påvirkning af gravitations- eller centrifugalkræfter). Vi bemærker også, at der i industrien normalt anvendes kontinuerlige udtrækkere.

Trinudtrækkere. Ekstraktorer af denne gruppe består af diskrete trin, i hvilke der hver især sker fasekontakt, hvorefter de adskilles og bevæger sig i modstrøm til efterfølgende trin. I fig. Figur 6 viser et diagram over enkelttrins (a) og flertrins (b og c) installationer af en af ​​de mest almindelige typer trinudsugningsanlæg - blanding og bundfældning.

Ris. 6. Skemaer af enkelttrins (a) og flertrins (b, c) installationer af blande- og bundfældningsekstraktorer: 1 - blandere; 2 - bundfældningstank; 3 - pumper.

Fordelene ved blande-sedimenteringsekstraktorer inkluderer deres høje effektivitet (effektiviteten af ​​hvert trin kan nærme sig ét teoretisk adskillelsestrin), evnen til hurtigt at ændre antallet af trin, egnethed til drift over brede intervaller af ændringer i fysiske egenskaber og volumetriske faseforhold , relativt let skalering osv. Ulemper Disse ekstraktorer er kendetegnet ved et stort produktionsareal, tilstedeværelsen af ​​blandere med individuelle drev og store mængder af tyngdekraftsafsætningskamre.

Højkapacitets blandesætningsudtrækkere (op til 1500 m 3 /h) bruges i hydrometallurgi, uranteknologi og i forskellige andre industrier med stor tonnage.

Differentialkontaktudtræk. Ekstraktorer af denne gruppe er kendetegnet ved kontinuerlig kontakt mellem faser og en jævn ændring i koncentration langs apparatets højde. I sådanne ekstraktorer (i modsætning til trin en) opnås der ikke ligevægt mellem faserne på tværs af apparatets tværsnit. Differentialkontaktudtræk er mere kompakt end trinudtræk og optager et mindre produktionsareal.

I gravitationsekstraktorer sker bevægelsen af ​​faser på grund af forskellen i deres tætheder. Tyngdekraftsudtrækkere omfatter spray-, pakket- og bakkekolonner.

Ris. 7. Hule (spray) søjleekstraktorer: a - med tungfase-sprøjtning; b - med let fase sprøjtning; 1 - ekstraktorer; 2 - sprinklere; 3 - vandtætninger; 4 - fase interface.

De enkleste repræsentanter for gravitationsekstraktorer i design er spraysøjler (fig. 7). En vigtig fordel ved sprayekstraktorer er evnen til at behandle forurenede væsker i dem. Nogle gange bruges disse enheder til udvinding fra papirmasse.

Emballerede udsugningsanlæg (fig. 8), som i design ligner pakkede absorbere, er blevet ret udbredt i industrien.

Ris. 8. Tilbehørsudtrækker: 1 - dyse; 2 - distributør; 3 - bundfældningstanke; 4 - vandforsegling; 5 - fase interface.

Raschig ringe bruges ofte som dyse 1, samt andre typer dyser. Pakningen placeres på støttegitre i sektioner, mellem hvilke faserne blandes. En af faserne (ekstraktionsmiddel i fig. 8) dispergeres under anvendelse af fordelingsanordning 2 i strømmen af ​​den kontinuerte fase (initialopløsning). I pakkelaget kan dråber smelte sammen flere gange og derefter bryde op, hvilket øger effektiviteten af ​​processen. Valget af dysemateriale er meget vigtigt. Det skal fortrinsvis fugtes af den kontinuerlige fase, da dette eliminerer muligheden for uønsket sammensmeltning af dråber og dannelsen af ​​en film på overfladen af ​​dysen, hvilket fører til et kraftigt fald i fasekontaktfladen. Bemærk, at keramik- og porcelænsdyser bedre befugtes af den vandige fase end af den organiske fase, og en plastdyse er normalt bedre befugtet af den organiske fase. Faseadskillelse i pakkede kolonner sker i bundfældningszoner 3, som ofte har en større diameter end ekstraktordiameteren for bedre faseadskillelse.

Mekaniske ekstraktorer omfatter differentielle kontaktudtrækkere med tilførsel af ekstern energi til kontaktfaserne.

En af de mest almindelige mekaniske udtrækker i teknologien er den roterende skiveudtrækker. Roterende ekstraktorer adskiller sig hovedsageligt i designet af blandeanordningerne. Så i stedet for glatte skiver bruges forskellige typer blandere, nogle gange er sektioner fyldt med en dyse osv. De vigtigste fordele ved roterende ekstraktorer inkluderer høj effektivitet af masseoverførsel, lav følsomhed over for faste urenheder i faser, muligheden for at skabe enheder med høj enhedseffekt osv.

Samtidig har roterende ekstraktorer en alvorlig ulempe - den såkaldte skalaeffekt, dvs. en signifikant stigning i EEP med stigende diameter af apparatet. Årsagen til dette fænomen er ujævnheden af ​​hastighedsfeltet langs apparatets højde og tværsnit, dannelsen af ​​stillestående zoner, omgåelse, som bidrager til øget langsgående blanding og forstyrrelse af den ensartede struktur af strømninger i apparatet.

Effektiviteten af ​​masseoverførselsprocessen under ekstraktion kan øges ved at pulsere faserne. Pulsationsekstraktorer bruger to hovedmetoder til at overføre pulseringer til væsker. Ifølge den første metode genereres pulsationer i kolonneudtrækkeren hydraulisk af en ekstern mekanisme (pulsator), ifølge den anden gennem vibration af perforerede plader monteret på en fælles stang, som udsættes for frem- og tilbagegående bevægelse.

Anvendelsen af ​​pulseringer under ekstraktionsprocessen fremmer bedre spredning af væsken, intensiv fornyelse af fasekontaktfladen og en forøgelse af opholdstiden for den dispergerede væske i ekstraktoren. De mest udbredte inden for teknologi er sigteplade og pakkede pulsationsekstraktorer.

Den pulserende ekstraktor (fig. 9.) er en søjle med sigtebakker uden grenrør til flowet af den kontinuerlige fase. I kolonnen, ved hjælp af en speciel mekanisme (pulsator), overføres pulsationer til væsken - vibrationer med lille amplitude (10-25 mm) og en vis frekvens. En ventilløs stempelpumpe bruges oftest som pulsator, forbundet til bunden af ​​søjlen (fig. 9, a) eller til den lette væsketilførselsledning (fig. 9, b). Når væsken bibringes pulsationer, sker der gentagen finspredning af en af ​​faserne, hvilket forårsager intens masseoverførsel. Udover sigtestraktorer anvendes også pakkede pulsationskolonner.

En effektiv metode til at intensivere ekstraktionsprocessen ved at give væsken pulseringer kan også anvendes i andre typer ekstraktionsapparater.

For pålideligt at adskille pulsatormekanismen fra arbejdsmiljøet ved behandling af kemisk aggressive og radioaktive stoffer, anvendes en membran (fig. 9, c), en bælg (fig. 9, d) eller en pneumatisk anordning (fig. 9, e). . I sidstnævnte tilfælde anbringes et bufferlag af luft mellem pulsatorstemplet og søjlen, som skiftevis udvider sig og trækker sig sammen, hvilket giver vibrationer til væsken i søjlen.

Ris. 9. Pulserende sigteekstraktorer (A - tung fase, B - let fase): a - pulsatoren er fastgjort til bunden af ​​søjlen; b - pulsatoren er forbundet med rørledningen til tilførsel af let væske; c - pulseringer transmitteres gennem membranen; d - pulseringer transmitteres gennem en bælg; e - pulseringer overføres gennem et bufferlag af luft (luftpude).

Pulsationsekstraktorer er yderst effektive; de ​​tillader ekstraktion uden kontakt mellem driftspersonale og de væsker, der behandles, hvilket er meget vigtigt, hvis væskerne er radioaktive eller giftige.

I verdenspraksis anvendes sigtepulsationskolonner med en diameter på op til 3 m og pakkede søjler med en diameter på op til 2 m.

Ulemperne ved pulsationssøjler omfatter store dynamiske belastninger på fundamentet, øgede driftsomkostninger og vanskeligheden ved at behandle let emulgerede systemer.

Beregningsdel

Opgave 1. Beregning af det nødvendige ekstraktionsmiddelforbrug i en kontinuerligt fungerende modstrømsudsugning af typen "mixer-settler".

Bestem: volumetrisk (V E, m 3 /s) og masse (G, kg/s) forbrug af ekstraktionsmidlet.

Vi sammensætteringen:

Bestemmelse af volumetrisk strømningshastighed af ekstraktionsmiddel:

3. Bestemmelse af ekstraktionsmiddelmassestrøm:

Opgave 2. Beregning af det nødvendige antal ekstraktionstrin ved ekstraktion af Molybdæn fra en opløsning med en 0,3 M opløsning af D2EHPA.

5. Beregning af det nødvendige teoretiske antal ekstraktionstrin:

Resultatet rundes op til hele tal.

(trin)

Opgave 3. Beregning af effektiviteten af ​​Me-saltekstraktionsprocessen (i en ekstraktor af typen "mixer-settler").

Volumetrisk flowhastighed af ekstraktionsmiddel
Diameter på 6-blads turbineblander
Blanderens rotationshastighed
Viskositet af vandig opløsning
Ekstraktionsmiddelviskositet
Grænsefladespænding
Fordelingskoefficient
Ekstraktionsvolumen
Forsinkelse af ekstraktionsmiddel i ekstraktor
Omrører power funktion
Ekstraktionsmiddeldensitet
Densitet af vandig opløsning

Bestem: udvindingseffektivitet.

Bestemmelse af blandingsdensitet:

Beregning af dråbediameter:

m

Beregning af den gennemsnitlige varighed af fasekontakt:

Med

Beregning af udvindingseffektivitet:

Rensning af afløb

Et eksempel på udvindingsbehandling af spildevand er behandlingen af ​​phenoler i koks-, olieskifer- og kulforarbejdningsindustrien; fra anilin; fra eddikesyre; fra epichlorhydrin i den kemiske industri med organiske opløsningsmidler (benzen, ethere og estere).

Ved ekstraktion af phenolspildevand anvendes som ekstraktionsmidler butylacetat, diisopropylether, benzen etc. For at øge effektiviteten af ​​phenolekstraktion foreslås det at bruge blandede opløsningsmidler: butylacetat blandet med butylalkohol, med diisopropylether osv. Dog , butylacetat eller en blanding af butylacetat bruges oftest sammen med isobutylacetat (phenosolvan), som har en høj ekstraktionsevne med hensyn til phenoler.

Anlæg til ekstraktionsrensning af spildevand fra phenoler omfatter fire sektioner: 1) klargøring af phenolisk spildevand til ekstraktion - adskillelse af harpikser ved bundfældning og filtrering, afkøling af spildevand, opsamling af opløsningsmiddeldampe og om nødvendigt karbonisering; 2) ekstraktion; 3) regenerering af ekstraktionsmidlet fra vand; 4) opløsningsmiddelregenerering fra ekstrakt og produktion af kommercielle phenoler.

Forskellige opløsningsmidler (benzen, estere, absorptionsolie osv.) kan bruges til ekstraktionsbehandling af spildevand fra koksværker, men benzen, der er opnået fra kulkoksning, er mest udbredt. På grund af det faktum, at benzens fordelingskoefficient i forhold til phenol er lille (ca. 2,2 ved 20 °C), bruges betydelige mængder benzen, og koncentrationen af ​​phenoler i ekstraktet er lav. For at regenerere benzen anvendes derfor ikke destillationsmetoder, men absorptionsmetoden med en vandig opløsning af alkali (benzen-phenolat-metoden).

Benzen-phenolat-rensningsmetoden omfatter følgende trin: 1) aftjæring af vand ved bundfældning, filtrering og vask med cirkulerende benzen; 2) udvinding af phenoler fra spildevand med benzen; 3) rensning af benzen fra sure gasser, der er opløselige i det, ved vask med en alkalisk phenolatopløsning; 4) ekstraktion af phenoler fra benzen med en alkalisk opløsning; 5) adskillelse af opløst benzen fra dephenoliseret spildevand. De resulterende opløsninger af phenolater efter foreløbig fordampning sendes til behandling.

Nogle koksanlæg bruger butylacetat, phenosolvan, kulolie osv. som ekstraktionsmidler.

Ekstraktionsmetoder til dephenolisering af spildevand har store fordele: høj rensningseffektivitet, evnen til at udvinde ikke-flygtige phenoler mv.

Konklusion

Den største fordel ved ekstraktionsprocessen sammenlignet med andre processer til adskillelse af flydende blandinger (destillation, fordampning osv.) er processens lave driftstemperatur, som oftest udføres ved normal (rum)temperatur. I dette tilfælde er der ingen grund til at bruge varme for at fordampe opløsningen. Samtidig fører brugen af ​​en ekstra komponent - et ekstraktionsmiddel - og behovet for dets regenerering til en vis komplikation af udstyret og en stigning i omkostningerne ved ekstraktionsprocessen.

Ved udvinding af flygtige stoffer kan ekstraktion med succes konkurrere med rektifikation i tilfælde, hvor adskillelse ved rektifikation enten er vanskelig og nogle gange praktisk talt umulig (adskillelse af blandinger bestående af tætkogende komponenter og azeotrope blandinger) eller er forbundet med alt for høje omkostninger (udvinding af skadelige urenheder) eller værdifulde stoffer fra stærkt fortyndede opløsninger).

Ekstraktion er uundværlig for udskillelse af blandinger af stoffer, der er følsomme over for forhøjede temperaturer, såsom antibiotika, der kan nedbrydes, når de adskilles ved rektifikation eller fordampning. Brugen af ​​ekstraktion kan ofte effektivt erstatte processer såsom adskillelse af højtkogende stoffer ved hjælp af højvakuum, såsom molekylær destillation, eller adskillelse af blandinger ved fraktioneret krystallisation.

Anvendelsen af ​​ekstraktion til adskillelse af blandinger af uorganiske stoffer, når andre adskillelsesmetoder ikke er anvendelige, er meget lovende. Væskeudvindingsprocesser bruges i øjeblikket med succes til behandling af nukleart brændsel, opnåelse af zirconium og hafnium og mange andre sjældne metaller. Ved at bruge ekstraktion kan der opnås ikke-jernholdige og ædle metaller med høj renhed.

I nogle tilfælde opnås en betydelig effekt ved at kombinere ekstraktion med andre separationsprocesser. Eksempler på sådanne kombinerede processer er: separation af lavtkogende og azeotrope blandinger ved hjælp af ekstraktiv rektifikation, forkoncentrering af fortyndede opløsninger ved ekstraktion før inddampning og rektifikation, som udføres med mindre varmeforbrug.

Bibliografi

1. Einstein V.G. Generelt forløb af processer og apparater inden for kemisk teknologi. - M.: Kemi, 2002 - 1758 s.

Dytnersky Yu.I. Processer og apparater inden for kemisk teknologi. Del 2. - M.: Kemi, 2002 - 368 sider.

Zyulkovsky Z. Væskeudvinding i den kemiske industri. - L.; State Chemical Publishing House, 1963 - 479 s.

Karpacheva S.M., Zakharov E.I. Pulserende udtrækker. - M.: Atomizdat, 1964 - 299 sider.

Kasatkin A.G. Grundlæggende processer og apparater inden for kemisk teknologi. - M.: Kemi, 1973 - 750 s.

Leonov S.B. Hydrometallurgi. Del 2. Isolering af metaller fra løsninger og miljøspørgsmål. - 2000 - 491 sider.

Meretukov M.A. Processer til væskeekstraktion og ionbyttersorption i non-ferro metallurgi. - M.: Metallurgi, 1978 - 120 sider.

Planovsky A.N., Ramm V.M. Processer og apparater inden for kemisk teknologi. - M., Chemistry Publishing House, 1966 - 848 s.

Proskuryakov V.A. Shmidt L.I. Spildevandsbehandling i den kemiske industri. - L. Chemistry, 1977 - 464 sider.

Yagodin G.A., Kagan S.Z. Grundlæggende om væske-væske ekstraktion. - M.: Kemi, 1981 - 400 sider.

Målet med arbejdet: Erhvervelse af færdigheder i at beregne processer og apparater til udvinding af spildevandsrensning.

Indledende del.

Ekstraktion er selektiv ekstraktion af en komponent fra en væske (raffineret sukker) ved hjælp af et flydende opløsningsmiddel (ekstraktionsmiddel). Fasen, der er beriget med det forurenende stof, kaldes et ekstraktionsmiddel - før kontakt, og et ekstrakt - efter kontakt.

En af betingelserne for ekstraktionsprocessen er gensidig uopløselighed og en tilstrækkelig forskel i tæthederne af faserne (raffineret sukker og ekstraktionsmiddel).

Væskeudvinding består af en række teknologiske operationer:

at bringe væsken, der skal renses, i kontakt med ekstraktionsmidlet;

Overførsel af en komponent fra en fase til en anden;

Faseadskillelse;

Ekstraktionsregenerering.

Udtrækkere kan være horisontale og vertikale, kontinuerlige og periodiske, et- og flertrins, krydsstrøm og modstrøm, med tilførsel af mekanisk energi (til fasekontakt) og uden tilførsel af mekanisk energi mv.

Den enkleste type ekstraktor er en lodret spraysøjle med kontinuerlig fasekontakt (figur 2.1). Spildevand ledes ind i en hul, lodret cylindrisk søjle ovenfra, og et ekstraktionsmiddel, hvis densitet er mindre end densiteten af ​​vand, sprøjtes nedefra ved hjælp af et dispergeringsmiddel (i form af dråber). Fasernes modstrømsbevægelse sikres af tyngdekraften, dvs. forskel i fasetæthed (drivkraft). De resulterende dråber passerer gennem arbejdsområdet, ekstraherer forureningen og opsamles i den øvre bundfældningstank.

Fjernelse af den lette fase fra den øvre bundfældningszone forårsager ingen vanskeligheder; overskydende væske drænes gennem røret. Fjernelsen af ​​den tunge fase kræver særlig justering, ellers kan al væsken spilde ud fra bunden. Den enkleste enhed er det florentinske fartøj, hvis funktionsprincip er baseret på balancering af væskesøjler (kommunikerende fartøjer) udledt af strømme af lette og tunge faser

Krav til ekstraktionsmidlet:

Minimum gensidig opløselighed med raffineret sukker;

Høj selektivitet;

Høj distributionskoefficient og stor kapacitet;

Tilstrækkelig forskel i massefylde sammenlignet med raffineret sukker;

Tilgængelighed, lave omkostninger, nem regenerering;

Ikke-giftig, eksplosionssikker, minimal ætsende effekt.

Udvinding er effektiv, når der er et højt indhold af opløste organiske stoffer af teknisk værdi i industrispildevand. Det er mest udbredt til rensning af spildevand fra virksomheder til termisk behandling af fast brændsel (kul, skifer, tørv), der indeholder en betydelig mængde phenoler.

Beregningsmetode

1. Ekstraktionsfaktor:

hvor Cin og Cout er input og krævede output (MPC) koncentrationer af det forurenende stof i spildevand.

2. Volumetrisk strømningshastighed af ekstraktionsmiddel:

, m 3/t, (2,2)

hvor Q SW er spildevandsstrømningshastighed, m 3 /h;

m - fordelingskoefficient.

3. Koncentration af det ekstraherede stof i ekstraktet (med det oprindelige rene ekstraktionsmiddel):

, mg/l. (2.3)

4. Påkrævet ekstraktionsgrad:

. (2.4)

5. Tværsnit af apparatet:

, m 2 , (2,5)

hvor w er strømningshastigheden, m/s. I beregninger w=0,02 m/s.

6. Søjlediameter:

, m. (2,6)

7. Søjlehøjde: H=(5-7)D, m. (2,7)

8. Højde af TF-udløb (fra ligningen af ​​kommunikerende fartøjer):

, m, (2,8)

Hvor Og – densitet af LF og TF (vand), =1000 kg/m3;

Og – højder af LF og TF (Figur 2.1). Accepterer det
, kan du indstille eller (For eksempel, =H/7) og beregn højden af ​​TF-udgangen.

Tabel 2.1 - Indledende data (valgmuligheder).