WYKŁAD 16

EKSTRAKCJA

16.1. Ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz

16.1.1. INFORMACJE OGÓLNE

Ekstrakcja w układzie płynnym - płyn to proces ekstrakcji rozpuszczonej substancji lub substancji z cieczy za pomocą specjalnej innej cieczy, która nie rozpuszcza się lub prawie nie rozpuszcza się w pierwszej, ale rozpuszcza wyekstrahowane składniki.

Schematyczny diagram ekstrakcji pokazano na ryc. 16.1.1.

Antybiotyk" href="/text/category/antibiotik/" rel="bookmark">antybiotyki rozkładające się w podwyższonych temperaturach.

W wielu przypadkach ekstrakcję stosuje się w połączeniu z rektyfikacją. Ponieważ zużycie ciepła do rektyfikacji maleje wraz ze wzrostem stężenia roztworu początkowego, wstępne zagęszczenie roztworu przez ekstrakcję umożliwia zmniejszenie zużycia ciepła do rozdzielenia mieszaniny początkowej.

16.1.2. RÓWNOWAGA W UKŁADIE CIEKŁOŚĆ-CIECZ

Przejście rozproszonej substancji z jednej fazy ciekłej (roztwór początkowy) do drugiej (ekstrahent) następuje do czasu ustalenia się równowagi, czyli do wyrównania potencjałów chemicznych w fazach. Na proces składają się trzy elementy (K=3) i dwie fazy (F=2). Zgodnie z zasadą fazową zmienność systemu F=3 . Jednakże temperatura i ciśnienie podczas procesu ekstrakcji są zwykle utrzymywane na stałym poziomie. Wtedy zmienność systemu ekstrakcji będzie równa jedności.

W konsekwencji dane stężenie substancji rozproszonej w jednej fazie w stanie równowagi odpowiada pewnemu stężeniu w innej.

Równowagę w procesach ekstrakcji charakteryzuje współczynnik rozkładu φ, który jest równy stosunkowi stężeń równowagowych ekstrahowanej substancji w obu fazach ciekłych – w ekstrakcie i rafinacie.

W najprostszych układach wystarczą roztwory rozcieńczone, zgodnie z prawem Berthelota - Nernsta; w stałej temperaturze współczynnik podziału nie zależy od stężenia rozprowadzanej substancji i φ = ur/x, Gdzie ty, x- stężenia równowagowe rozproszonej substancji w ekstrakcie i rafinacie. W tym przypadku linia równowagi jest prosta:

DIV_ADBLOCK7">

Współczynnik dystrybucji z reguły w systemach przemysłowych określa się eksperymentalnie.

Jeśli uznamy obie fazy ciekłe za nierozpuszczalne w sobie, wówczas każda faza będzie roztworem dwuskładnikowym. W tym przypadku proces ekstrakcji, analogicznie do innych procesów przenoszenia masy, można przedstawić współrzędnymi y- X.

Jeżeli fazy ciekłe są częściowo wzajemnie rozpuszczalne, to każda z nich podczas ekstrakcji będzie roztworem trójskładnikowym. Składy mieszanin trójskładnikowych przedstawiono w trójkątnym układzie współrzędnych (rys. 16.1.2).

DIV_ADBLOCK8">

Podczas usuwania substancji przeznaczonej do dystrybucji M z mieszanki N a punkty odpowiadające wynikowym kompozycjom będą leżeć na linii prostej RM, im bardziej rozcieńczony roztwór, tym bliżej boku trójkąta LE.

Bilans materiałowy" href="/text/category/balans_materialmznij/" rel="bookmark">bilans materiałowy

R+E=N,

Gdzie: R, E, N- masa odpowiednio rafinatu, ekstraktu, mieszaniny wyjściowej, kg.

Zgodnie z zasadami dźwigni, którą mamy

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

Ryż. 16.1.4. Linia równowagi na diagramie trójkątnym

Składy jednorodnych roztworów dwuskładnikowych M I L I M I mi charakteryzują się punktami po bokach diagramu L.M. I JEŚĆ. Rozpuszczalniki L I mi tworzą jednorodne rozwiązania tylko na małych obszarach LR I EE. Mieszanka rozpuszczalników na miejscu Rmi rozdziela się na dwa jednorodne dwuskładnikowe nasycone roztwory R(roztwór nasycony mi V L) I mi(roztwór nasycony L V MI). Ponadto o ilości roztworów nasyconych w każdej z dwóch warstw decyduje położenie punktu N i znajduje się zgodnie z regułą dźwigni [(patrz równanie (16.1.2)].

Podczas dodawania substancji M do mieszaniny kompozycji N powstaje trójskładnikowa mieszanina składu charakteryzująca się punktem N1 leżąc na linii prostej N.M.. Mieszanka kompozycji https://pandia.ru/text/78/416/images/image009_88.gif" szerokość="92" wysokość="23 src=">. Z dalszym dodatkiem rozprowadzanej substancji do mieszaniny M2 , M3 , ...otrzymujemy trójskładnikowe mieszaniny kompozycji N2 , N3 ..., które również rozdzielają się na fazy o równowagowym składzie R2 i E2, R3 i E3 itd. Jednocześnie zmieniają się także stosunki masowe równowagowych natężeń przepływu, aż do momentu zaniku jednej z faz w rozpatrywanym przypadku ze składem N4. Następnie podczas dodawania substancji, która ma być rozprowadzana M powstają jednorodne trójskładnikowe roztwory kompozycji N5 itp. Jeśli się połączysz R 1 i E1, R2 i E2...za pomocą linii prostych otrzymujemy akordy równowagi R1 E1,R2 E2,..., odpowiadające kompozycjom równowagowym. Cięciwy równowagi zbiegają się w jednym punkcie DO, nazywany krytycznym. Nachylenie cięciwy równowagi zależy od charakteru składników i składu faz. Łączenie kropek charakteryzujących kompozycje równowagowe R, R1 R2 , ... oraz E, E1 E2, ..., gładką krzywą, otrzymujemy krzywą równowagi (krzywą binodalną). Oddział RK krzywa równowagi charakteryzuje składy równowagowe fazy rozpuszczalnika L, i oddział WE- składy równowagowe fazy rozpuszczalnikowej MI.

Krzywa binodalna na wykresie trójkątnym wyznacza obszary odpowiadające mieszaninom dwufazowym (poniżej krzywej binodalnej) i roztworom jednofazowym (poza krzywą binodalną).

Pokazane na ryc. 16.1.4 wykres równowagi sporządzony jest dla stałej temperatury i nazywany jest izotermą.

W praktyce mamy do czynienia ze składnikami, które w określonych zakresach stężeń wykazują częściową rozpuszczalność. W zależności od zachowania składników, diagramy trójkątne przedstawiają dwie i trzy strefy o ograniczonej rozpuszczalności.

Temperatura wpływa również na równowagę układu. Wzajemna rozpuszczalność składników z reguły wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, dlatego maleje zakres istnienia układów heterogenicznych. Wraz ze wzrostem temperatury krzywa binodalna na ryc. 16.1.4 zbliży się do osi LE, natomiast obszar pod linią RKmi zmniejszą się.

16.1.3. TRANSFER MASY PODCZAS EKSTRAKCJI

Prawa kinetyczne procesu ekstrakcji wyznaczają podstawowe prawa przenoszenia masy.

Aby zwiększyć powierzchnię styku faz, jedna z faz jest rozproszona w postaci kropelek w innej fazie ciągłej. Pole powierzchni styku faz zależy od zatrzymania fazy rozproszonej w ekstraktorze i średniej średnicy powierzchniowo-objętościowej kropelek. Rozprowadzona substancja dyfunduje z fazy ciągłej na powierzchnię kropelek, a następnie do kropelki lub odwrotnie z kropelki przez granicę faz do fazy ciągłej.

Przenoszenie masy wewnątrz kropelek odbywa się na drodze dyfuzji molekularnej i konwekcyjnej. Konwekcja wewnątrz kropelek następuje w wyniku cyrkulacji cieczy. Kształt i wielkość kropelek zmienia się wielokrotnie podczas procesu ekstrakcji w wyniku dyspersji i koalescencji. W tym przypadku powierzchnia styku międzyfazowego zostaje odnowiona.

Drugie prawo Ficka służy do opisu przenoszenia masy w procesach ekstrakcji.

W ogólnym przypadku, gdy nie można pominąć oporu dyfuzyjnego w fazie ciągłej i rozproszonej, współczynnik przenikania masy określa się za pomocą wyrażeń

https://pandia.ru/text/78/416/images/image005_121.gif" szerokość="12" wysokość="23 src=">.gif" szerokość="17" wysokość="24 src=">. gif" szerokość="55" wysokość="24">. Następnie podstawowe równanie przenoszenia masy zostanie przepisane w następujący sposób:

Jeśli główny opór dyfuzyjny koncentruje się w fazie rozproszonej, tj. gif" szerokość="113" wysokość="25 src=">.

Współczynniki przenoszenia masy w fazach oblicza się za pomocą równań kryterialnych, które otrzymuje się na podstawie danych eksperymentalnych. Poniżej podano równania kryteriów opisujących konstrukcje ekstraktorów.

Średnią siłę napędową oblicza się biorąc pod uwagę współczynnik przejścia skali i wprowadzając jego wartość do równań obliczeniowych.

16.1.4. WYKRESY I OBLICZENIA PROCESÓW EKSTRAKCJI

W przemyśle ekstrakcję okresową lub ciągłą stosuje się według schematów: jednostopniowa, wielostopniowa przeciwprądowa i wielostopniowa z ekstrahentem krzyżowoprądowym.

Ekstrakcja jednoetapowa stosowane w przypadkach, gdy współczynnik separacji jest wysoki. Można to przeprowadzać okresowo i w sposób ciągły według schematu pokazanego na ryc. 16.1.5, a. Roztwór początkowy ładuje się do aparatu mieszającego F w ilości L kg stężenia rozpuszczalnika Hn i ekstraktor MI, które miesza się mieszadłem, a następnie rozdziela na dwie warstwy: ekstrakt mi i rafinat R.

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

Wierząc w to y=φX i moduł ekstrakcyjny M= mi/ L, otrzymujemy stężenia rafinatu

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

Jednocześnie stopień ekstrakcji

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

Rozważmy proces jednoetapowej ekstrakcji na schematach trójkątnych i prostokątnych (ryc. 16.1.5, pne). Po zmieszaniu roztworu początkowego z ekstrahentem powstaje mieszanina trójskładnikowa, której skład charakteryzuje się punktem N, znajduje się na linii mieszania FE. Po rozwarstwieniu tej mieszaniny powstaje ekstrakt i rafinat, których skład określają punkty R I mi, leżącego na cięciwie równowagi przechodzącej przez ten punkt N. Moduł ekstrakcyjny określa zasada dźwigni: mi/ F= FN/(PL)

ilość Rafinat R= https://pandia.ru/text/78/416/images/image032_34.gif" szerokość="79" wysokość="24">.

Skład rafinatu określa się punktowo RK, a ekstraktem jest punkt Ek na boku trójkąta L.M..

Ekstremalne wartości modułów ekstrakcyjnych wyznaczają punkty N1 I N2 na krzywej binodalnej: I .

Kiedy roztwór początkowy i ekstrahent są wzajemnie nierozpuszczalne na schemacie Na-X proces ekstrakcji jest przedstawiony linią prostą AB, do konstruowania od punktu hn narysuj linię pod kątem DIV_ADBLOCK13">

Moduł ekstrakcyjny do otrzymywania rafinatu o zadanym stężeniu hk

Im większy moduł ekstrahenta, tym mniejsza tangens kąta nachylenia i stężenia wyekstrahowanego składnika w rafinacie i ekstrakcie : I . Jednak wraz ze wzrostem modułu ekstrahenta wzrasta koszt jego regeneracji. Optymalne wartości współczynnika ekstrakcji wynoszą 1,2< mφ <2.

Ekstrakcja wieloetapowa realizowane w ekstraktorach wielosekcyjnych lub jednostkach ekstrakcyjnych, w których każda jednostka stanowi niezależną instalację. Ekstrakcję wieloetapową można przeprowadzić z przeciwprądem ekstrahenta, z przepływem krzyżowym roztworu pierwotnego i ekstrahenta lub metodą łączoną w obecności kilku ekstrahentów.

Ekstrakcję przeciwprądową można przeprowadzić według różnych schematów. Na przykład w ekstraktorach natryskowych, pakowych i płytowych skład obu faz zmienia się w sposób ciągły wzdłuż długości aparatu.W innych ekstraktorach lub instalacjach skład obu lub jednej fazy zmienia się gwałtownie przy przejściu z sekcji do sekcji.

W wielosekcyjnych instalacjach przeciwprądowych (ryc. 16.1.6, a) rozwiązanie początkowe F i ekstraktor mi pochodzą z przeciwnych końców instalacji. Ekstrakt o stężeniu wyekstrahowanego składnika bliskim nasycenia oddziałuje w pierwszym etapie z roztworem początkowym F stężenie hn. Po wydzieleniu mieszaniny trójskładnikowej w pierwszym etapie otrzymano ekstrakt o stężeniu = yDo i stężenie rafinatu X1 . Skład rafinatu x1 w drugim etapie oddziałuje z ekstraktem kompozycji E3. Po rozdzieleniu otrzymuje się rafinat kompozycji R2 i ekstrakt składu E2. W ostatnim n-tym etapie rafinat zubożono w wyekstrahowany składnik Rn-1 stężenie oddziałuje ze świeżym ekstrahentem mi koncentracja DIV_ADBLOCK14">

Przedstawmy na schemacie proces wieloetapowej ekstrakcji przeciwprądowej Na- X(Rys. 16.1.6, B). Aby to zrobić, utworzymy równanie linii roboczej procesu.

Bilans materiałowy całej instalacji zapisujemy dla wyekstrahowanego składnika, pomijając wzajemną rozpuszczalność roztworu i ekstrahenta, w stężeniach na 1 kg ekstrahenta:

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

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

które jest równaniem linii prostej ze styczną nachylenia

https://pandia.ru/text/78/416/images/image047_21.gif" szerokość="57" height="24"> i na temat.

Położenie linii kinetycznej zależy od współczynnika ekstrakcji i sytuacji hydrodynamicznej w aparacie.

Proces na diagramie trójkątnym pokazano na ryc. 16.1.6 V.

W pierwszej części instalacji ekstrakcyjnej, na przepływie roztworu początkowego tej ostatniej F wchodzi w interakcję z ekstraktem z poprzedniego drugiego etapu E2 z utworzeniem trójskładnikowej mieszaniny punktowej N1 , po oddzieleniu, w separatorze otrzymuje się ekstrakt E1 i rafinat Rł w ogólnym przypadku składu nierównowagowego.

W drugim etapie rafinat Rł wchodzi w interakcję z ekstraktem z trzeciego etapu E3, tworząc mieszaninę trójskładnikową N2 , na które dzieli się R2 i E2.

Łącząc liniami dwa punkty odpowiadające składowi fazowemu na wlocie i wylocie każdej sekcji FE1,RE2,R2 E3 itd. i kontynuując je, otrzymujemy punkt przecięcia R.

Podobne procesy zachodzą w pozostałych sekcjach ekstraktora. W rezultacie roztwór początkowy wyczerpuje się w wyekstrahowanym składniku i opuszcza ten drugi n-ty sekcje koncentracyjne ok, i ekstrahent nasyca się składnikiem do końcowego stężenia Wielka Brytania

Ekstrakcję ekstrahentem krzyżowym można prowadzić w kilku sekcjach w sposób ciągły (Rys. 16.1.7 ,A) lub w jednej sekcji okresowo (ryc. 16.1.7 ,B).

Gdy proces jest prowadzony w sposób ciągły, rozwiązanie początkowe F wprowadza się do pierwszej sekcji, w której poddaje się go obróbce ekstrahentem MI, po oddzieleniu otrzymuje się rafinat R1 i ekstrakt . Rafinat R1 wprowadzany jest do drugiej sekcji, w której jest ponownie przetwarzany świeżym ekstrahentem MI. Ekstrakty E1 I E2 są usuwane z instalacji i kompozycji rafinatu R2 przechodzi do kolejnej sekcji, gdzie proces powtarza się ponownie. W efekcie otrzymuje się rafinat o zadanym składzie Rn i ekstrakt o zmiennym składzie E1, E2,..., Odc.

DIV_ADBLOCK16">

https://pandia.ru/text/78/416/images/image035_26.gif" szerokość="16" wysokość="15 src=">, którego tangens jest określany przez moduł ekstrakcji.

Wielostopniowa ekstrakcja przeciwprądowa jest procesem bardziej wydajnym niż ekstrakcja w przepływie krzyżowym. Przy ekstrakcji przeciwprądowej uzyskuje się wyższą średnią siłę napędową procesu.Dzięki wyrównaniu siły napędowej na początku i na końcu instalacji następuje pełniejsza ekstrakcja składnika z roztworu, przy jednoczesnym zmniejszeniu modułu ekstrakcji w porównaniu z ekstrakcją w przepływie krzyżowym, ale wymaganą liczbę etapów kontaktu, aby osiągnąć ten sam stopień oczyszczenia.

16.1.5. PROJEKTY I OBLICZENIA WYCIĄGNIKÓW

Efektywność przenoszenia masy w procesach ekstrakcji jest proporcjonalna do powierzchni powierzchni przenoszenia masy oraz średniej siły napędowej procesu. W celu zwiększenia powierzchni przenoszenia masy w ekstraktorach, jedna z faz ciekłych jest dyspergowana i rozprowadzana w drugiej w postaci kropli. Proces przenoszenia masy zachodzi pomiędzy fazą dyspersyjną i ciągłą. Aby proces mógł przebiegać z jak największą siłą napędową, w ekstraktorach organizuje się wzajemne oddziaływanie przepływów w warunkach bliskich wyporności idealnej. Osiąga się to poprzez prowadzenie procesu w cienkiej warstwie w zapakowanych ekstraktorach odśrodkowych, poprzez sekcje ekstraktorów lub zastosowanie wielostopniowych jednostek do ekstrakcji sekcyjnej.

Zgodnie z zasadą organizacji procesu ekstraktory mogą mieć charakter ciągły lub okresowy.

W zależności od sposobu kontaktu fazowego ekstraktory można podzielić na trzy grupy: krokowe lub sekcyjne, kontakt różnicowy oraz mieszanie i osadzanie.

Ekstraktory schodkowe (sekcyjne). składają się z oddzielnych sekcji, w których zmiana stężenia faz następuje gwałtownie. W wielu przypadkach każda sekcja zbliża się do pola stężenia idealnego aparatu mieszającego. Ekstraktor składający się z kilku takich sekcji zbliża się pod względem pola stężenia do idealnego aparatu wyporowego.

Konieczność rozdzielania faz po każdej sekcji ekstrakcyjnej w przypadku słabo rozdzielonych emulsji może prowadzić do znacznego zwiększenia wielkości ekstraktora.

Ekstraktory styków różnicowych zapewniają ciągły kontakt między fazami i płynną, ciągłą zmianę stężeń w fazach. Ze względu na wzdłużne mieszanie faz w takich urządzeniach może nastąpić znaczne zmniejszenie średniej siły napędowej w porównaniu do urządzeń o idealnym wyporności.

Do rozproszenia fazy ciekłej wymagana jest energia. W zależności od rodzaju zużywanej energii, ekstraktory mogą być bez lub z zewnętrznym zasilaniem energią. Energię zewnętrzną można wprowadzić do współpracujących faz poprzez urządzenia mieszające, wibratory i pulsatory, np. w ekstraktorach wibracyjnych i pulsacyjnych, w postaci siły odśrodkowej w ekstraktorach odśrodkowych, energii kinetycznej strumienia w ekstraktorach wtryskowych i eżektorowych.

Ekstraktory mieszające i osadzające składa się z kilku etapów, z których każdy zawiera mieszalnik i separator. W mieszalniku, w wyniku doprowadzenia energii zewnętrznej, jedna z faz ciekłych zostaje zdyspergowana tworząc fazę dyspersyjną, która jest rozdzielona w drugiej fazie ciągłej. Faza rozproszona może być fazą lekką lub ciężką.

W separatorze, jakim jest osadnik, a w nowoczesnych instalacjach separator, emulsja rozdzielana jest na rafinat i ekstrakt. Schemat najprostszego ekstraktora mieszająco-osadowego pokazano na ryc. 16.1.9.

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

Ryż. 16.1.10. Ekstraktor dyskowy:

1 – korpus cylindryczny; 2 – urządzenie przelewowe; 3 – płyty sitowe

Faza rozproszona (lekka lub ciężka) przechodzi przez otwory w płytkach i zostaje rozdrobniona na kropelki. Faza ciągła przemieszcza się wzdłuż płyty od przelewu do przelewu. Krople na płytach łączą się i tworzą ciągłą warstwę cieczy nad płytą (ciecz ciężka) lub pod płytą (ciecz lekka). Warstwa nośna dzieli ekstraktor na wysokość i zapewnia wsparcie dla rozpraszania cieczy przez otwory w płytach. Podział ekstraktora ogranicza ponowne mieszanie faz i prowadzi do wzrostu średniej siły napędowej procesu.

Prędkość fazy rozproszonej w otworach płyty określa się na podstawie warunków tworzenia trybu strumieniowego. Prędkość krytyczna odpowiadająca przejściu z trybu kroplowego do trybu strumieniowego zależy od średnicy otworów:

wDoP=4,4/ D0 .

Aby ekstraktor działał w trybie stabilnego strumienia, prędkość zwiększa się o około 20% w porównaniu do prędkości krytycznej.

Aby określić współczynniki przenikania masy w fazie rozproszonej, możemy polecić wyrażenie

https://pandia.ru/text/78/416/images/image057_24.gif" szerokość="116" wysokość="25 src="> - liczba Nusselta dyfuzji (tutaj (βd - współczynnik przenikania masy w fazie rozproszonej; Duh- równoważna średnica kropli; Dd – współczynnik dyfuzji w fazie rozproszonej); - kryterium Reynoldsa na kroplę (tutaj - prędkość względna kropli w fazie ciągłej; vc - lepkość kinematyczna fazy ciągłej); - Kryterium dyfuzji Prandtla dla fazy rozproszonej (tutaj w- lepkość kinematyczna fazy rozproszonej).

Ekstraktor tarczowy obrotowy(Rys. 16.1.11) dotyczy ekstraktorów z mechanicznym mieszaniem faz. Jest to pionowe urządzenie wielosekcyjne, w cylindrycznym korpusie, którego osią jest zamontowany wirnik z okrągłymi poziomymi tarczami. Tarcze obracają się w płaszczyźnie środkowej sekcji ekstraktorowej i oddzielone są pierścieniowymi przegrodami, co zapobiega wzdłużnemu mieszaniu strumieni i pozwala zwiększyć siłę napędową procesu. Gdy wirnik się obraca, tarcze tworzą osiowe przepływy fazy ciągłej, skierowane od osi wirnika do ścianek ekstraktora.

DIV_ADBLOCK20">

Średnica tarczy wirnika DP wynosi 0,5...0,7 średnicy ekstraktora, a średnica otworów w przegrodach pierścieniowych D =(0,6...0,8) Duh(Gdzie Duh- średnica ekstraktora), wysokość przekroju H=(0,15...0,3) Duh.

W innych konstrukcjach otwarte mieszalniki turbinowe są umieszczone na wirniku w środkowej płaszczyźnie każdej sekcji. Podział odbywa się za pomocą przegród pierścieniowych. W takich ekstraktorach strefy mieszania i separacji występują naprzemiennie.

Zamiast przegród pierścieniowych strefy mieszania można oddzielić warstwą wypełnienia, np. pierścieniami Raschiga, w których mieszanina trójskładnikowa rozdzielana jest na ciecz lekką i ciężką. Na ryc. Rysunek 16.1.12 przedstawia ekstraktor z mieszadłami turbinowymi i strefami osadczymi wypełnionymi pierścieniami Raschiga.

https://pandia.ru/text/78/416/images/image063_17.gif" szerokość="157" wysokość="27 src=">który określa wysokie współczynniki przenikania masy i pole powierzchni styku międzyfazowego; podział objętość reakcji na sekcje, co prowadzi do wzrostu średniej siły napędowej do wartości zbliżonych do wartości dla idealnego aparatu wyporowego, możliwość regulacji prędkości obrotowej wirnika, co pozwala na zmianę wydajności i wydajności ekstraktora.

Do obliczenia i modelowania ekstraktorów rotacyjnych niezbędna jest znajomość wielkości powstałych kropelek, czasu przebywania fazy rozproszonej w ekstraktorze, współczynników wnikania masy, maksymalnego obciążenia ekstraktora dla fazy ciągłej i rozproszonej, obciążenia podłużnego i rozproszonego. poprzeczne mieszanie faz.

Jeżeli opór dyfuzyjny koncentruje się w fazie ciągłej, wówczas z równania można wyznaczyć współczynnik przenikania masy

https://pandia.ru/text/78/416/images/image065_18.gif" szerokość="116" wysokość="25 src="> - kryterium dyfuzji Nusselta; βс- współczynnik przenikania masy w fazie ciągłej; https://pandia.ru/text/78/416/images/image067_19.gif" szerokość="119" wysokość="25 src="> (16.1.11)

gdzie: A = 6,58 i 17,9 odpowiednio dla kropli stacjonarnych i kropel z krążeniem wewnętrznym, tj. βd jest odwrotnie proporcjonalne do średniej średnicy objętościowej kropli.

Do kropli z wewnętrznym obiegiem cieczy

DIV_ADBLOCK22">

DIV_ADBLOCK23">

Wielkość otworów w płytach ekstraktorów wynosi 3...5 mm, przyjmuje się, że powierzchnia wszystkich otworów wynosi 20...25% pola przekroju poprzecznego kolumny; odległość między płytami wynosi 50 mm.

Lepszą dystrybucję i dyspersję uzyskuje się na tacach z prostokątnymi otworami i łopatkami prowadzącymi.

W ekstraktorach wibracyjnych drgania bloku płytowego występują z wyższymi częstotliwościami i mniejszymi amplitudami niż pulsacja cieczy w ekstraktorach pulsacyjnych. Zużycie energii na wibrację bloku płyt jest znacznie mniejsze niż w ekstraktorach pulsacyjnych do przemieszczania całej kolumny cieczy.

Zaletą ekstraktorów pulsacji i wibracji jest efektywne przenoszenie masy, które osiąga się poprzez zwiększenie współczynników przenoszenia masy, średniej siły napędowej procesu oraz rozwiniętej powierzchni styku faz. VET w takich ekstraktorach jest 5...6 razy niższy niż w ekstraktorach z sitami płytowymi.

Wysokie obciążenia właściwe przekraczają dopuszczalne obciążenia w ekstraktorach obrotowych.

Wysoka wydajność przenoszenia masy pozwoliła znacznie zmniejszyć zużycie metalu w urządzeniach ekstrakcyjnych, co doprowadziło do obniżenia kosztów kapitałowych.

Jednocześnie ekstraktory pulsacji i wibracji wymagają mocniejszych fundamentów, które są w stanie wytrzymać znaczne obciążenia dynamiczne. Koszty eksploatacji takich ekstraktorów są nieco wyższe niż w przypadku konwencjonalnych ekstraktorów dyskowych.

W ekstraktorach odśrodkowych (ryc. 16.1.14) ekstrakcja następuje przy ciągłym kontakcie faz poruszających się w przeciwprądzie przy minimalnym czasie interakcji.

W korpusie maszyny, który składa się z dwóch korpusów: górnego i dolnego, umieszczony jest wał z przymocowanym do niego wirnikiem. Wał jest pusty na obu końcach, wykonany jest typu „rura w rurze”, a w części środkowej jest pełny, z kanałami odprowadzającymi lekką ciecz. Wał wraz z wirnikiem obraca się z częstotliwością około 4500 obr/min.

Przetwarzany roztwór i ekstrahent wchodzą do ekstraktora z przeciwnych końców wału drążonego, jak pokazano na ryc. 16.1.14. Lekka ciecz jest dostarczana od strony napędu, a ciężka ciecz jest dostarczana z przeciwnego końca wału. Wał uszczelniony jest za pomocą podwójnych uszczelnień mechanicznych. Płyn uszczelniający to ciecz przetwarzana w ekstraktorze.

Wewnątrz wirnika znajduje się pakiet koncentrycznych pierścieni w kształcie litery V. Wirnik posiada kanały umożliwiające przepływ lekkich i ciężkich cieczy. Ciężka ciecz wpływa do pakietu rotora, do jego środkowej części, natomiast lekka ciecz wpływa do obwodowej części rotora. Kiedy wirnik obraca się wraz z pakietem pierścieni, ciężka ciecz pod wpływem siły odśrodkowej przemieszcza się w kierunku zewnętrznego obwodu wirnika, a lekka ciecz przemieszcza się w stronę wału wirnika. W ten sposób ciecze stykają się w przeciwprądzie. Dzięki wielokrotnemu rozproszeniu cieczy w kropelki i koalescencji kropelek osiąga się wysoką skuteczność ekstrakcji.

Po rozdzieleniu mieszaniny trójskładnikowej ciecze są odprowadzane kanałami w wirniku do wału drążonego: ciecz ciężka jest odprowadzana od strony napędowej, a ciecz lekka od przeciwległego końca wału, od strony wejściowej ciężkiego płyn.

Odwrócenie faz następuje wewnątrz wirnika. Jeżeli w obwodowej części wirnika faza rozproszona cieczy lekkiej oddziałuje z fazą ciągłą cieczy ciężkiej, to w obszarze przylegającym do osi wirnika, przeciwnie, faza rozproszona cieczy ciężkiej styka się z fazą ciągłą cieczy ciężkiej. faza ciągła lekkiej cieczy.

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

Ryż. 16.1.15. Schemat jednostki odciągowej ciągłej :

1,2 - lakierki ; 3,4,5,6 - kontenery ; 5 - ekstraktor

Wydajność ekstraktorów określa się na podstawie maksymalnego obciążenia odpowiadającego „zalaniu” ekstraktora. W punkcie „zalewu” obciążenie oblicza się na podstawie maksymalnej pojemności aparatu i charakterystycznej prędkości kropel, równej średniej prędkości opadania kropel w stacjonarnej fazie ciągłej.

Skorzystajmy z równania Thorntona-Pratta

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

i znajdź pojemność ekstraktora

https://pandia.ru/text/78/416/images/image078_15.gif"width="41" height="24">. Charakterystyczna prędkość kropli w0 określone przez odpowiednie równania dla każdego typu ekstraktora.

Przyjmuje się, że prędkość robocza fazy ciągłej wynosi 20...40% poniżej wartości granicznej:

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

Gdzie: HZIH d jest wysokością jednostek przenoszenia odpowiednio w fazie ciągłej i rozproszonej; - współczynnik ekstrakcji.

Wartości HZIH d wyznacza się w zależności od wartości współczynników przenikania masy:

https://pandia.ru/text/78/416/images/image083_12.gif" szerokość="17" wysokość="24 src="> i H d - współczynniki przenikania masy odpowiednio w fazie ciągłej i rozproszonej, kmol/(m2*s*kmol/kmol); - powierzchnia właściwa, m2/m3.

Wartości βc, βD i oblicza się na podstawie równań kryterialnych i empirycznych uzyskanych dla ekstraktorów określonego typu. Na przykład dla ekstraktorów z wypełnieniem i płytowych z tacami sitowymi równanie można wykorzystać do obliczenia współczynnika przenikania masy w fazie rozproszonej

https://pandia.ru/text/78/416/images/image088_15.gif" szerokość="26 wysokość=31" wysokość="31"> spada.

Współczynniki przenoszenia masy w fazie ciągłej można w przybliżeniu wyznaczyć z równania

https://pandia.ru/text/78/416/images/image088_15.gif" szerokość="26" wysokość="31 src=">.gif" szerokość="16" wysokość="17 src=">c - gęstość fazy ciągłej, kg/m3; µс – lepkość dynamiczna fazy ciągłej, Pa s); Рrc=µs/s DC- Kryterium Prandtla dla fazy ciągłej (tutaj DC- współczynnik dyfuzji w fazie ciągłej, m2/s).

Dla ekstraktorów obrotowych współczynnik przenikania masy w fazie rozproszonej wyznacza się równaniem (16.1.12), a w fazie ciągłej wzorem (16.1.10).

W przypadku braku danych dotyczących współczynników wnikania masy lub wysokości jednostek przenoszenia EEP, wysokość ekstraktora oblicza się poprzez określenie liczby teoretycznych stopni zmiany stężenia.

Pytania kontrolne

1. Jaka jest istota procesu ekstrakcji? Jakie składniki biorą udział w procesie ekstrakcji? 2. Jakie czynniki decydują o równowadze podczas procesu ekstrakcji? Od czego zależy współczynnik podziału? 3. W jakich warunkach równowaga w procesie ekstrakcji jest opisana linią prostą? 4. Jakie diagramy przedstawiają procesy ekstrakcji? 5. W jakich przypadkach można przedstawić proces ekstrakcji na prostokątnym wykresie y-x? 6. Jakie schematy procesów ekstrakcji stosuje się w przemyśle spożywczym? 7. Co to jest moduł ekstrakcji i jaki ma wpływ na położenie ciągu roboczego procesu na wykresie y-x? 8 Jak przedstawiono proces ekstrakcji przeciwprądowej na wykresie trójkątnym i we współrzędnych y-x? 9. W jakim aparacie przeprowadzane są procesy ekstrakcji? 10. Jakimi prawami przenoszenia masy przestrzegają procesy ekstrakcji? 11. Jak obliczyć współczynnik wnikania masy podczas ekstrakcji w przypadkach ogólnych i szczególnych? 12. Jakie zalety mają ekstraktory z urządzeniami mieszającymi w porównaniu do ekstraktorów grawitacyjnych? 13. Jaka jest zasada działania ekstraktorów odśrodkowych? Jaką przewagę mają ekstraktory odśrodkowe nad innymi typami ekstraktory?14.Jakie są obliczenia kinetyczne ekstraktorów?15.Jakie wartości określają wysokość ekstraktora kolumnowego?

16.2. EKSTRAKCJA W UKŁADIE CIAŁA STAŁEGO-PŁYN

16.2.1. INFORMACJE OGÓLNE

Wymywanie(szczególny przypadek ekstrakcji) to ekstrakcja jednej lub więcej substancji ze ciała stałego przy użyciu rozpuszczalnika o zdolnościach selektywnych.

W przemyśle spożywczym ciała kapilarno-porowate pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego poddaje się obróbce poprzez ługowanie.

Stosuje się następujące rozpuszczalniki: woda - do ekstrakcji cukru z buraków, kawy, cykorii, herbaty; alkohol i mieszanina wodno-alkoholowa – do otrzymywania naparów do produkcji napojów alkoholowych i piwa bezalkoholowego; benzyna, trichloroetylen, dichloroetan – w ekstrakcji oleju, produkcji olejków eterycznych itp. Głównym procesem w produkcji cukru buraczanego jest ługowanie, które służy do ekstrakcji cukru z buraków cukrowych. Olej roślinny ekstrahuje się z nasion słonecznika za pomocą benzyny.

Po ługowaniu w przebiegu procesu często następują procesy filtracji, odparowania i krystalizacji.

16.2.2. STATYKA I KINETYKA WYMYWANIA

Proces ługowania polega na wnikaniu rozpuszczalnika w pory ciała stałego i rozpuszczeniu wyekstrahowanych substancji.

Równowaga ługowania ustala się, gdy potencjał chemiczny substancji rozpuszczonej i jej potencjał chemiczny w materiale stałym są wyrównane. Osiągnięte stężenie roztworu odpowiadające jego nasyceniu nazywa się rozpuszczalnością.

W pobliżu powierzchni ciała stałego równowaga ustala się w krótkim czasie. Dlatego też analizując proces przenoszenia masy przyjmuje się, że stężenie na granicy faz ciało stałe-rozpuszczalnik jest równe stężeniu roztworu nasyconego mamy.

Głównym zadaniem kinetyki ługowania jest określenie czasu trwania kontaktu oddziałujących faz niezbędnego do osiągnięcia danego stopnia ekstrakcji ekstrahowanej substancji. Czas trwania kontaktu fazowego określa wielkość aparatu ekstrakcyjnego.

Na transfer masy podczas ługowania duży wpływ ma wewnętrzna struktura ciała stałego: wielkość i kształt kapilar oraz skład chemiczny cząstek. Szybkość przenoszenia masy zależy od wewnętrznej struktury ciała stałego. Jak wskazano w rozdziale 4.1, złożoność wewnętrznej struktury ciała porowatego utrudnia analityczne opisanie procesu przenoszenia masy wewnątrz ciała kapilarno-porowatego.

Ługowanie jest złożonym, wieloetapowym procesem, który polega na dyfuzji rozpuszczalnika do porów ciała stałego, rozpuszczeniu wyekstrahowanych substancji lub substancji, dyfuzji wyekstrahowanych substancji w kapilarach wewnątrz ciała stałego do granicy faz i masy przeniesienie substancji ekstrahowalnych w ciekłym rozpuszczalniku z granicy faz do rdzenia strumienia ekstrahenta.

Z czterech wymienionych etapów procesu, które ograniczają ogólną szybkość wnikania masy, z reguły dwa ostatnie, gdyż szybkość wnikania masy w dwóch pierwszych etapach jest zwykle znacznie większa w porównaniu z szybkością dwa kolejne etapy.

Zatem całkowity opór dyfuzyjny przenoszenia masy składa się z oporów dyfuzyjnych wewnątrz ciała stałego i w rozpuszczalniku.

Szybkość dyfuzji substancji wewnątrz ciała kapilarno-porowatego opisuje się, jak wiadomo, równaniem przewodnictwa masowego (12.30).

Szybkość przenoszenia masy z granicy faz do rdzenia strumienia ekstrahenta jest opisana równaniem przenoszenia masy (12.15).

Do oceny zależności pomiędzy szybkościami przewodnictwa masy a przenikaniem masy stosuje się kryterium Biota [patrz. równanie (12.32)].

Szczególnie niski współczynnik przewodnictwa masowego występuje w ciałach kapilarno-porowatych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego.

Na ryc. Rysunek 16.2.1 przedstawia schemat struktury komórki roślinnej.

https://pandia.ru/text/78/416/images/image095_13.gif" szerokość="200" height="24 src=">, a w obszarze niskich stężeń -

W przypadku, gdy główny opór dyfuzyjny koncentruje się w fazie ciekłej, do opisu procesu można zastosować równanie przenoszenia masy (12.15).

Siłą napędową procesu ługowania jest różnica pomiędzy stężeniem ekstrahowanej substancji na powierzchni ciała stałego a jej średnim stężeniem w masie ekstrahenta usr.

Szybkość procesu w tym przypadku

https://pandia.ru/text/78/416/images/image099_11.gif" szerokość="21" wysokość="25 src="> - współczynnik przenikania masy w fazie ciekłej.

Szybkość dyfuzji molekularnej w warstwie granicznej o grubości δ wyznacza równanie Ficka (12.9)

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

gdzie: https://pandia.ru/text/78/416/images/image103_11.gif" szerokość="59" wysokość="21"> . Zatem z (16.2.1) wynika, że ​​jest to proporcjonalne do D2/3. Uogólniając dane eksperymentalne z uwzględnieniem wskazanej zależności, otrzymano równanie do obliczenia współczynnika przenikania masy https://pandia.ru/text/78/416/images/image104_11.gif" szerokość="143" wysokość=" 27 src="> (16.2. 3)

gdzie: https://pandia.ru/text/78/416/images/image106_10.gif" szerokość="85" wysokość="21"> - kryterium Reynoldsa (tutaj w- prędkość ekstrakcji; µ – lepkość dynamiczna ekstrahenta); Pr= w/ D- Kryterium Prandtla.

Z wyrażenia (16.2.2) wynika, że ​​β wzrasta wraz ze zmniejszaniem się grubości warstwy dyfuzyjnej δ. Z teorii warstwy granicznej wiadomo, że grubość warstwy dyfuzyjnej maleje wraz ze wzrostem kryterium Reynoldsa, czyli ze wzrostem prędkości względnej ekstrahenta (względem cząstek stałych). W konsekwencji proces ługowania można zintensyfikować tworząc efektywne środowisko hydrodynamiczne, m.in. poprzez mielenie materiału stałego.

Szlifowanie powoduje zwiększenie powierzchni przenoszenia masy, a także zmniejszenie drogi dyfuzji wyekstrahowanego materiału z głębi kapilar do powierzchni materiału. Ze względu na to, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta współczynnik przewodnictwa masowego, ługowanie prowadzi się w temperaturach bliskich temperaturze wrzenia ekstrahenta. Jednocześnie wzrasta również stężenie nasyconego roztworu unasu, co prowadzi do wzrostu siły napędowej ługowania i rozpuszczania.

Szybkość przewodnictwa masy można również zwiększyć poprzez specjalną obróbkę surowców spożywczych, co prowadzi do zmniejszenia oporu dyfuzyjnego w ogniwie.

W praktyce intensyfikację procesu można osiągnąć w ekstraktorach o efektywnych warunkach hydrodynamicznych, np. w ekstraktorach ze złożem fluidalnym, a także w ekstraktorach wibracyjnych i pulsacyjnych.

Jak zauważono, prowadzenie procesów w złożu fluidalnym z rozdrobnionymi materiałami prowadzi do gwałtownego wzrostu powierzchni przenoszenia masy i zmniejszenia oporów dyfuzyjnych.

W rozdziale 4.4 wskazano, że drgania o niskiej częstotliwości współpracujących faz prowadzą do znacznej intensyfikacji procesu ekstrakcji.

16.2.3. OBLICZANIE URZĄDZEŃ EKSTRAKCYJNYCH

Opracowana w ostatnich latach strefowa metoda obliczania procesów ekstrakcji z ciała stałego opiera się na rozwiązaniu problemu niestacjonarnego przewodnictwa masy. Do obliczenia czasu trwania procesu w ciałach o regularnym kształcie geometrycznym można zastosować równanie (18.11). Jednakże ze względu na brak danych doświadczalnych dotyczących współczynników przewodnictwa masowego zastosowanie tej metody w praktyce obliczeniowej jest utrudnione. Dlatego do obliczenia ekstraktorów stosuje się metodę polegającą na określeniu liczby teoretycznych kroków zmiany stężenia. Wprowadzenie do obliczeń współczynników sprawności pozwala określić liczbę rzeczywistych stopni urządzeń wielostopniowych lub długość urządzenia.

Rozważmy graficzną metodę określania liczby teoretycznych kroków za pomocą diagramu trójkątnego (ryc. 16.2.2). Dla ułatwienia obliczeń wyobraźmy sobie diagram w postaci trójkąta prostokątnego zamiast trójkąta równobocznego.

Niech początkowy materiał stały do ​​ekstrakcji składa się z nierozpuszczalnego składnika L i składnika rozpuszczalnego M, ekstrahuje się ciekłym ekstrahentem MI. W wyniku procesu otrzymuje się ekstrakt składający się z ekstrahenta mi i rozpuszczoną w nim substancję M, i rafinat, składający się z substancji nierozpuszczalnej L, w porach których znajduje się pewna ilość substancji M, rozpuszczony w ekstrahencie MI.

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

Ryż. 16.2.3. Schemat wielosekcyjnej ekstrakcji przeciwprądowej ciało stałe-ciecz

Roztwór E wyekstrahowanej substancji M w ekstrakcie mi nazwijmy to górnym przepływem i przepływem R mieszaniny stałe L z substancją ekstrakcyjną M- przepływ dolny.

Równania bilansu materiałowego zostaną zapisane w następujący sposób:

F+ mi= R i

Perkolator (ryc. 16.2.5) to pionowe cylindryczne urządzenie ze stożkowym dnem i pokrywą. Na dole znajduje się ruszt, na który poprzez górny właz ładowana jest warstwa pokruszonego materiału stałego. Po ługowaniu materiał jest wyładowywany przez dolny właz uchylny.

Bunkier" href="/text/category/bunker/" rel="bookmark">bunkr do załadunku chipsów buraczanych oraz ślimaki do usuwania miąższu z aparatu.

Wewnątrz urządzenia wióry przemieszczane są za pomocą dwóch równoległych śrub z dołu do góry. Ślimaki składają się z łopatek ułożonych wzdłuż linii śrubowej. Łopatki każdego ślimaka wchodzą w przestrzeń międzyłopatkową drugiego. Takie rozmieszczenie ślimaków sprzyja równomiernemu przemieszczaniu się zrębków na całej długości urządzenia i zapobiega możliwości obracania się zrębków buraczanych wraz z nożami. W tym samym celu w dolnej części osłon instalowane są przeciwnoże i przegrody.

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

Ryż. 16.2.7. Dwukolumnowy aparat dyfuzyjny:

1,5 - okucia; 2 - miotacz obrotowy; 3 - bęben; 4 - korpus; 6 - łańcuch; 7 - rama

Do podawania wiórów do urządzenia przeznaczony jest przenośnik zgarniający oraz odrzutnik wiórów. Podgrzany sok jest dostarczany przez dysze do urządzenia.

Sok dyfuzyjny pobierany jest z aparatu poprzez samoregenerujące się sita ze stożkowymi otworami zamontowane w komorze i rurze. Woda barometryczna wpływa do aparatu przez górny rząd dysz, a woda z miazgi wpływa dolnym rzędem.

Wióry wchodzące do aparatu przemieszczają się do miejsca, w którym są wyładowywane z aparatu. Woda barometryczna i miazga doprowadzana jest do górnej części drugiej kolumny w przeciwprądzie do chipsów buraczanych. Sok dyfuzyjny kierowany jest do produkcji, a miąższ do pras lub do magazynu miąższu. W niektórych zakładach woda barometryczna i woda celulozowa są najpierw podawane do jednego dużego zbiornika mieszającego, a następnie do podgrzewacza w celu podgrzania mieszaniny.

W konstrukcji rozważanego urządzenia chipsy buraczane są parzone wewnątrz urządzenia i nie jest wymagana dodatkowa instalacja oparzarki. Sok przeznaczony do zaparzenia podgrzewa się w podgrzewaczach do określonej temperatury.

Istnieją konstrukcje aparatów, w których materiał stały przemieszczany jest za pomocą łyżek.

Stosowanie przenośników łańcuchowych z ramami lub kubłami powoduje zagęszczenie masy materiału stałego na ramach lub w kubłach, co utrudnia proces ekstrakcji. W aparatach dyfuzyjnych z wałami i przeciwnożami następuje znaczne rozdrobnienie wiórów, co utrudnia filtrację soku dyfuzyjnego w aparacie i tym samym zmniejsza szybkość ekstrakcji. W wyniku stosowania dużych zrębków buraczanych zmniejsza się także wydajność ekstrakcji na skutek wzrostu oporów wewnątrzdyfuzyjnych.

Urządzenia dyfuzyjne z podwieszanym złożem nie mają tych wad. W aparacie dwukolumnowym (ryc. 16.2.8), opracowanym przez prof. , chipsy buraczane są w zawieszeniu. Siłą napędową przemieszczania zawartości aparatu jest różnica ciśnień nad materiałem w pierwszej i drugiej kolumnie. Gdy urządzenie transportujące tłok przesuwa się w górę, pod nim wytwarza się podciśnienie. Chipsy buraczane wchodzą do górnej części pierwszej kolumny, która jest wypełniona do pewnego poziomu sokiem dyfuzyjnym. Poziom soku utrzymuje się za pomocą wskaźnika poziomu. W ten sposób chipsy buraczane dostają się do soku dyfuzyjnego i są równomiernie rozprowadzane w całym aparacie.

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

Gdzie: VP- użyteczna objętość aparatu, m3; Q- masa wiórów na jednostkę objętości użytkowej aparatu, kg/m3 (dla aparatu kolumnowego Q=600...700 kg/m3); τ - czas trwania procesu ekstrakcji, s.

Ekstraktory taśmowe (ryc. 16.2.9) służą do ekstrakcji oleju z nasion słonecznika. Faza stała – rozdrobnione nasiona, przemieszczana jest cienką warstwą wzdłuż taśmy, a ekstrahent – ​​benzyna dostarczana jest od góry za pomocą pomp i nawadnia materiał znajdujący się na taśmie. Proces przebiega według złożonego, połączonego schematu przepływu materiału stałego i ekstrahenta: przepływu krzyżowego w każdej sekcji i przepływu przeciwnego jako całości w ekstraktorze. Konstrukcja ekstraktora nie zapewnia efektywnego oddziaływania fazy stałej z ekstrahentem, ekstrakcja przebiega z małą prędkością. Aby całkowicie wyekstrahować olej, potrzeba kilku etapów ekstrakcji.

Ryż. 16.2.9. Wyciągacz paska:

1 - ciało; 2 - dysze; 3 - wał załadunkowy; 4 - urządzenie transportowe; 5 – pompy

Pytania kontrolne

1. Jaka jest istota procesu ługowania? Jakie elementy biorą udział w procesie ługowania? 2. Jakie czynniki determinują szybkość wymywania? 3. W jakim przypadku szybkość wymywania opisuje równanie Szczukariewa? 4. Jakie są obliczenia ekstraktorów? 5. Jak proces ekstrakcji przeciwprądowej jest przedstawiony na diagramie trójkątnym? 6. Jak wyznacza się liczbę stopni zmiany stężenia na wykresie trójkątnym? 7. Wymień schematy według których przeprowadzane są procesy ługowania 8. Jakie konstrukcje ekstraktorów stosuje się w przemyśle spożywczym?

Wstęp

Ekstrakcja w układzie „ciecz-ciecz”. Podstawowe pojęcia i wskaźniki

Rozpuszczalniki organiczne stosowane w ekstrakcji

Procesy chemiczne i przenoszenia masy zachodzące podczas ekstrakcji

Główne metody ekstrakcji

Nowoczesny sprzęt ekstrakcyjny

Część obliczeniowa

Czyszczenie kanalizacji

Wniosek

Bibliografia

Wstęp

Ekstrakcja w szerokim znaczeniu odnosi się do procesów ekstrakcji jednego lub większej liczby składników z roztworów lub substancji stałych przy użyciu selektywnych rozpuszczalników. Dlatego w zasadzie ekstrakcję można prowadzić w układach ciało stałe-ciecz (na przykład ekstrakcja złota z rud roztworami cyjanku) lub ciecz-ciecz. W hydrometalurgii ekstrakcja lub ekstrakcja zwykle odnosi się do procesu ekstrakcji cieczy, który polega na ekstrakcji substancji rozpuszczonej w jednym rozpuszczalniku za pomocą innego rozpuszczalnika, który nie miesza się z pierwszym. Jako dwa takie ciekłe media stosuje się wodny roztwór odczynników chemicznych zawierający metal i ciecz organiczną.

Główne zalety procesu ekstrakcji w porównaniu do innych procesów rozdzielania mieszanin ciekłych to:

niska temperatura pracy (proces prowadzony jest najczęściej w temperaturze pokojowej);

duża szybkość przenoszenia masy pomiędzy dwiema stykającymi się fazami (ze względu na bardzo dużą powierzchnię ich kontaktu podczas emulgowania fazy organicznej w roztworze wodnym);

wysoka selektywność ekstrahentów, pozwalająca na separację powiązanych ze sobą, trudnych do rozdzielenia pierwiastków;

łatwość rozdzielenia dwóch faz (ciecze niemieszające się o różnej gęstości);

zdolność do ekstrakcji metali z silnie rozcieńczonych roztworów;

tak głębokie czyszczenie powstałego metalu, jak to pożądane;

możliwość regeneracji zużytych odczynników;

możliwość całkowitej mechanizacji i automatyzacji procesu.

Okoliczności te determinują szerokie zastosowanie procesów ekstrakcji we współczesnej hydrometalurgii.

Ekstrakcja w układzie „ciecz-ciecz”. Podstawowe pojęcia i wskaźniki

Przyjęto następującą terminologię dotyczącą ekstrakcji. Dwa rozpuszczalniki biorące udział w procesie (wodny i organiczny) w stanie początkowym nazywane są „roztworem źródłowym” i „ekstrahentem”. W momencie kontaktu (podczas ekstrakcji) nazywane są fazami „wodną” i „organiczną”, a po ekstrakcji (osadzanie i oddzielanie) nazywa się je „rafinatem” i „ekstraktem”.

Proces ekstrakcji składa się z następujących etapów:

przygotowanie roztworu początkowego i ekstrahenta (ryc. 1, a);

kontaktowanie tych roztworów z emulgacją fazy organicznej i wodnej (ryc. 1, b, c);

osadzanie się i rozdzielanie tych faz (dobrze obserwowane wizualnie) (ryc. 1, d);

rozdzielenie rafinatu i ekstraktu (ryc. 1, e).

Ryc.1. Schemat procesu ekstrakcji ciecz-ciecz. 1 - rozwiązanie początkowe; 2 - ekstrahent; 3 - rafinat; 4 - ekstrakt.

Z ekstrahenta nasyconego wyekstrahowanym pierwiastkiem (ekstraktem) ekstrahuje się metale metodą reekstrakcji, która polega na poddaniu ekstraktu wodnemu roztworowi jakiegoś odczynnika chemicznego, stwarzającego korzystne warunki do odwrotnego przeniesienia metali z fazy organicznej do fazy wodnej. Schemat procesu ponownej ekstrakcji jest podobny do etapów ekstrakcji. W tym przypadku odczynnik użyty do ekstrakcji substancji z fazy organicznej nazywa się reekstrahentem, a powstały produkt nazywa się reekstrakcją. W konsekwencji ekstrahent i ekstrakt stanowią fazę organiczną, zaś reekstrahent i powtórna ekstrakcja stanowią fazę wodną. Prawie zawsze po ponownej ekstrakcji ekstrahent regeneruje się do stanu pierwotnego, dlatego nazywany jest ekstrahentem regenerowanym.

Zatem podczas ekstrakcji i reekstrakcji w miarę postępu procesu stosuje się następujące oznaczenia produktów:

Ekstrakcja:

ekstrahent ® faza organiczna ® ekstrakt

roztwór początkowy ® faza wodna ® rafinat

Ponowna ekstrakcja:

ekstrakt ® faza organiczna ® regenerowany ekstrahent

reekstrahent ® faza wodna ® reekstrakcja.

Produktem końcowym cyklu „ekstrakcja – reekstrakcja” jest ponownie roztwór wodny – reekstrakcja. Jednak roztwór wodny uzyskany w wyniku ekstrakcji taśmowej różni się od pierwotnego tym, że nie zawiera lub zawiera tylko niewielką ilość zanieczyszczeń, z których wydzielenie cennego składnika jest główną trudnością w wydobyciu go z roztworu. W tym przypadku powtórny ekstrakt, w odróżnieniu od rozwiązania pierwotnego, często jest wzbogacany w metal.

Rozpuszczalniki organiczne stosowane w ekstrakcji

Jako ekstrahenty stosuje się związki organiczne.

Idealny ekstrahent powinien posiadać następujące właściwości:

być wystarczająco selektywny (to znaczy selektywnie ekstrahować tylko interesujące nas składniki z wodnych roztworów zawierających sumę metali);

mają wysoką zdolność ekstrakcji (pochłaniają znaczną ilość wyekstrahowanego składnika na jednostkę objętości);

zapewniają dość łatwą regenerację ekstrahenta poprzez ekstrakcję metalu z fazy organicznej;

być bezpieczny w obsłudze (nietoksyczny, nielotny, niepalny);

pozostają stabilne podczas przechowywania lub w kontakcie z kwasami i zasadami;

być wystarczająco tani.

Znalezienie takiego idealnego ekstrahenta jest prawie niemożliwe, dlatego zazwyczaj stosuje się rozwiązania kompromisowe.

Biorąc pod uwagę fakt, że transport masy odgrywa ważną rolę w mechanizmie separacji ekstrakcyjnej, jedną z głównych właściwości fizycznych fazy organicznej jest lepkość. Znajomość charakterystyki lepkości, energii granicy międzyfazowej i gęstości ośrodków jest niezwykle niezbędna do oceny kinetyki procesu ekstrakcji, nie tylko w sensie przenoszenia masy, ale także z punktu widzenia dyspersji fazowej i szybkość osiadania faz ciekłych doprowadzonych do równowagi. Jednakże ekstrahenty organiczne są zazwyczaj dość lepkimi mediami. W tym przypadku lepkość fazy organicznej gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem jej nasycenia jonami metali. Wzrost lepkości fazy organicznej powyżej pewnej granicy może radykalnie spowolnić proces ekstrakcji. Dlatego czasami niepraktyczne jest osiągnięcie znacznego nasycenia ekstrahenta metalami. Ale nawet jeśli możliwe nasycenie ekstrahenta jest ograniczone, w niektórych przypadkach konieczne jest sztuczne zmniejszenie lepkości fazy organicznej.

Dodatkowo, aby fazy po ekstrakcji były dobrze rozdzielone, musi istnieć wystarczająca różnica w gęstości tych faz, czyli ekstrahent musi być znacznie lżejszy od roztworu wodnego. Dlatego w praktyce rzadko stosuje się ekstrahent w czystej postaci; zwykle rozcieńcza się go tanim rozpuszczalnikiem organicznym w celu zmniejszenia lepkości i gęstości. Ten rozpuszczalnik pomocniczy jest zwykle obojętny i nie uczestniczy w procesie ekstrakcji. W takim układzie dwóch rozpuszczalników organicznych związek organiczny biorący udział w reakcjach chemicznych ekstrakcji nazywany jest odczynnikiem ekstrakcyjnym, a rozpuszczalnik odczynnika ekstrakcyjnego nazywany jest rozcieńczalnikiem. Cały roztwór organiczny jest ekstrahentem. Należy zaznaczyć, że rozcieńczalnik służy nie tylko do zmniejszenia lepkości i gęstości fazy organicznej, ale także do rozpuszczenia powstałych produktów podczas reakcji ekstrakcji.

Najszerzej stosowane rodzaje rozpuszczalników organicznych to:

węglowodory i ich pochodne halogenowe;

Węglowodory i ich pochodne chlorowe najczęściej stosowany jako rozcieńczalnik odczynników ekstrakcyjnych. Ze względu na to, że węglowodory są substancjami wysoce lotnymi, łatwopalnymi i toksycznymi, tylko ograniczona ich liczba nadaje się do zastosowań przemysłowych. Najczęściej stosowane to: benzen C 6 H 6; toluen lub metylobenzen CH3C5H5; nafta oczyszczona; olej napędowy; heksan (C 6 H 4), oktan (C 8 H | 8), benzyna. Spośród chlorowych pochodnych węglowodorów najczęściej stosowanymi są czterochlorek węgla CCl 4, chloroform CHCl 3 i dichlorometan CH 2 C1 2. Pochodne chloru są czasami stosowane jako ekstrahenty związków nieorganicznych (na przykład CCl 4 lub CHCl 3 ekstrahuje się GeCl 4).

Ekstrahenty zawierające tlen dzieli się na związki niezawierające grup tworzących sól oraz te zawierające grupy tworzące sól. Rozpuszczalniki organiczne zawierające tlen, które nie mają grup tworzących sól, stosuje się jako ekstrahenty do ekstrakcji halogenków, azotanów, tiocyjanianów i innych soli metali. Należą do nich alkohole ROH, estry ROR, estry R-OCO-R, ketony R-COR, d-ketony RCOCH 2 COR (gdzie R oznacza rodnik organiczny). Ekstrakcja przebiega pomyślnie w roztworach silnie kwaśnych, w których możliwe jest tworzenie się soli oksoniowych, lub w roztworach o niskiej kwasowości, ale w obecności środków wysolających. Przy stosowaniu alkoholi, eterów, ketonów obserwuje się tworzenie solwatu, na przykład zgodnie ze schematem: mROR + nMeCl 3 + pHCl = mROR × nMeCl 3 × pHCl. Ponadto poziom kwasowości ma duży wpływ na przebieg tego procesu.

Spośród eterów najczęściej stosowany jest eter dietylowy C 2 H 5 OS 2 H 5 i jego pochodna chlorowa - chlorex ClC 2 H 4 OS 2 H 4 Cl, czyli (C 2 H 4 Cl) 2 O. Chlorex jest niezwykle słaba zasada i ekstrahuje tylko bardzo mocne kwasy. Stosowany jest m.in. do ekstrakcji kwasu chlorozłotowego z roztworów wody królewskiej w cyklu rafinacji metali szlachetnych.

Wśród alkoholi alifatycznych (acyklicznych) (ROH, gdzie R oznacza CnH (2n+1)), butylu (C 4 H 9 OH), amylu (C 5 H 11 OH), izoamylu, heksylu (C 6 H 13 OH) stosuje się kapryl (C 7 H 15 OH), oktyl (C 8 H 17 OH), nonyl (C 9 H 19 OH), mieszaninę alkoholi C 7 - C 9 i decyl (C 10 H 21 OH). Spośród alkoholi acyklicznych (zawierających cykle w cząsteczkach - pierścienie o trzech lub więcej atomach węgla) najczęściej stosuje się cykloheksanol C 11 H 11 OH. Spośród alkoholi aromatycznych (zawierających w cząsteczkach pierścienie - pierścienie benzenowe) stosuje się a-naftol i a, a’ -naftole .

W przypadku stosowania rozpuszczalników organicznych zawierających tlen z grupami tworzącymi sole (kwasy karboksylowe RCOOH) nierozpuszczalne w wodzie związki - mydła - powstają w wyniku ekstrakcji nie soli lub ich kompleksów kwasowych, ale kationów metali. Kwasy karboksylowe mają dimeryzowaną strukturę .

Ta dimeryzacja utrzymuje się podczas ekstrakcji, to znaczy tworzy się sól organiczna M(HR 2) 2. Ekstrakcję kwasami karboksylowymi zwykle prowadzi się przy pH o 0,5 niższym niż pH hydrolizy wyjściowej soli metalu nieorganicznego. Podobny rodzaj ekstrakcji kwasami tłuszczowymi C n H 2 n +1 COOH stosuje się na przykład w hydrometalurgii kobaltu do oczyszczania roztworów zawierających kobalt z zanieczyszczeń.

lub bezpośrednio (wiązanie PC, związki fosforoorganiczne):

gdzie R oznacza rodnik alkilowy (CnH2n +), cykloalkilowy lub arylowy (jednowartościowa reszta węglowodorów aromatycznych).

Najbardziej zbadana jest zdolność ekstrakcyjna średnich estrów kwasów fosforowego, fosfonowego i fosfinowego oraz tlenków podstawionych fosfin. Ekstrakcja wszystkimi tymi odczynnikami przebiega w oparciu o zdolność donorowo-akceptorową tlenu fosforylowego - P=O, która wzrasta w szeregu:

W konsekwencji zdolność ekstrakcyjna tych związków wzrasta w tym samym kierunku. Spośród średnich estrów kwasu fosforowego najczęściej stosowanym ekstrahentem jest fosforan tributylu TBP ((C 4 H 9 O) 3 PO), stosowany w hydrometalurgii metali radioaktywnych (na przykład przy produkcji paliwa jądrowego, w szczególności w ekstrakcji azotanu uranylu), w hydrometalurgii metali rzadkich (niob, tantal, cyrkon itp.). Fosforniany dialkiloalkilowe DAAF (R1P(O)(OR2)2) stosuje się do ekstrakcji skandu z kwasu solnego, niobu, tantalu i innych pierwiastków ziem rzadkich.

Z ekstrahentów zawierających azot Do celów ekstrakcji najczęściej stosuje się aminy o różnym stopniu podstawienia (otrzymywane przez zastąpienie protonów amoniaku rodnikiem organicznym): pierwszorzędowe, drugorzędowe , trzeciorzędowe i czwartorzędowe zasady amoniowe (QAB): R4NOH. Wiele soli amin pierwszorzędowych, drugorzędowych i trzeciorzędowych zawierających normalne rodniki alkilowe CnH2n+1 (alkiloaminy) jest trudno rozpuszczalnych w ciekłych węglowodorach, korzystnie w węglowodorach aromatycznych (> 0,1 mol/l).

Do ekstrakcji miedzi, niklu i kobaltu proponuje się mieszaniny a-hydroksymów o wzorze ogólnym, w którym R i R’ oznaczają rodniki; R'' oznacza rodnik lub atom wodoru.

Ekstrahenty zawierające siarkę. Ze względu na mniejszą zdolność atomu siarki do oddawania elektronów w porównaniu z atomem tlenu, zastąpienie tlenu siarką w odpowiednich związkach organicznych zawierających tlen (eterach, alkoholach itp.) Prowadzi do zmniejszenia właściwości ekstrakcyjnych związków zawierających siarkę związki organiczne (tioetery R2S; tioalkohole RSH; tiokwasy,; ditiokwasy itp.).

Jednakże zmniejszenie zasadowości tiozwiązków może prowadzić do zwiększonej selektywności ekstrakcji, w wyniku czego pewnym zainteresowaniem cieszą się ekstrahenty organiczne zawierające siarkę. Organiczne siarczki (tioestry) są dość skutecznymi ekstrahentami. Na przykład siarczek diizobutylu (iC 4 H 9) 2 S dobrze ekstrahuje chlorek żelazowy z roztworów kwasu chlorowodorowego w postaci НFeСl 4, jak zwykły eter dibutylowy zawierający tlen (C 4 H 9) 2 O. W odniesieniu do kwasów nieorganicznych i sole uranu, jako ekstrahenty przetestowano tlenki. siarczki dialkilu, otrzymywane przez utlenianie odpowiednich siarczków dialkilu nadtlenkiem wodoru w kwasie octowym CH3COOH. Kwasy sulfonowe R-SO3H (lub ), które są ekstrahentami kationowymiennymi, mają praktyczne znaczenie w hydrometalurgii. Węglowodory sulfonowane zalecane są do przemysłowej ekstrakcji niklu i kobaltu z roztworów wodnych o stężeniu metalu od 0,5 do 10 g/l.

Procesy chemiczne i przenoszenia masy zachodzące podczas ekstrakcji

Rozdzielenie substancji w procesie ekstrakcji opiera się na różnicy w rozmieszczeniu dwóch niemieszających się cieczy. W najprostszym przypadku, gdy wyekstrahowana substancja występuje w tej samej postaci w obu fazach (tzw. rozkład fizyczny), obowiązuje prawo Nernsta:

,

gdzie Kd jest stałą rozkładu. Stała rozkładu Kd nie zależy od stężenia wyekstrahowanej substancji w fazie wodnej i przy ustalonym stałym stosunku objętości stykających się faz (P:E) w danej temperaturze pozostaje stałą wartością zarówno dla fazy bogatej, jak i kiepskie rozwiązania. Dzięki temu w kilku kolejnych cyklach procesu możliwe jest osiągnięcie dowolnie głębokiego stopnia ekstrakcji lub oczyszczenia.

Jednak prawo rozkładu w jego klasycznej postaci nie ma zastosowania do większości rzeczywistych systemów ekstrakcji, gdyż w obu fazach może zachodzić interakcja substancji z rozpuszczalnikiem, możliwa jest również ekstrakcja substancji w postaci kilku rodzajów związków, a zmiana wzajemnej rozpuszczalności faz pod wpływem ekstrahowanych substancji itp. Dlatego do scharakteryzowania rozkładu substancji zwykle stosuje się współczynnik rozkładu

gdzie C x O i C x B są odpowiednio całkowitymi stężeniami analitycznymi wyekstrahowanej substancji we wszystkich związkach w fazie organicznej i wodnej.

Ponieważ ekstrakcję przeprowadza się nie tyle w celu wydobycia metalu z czystych roztworów, ale w celu selektywnego wyizolowania cennego pierwiastka z roztworów zawierających sumę zanieczyszczeń, stosuje się inny wskaźnik, zwany współczynnikiem separacji:

.

Oznacza to, że reprezentuje stosunek współczynników dystrybucji dwóch substancji. Dla warunków separacji konieczna jest nierówność D Me1 ¹ D Me 2. Najlepsza separacja występuje, gdy D Ме1 >> D Ме2. Co więcej, im S jest bliższe jedności, tym większa jest liczba wymaganych etapów ekstrakcji. Przy obliczaniu wartości współczynnika separacji zwyczajowo umieszcza się w liczniku większy współczynnik podziału D Me, dlatego zawsze S ³ 1.

Jak w każdym procesie hydrometalurgicznym, ważnym wskaźnikiem ekstrakcji jest ilość odzyskanego metalu (lub procent ekstrakcji):

,

gdzie V 0 i V B są odpowiednio objętością fazy organicznej i roztworu wodnego. Współczynnik podziału D i stopień ekstrakcji E są wielkościami wzajemnie powiązanymi:

.

Najczęściej ekstrakcję metali z fazy wodnej do organicznej przeprowadza się na trzy sposoby:

Ekstrakcja kationowymienna - ekstrakcja metali występujących w roztworach jodu w postaci kationów kwasami organicznymi lub ich solami. Mechanizm ekstrakcji polega na wymianie wyekstrahowanego kationu na H+ lub inny kation ekstrahenta.

Ekstrakcja anionowymienna - ekstrakcja metali występujących w roztworach wodnych w postaci anionów, solami zasad organicznych. Ekstrakcja następuje w wyniku wymiany anionu zawierającego metal na anion ekstrahujący.

Ekstrakcja koordynacyjna, podczas której wyekstrahowany związek powstaje w wyniku koordynacji cząsteczki lub jonu ekstrahenta bezpośrednio z atomem (jonem) ekstrahowanego metalu, w wyniku czego metal i ekstrahent trafiają do ta sama kula wyekstrahowanego kompleksu.

Związki koordynacyjne lub złożone to te, które mają centralny atom lub jon otoczony przez określoną liczbę jonów lub cząsteczek zwanych ligandami.

Liczba wiązań chemicznych (koordynacyjnych) pomiędzy centralnym atomem lub jonem (czynnikiem kompleksującym) a ligandami nazywana jest liczbą koordynacyjną. Wiązania koordynacyjne często mają charakter donor-akceptor, tj. powstają, gdy atom donora ma samotną (wolną) parę elektronów, która wiąże się z atomem akceptora. Kiedy na przykład powstaje jon złożony (NH 4) +:

,

azot, który ma wolną parę elektronów w cząsteczce NH3, jest donorem, a jon wodorowy jest akceptorem.

Ligandy to aniony kwasów nieorganicznych, kwasów organicznych i cząsteczek obojętnych (na przykład H2O), a tworzenie jonów złożonych można przedstawić jako wypieranie cząsteczek wody otaczających (hydratujących) jon przez inny ligand. Ligandy, w zależności od liczby atomów tworzących wiązanie koordynacyjne, mogą być jednokleszczowe, dwukleszczowe itp.

Ligandy wielokleszczowe (bidentatowe i inne) tworzą kompleksy cykliczne, tzn. wyekstrahowany jon jest otoczony kilkoma cząsteczkami organicznego ekstrahenta.

Centralny atom i skoordynowane grupy (ligandy) tworzą wewnętrzną sferę koordynacyjną kompleksu - jon zespolony. Jony dodatnie lub ujemne kompensujące ładunek jonu kompleksowego tworzą zewnętrzną kulę związku kompleksowego.

Ekstrakcja kationowymienna

Ten rodzaj ekstrakcji można ogólnie opisać równaniem

gdzie Me jest metalem o wartościowości z;

R oznacza resztę kwasową kwasu organicznego. Typowymi ekstrahentami kationowymiennymi są kwasy tłuszczowe typu RCOOH (na przykład kwasy karboksylowe) o liczbie atomów węgla w rodniku R od siedmiu do dziewięciu (C 7 - C 9) oraz kwasy naftenowe:

Kwasy naftenowe otrzymuje się z ropy naftowej; ich masa cząsteczkowa waha się od 170 do 330. Często stosuje się kwasy alkilofosforowe, zwłaszcza pochodne kwasu ortofosforowego – ortofosforany alkilu. Jeśli dwa jony wodorowe w kwasie ortofosforowym (H3PO4) zastąpimy rodnikami organicznymi, otrzymamy produkty zwane ortofosforanami dialkilu, np. kwas di-(2-etyloheksylo)-fosforowy (D2EHPA).

Odmianą ekstrakcji kationowymiennej jest ekstrakcja kompleksującymi (chelatującymi) ekstrahentami jedno-, dwu- i wielokleszczowymi, takimi jak oksymy – związki zawierające grupę (=N-OH). W tym przypadku ekstrakcja następuje w wyniku wymiany jonowej i koordynacji ekstrahenta z atomem (jonem) ekstrahowanego metalu z utworzeniem związków wewnątrzkompleksowych.

Ekstrakcja anionowymienna

Ekstrahenty anionowymienne należą do klasy amin, które są pochodnymi amoniaku NH3. W zależności od liczby atomów wodoru zastąpionych w amoniaku rodnikami węglowodorowymi otrzymuje się aminy pierwszorzędowe, drugorzędowe lub trzeciorzędowe:

R oznacza rodnik węglowodorowy zawierający od 7 do 9 (czasami do 16) atomów węgla.

W aminach azot posiada wolną parę elektronów, co decyduje o zdolności tych ekstrahentów do tworzenia związków koordynacyjnych

Sole amin powstające podczas traktowania kwasem mogą na przykład zastąpić anion kwasowy anionem zawierającym metal

W środowisku zasadowym aminy można znaleźć nie w postaci soli zdolnych do wymiany anionów, ale w postaci obojętnych cząsteczek, dlatego stosuje się je tylko w środowiskach kwaśnych.

Najpopularniejszymi aminami są kolektory ANP – amina pierwszorzędowa, dilauryloamina (amina drugorzędowa) i trioktyloamina (amina trzeciorzędowa).

Oprócz ekstrakcji typu anionowymiennego, ekstrakcja aminami czasami prowadzi do wprowadzenia aminy do wewnętrznej sfery koordynacyjnej wyekstrahowanego kompleksu anonu z utworzeniem silnych wiązań metal-azot (co jest typowe np. metale platynowe). Powstałe w tym przypadku związki wewnątrzkompleksowe są bardzo mocne, w wyniku czego proces odwrotnego przeniesienia metalu z fazy organicznej do fazy wodnej – reekstrakcja – jest utrudniony.

Inną klasą ekstrahentów anionowymiennych są czwartorzędowe zasady amoniowe (QAB) i ich sole (QAB). QAO to pochodne jonu amonowego (NH 4) +:

,

gdzie R oznacza rodnik węglowodorowy.

Najczęściej stosowanymi QAC są chlorek trójalkilobenzyloamoniowy – w skrócie TABAC, chlorek trójalkilometyloamoniowy (CH 3R 3N)Cl – TAMAC, chlorek tetraalkiloamoniowy (R 4 N)Cl – TAAX. R - do n H. 2 n +1, gdzie n = 8 - 10.

QAS ekstrahuje metale tylko według rodzaju reakcji wymiany anionowej:

gdzie z jest ładunkiem anionu zawierającego metal MeX;

m jest ładunkiem anionu HOUR;

Y - anion GODZINA.

QAS są w stanie ekstrahować sole zawierające metale nie tylko z roztworów kwaśnych, ale także zasadowych.

Sole amin i QAS w niektórych przypadkach mają ograniczoną rozpuszczalność w powszechnie stosowanych rozcieńczalnikach (nafta, węglowodory). Aby poprawić rozpuszczalność, do fazy organicznej dodaje się alkohole organiczne (np. alkohol decylowy), jednak duże (ponad 10%) stężenia alkoholu zwykle utrudniają ekstrakcję ze względu na interakcję z ekstrahentem.

Główne metody ekstrakcji

Stosowane są głównie następujące metody ekstrakcji: ekstrakcja pojedyncza, ekstrakcja wielokrotna z krzyżowym i przeciwprądowym ruchem rozpuszczalnika, ciągła ekstrakcja przeciwprądowa. Ekstrakcja jednym rozpuszczalnikiem jest najczęściej stosowana w przemyśle, chociaż stosuje się również ekstrakcję dwoma ekstrahentami.

Ekstrakcja jednostopniowa. Ta metoda ekstrakcji polega na tym, że roztwór początkowy F i ekstrahent S miesza się w mieszalniku, po czym w osadniku rozdziela się je na dwie warstwy: ekstrakt E i rafinat R. Zwykle uważa się, że równowaga fazowa zachodzi ustalony w mieszalniku dzięki intensywnemu mieszaniu i wystarczającemu czasowi kontaktu, czyli jednorazowej ekstrakcji pozwala na osiągnięcie wydajności odpowiadającej teoretycznemu poziomowi zmiany stężenia. Stopień ekstrakcji tą metodą ekstrakcji można zwiększyć zwiększając dopływ ekstrahenta do aparatury, jednak będzie to prowadzić do zmniejszenia stężenia ekstraktu i wzrostu kosztów procesu.

Proces można prowadzić okresowo lub w sposób ciągły. Organizując proces okresowo, etap oddzielania ekstraktu i rafinatu można przeprowadzić w mieszalniku. W tym przypadku nie ma potrzeby stosowania studzienki.

Ekstrakcja wielokrotna z krzyżowym przepływem rozpuszczalnika. Podczas ekstrakcji tą metodą (ryc. 2) roztwór początkowy F i odpowiednie rafinaty traktuje się porcją świeżego ekstrahenta S1, S2 itp. na każdym etapie ekstrakcji składającym się z mieszalnika i osadnika (osadników nie pokazano na rys. 2), a rafinaty kierowane są sekwencyjnie do kolejnych etapów, a ekstrakty E 1, E 2 każdego etapu są usuwane z system. W tej metodzie ekstrakcji roztwór początkowy F wchodzi do pierwszego etapu, a końcowy rafinat Rn pobierany jest z ostatniego, n-tego etapu.

Ryż. 2. Schemat wielokrotnej ekstrakcji z krzyżowym przepływem rozpuszczalnika (1, 2,3, ..., n - etapy).

Metodą tą można niemal całkowicie wydobyć rozproszony składnik z roztworu wyjściowego i otrzymać czysty rafinat. Jednak w tym przypadku straty rozpuszczalnika zawartego w roztworze początkowym są nieuniknione, gdyż na każdym etapie następuje częściowe usunięcie tego rozpuszczalnika wraz z ekstraktem.

Ekstrakcje wielokrotne z przeciwprądowym ruchem rozpuszczalnika. Ta metoda ekstrakcji charakteryzuje się wielokrotnym kontaktem w etapach 1, 2 itd. z przeciwprądowymi przepływami rafinatu R i ekstraktu E (rys. 3), pod warunkiem, że roztwór początkowy F i ekstrahent S doprowadzone zostaną z przeciwległych końców instalacji. Ponieważ metoda ekstrakcji z przeciwprądowym ruchem rozpuszczalnika umożliwia otrzymanie produktów o określonej jakości przy dostatecznie dużej wydajności instalacji, ta metoda ekstrakcji jest dość szeroko stosowana w przemyśle.

Ryż. 3. Schemat wielokrotnej ekstrakcji z przeciwprądowym ruchem rozpuszczalnika (1,2, ..., n-1. n - etapy).

Ciągła ekstrakcja przeciwprądowa. Tę metodę ekstrakcji przeprowadza się w urządzeniach kolumnowych (na przykład pakowanych). Cięższy roztwór (np. roztwór pierwotny) w sposób ciągły podawany jest do górnej części kolumny (rys. 4), skąd spływa w dół.

Lekka ciecz (w naszym przypadku rozpuszczalnik) wpływa na dno kolumny, która unosi kolumnę. W wyniku kontaktu tych roztworów rozprowadzona substancja przechodzi z roztworu pierwotnego do ekstrahenta. Ta metoda ekstrakcji jest często stosowana w przemyśle.

Ekstrakcja przeciwprądowa z refluksem. Jeżeli konieczne jest pełniejsze oddzielenie roztworu początkowego, ekstrakcję można przeprowadzić pod chłodnicą zwrotną, analogicznie do procesu rektyfikacji (ryc. 5). W tym przypadku mieszanina wyjściowa F podawana jest do środkowej części aparatu (do etapu zasilania). Po regeneracji ekstraktu w regeneratorze 2, część powstałego produktu R0 zawraca się w postaci refluksu do aparatu 1, a pozostała część jest odbierana w postaci wyekstrahowanego z pierwotnego roztworu składnika B. Oczywiście skład ekstraktu rozwiązania R0 i B są takie same. Zatem węzeł 2 jednostki ekstrakcyjnej jest analogiem jednostki zwrotnej jednostki destylacyjnej.

Ryż. 5. a) (po lewej) schemat ekstrakcji przeciwprądowej z refluksem: 1 - aparat ekstrakcyjny; 2 - aparat do regeneracji ekstraktu; b) schemat ekstrakcji dwoma rozpuszczalnikami: 1 - aparat do ekstrakcji; 2 - aparat do regeneracji ekstraktu.

Strumień orosienia R0 w kontakcie ze strumieniem ekstraktu wypłukuje z niego początkowy rozpuszczalnik A, częściowo lub całkowicie w nim rozpuszczony, który ostatecznie przechodzi do rafinatu, w wyniku czego stopień oddzielenia i wydajność wzrost rafinatu.

Należy zaznaczyć, że ekstrakcja z refluksem, poprawiając separację roztworu wyjściowego, prowadzi do wzrostu zużycia ekstrahenta i objętości sprzętu, co czyni ten proces droższym. Dlatego też wyboru wielkości refluksu należy dokonać na podstawie rachunku techniczno-ekonomicznego.

Ekstrakcja dwoma rozpuszczalnikami. Jeżeli roztwór początkowy zawiera dwa lub więcej składników, które należy ekstrahować osobno lub w grupach po kilka składników, wówczas stosuje się ekstrakcję dwoma niemieszającymi się rozpuszczalnikami (ryc. 5b). Rozpuszczalniki dobiera się tak, aby każdy z nich preferencyjnie rozpuszczał jeden składnik lub grupę składników. Do środkowej części aparatu 1 wprowadzana jest mieszanina początkowa F, składająca się ze składników A i B. Ekstrahent S (cięższy od S 1), selektywnie rozpuszczający składnik A, wchodzi do górnej części aparatu 1, a ekstrahent S 1, selektywnie rozpuszczający składnik B, - w jego dolnej części.

Do oddzielania substancji o podobnej rozpuszczalności zwykle stosuje się ekstrakcję dwoma rozpuszczalnikami. Metoda ta wymaga stosunkowo dużego zużycia ekstrahentów, co znacznie zwiększa koszt procesu.

rozpuszczalnik ekstrakcyjny, kationit organiczny

Nowoczesny sprzęt ekstrakcyjny

Zgodnie z zasadą interakcji lub metodą kontaktu fazowego ekstraktory dzielą się na dwie grupy: kontakt krokowy i różnicowy. W obrębie tych grup ekstraktory często dzieli się na grawitacyjne (o szybkości przemieszczania się w nich faz decyduje różnica w gęstości tych faz) i mechaniczne (gdy do przepływów z zewnątrz dodaje się energię poprzez mieszanie mechaniczne, siłę odśrodkową, pulsator tłokowy itp.). W prawie każdym urządzeniu z wymienionych grup, w celu zwiększenia powierzchni styku faz, jedna z faz jest rozproszona na różne sposoby i rozprowadzana w drugiej, ciągłej fazie w postaci kropli. Po każdorazowym wymieszaniu faz w aparacie następuje rozdzielenie tych faz, co jest niezbędne przede wszystkim do regeneracji ekstrahenta (pod wpływem siły grawitacji lub odśrodkowej). Zauważamy również, że w przemyśle zwykle stosuje się ekstraktory ciągłe.

Ekstraktory stopniowe. Ekstraktory tej grupy składają się z dyskretnych stopni, w każdym z nich następuje kontakt fazowy, po czym następuje ich rozdzielenie i przemieszczanie się w przeciwprądzie do kolejnych stopni. Na ryc. Na rys. 6 przedstawiono schemat instalacji jednostopniowych (a) i wielostopniowych (b i c) jednego z najpowszechniejszych typów ekstraktorów stopniowych – mieszania i osadzania.

Ryż. 6. Schematy jednostopniowych (a) i wielostopniowych (b, c) instalacji ekstraktorów mieszających i osadzających: 1 - mieszalniki; 2 - osadnik; 3 - pompy.

Do zalet ekstraktorów mieszająco-osadzających można zaliczyć wysoką wydajność (wydajność każdego stopnia może zbliżyć się do jednego teoretycznego stopnia separacji), możliwość szybkiej zmiany liczby stopni, przydatność do pracy w szerokim zakresie zmian właściwości fizycznych i objętościowych stosunków faz , stosunkowo łatwe skalowanie itp. Wady Ekstraktory te charakteryzują się dużą powierzchnią produkcyjną, obecnością mieszadeł z indywidualnymi napędami oraz dużą objętością osadników grawitacyjnych.

Ekstraktory mieszająco-osadowe o dużej wydajności (do 1500 m 3 /h) znajdują zastosowanie w hydrometalurgii, technologii uranu i różnych innych gałęziach przemysłu wielkotonażowego.

Ekstraktory styków różnicowych. Ekstraktory tej grupy wyróżniają się ciągłym kontaktem faz oraz płynną zmianą stężenia na wysokości aparatu. W takich ekstraktorach (w przeciwieństwie do ekstraktorów schodkowych) nie osiąga się równowagi pomiędzy fazami w przekroju poprzecznym aparatu. Ekstraktory różnicowo-kontaktowe są bardziej kompaktowe niż ekstraktory schodkowe i zajmują mniejszą powierzchnię produkcyjną.

W ekstraktorach grawitacyjnych ruch faz następuje na skutek różnicy ich gęstości. Ekstraktory grawitacyjne obejmują kolumny natryskowe, z wypełnieniem i tace.

Ryż. 7. Ekstraktory z kolumnami pustymi (rozpylającymi): a - z natryskiwaniem fazy ciężkiej; b - z natryskiem fazy lekkiej; 1 - ekstraktory; 2 - zraszacze; 3 - uszczelki wodne; Interfejs 4-fazowy.

Najprostszymi przedstawicielami ekstraktorów grawitacyjnych w konstrukcji są kolumny natryskowe (ryc. 7). Ważną zaletą ekstraktorów natryskowych jest możliwość przetwarzania w nich zanieczyszczonych cieczy. Czasami urządzenia te służą do ekstrakcji z miąższu.

Ekstraktory z wypełnieniem (rys. 8), które swoją konstrukcją przypominają absorbery z wypełnieniem, stały się dość powszechne w przemyśle.

Ryż. 8. Ekstraktor nasadki: 1 - dysza; 2 - dystrybutor; 3 - osadniki; 4 - uszczelnienie wodne; Interfejs 5-fazowy.

Pierścienie Raschiga są często używane jako dysza 1, a także inne typy dysz. Szczeliwo umieszcza się na siatkach wsporczych w sekcjach, pomiędzy którymi następuje wymieszanie faz. Jedną z faz (ekstrahent na rys. 8) dysperguje się za pomocą urządzenia rozprowadzającego 2 w przepływie fazy ciągłej (roztwór początkowy). W warstwie upakowania kropelki mogą wielokrotnie łączyć się, a następnie rozpadać, co zwiększa efektywność procesu. Wybór materiału dyszy jest bardzo ważny. Najlepiej, aby był zwilżany fazą ciągłą, gdyż eliminuje to możliwość niepożądanej koalescencji kropelek i tworzenia się filmu na powierzchni dyszy, co prowadzi do gwałtownego zmniejszenia powierzchni styku faz. Należy pamiętać, że dysze ceramiczne i porcelanowe są lepiej zwilżane przez fazę wodną niż przez fazę organiczną, natomiast dysze plastikowe są zwykle lepiej zwilżane przez fazę organiczną. Rozdzielenie faz w kolumnach z wypełnieniem następuje w strefach osadzania 3, często mających większą średnicę niż średnica ekstraktora, co zapewnia lepsze rozdzielenie faz.

Do ekstraktorów mechanicznych zalicza się ekstraktory różnicowo-kontaktowe z doprowadzeniem energii zewnętrznej do faz stykowych.

Jednym z najpowszechniejszych w technologii ekstraktorów mechanicznych jest ekstraktor dyskowy obrotowy. Ekstraktory obrotowe różnią się przede wszystkim konstrukcją urządzeń mieszających. Zamiast więc gładkich dysków stosuje się różnego rodzaju mieszalniki, czasami sekcje są wypełnione dyszą itp. Do głównych zalet ekstraktorów obrotowych można zaliczyć wysoką wydajność przenoszenia masy, małą wrażliwość na zanieczyszczenia stałe w fazach, możliwość tworzenia urządzeń o dużej mocy jednostkowej itp.

Jednocześnie ekstraktory obrotowe mają poważną wadę - tzw. efekt skali, tj. znaczny wzrost EEP wraz ze wzrostem średnicy aparatu. Przyczyną tego zjawiska jest nierównomierność pola prędkości na wysokości i przekroju aparatu, powstawanie stref zastoju, omijanie, które przyczyniają się do zwiększonego mieszania wzdłużnego i zakłócenia jednolitej struktury przepływów w aparacie.

Efektywność procesu przenoszenia masy podczas ekstrakcji można zwiększyć poprzez pulsację faz. Ekstraktory pulsacyjne wykorzystują dwie główne metody nadawania pulsacji cieczom. Według pierwszej metody pulsacje w ekstraktorze kolumnowym generowane są hydraulicznie przez mechanizm zewnętrzny (pulsator), według drugiej poprzez drgania płyt perforowanych osadzonych na wspólnym pręcie, który poddawany jest ruchowi posuwisto-zwrotnemu.

Zastosowanie pulsacji w procesie ekstrakcji sprzyja lepszemu rozproszeniu cieczy, intensywnej odnowie powierzchni styku faz oraz wydłużeniu czasu przebywania zdyspergowanej cieczy w ekstraktorze. W technologii najpowszechniej stosowane są ekstraktory płytowe i pulsacyjne z wypełnieniem.

Ekstraktor pulsacyjny (rys. 9.) jest kolumną z półkami sitowymi bez odgałęzień dla przepływu fazy ciągłej. W kolumnie za pomocą specjalnego mechanizmu (pulsatora) do cieczy przenoszone są pulsacje - drgania o małej amplitudzie (10-25 mm) i określonej częstotliwości. Jako pulsator najczęściej stosuje się bezzaworową pompę tłokową, połączoną z dnem kolumny (ryc. 9, a) lub z przewodem doprowadzającym lekką ciecz (ryc. 9, b). Kiedy cieczy nadawane są pulsacje, następuje powtarzające się drobne rozproszenie jednej z faz, co powoduje intensywne przenoszenie masy. Oprócz ekstraktorów sitowych stosowane są również kolumny pulsacyjne z wypełnieniem.

Skuteczną metodę intensyfikacji procesu ekstrakcji poprzez nadanie cieczy pulsacji można zastosować także w innych typach aparatów ekstrakcyjnych.

Aby niezawodnie oddzielić mechanizm pulsatora od środowiska pracy podczas przetwarzania substancji agresywnych chemicznie i radioaktywnych, stosuje się membranę (ryc. 9, c), mieszek (ryc. 9, d) lub urządzenie pneumatyczne (ryc. 9, e) . W tym drugim przypadku pomiędzy tłokiem pulsatora a kolumną umieszczona jest buforowa warstwa powietrza, która na przemian rozszerza się i kurczy, powodując wibracje cieczy w kolumnie.

Ryż. 9. Ekstraktory sitowe pulsacyjne (A - faza ciężka, B - faza lekka): a - pulsator mocowany jest do dna kolumny; b - pulsator jest podłączony do rurociągu dostarczającego lekką ciecz; c - pulsacje przenoszone są przez membranę; d - pulsacje przenoszone są przez mieszek; e - pulsacje przenoszone są przez buforową warstwę powietrza (poduszkę powietrzną).

Ekstraktory pulsacyjne charakteryzują się dużą wydajnością, pozwalają na ekstrakcję bez kontaktu personelu obsługującego z przetwarzanymi cieczami, co jest bardzo istotne w przypadku cieczy radioaktywnych lub toksycznych.

W praktyce światowej stosuje się kolumny pulsacyjne sitowe o średnicy do 3 m oraz kolumny z wypełnieniem o średnicy do 2 m.

Wadami kolumn pulsacyjnych są duże obciążenia dynamiczne fundamentu, zwiększone koszty eksploatacji oraz trudność w przetwarzaniu układów łatwo emulgujących.

Część obliczeniowa

Zadanie 1. Obliczenie wymaganego zużycia ekstrahenta w działającym w sposób ciągły ekstraktorze przeciwprądowym typu „mieszalnik-odstojnik”.

Określić: objętościowe (V E, m 3 /s) i masowe (G, kg/s) zużycie ekstrahenta.

Tworzymy równanie bilansu materiału ekstrakcyjnego:

Oznaczanie objętościowego natężenia przepływu ekstrahenta:

3. Oznaczanie przepływu masowego ekstrahenta:

Zadanie 2. Obliczenie wymaganej liczby etapów ekstrakcji przy ekstrakcji molibdenu z roztworu 0,3 M roztworu D2EHPA.

5. Obliczenie wymaganej teoretycznej liczby etapów ekstrakcji:

Wynik zaokrągla się w górę do liczb całkowitych.

(kroki)

Zadanie 3. Obliczenie efektywności procesu ekstrakcji soli Me (w ekstraktorze typu „mieszacz-odstojnik”).

Objętościowe natężenie przepływu ekstrahenta
Średnica 6-łopatkowego mieszalnika turbinowego
Prędkość obrotowa mieszalnika
Lepkość roztworu wodnego
Lepkość ekstrahenta
Napięcie międzyfazowe
Współczynnik dystrybucji
Objętość ekstraktu
Opóźnienie ekstrahenta w ekstraktorze
Funkcja mocy mieszadła
Gęstość ekstrakcji
Gęstość roztworu wodnego

Określ: wydajność ekstrakcji.

Oznaczanie gęstości mieszaniny:

Obliczanie średnicy kropli:

M

Obliczanie średniego czasu trwania kontaktu fazowego:

Z

Obliczanie wydajności ekstrakcji:

Czyszczenie kanalizacji

Przykładem ekstrakcyjnego oczyszczania ścieków jest oczyszczanie fenoli w przemyśle koksowniczym, łupkowym i przetwórstwie węgla; z aniliny; z kwasu octowego; z epichlorohydryny w przemyśle chemicznym za pomocą rozpuszczalników organicznych (benzen, etery i estry).

Do ekstrakcji ścieków fenolowych jako ekstrahenty stosuje się octan butylu, eter diizopropylowy, benzen itp. Aby zwiększyć efektywność ekstrakcji fenolem, proponuje się stosowanie rozpuszczalników mieszanych: octanu butylu zmieszanego z alkoholem butylowym, eterem diizopropylowym itp. Najczęściej stosuje się octan butylu lub mieszaninę octanu butylu z octanem izobutylu (fenosolwanem), które mają wysoką zdolność ekstrakcyjną w stosunku do fenoli.

Instalacje do ekstrakcyjnego oczyszczania ścieków z fenoli składają się z czterech sekcji: 1) przygotowania ścieków fenolowych do ekstrakcji – separacja żywic poprzez osadzanie i filtrację, schładzanie ścieków, wychwytywanie par rozpuszczalników i w razie potrzeby karbonizację; 2) ekstrakcja; 3) regeneracja ekstrahenta z wody; 4) regeneracja rozpuszczalników z ekstraktu i produkcja fenoli handlowych.

Do ekstrakcyjnego oczyszczania ścieków z koksowni można stosować różne rozpuszczalniki (benzen, estry, olej absorpcyjny itp.), jednak najpowszechniej stosowany jest benzen otrzymywany z koksowania węgla. Ze względu na to, że współczynnik podziału benzenu w stosunku do fenolu jest niewielki (około 2,2 w temperaturze 20°C), stosuje się znaczne ilości benzenu, a stężenie fenoli w ekstrakcie jest niskie. Dlatego do regeneracji benzenu nie stosuje się metod destylacyjnych, lecz absorpcyjnych wodnym roztworem zasady (metoda benzenowo-fenolanowa).

Metoda oczyszczania benzenu-fenolanu obejmuje następujące etapy: 1) odsmolanie wody poprzez osadzanie, filtrowanie i przemywanie krążącym benzenem; 2) ekstrakcja fenoli ze ścieków benzenem; 3) oczyszczanie benzenu z rozpuszczalnych w nim kwaśnych gazów poprzez przemywanie zasadowym roztworem fenolanu; 4) ekstrakcja fenoli z benzenu roztworem alkalicznym; 5) oddzielanie rozpuszczonego benzenu od ścieków odfenolizowanych. Powstałe roztwory fenolanów po wstępnym odparowaniu przesyła się do przetworzenia.

Niektóre koksownie stosują jako ekstrahenty octan butylu, fenosolwan, olej węglowy itp.

Metody ekstrakcji do defenolizacji ścieków mają ogromne zalety: wysoką wydajność oczyszczania, zdolność do ekstrakcji nielotnych fenoli itp.

Wniosek

Główną zaletą procesu ekstrakcji w porównaniu do innych procesów rozdzielania mieszanin ciekłych (destylacja, odparowanie itp.) jest niska temperatura procesu, który najczęściej realizowany jest w normalnej (pokojowej) temperaturze. W takim przypadku nie ma potrzeby wydatkowania ciepła w celu odparowania roztworu. Jednocześnie zastosowanie dodatkowego składnika – ekstrahenta – i konieczność jego regeneracji powoduje pewne komplikacje aparatury i wzrost kosztów procesu ekstrakcji.

Przy ekstrakcji substancji lotnych ekstrakcja może z powodzeniem konkurować z rektyfikacją w przypadkach, gdy separacja poprzez rektyfikację jest albo trudna, a czasem praktycznie niemożliwa (rozdzielanie mieszanin składających się ze składników łatwo wrzących i mieszanin azeotropowych) lub wiąże się ze zbyt wysokimi kosztami (ekstrakcja szkodliwych zanieczyszczeń lub wartościowe substancje z silnie rozcieńczonych roztworów).

Ekstrakcja jest niezbędna do rozdzielania mieszanin substancji wrażliwych na działanie podwyższonych temperatur, np. antybiotyków, które przy rozdzielaniu przez rektyfikację lub odparowanie mogą ulec rozkładowi. Zastosowanie ekstrakcji często może skutecznie zastąpić procesy takie jak oddzielanie substancji wysokowrzących przy użyciu wysokiej próżni, np. destylacja molekularna, czy rozdzielanie mieszanin metodą krystalizacji frakcyjnej.

Bardzo obiecujące jest zastosowanie ekstrakcji do rozdzielania mieszanin substancji nieorganicznych, gdy nie można zastosować innych metod rozdzielania. Procesy ekstrakcji płynnej są obecnie z powodzeniem stosowane do przetwarzania paliwa jądrowego, otrzymywania cyrkonu i hafnu oraz wielu innych metali rzadkich. Za pomocą ekstrakcji można uzyskać metale nieżelazne i szlachetne o wysokiej czystości.

W niektórych przypadkach znaczący efekt uzyskuje się łącząc ekstrakcję z innymi procesami separacji. Przykładami takich połączonych procesów są: rozdzielanie mieszanin niskowrzących i azeotropowych za pomocą rektyfikacji ekstrakcyjnej, wstępne zatężanie rozcieńczonych roztworów poprzez ekstrakcję przed odparowaniem i rektyfikacja, które przeprowadza się przy mniejszym zużyciu ciepła.

Bibliografia

1. Einstein V.G. Ogólny przebieg procesów i aparatury technologii chemicznej. - M.: Chemia, 2002 - 1758 s.

Dytnersky Yu.I. Procesy i aparatura technologii chemicznej. Część 2. - M.: Chemia, 2002 - 368 stron.

Zyulkovsky Z. Ekstrakcja cieczowa w przemyśle chemicznym. - L.; Państwowe Wydawnictwo Chemiczne, 1963 - 479 s.

Karpacheva S.M., Zacharow E.I. Ekstraktory pulsacyjne. - M.: Atomizdat, 1964 - 299 stron.

Kasatkin A.G. Podstawowe procesy i aparatura technologii chemicznej. - M.: Chemia, 1973 - 750 s.

Leonow S.B. Hydrometalurgia. Część 2. Izolacja metali z roztworów i zagadnień środowiskowych. - 2000 - 491 stron.

M.A. Meretukov Procesy ekstrakcji cieczy i sorpcji jonowymiennej w metalurgii metali nieżelaznych. - M.: Metalurgia, 1978 - 120 stron.

Planovsky A.N., Ramm V.M. Procesy i aparatura technologii chemicznej. - M., Wydawnictwo Chemia, 1966 - 848 s.

Proskuryakov V.A. Shmidt L.I. Oczyszczanie ścieków w przemyśle chemicznym. - L. Chemia, 1977 - 464 strony.

Yagodin G.A., Kagan S.Z. Podstawy ekstrakcji ciecz-ciecz. - M.: Chemia, 1981 - 400 stron.

Cel pracy: Nabycie umiejętności obliczania procesów i aparatury do ekstrakcyjnego oczyszczania ścieków.

Część wprowadzająca.

Ekstrakcja to selektywna ekstrakcja składnika z cieczy (rafinowanego cukru) przy użyciu ciekłego rozpuszczalnika (ekstrahenta). Faza wzbogacona w substancję zanieczyszczającą nazywana jest ekstrahentem – przed kontaktem i ekstraktem – po kontakcie.

Jednym z warunków procesu ekstrakcji jest wzajemna nierozpuszczalność i wystarczająca różnica w gęstości faz (cukier rafinowany i ekstrahent).

Ekstrakcja cieczowa składa się z szeregu operacji technologicznych:

Kontaktowanie oczyszczanej cieczy z ekstrahentem;

Przeniesienie komponentu z jednej fazy do drugiej;

Separacja faz;

Regeneracja ekstrakcyjna.

Ekstraktory mogą być poziome i pionowe, ciągłe i okresowe, jednostopniowe i wielostopniowe, krzyżowe i przeciwprądowe, z doprowadzeniem energii mechanicznej (dla kontaktu fazowego) i bez doprowadzenia energii mechanicznej itp.

Najprostszym typem ekstraktora jest pionowa kolumna natryskowa z ciągłym kontaktem fazowym (rysunek 2.1). Ścieki wprowadzane są od góry do wydrążonej pionowej, cylindrycznej kolumny, a od dołu za pomocą środka dyspergującego (w postaci kropli) rozpylany jest ekstrahent o gęstości mniejszej niż gęstość wody. Przeciwprądowy ruch faz zapewnia grawitacja, tj. różnica gęstości fazowej (siła napędowa). Powstałe kropelki przechodzą przez obszar pracy, ekstrahują zanieczyszczenia i gromadzą się w górnym osadniku.

Usunięcie fazy lekkiej z górnej strefy osadzania nie nastręcza żadnych trudności, nadmiar cieczy odprowadzany jest rurą. Usunięcie fazy ciężkiej wymaga specjalnej regulacji, w przeciwnym razie cała ciecz może wylać się z dna. Najprostszym urządzeniem jest naczynie florenckie, którego zasada działania opiera się na równoważeniu kolumn cieczy (naczyń komunikacyjnych) odprowadzanych przepływami faz lekkich i ciężkich

Wymagania dotyczące ekstrahenta:

Minimalna wzajemna rozpuszczalność z cukrem rafinowanym;

Wysoka selektywność;

Wysoki współczynnik dystrybucji i duża pojemność;

Wystarczająca różnica w gęstości w porównaniu z cukrem rafinowanym;

Dostępność, niski koszt, łatwość regeneracji;

Nietoksyczny, przeciwwybuchowy, minimalne działanie korozyjne.

Ekstrakcja jest skuteczna, gdy w ściekach przemysłowych występuje duża zawartość rozpuszczonych substancji organicznych o wartości technicznej. Najczęściej stosowany jest do oczyszczania ścieków z przedsiębiorstw zajmujących się termiczną obróbką paliw stałych (węgiel, łupki, torf) zawierających znaczną ilość fenoli.

Metoda obliczeniowa

1. Współczynnik ekstrakcji:

gdzie Cin i Cout to wejściowe i wymagane wyjściowe (MPC) stężenia substancji zanieczyszczającej w ściekach.

2. Objętościowe natężenie przepływu ekstrahenta:

, m 3 / h, (2,2)

gdzie Q SW to natężenie przepływu ścieków, m 3 /h;

m - współczynnik podziału.

3. Stężenie wyekstrahowanej substancji w ekstrakcie (z oryginalnym czystym ekstrahentem):

, mg/l. (2.3)

4. Wymagany stopień ekstrakcji:

. (2.4)

5. Przekrój aparatu:

, m 2 , (2,5)

gdzie w jest prędkością przepływu, m/s. W obliczeniach w=0,02 m/s.

6. Średnica kolumny:

, m. (2,6)

7. Wysokość kolumny: H=(5-7)D, m. (2,7)

8. Wysokość wylotu TF (z równania naczyń połączonych):

, m, (2,8)

Gdzie I – gęstość LF i TF (wody), =1000 kg/m3;

I – wysokości LF i TF (rysunek 2.1). Akceptując to
, możesz ustawić Lub (Na przykład, =H/7) i obliczyć wysokość wyjścia TF.

Tabela 2.1 – Dane wyjściowe (opcje).