лекція 16

Екстракція

16.1. ЕКСТРАКЦІЯ В СИСТЕМІ РІДИНА - РІДИНА

16.1.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Екстракцією у системі рідина - Рідинаназивають процес вилучення розчиненої речовини або речовин з рідини за допомогою спеціальної іншої рідини, що не розчиняється або майже не розчиняється в першій, але розчиняє компоненти, що екстрагуються.

Принципова схема екстракції наведено на рис. 16.1.1.

Антибіотик" антибіотиків, що розкладаються при підвищених температурах.

У багатьох випадках екстракцію застосовують у поєднанні з ректифікацією. Оскільки витрати теплоти на ректифікацію зменшується зі збільшенням концентрації вихідного розчину, попереднє концентрування розчину екстракцією дозволяє скоротити витрату теплоти на поділ вихідної суміші.

16.1.2. РІВНОВАГУ В СИСТЕМІ РІДИНА-РІДИНА

Перехід речовини, що розподіляється, з однієї рідкої фази (вихідного розчину) в іншу (екстрагент) відбувається до встановлення рівноваги, тобто до вирівнювання хімічних потенціалів у фазах. У процесі беруть участь три компоненти (К=3) та дві фази (Ф=2). Відповідно до правила фаз варіантність системи F=3 . Проте температура і тиск під час проведення процесу екстракції, зазвичай, підтримуються постійними. Тоді варіантність екстракційної системи дорівнюватиме одиниці.

Отже, даної концентрації речовини, що розподіляється, в одній фазі в стані рівноваги відповідає певна концентрація в іншій.

Рівнавага в процесах екстракції характеризує коефіцієнт розподілу φ, який дорівнює відношенню рівноважних концентрацій речовини, що екстрагується, в обох рідких фазах - в екстракті і рафінаті.

У найпростіших системах досить розведених розчинів, що підкоряються закону Бертло - Нернста, при постійній температурі коефіцієнт розподілу не залежить від концентрації речовини, що розподіляється, і φ= ур/г,де ур, х- рівноважні концентрації розподіленої речовини в екстракті та рафінаті. У цьому випадку лінія рівноваги – пряма:

DIV_ADBLOCK7">

Коефіцієнт розподілу, зазвичай, у промислових системах визначається експериментальним шляхом.

Якщо вважати обидві рідкі фази нерозчинними одна в одній, то кожна фаза буде двокомпонентний розчин. В цьому випадку процес екстракції за аналогією з іншими масообмінними процесами може бути зображений в координатах y- x.

При частковій взаємній розчинності рідких фаз кожна з них при екстракції буде трикомпонентним розчином. Склади трьохкомпонентних сумішей подають у трикутній системі координат (Рис. 16.1.2).

DIV_ADBLOCK8">

При вилученні речовини, що розподіляється Міз суміші Nі точки, що відповідають одержуваним складам, лежатимуть на прямій РМ,і чим більше буде розведений розчин, тим ближче до сторони трикутника LE.

Баланс матеріал" href="/text/category/balans_materialmznij/" rel="bookmark">матеріальний баланс

R+Е=N,

де: R, Е, N- Маса відповідно рафінату, екстракту, вихідної суміші, кг.

За правилами важеля маємо

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

Мал. 16.1.4. Лінія рівноваги у трикутній діаграмі

Склади однорідних двокомпонентних розчинів Мі Lі Мі Ехарактеризуються точками на сторонах діаграми LMі ЇМ.Розчинники Lі Еутворюють однорідні розчини лише на невеликих ділянках LRі ЇЇ.Суміш розчинників на ділянці RЕрозшаровується на два однорідні двокомпонентні насичені розчини R(Насичений розчин Ев L) і Е(Насичений розчин Lв Е).Причому кількість насичених розчинів у кожному з двох шарів визначається положенням точки Nі знаходиться за правилом важеля [(див. Рівняння (16.1.2)].

При додаванні речовини Му суміш складу Nутворюється потрійна суміш складу, що характеризується точкою N1 що лежить на прямій NM. Суміш складу https://pandia.ru/text/78/416/images/image009_88.gif" width="92" при подальшому додаванні в суміш речовини, що розподіляється M2 , M3 , … отримаємо потрійні суміші складів N2 , N3 ..., які також розшаровуються на фази з рівноважними складами R2 та Е2, R3 та Е3і т. д. При цьому змінюються і масові співвідношення рівноважних витрат до того моменту, коли одна з фаз зникне в даному випадку при складі N4. Після цього при додаванні речовини, що розподіляється Мутворюються однорідні потрійні розчини складу N5 та ін. Якщо з'єднати R 1 та Е1, R2 та Е2… прямими лініями, отримаємо хорди рівноваги R1 Е1,R2 Е2,..., що відповідають рівноважним складам. Хорди рівноваги сходяться в точці До,званої критичної. Нахил хорди рівноваги визначається природою компонентів та складом фаз. Поєднавши точки, що характеризують рівноважні склади R, R1 R2 , ... та Е, Е1 Е2, ..., плавною кривою, отримаємо криву рівноваги (бінодальну криву). Гілка RKкривою рівноваги характеризує рівноважні склади фази розчинника L, а гілка ЕК- рівноважні склади фази розчинника е.

Бінодальна крива на трикутній діаграмі розмежовує області, що відповідають двофазним сумішам (під бінодальною кривою) та однофазним розчинам (поза бінодальною кривою).

Наведена на рис. 16.1.4 діаграма рівноваги складена для постійної температури та називається ізотермою.

На практиці доводиться мати справу з компонентами, що мають часткову розчинність у певних інтервалах концентрацій. Відповідно до поведінки компонентів трикутні діаграми бувають з двома і трьома зонами обмеженої розчинності.

На рівновагу системи також впливає температура. Взаємна розчинність компонентів, як правило, з підвищенням температури збільшується, отже область існування гетерогенних систем зменшується. Зі збільшенням температури бінодальна крива на рис. 16.1.4 наближатися до осі LE, при цьому площа під лінією RKЕбуде зменшуватись.

16.1.3. МАСОПЕРЕДАЧА ПРИ ЕКСТРАКЦІЇ

Кінетичні закономірності процесу екстракції визначаються основними законами масопередачі.

Для збільшення площі поверхні фазового контакту одну з фаз диспергують у вигляді крапель в іншій суцільній фазі. Площа поверхні фазового контакту визначається затримкою дисперсної фази в екстракторі та середнім поверхнево-об'ємним діаметром крапель. Речовина, що розподіляється, дифундує з суцільної фази до поверхні крапель, а потім усередину краплі або, навпаки, з краплі через поверхню розділу фаз в суцільну фазу.

Масопередача всередині крапель здійснюється молекулярною та конвективною дифузією. Конвекція усередині крапель виникає за рахунок циркуляції рідини. Форма та розмір крапель у процесі екстракції багаторазово змінюються за рахунок диспергування та коалесценції. При цьому відбувається оновлення міжфазного контакту.

Для опису масопередачі процесах екстракції користуються другим законом Фіка.

У загальному випадку, коли дифузійним опором у суцільній та дисперсній фазах знехтувати не можна, коефіцієнт масопередачі визначається виразами.

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">. Тоді основне рівняння масопередачі перепишеться так:

У разі, якщо основний дифузійний опір зосереджено в дисперсній фазі, тобто width = "113".

Коефіцієнти масовіддачі у фазах розраховують за критеріальними рівняннями, які отримують на підставі експериментальних даних. Критеріальні рівняння наводяться нижче в описах конструкцій екстракторів.

Середню рушійну силу розраховують з урахуванням фактора масштабного переходу із введенням у розрахункові рівняння його значення.

16.1.4. СХЕМИ І РОЗРАХУНОК ПРОЦЕСІВ ЕКСТРАКЦІЇ

У промисловості використовують періодичну або безперервну екстракцію за такими схемами: одноступінчастою, багатоступінчастою протиточною та багатоступінчастою з перехресним струмом екстрагента.

Одноступінчаста екстракціязастосовується у випадках, коли високий коефіцієнт поділу. Вона може здійснюватися періодичним та безперервним способами за схемою, наведеною на рис. 16.1.5,а. В апарат - змішувач завантажують вихідний розчин Fв кількості Lкг розчинника концентрацією Хнта екстрагент Е,які перемішуються мішалкою, а потім поділяються на два шари: екстракт Ета рафінат R.

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

Вважаючи, що у=φxта модуль екстракції m= E/ L, отримаємо концентрації рафінату

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

При цьому ступінь вилучення

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

Розглянемо процес одноступінчастої екстракції на трикутній та прямокутній діаграмах (рис. 16.1.5, б, в). При перемішуванні вихідного розчину з екстрагентом утворюється потрійна суміш, склад якої характеризує крапка N, розташована на лінії змішування FE. Після розшаровування цієї суміші утворюються екстракт та рафінат, склади яких визначаються крапками. Rі Ележачи на хорді рівноваги, що проходить через точку N. Модуль екстрагента визначається за правилом важеля: E/ F= FN/(EN)

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

Склад рафінату визначає точка RK, а екстракту - точка Ек на стороні трикутника LM.

Екстремальні значення модулів екстрагента визначають точки N1 і N2 на бінодальній кривій: і .

При взаємній нерозчинності вихідного розчину та екстрагента на діаграмі у-хпроцес екстракції зображується прямою лінією АВ, для побудови якої з точки хнпроводять лінію під кутом DIV_ADBLOCK13">

Модуль екстрагента для отримання рафінату із заданою концентрацією хк

Чим більший модуль екстрагента, тим менше тангенс кута нахилу та концентрації екстрагованого компонента в рафінаті та екстракті : та . Однак із збільшенням модуля екстрагента зростає вартість його регенерації. Оптимальними значеннями екстракційного фактора є 1,2< mφ <2.

Багатоступінчаста екстракціяпроводиться у багатосекційних екстракторах або екстракційних установках, у яких кожен агрегат представляє самостійну установку. Багатоступінчаста екстракція може проводитися з протитечією екстрагента, при перехресному струмі вихідного розчину та екстрагента або комбінованим способом за наявності кількох екстрагентів.

Протиточна екстракція може здійснюватися за різними схемами. Наприклад, у розпилювальних, насадкових і тарілчастих екстракторах склад обох фаз змінюється безперервно по довжині апарату, В інших екстракторах або установках склад обох або однієї фази змінюється стрибкоподібно при переході від секції до секції.

У багатосекційних протиточних установках (рис. 16.1.6 а) вихідний розчин Fта екстрагент Енадходять із протилежних кінців установки. Екстракт з концентрацією екстрагованого компонента, близька до насичення, взаємодіє в першому ступені з вихідним розчином Fконцентрацією хн.Після поділу потрійної суміші в першому ступені отримують екстракт концентрацією = yдота рафінат концентрацією x1 . Рафінат складу х1у другому ступені взаємодіє з екстрактом складу Е3. Після поділу одержують рафінат складу R2 та екстракт складу Е2.В останньому n-му ступені збіднений екстрагованим компонентом рафінат Rn-1 концентрацією взаємодіє зі свіжим екстрагентом Еконцентрацією DIV_ADBLOCK14">

Зобразимо процес багатоступінчастої протиточної екстракції у діаграмі у- х(рис. 16.1.6, б). Для цього складемо рівняння робочої лінії процесу.

Матеріальний баланс для всієї установки по компоненту, що екстрагується, нехтуючи взаємною розчинністю розчину і екстрагента, запишемо в концентраціях, віднесених до 1 кг екстрагента:

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=">

яке є рівнянням прямої з тангенсом кута нахилу

https://pandia.ru/text/78/416/images/image047_21.gif" width="57" height="24"> і до точки.

Положення кінетичної лінії визначається коефіцієнтом вилучення та гідродинамічної обстановкою в апараті.

Процес на трикутній діаграмі подано на рис. 16.1.6 в.

У першій секції екстракційної установки на ходу вихідного розчину останньої Fвзаємодіє з екстрактом з попереднього другого ступеня Е2з утворенням потрійної суміші крапки N1 , після поділу якої у сепараторі отримують екстракт Е1та рафінат Rlу випадку нерівноважного складу.

У другому ступені рафінат Rlвзаємодіє з екстрактом з третього ступеня Е3, утворюючи потрійну суміш N2 , яка поділяється на R2 та Е2.

З'єднавши дві точки, що відповідають складам фаз на вході та виході з кожної секції, лініями FЕ1,RЕ2,R2 Е3і т. д. і продовживши їх, отримаємо точку перетину Р.

Аналогічні процеси відбуваються й у інших секціях екстрактора. В результаті вихідний розчин збіднюється компонентом, що екстрагується, і виходить з останньої п-йсекції концентрацією хк,а екстрагент насичується компонентом до кінцевої концентрації ук.

Екстракція з перехресним потоком екстрагента може здійснюватися у кількох секціях безперервно (рис. 16.1.7) ,а)або в одній секції періодично (рис. 16.1.7 б).

При безперервному проведенні процесу вихідний розчин Fвводиться в першу секцію, в якій обробляється екстрагентом Е,після поділу отримують рафінат R1 та екстракт . Рафінат R1 вводиться в другу секцію, в якій знову обробляється свіжим екстрагентом е.Екстракти Е1і Е2виводяться з установки, а рафінат складу R2 надходить у наступну секцію, де знову процес повторюється. В результаті одержують рафінат заданого складу Rnта екстракт змінного складу Е1, Е2,..., Еп.

DIV_ADBLOCK16">

https://pandia.ru/text/78/416/images/image035_26.gif" width="16" height="15 src=">, тангенс якого визначається екстракційним модулем.

Багатоступінчаста протиточна екстракція є ефективнішим процесом, ніж екстракція в перехресному струмі. При протиточній екстракції досягається вища середня рушійна сила процесу, За рахунок вирівнювання рушійної сили на початку і в кінці установки відбувається більш повне вилучення компонента з розчину, при цьому знижується екстракційний модуль порівняно з екстракцією в перехресному струмі, однак збільшується необхідне число ступенів контакту для досягнення однакового ступеня очищення.

16.1.5. КОНСТРУКЦІЇ І РОЗРАХУНОК ЕКСТРАКТОРІВ

Ефективність масопередачі у процесах екстракції пропорційна площі масообмінної поверхні та середній рушійній силі процесу. З метою збільшення площі масообмінної поверхні в екстракторах одна з рідких фаз диспергується та розподіляється в іншій у вигляді крапель. Процес масопередачі протікає між дисперсійною та суцільною фазами. Для проведення процесу з найбільшою рушійною силою в екстракторах організують взаємодію потоків в умовах, що наближаються до ідеального витіснення. Це досягається проведенням процесу в тонкому шарі насадкових, відцентрових екстракторах, шляхом секціонування екстракторів або використання багатоступінчастих секційних екстракційних установок.

Екстрактори за принципом організації процесу бувають безперервної та періодичної дії.

Залежно від способу контакту фаз екстрактори можна розділити на три групи: ступінчасті, або секційні, диференційно-контактні та змішувально-відстійні.

Ступінчасті (секційні) екстракторискладаються з окремих секцій, у яких зміна концентрації у фазах відбувається стрибкоподібно. У ряді випадків кожна секція наближається полем концентрацій до апарату ідеального змішування. Екстрактор, що складається з кількох таких секцій, по полю концентрацій наближається до ідеального витіснення апарату.

Необхідність поділу фаз після кожної секції екстракції у разі погано поділюваних емульсій може призводити до значного збільшення розмірів екстрактора.

Диференціально-контактні екстракторизабезпечують безперервний контакт між фазами і плавна безперервна зміна концентрацій у фазах. За рахунок поздовжнього перемішування фаз таких апаратах може мати місце значне зниження середньої рушійної сили в порівнянні з апаратами ідеального витіснення.

Для диспергування рідкої фази потрібні витрати енергії. Залежно від виду енергії, що витрачається, екстрактори можуть бути без підведення зовнішньої енергії і з підведенням її. Зовнішня енергія у взаємодіючі фази може вводитися пристроями, що перемішують, вібраторами і пульсаторами, наприклад у вібропульсаційних екстракторах, у вигляді відцентрової сили в відцентрових екстракторах, кінетичної енергії струменя в інжекторних і ежекторних екстракторах.

Змішувально-відстійні екстракторискладаються з декількох ступенів, кожна з яких включає змішувач та роздільник. У змішувачі за рахунок підведення зовнішньої енергії відбувається диспергування однієї з рідких фаз з утворенням дисперсійної фази, яка розподіляється в іншій - суцільній фазі. Дисперсною фазою може бути як легка, і важка фаза.

У роздільнику, який є відстійником, а в сучасних установках - сепаратор, відбувається поділ емульсії на рафінат і екстракт. Схема найпростішого змішувально-відстійного екстрактора наведена на рис. 16.1.9.

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

Мал. 16.1.10. Тарілчастий екстрактор:

1 – циліндричний корпус; 2 – переливний пристрій; 3 – ситчасті тарілки

Диспергована фаза (легка або важка) проходить через отвори в тарілках і дробиться на краплі. Суцільна фаза рухається вздовж тарілки від переливу до переливу. Краплі на тарілках коалесцируют і утворюють суцільний шар рідини над тарілкою (важка рідина) або тарілкою (легка рідина). Підпірний шар секціонує екстрактор по висоті та забезпечує підпір для диспергування рідини через отвори тарілок. Секціонування екстрактора знижує зворотне перемішування фаз та призводить до збільшення середньої рушійної сили процесу.

Швидкість дисперсної фази в отворах тарілки визначають за умов створення струминного режиму. Критична швидкість, що відповідає переходу від крапельного режиму до струминного, залежить від діаметра отворів:

vдоp=4,4/ d0 .

Для роботи екстрактора у стійкому струминному режимі швидкість збільшують приблизно на 20% порівняно з критичною.

Для визначення коефіцієнтів масовіддачі у дисперсній фазі можна рекомендувати виразі

https://pandia.ru/text/78/416/images/image057_24.gif" width="116" height="25 src=">- дифузійне число Нуссельта (тут (βд - коефіцієнт масовіддачі в дисперсній фазі; dе- Еквівалентний діаметр краплі; Dд – коефіцієнт дифузії в дисперсній фазі); - критерій Рейнольдса для краплі (тут - відносна швидкість руху краплі в суцільній фазі; vc - кінематична в'язкість суцільної фази); - дифузійний критерій Прандтля для дисперсної фази (тут v- Кінематична в'язкість дисперсної фази).

Роторно-дисковий екстрактор(рис. 16.1.11) відноситься до екстракторів з механічним перемішуванням фаз. Він є вертикальним багатосекційним апаратом, в циліндричному корпусі якого по осі встановлений ротор з круглими горизонтальними дисками. Диски обертаються в середній площині секції екстрактора та розділені кільцевими перегородками, що перешкоджає поздовжньому перемішування потоків та сприяє збільшенню рушійної сили процесу. При обертанні ротора диски створюють осьові потоки суцільної фази, спрямовані від осі ротора до екстракторних стінок.

DIV_ADBLOCK20">

Діаметр дисків ротора Dpстановить 0,5...0,7 діаметра екстрактора, а діаметр отворів кільцевих перегородок D =(0,6...0,8) Dе(де Dе- Діаметр екстрактора), висота секції H=(0,15...0,3) Dе.

В інших конструкціях на роторі в середній площині кожної секції розташовані відкриті турбінні мішалки. Секціонування досягається за допомогою кільцевих перегородок. У таких екстракторах чергуються зони змішування та поділу.

Замість кільцевих перегородок зони перемішування можуть розділятися шаром насадки, наприклад кілець Рашига, де відбувається поділ потрійної суміші на легку і важку рідину. На рис. 16.1.12 показаний екстрактор з турбінними мішалками та відстійними зонами, заповненими кільцями Рашига.

https://pandia.ru/text/78/416/images/image063_17.gif" width="157" height="27 src=">який визначає високі коефіцієнти масопередачі і площі поверхні міжфазного контакту; що призводить до збільшення середньої рушійної сили до значень, близьких до апарату ідеального витіснення, можливість регулювання частоти обертання ротора, що дозволяє змінювати продуктивність і ефективність роботи екстрактора.

Для розрахунку і моделювання роторних екстракторів необхідно знати розміри крапель, що утворюються, тривалість затримки дисперсної фази в екстракторі, коефіцієнти масовіддачі, граничні навантаження екстрактора по суцільній і дисперсній фазах, поздовжнє і поперечне перемішування фаз.

Якщо дифузійний опір зосереджено в суцільній фазі, коефіцієнт масовіддачі можна визначити з рівняння

https://pandia.ru/text/78/416/images/image065_18.gif" width="116" height="25 src="> - дифузійний критерій Нуссельта; βс- Коефіцієнт масовіддачі в суцільній фазі; https://pandia.ru/text/78/416/images/image067_19.gif" width="119" height="25 src="> (16.1.11)

де: А=6,58 і 17,9 відповідно для нерухомих крапель і для крапель з внутрішньою циркуляцією, тобто βд назад пропорційний до середньооб'ємного діаметру краплі.

Для крапель із внутрішньою циркуляцією рідини

DIV_ADBLOCK22">

DIV_ADBLOCK23">

Розмір отворів у тарілках екстрактора становить 3...5 мм, площа всіх отворів приймається рівною 20...25% площі поперечного перерізу колони; відстань між тарілками 50 мм.

Кращий розподіл та диспергування досягаються на тарілках з прямокутними отворами та напрямними лопатками.

У вібраційних екстракторах вібрація блоку тарілок відбувається при більших частотах та менших амплітудах, ніж пульсація рідини у пульсаційних екстракторах. Витрата енергії на вібрацію блоку тарілок значно менша, ніж у пульсаційних екстракторах на переміщення всього стовпа рідини.

Перевага пульсаційних та вібраційних екстракторів – ефективна масопередача, яка досягається шляхом збільшення коефіцієнтів масовіддачі, середньої рушійної сили процесу та розвиненої поверхні фазового контакту. ВЕТС у таких екстракторах у 5...6 разів нижче, ніж у тарілчастих ситчастих екстракторах.

Високі питомі навантаження перевищують допустимі навантаження у роторно-дискових екстракторах.

Висока ефективність масопередачі дозволила значно скоротити металомісткість екстракційного обладнання, що призвело до зниження капітальних витрат.

У той же час для пульсаційних та вібраційних екстракторів потрібні потужніші фундаменти, що витримують значні динамічні навантаження. Експлуатаційні витрати для таких екстракторів дещо вищі, ніж для звичайних тарілчастих екстракторів.

У відцентрових екстракторах (рис. 16.1.14) екстракція протікає при безперервному контактуванні рухомих протитечією фаз при мінімальному часі взаємодії.

У корпусі машини, що складається з двох кожухів: верхнього та нижнього, розташований вал із закріпленим на ньому ротором. Вал з двох кінців порожнистий і виконаний на кшталт «труба в трубі», а в центральній частині цільний, з каналами для відведення легкої рідини. Вал разом із ротором обертається із частотою близько 4500 хв-1.

Оброблюваний розчин і екстрагент надходять екстрактор з протилежних кінців порожнистого валу, як показано на рис. 16.1.14. Легка рідина підводиться з боку приводу, а важка – з протилежного кінця валу. Вал ущільнюється за допомогою торцевих подвійних ущільнень. Ущільнювальною рідиною служить рідина, що обробляється в екстракторі.

Усередині ротора знаходиться пакет концентричних V-подібних кілець. У роторі передбачені канали для проходу легкої та важкої рідини. Тяжка рідина надходить у пакет ротора, у його центральну частину, тоді як легка рідина надходить у периферійну частину ротора. При обертанні ротора разом із пакетом кілець важка рідина під впливом відцентрової сили прямує до зовнішнього периметру ротора, а легка рідина рухається назустріч валу ротора. Таким чином, рідини контактують у протитечії. За рахунок багаторазового диспергування рідини на краплі та коалесценції крапель досягається висока ефективність екстракції.

Після поділу потрійної суміші рідини виводяться каналами в роторі в порожнистий вал: важка рідина виводиться з боку приводу, а легка - з протилежного кінця валу, з боку входу важкої рідини.

Усередині ротора має місце інверсія фаз. Якщо в периферійній частині ротора відбувається взаємодія дисперсної фази легкої рідини з суцільною фазою важкої рідини, то в зоні, що прилягає до осі ротора, дисперсна фаза важкої рідини контактує з суцільною фазою легкої рідини.

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

Мал. 16.1.15. Схема безперервно діючої екстракційної установки :

1,2 - насоси ; 3,4,5,6 - ємності ; 5 - екстрактор

Продуктивність екстракторів визначають із граничного навантаження, що відповідає «захлинуванню» екстрактора. У точці «захлинування» навантаження розраховують за максимальною утримуючою здатністю апарату і характеристичною швидкістю крапель, що дорівнює середньої швидкості осадження крапель у нерухомій суцільній фазі.

Скористаємося рівнянням Торнтона – Пратта

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

і знайдемо утримуючу здатність екстрактора

https://pandia.ru/text/78/416/images/image078_15.gif" width="41" height="24">. Характеристичну швидкість крапель v0 визначають за відповідними рівняннями для кожного типу екстракторів.

Робочу швидкість суцільної фази приймають на 20...40 % нижче граничної:

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

де: hзіhд - висота одиниць перенесення відповідно в суцільній та дисперсній фазах; - Фактор екстракції.

Значення hзіhд визначають залежно від значення коефіцієнтів масовіддачі:

https://pandia.ru/text/78/416/images/image083_12.gif" width="17" height="24 src="> hд - коефіцієнти масовіддачі відповідно в суцільній та дисперсній фазах, кмоль/(м2*с*кмоль/кмоль); - питома площа поверхні, м2/м3.

Значення βс, βД і розраховують за критеріальними та емпіричними рівняннями, отриманими для екстракторів певного типу. Наприклад, для насадочних та тарілчастих екстракторів з ситчастими тарілками для розрахунку коефіцієнта масовіддачі в дисперсній фазі може бути використане рівняння

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

Коефіцієнти масовіддачі у суцільній фазі можна приблизно визначити за рівнянням

https://pandia.ru/text/78/416/images/image088_15.gif" width="26" height="31 src=">.gif" width="16" height="17 src=">c - густина суцільної фази, кг/м3; µс - динамічна в'язкість суцільної фази, Па·с); Рrc=µс/с Dc- критерій Прандтля для суцільної фази (тут Dc- Коефіцієнт дифузії в суцільній фазі, м2/с).

Для роторно-дискових екстракторів коефіцієнт масовіддачі в дисперсній фазі визначають за рівнянням (16.1.12), а в суцільній фазі (16.1.10).

У разі, коли відсутні дані щодо коефіцієнтів масовіддачі або висоті одиниць перенесення ВЕП, висоту екстрактора розраховують методом визначення числа теоретичних ступенів зміни концентрацій.

Контрольні питання

1. У чому суть процесу екстракції? Які компоненти беруть участь у процесі екстракції? 2. Які фактори визначають рівновагу у процесі екстракції? Від чого залежить коефіцієнт розподілу? 3. За яких умов рівновага у процесі екстракції описується прямою лінією? 4. Які діаграми зображають процеси екстракції? 5. У яких випадках можна зобразити процес екстракції на прямокутній діаграмі у - х". 6. Які схеми процесів екстракції застосовують у харчовій промисловості ? 7. Що таке модуль екстракції і як він впливає на положення робочої лінії процесу на діаграмі у - х? 8 9. У яких апаратах проводять процеси екстракції 10. Яким законам масопередачі підпорядковуються процеси екстракції 11. Як розрахувати коефіцієнт масопередачі при екстракції в загальному та окремих випадках 12. Які переваги мають екстрактори з перемішуючими пристроями порівняно з гравітаційними?13. У чому полягає принцип дії відцентрових екстракторів? екстрактор?

16.2. ЕКСТРАКЦІЯ У СИСТЕМІ ТВЕРДЕ ТІЛО-РІДИНА

16.2.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Вилужування(приватний випадок екстракції) - це вилучення з твердого тіла однієї або декількох речовин за допомогою розчинника, що має вибіркову здатність.

У харчовій промисловості вилуговуванням обробляють капілярно-пористі тіла рослинного або тваринного походження.

Як розчинники застосовують: воду - для екстрагування цукру з буряків, кави, цикорію, чаю; спирт та водно-спиртову суміш - для отримання настоїв у лікеро-горілчаному та пиво-безалкогольному виробництвах; бензин, трихлоретилен, дихлоретан - в маслоекстракційному та ефіроолійному виробництвах та ін. Вилуговування - основний процес у цукробуряковому виробництві, застосовують його для вилучення цукру з цукрових буряків. За допомогою бензину видобувається рослинна олія із насіння соняшника.

За вилуговуванням у технологічній схемі часто йдуть процеси фільтрування, випарювання та кристалізації.

16.2.2. СТАТИКА ТА КІНЕТИКА ВИЩОЛОЖУВАННЯ

Процес вилуговування полягає в проникненні розчинника в пори твердого тіла і розчиненні вилучених речовин.

Рівновага при вилуговуванні встановлюється при вирівнюванні хімічних потенціалів розчиненої речовини та її хімічного потенціалу у твердому матеріалі. Досяжна концентрація розчину, що відповідає його насичення, називається розчинністю.

Поблизу поверхні твердого тіла рівновага встановлюється протягом короткого проміжку часу. Тому при аналізі процесу масопередачі приймають, що концентрація на поверхні розділу фаз тверде тіло - розчинник дорівнює концентрації насиченого розчину унас.

Основним завданням кінетики вилуговування є визначення тривалості контакту взаємодіючих фаз, необхідної для досягнення заданого ступеня вилучення екстрагується речовини. За тривалістю контакту фаз визначають розміри екстракційних апаратів.

На масопередачу при вилуговуванні великий вплив має внутрішня будова твердого тіла: розміри та форма капілярів, хімічний склад частинок. Від внутрішньої будови твердого тіла залежить швидкість масопередачі. Як було зазначено в розділі 4.1, складність внутрішньої будови пористого тіла ускладнює аналітичний опис процесу масопередачі всередині капілярно-пористого тіла.

Вилуговування являє собою складний багатостадійний процес, який полягає в дифузії розчинника в пори твердого тіла, розчиненні вилучених речовин або речовини, дифузії речовин, що екстрагуються в капілярах всередині твердого тіла до поверхні розділу фаз і масопередачі екстрагуються речовин в рідкому розчиннику від поверхні розділу фаз в ядро ​​потоку .

З перерахованих чотирьох стадій процесу, що лімітують загальну швидкість масопередачі є, як правило, останні дві, оскільки швидкість масопереносу на перших двох стадіях зазвичай значно вища порівняно зі швидкістю протікання двох наступних стадій.

Таким чином, загальний дифузійний опір масопереносу складається з дифузійних опорів усередині твердого тіла та в розчиннику.

Швидкість дифузії речовини всередині капілярно-пористого тіла описується, як відомо, рівнянням масопровідності (12.30).

Швидкість масовіддачі поверхні розділу фаз в ядро ​​потоку екстрагента описується рівнянням масовіддачі (12.15).

Для оцінки співвідношення між швидкостями масопровідності та масовіддачі використовується критерій Біо [див. рівняння (12.32)].

Особливо низька швидкість масопровідності має місце в капілярно-пористих тілах рослинного та тваринного походження.

На рис. 16.2.1 показано схему будови рослинної клітини.

https://pandia.ru/text/78/416/images/image095_13.gif" width="200" height="24 src=">, а в області низьких концентрацій -

У разі коли основний дифузійний опір зосереджено в рідкій фазі, для опису процесу може бути використане рівняння масовіддачі (12.15).

Рушійною силою процесу вилуговування є різниця між концентрацією речовини, що екстрагується, у поверхні твердого тіла і його середньою концентрацією в масі екстратенту уср.

Швидкість процесу у цьому випадку

https://pandia.ru/text/78/416/images/image099_11.gif" width="21" - коефіцієнт масовіддачі в рідкій фазі.

Швидкість молекулярної дифузії в прикордонному шарі завтовшки δ визначається за рівнянням Фіка (12.9)

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

де: https://pandia.ru/text/78/416/images/image103_11.gif" width="59" . Тоді (16.2.1) випливає, що пропорційно D2/3. Шляхом узагальнення експериментальних даних з урахуванням зазначеної залежності отримано рівняння для розрахунку коефіцієнта масовіддачі (16.2.). 3)

де: - критерій Рейнольдса (тут v- Швидкість екстрагента; µ - динамічна в'язкість екстрагента); Pr= v/ D- критерій Прандтля.

З виразу (16.2.2) видно, що β збільшується із зменшенням товщини дифузійного шару δ. З теорії прикордонного шару відомо, що товщина дифузійного шару зменшується зі збільшенням критерію Рейнольдса, тобто зі збільшенням відносної швидкості екстрагента руху (щодо твердих частинок). Отже, процес вилуговування можна інтенсифікувати шляхом створення ефективної гідродинамічної обстановки, у тому числі за рахунок подрібнення твердого матеріалу.

Подрібнення призводить до збільшення поверхні масопередачі, а також зменшення шляху дифузії екстрагується матеріалу з глибини капілярів до поверхні матеріалу. У зв'язку з тим, що коефіцієнт масопровідності зростає з підвищенням температури, вилуговування проводять при температурах, близьких до температури кипіння екстрагента. При цьому зростає також концентрація насиченого розчину у нас, що призводить до збільшення рушійної сили вилуговування та розчинення.

Швидкість масопровідності можна збільшити шляхом спеціальної обробки харчової сировини, що призводить до зниження дифузійного опору в клітині.

Практично інтенсифікація процесу може бути досягнута в екстракторах з ефективною гідродинамічною обстановкою, наприклад, в екстракторах з псевдозрідженим шаром, а також у вібраційних та пульсаційних екстракторах.

Як було зазначено, проведення процесів у псевдозрідженому шарі з подрібненими матеріалами призводить до різкого збільшення поверхні масопередачі та зниження дифузійного опору.

У розділі 4.4 вказувалося, що низькочастотні коливання фаз, що взаємодіють, призводять до істотної інтенсифікації процесу екстракції.

16.2.3. РОЗРАХУНОК ЕКСТРАКЦІЙНИХ АПАРАТІВ

Зональний метод розрахунку процесів екстракції з твердого тіла, розроблений останніми роками, заснований на розв'язанні задачі нестаціонарної масопровідності. Для розрахунку тривалості процесу у тілах правильної геометричної форми може бути використане рівняння (18.11). Однак у зв'язку з недостатністю експериментальних даних за коефіцієнтами масопровідності використання цього у розрахункової практиці утруднено. Тому для розрахунку екстракторів використовують метод, що ґрунтується на визначенні числа теоретичних ступенів зміни концентрації. Введення в розрахунки коефіцієнтів корисної дії дозволяє визначити кількість реальних щаблів багатоступінчастих апаратів або довжину апарату.

Розглянемо графічний спосіб визначення числа теоретичних щаблів за допомогою трикутної діаграми (рис. 16.2.2). Подаємо для зручності розрахунку діаграму у вигляді прямокутного трикутника замість рівностороннього трикутника.

Нехай вихідний, що підлягає екстрагування твердий матеріал складається з нерозчинного компонента L і компонента, що розчиняється. М,який витягується рідким екстрагентом е.В результаті процесу одержують екстракт, що складається з екстрагента. Еі розчиненої в ньому речовини М,та рафінат, що складається з нерозчинної речовини L, у порах якого знаходиться деяка кількість речовини М,розчиненого в екстрагенті е.

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

Мал. 16.2.3. Схема багатосекційного протиточного екстрагування тверде тіло – рідина

Розчин Е екстрагованої речовини Мв екстрагенті Еназвемо верхнім потоком, а потік Rсуміші твердої речовини Lз екстрагованою речовиною М- нижнім потоком.

Рівняння матеріального балансу запишуться так:

F+ E= Rу і

Перколятор (рис. 16.2.5) є вертикальним циліндричним апаратом з конічним днищем і кришкою. У днищі розташовані грати, на які через верхній люк завантажується шар подрібненого твердого матеріалу. Після вилуговування матеріал вивантажується через нижній люк, що відкидається.

Бункер" бункер для завантаження бурякової стружки і шнеки для видалення жому з апарата.

Усередині апарата стружка переміщається двома паралельно розташованими шнеками знизу нагору. Шнеки утворюються лопатями, розташованими по гвинтовій лінії. Лопаті кожного шнека заходять у міжлопатевий простір іншого. Такий пристрій шнеків сприяє рівномірному переміщенню стружки по довжині апарата та запобігає можливості обертання бурякової стружки разом з лопатями. Для цієї ж мети встановлені контрлопаті та перегородки на нижній частині кришок.

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

Мал. 16.2.7. Двоколонний дифузійний апарат:

1,5 – штуцера; 2 – ротаційний закидувач; 3 - барабан; 4 – корпус; 6 – ланцюг; 7 - рамка

Для подачі стружки в апарат призначені грабельний конвеєр та закидувач стружки. Через сопла всередину апарата подається підігрітий сік.

Дифузійний сік відбирається з апарату через саморегенеровані сита з конічними отворами, встановлені в камері, і патрубок. Барометрична вода надходить до апарату через верхній ряд сопел, жомопресова - через нижній.

Стружка, що надійшла в апарат, переміщається до місця розвантаження її з апарата. Барометричну та жомопресову воду подають у верхню частину другої колони протитечією бурякової стружки. Дифузійний сік направляють у виробництво, а жом - на преси або жомосховище. На деяких заводах барометрична і жомопресова вода попередньо надходить в одну велику збірку для перемішування і потім підігрівач для підігріву суміші.

У конструкції апарату, що розглядається, бурякова стружка ошпарюється всередині апарату і додаткової установки ошпарювача не потрібно. Сік, призначений для ошпарювання, підігрівається до певної температури підігрівачах.

Є конструкції апаратів, у яких твердий матеріал переміщується ковшами.

Застосування ланцюгових транспортуючих пристроїв з рамками або ківшами призводить до ущільнення маси твердого матеріалу на рамках або в ковшах, що погіршує процес екстрагування. У дифузійних апаратах з лопатевими валами та контрлопатями відбувається значне подрібнення стружки, яке ускладнює фільтрування дифузійного соку в апараті і тим самим знижує швидкість екстракції. В результаті застосування великої бурякової стружки також знижується швидкість екстракції через збільшення внутрішньодифузійного опору.

Дифузійні апарати з завислим шаром позбавлені цих недоліків. У двоколонному апараті (рис. 16.2.8), розробленому проф. , Бурякова стружка знаходиться у зваженому стані. Рушійною силою для переміщення вмісту в апараті є різницю тиску над матеріалом у першій та другій колонах. Під час руху поршневого транспортуючого пристрою вгору під ним створюється розрідження. Бурякова стружка надходить у верхню частину першої колони, яка до певного рівня заповнена дифузійним соком. Рівень соку підтримується за допомогою рівня. Таким чином, бурякова стружка надходить у дифузійний сік і рівномірно розподіляється в обсязі апарату.

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

де: VП- Корисний об'єм апарату, м3; q- Маса стружки на одиницю корисного об'єму апарату, кг/м3 (для колонних апаратів q=600...700 кг/м3); τ - Тривалість процесу екстрагування, с.

Стрічкові екстрактори (рис. 16.2.9) застосовують для екстракції олії із насіння соняшника. Тверда фаза - роздроблене насіння переміщується по стрічці тонким шаром, а екстрагент - бензин подається зверху за допомогою насосів і зрошує матеріал, що знаходиться на стрічці. Процес здійснюється за складною комбінованою схемою руху потоків твердого матеріалу та екстрагента: поперечний струм на кожній ділянці та протитечії в цілому в екстракторі. Конструкція екстрактора не забезпечує ефективної взаємодії твердої фази з екстрагентом, екстракція протікає з невисокою швидкістю. Для повного вилучення олії потрібно кілька ступенів екстракції.

Мал. 16.2.9. Стрічковий екстрактор:

1 – корпус; 2 - сопла; 3 – завантажувальна шахта; 4 - транспортуючий пристрій; 5 – насоси

Контрольні питання

1. У чому сутність процесу вилуговування? Які компоненти беруть участь у процесі вилуговування? 2. Які фактори визначають швидкість вилуговування? 3. У якому разі швидкість вилуговування описується рівнянням Щукарьова? 4. У чому полягає розрахунок екстракторів? 5. Як зображується процес протиточної екстракції у трикутній діаграмі? 6. Як визначається кількість ступенів зміни концентрацій у трикутній діаграмі? 7. Назвіть схеми, за якими проводять процеси вилуговування 8. Які конструкції екстракторів застосовують у харчовій промисловості?

Вступ

Екстракція у системі «рідина - рідина». Основні поняття та показники

Органічні розчинники, які застосовуються при екстракції

Хімічні та масообмінні процеси, що протікають при екстракції

Основні способи проведення екстракції

Сучасна екстракційна апаратура

Розрахункова частина

Очищення стічних вод

Висновок

Список літератури

Вступ

Екстракцією у широкому розумінні називають процеси вилучення одного або декількох компонентів з розчинів або твердих тіл за допомогою вибірково діючих розчинників. Тому принципово екстракція може здійснюватися в системах тверде рідке (наприклад, екстракція золота з руд ціаністими розчинами) або рідке рідке. У гідрометалургії під екстракцією, або екстрагуванням, зазвичай розуміють процес рідинної екстракції, що полягає у вилученні речовини, розчиненої в одному розчиннику, за допомогою іншого розчинника, що не змішується з першим. Як два таких рідких середовищ використовуються водний металовмісний розчин хімічних реагентів і органічна рідина.

Основними перевагами процесу екстракції, порівняно з іншими процесами поділу рідких сумішей, є:

низька робоча температура (процес зазвичай проводиться при кімнатній температурі);

велика швидкість масообміну між двома контактуючими фазами (внаслідок дуже значної площі їхнього контакту при емульгуванні органічної фази у водному розчині);

висока селективність екстрагентів, що дозволяє розділити споріднені, важкороздільні елементи;

легкість поділу двох фаз (рідини, що не змішуються, з різною щільністю);

можливість вилучення металів із сильно розведених розчинів;

скільки завгодно глибока очищення одержуваного металу;

можливість регенерації витрачаються реагентів;

можливість повної механізації та автоматизації процесу.

Ці обставини зумовлюють широке застосування екстракційних процесів у сучасній гідрометалургії.

Екстракція у системі «рідина - рідина». Основні поняття та показники

Прийнято таку термінологію екстракції. Які беруть участь у процесі два розчинники (водний і органічний) у вихідному стані називаються «вихідний розчин» та «екстрагент». У момент контактування (при екстракції) вони називаються «водною» та «органічною» фазами, а після екстракції (відстоювання та поділу) – «рафінатом» та «екстрактом».

Процес екстракції складається з наступних стадій:

підготовка вихідного розчину та екстрагента (рис.1, а);

контактування цих розчинів з емульгуванням органічної та водної фаз (рис.1, б, в);

відстоювання та розшаровування цих фаз (добре спостерігається візуально) (рис.1, г);

поділ рафінату та екстракту (рис.1, д).

Рис.1. Схема процесу рідинної екстракції. 1 - вихідний розчин; 2 – екстрагент; 3 – рафінат; 4 – екстракт.

З екстрагента, насиченого видобутим елементом (екстракту), метали вилучаються методом реекстракції, що полягає в обробці екстракту водним розчином будь-якого хімічного реагенту, що створює сприятливі умови для зворотного переведення металів з органічної фази у водну. Схема здійснення процесу реекстракції аналогічна етапам екстракції. При цьому реагент, що використовується для вилучення речовини з органічної фази, називається реекстрагент, а отриманий продукт - реекстракт. Отже, екстрагент та екстракт - органічна фаза, а реекстрагент та реекстракт - водна. У більшості випадків після реекстракції екстрагент регенерується до вихідного стану, тому його називають регенерованим екстрагентом.

Таким чином, при екстракції та реекстракції застосовуються такі позначення продуктів у міру протікання процесу:

Екстракція:

екстрагент ® органічна фаза ® екстракт

вихідний розчин ® водна фаза ® рафінат

Реекстракція:

екстракт ® органічна фаза ® регенерований екстрагент

реекстрагент ® водна фаза ® реекстракт.

Остаточним продуктом циклу «екстракція – реекстракція» є знову водний розчин – реекстракт. Але отриманий в результаті реекстракції водний розчин відрізняється від вихідного тим, що не містить або містить невелику кількість домішок, відділення цінного компонента від яких становить основну труднощі його вилучення з розчину. При цьому часто реекстракт, на відміну від вихідного розчину, збагачується металом.

Органічні розчинники, які застосовуються при екстракції

Як екстрагенти застосовуються органічні сполуки.

Ідеальний екстрагент повинен відрізнятися такими властивостями:

бути досить селективним (тобто вибірково вилучати з водних розчинів, що містять суму металів, тільки компоненти, що нас цікавлять);

мати високу екстракційну здатність (поглинати в одиниці свого обсягу значну кількість екстрагованого компонента);

забезпечувати легко регенерацію екстрагента з вилученням металу з органічної фази;

бути безпечним під час роботи (не токсичним, не летким, не спалахувати);

зберігати стійкість під час зберігання або при контакті з кислотами та лугами;

бути досить дешевим.

Знайти такий ідеальний екстрагент майже неможливо, тому зазвичай ухвалюється компромісне рішення.

З урахуванням того, що в механізмі екстракційного поділу важливу роль відіграє масоперенос, однією з головних фізичних властивостей органічної фази є в'язкість. Знання характеристик в'язкості, енергії міжфазного кордону, щільності середовищ вкрай необхідне судження про кінетику процесу екстракції у сенсі масопереносу, а й з погляду диспергування фаз і швидкості відстоювання наведених у рівновагу рідких фаз. Проте органічні екстрагенти, зазвичай, є досить в'язкими середовищами. У цьому в'язкість органічної фази різко зростає зі збільшенням насичення її іонами металу. Підвищення в'язкості органічної фази вище за певну межу може різко загальмувати процес екстракції. Тому іноді недоцільно досягати значного насичення екстрагента металами. Але навіть при обмеженні можливої ​​насиченості екстрагента у ряді випадків необхідно штучно знижувати в'язкість органічної фази.

Крім того, для хорошого розшаровування фаз після екстракції треба мати достатню різницю в щільності цих фаз, тобто екстрагент повинен бути значно легшим за водний розчин. Тому на практиці екстрагент рідко використовують у чистому вигляді; його зазвичай розбавляють дешевим органічним розчинником, щоб знизити в'язкість та щільність. Цей допоміжний розчинник, як правило, є інертним і не бере участі в екстракції. У такій системі з двох органічних розчинників органічна сполука, що бере участь у хімічних реакціях екстракції, називається екстракційним реагентом, а розчинник екстракційного реагенту називається розріджувачем. Весь органічний розчин - це екстрагент. Слід зауважити, що розріджувач застосовується не тільки для зниження в'язкості і щільності органічної фази, але і для розчинення продуктів, що утворюються при екстракційній реакції.

Найбільш широко застосовуються такі типи органічних розчинників:

вуглеводні та їх галоїдопохідні;

Вуглеводні та їх хлоропохіднінайчастіше застосовуються як розріджувачі екстракційних реагентів. Внаслідок того, що вуглеводні відносяться до речовин з високою леткістю, вогненебезпечністю та отруйністю, для промислового використання придатний лише обмежений їхній ряд. Найбільш уживані: бензол С6Н6; толуол, або метилбензол СН3С5Н5; гас; дизельне паливо; гексан (З 6 Н 4), октан (З 8 Н | 8), бензин. З хлорпохідних від вуглеводнів найбільш уживані чотирихлористий вуглець ССl 4 , хлороформ СНС1 3 і дихлорметан СН 2 С1 2 . Хлорпохідні іноді застосовують як екстрагенти неорганічних сполук (наприклад, ССl 4 або СНСl 3 екстрагують GeCl 4).

Кисневмісні екстрагентиподіляються на сполуки, що не містять і містять солеутворюючі групи. Кисневмісні органічні розчинники, що не мають солеутворюючих груп, використовуються як екстрагенти для вилучення галогенідів, нітратів, роданідів та інших солей металів. До них відносяться спирти ROH, ефіри ROR, складні ефіри R-OCO-R, кетони R-COR, d-кетони RCOCH 2 COR (де R – органічний радикал). Екстракція успішно протікає в сильнокислих розчинах, у яких можливе утворення оксонієвих солей, або в розчинах з низькою кислотністю, але в присутності висолювача. При використанні спиртів, ефірів, кетонів відзначається утворення сольвату, наприклад, за схемою: mROR + nМеСl 3 + pHCl = mROR×nМеСl 3 ×рНСl. При цьому величина кислотності сильно впливає перебіг цього процесу.

З простих ефірів найбільш часто застосовують діетиловий ефір С 2 Н 5 ОС 2 Н 5 і його хлоропроизводное з'єднання - хлорекс СlС 2 Н 4 ОС 2 Н 4 Сl, або (С 2 Н 4 Сl) 2 О. Хлорекс є вкрай слабкою основою і екстрагує лише дуже сильні кислоти. Застосовується він, наприклад, при екстракції золотохлористоводневої кислоти з царсько-горілчаних розчинів у циклі афінажу благородних металів.

З аліфатичних (ациклічних) спиртів (ROH, де R - З n Н (2п+1)) застосовуються бутиловий (З 4 Н 9 ОН), аміловий (З 5 Н 11 ОН), ізоаміловий, гексиловий (З 6 Н 13 ОН) , каприловий (З 7 Н 15 ОН), октиловий (З 8 Н 17 ОН), ноніловий (З 9 Н 19 ОН), суміш спиртів З 7 - C 9 і дециловий (З 10 Н 21 ОН). З ациклічних спиртів (що містять у молекулах цикли - кільця з трьох і більше атомів вуглецю) частіше застосовується циклогексанол З 11 Н 11 ОН. З ароматичних спиртів (що містять у молекулах цикли - бензольні ядра) використовуються a-нафтол і a, a' -нафтоли .

При використанні кисневмісних органічних розчинників, що мають солеутворюючі групи (карбонові кислоти RCOOH), утворюються не розчинні у воді сполуки - мила - внаслідок екстракції не солей або їх ацидокомплексів, а катіонів металу. Карбонові кислоти за своєю структурою димеризовані .

Ця димеризація зберігається при екстракції, тобто утворюється органічна сіль M(HR 2) 2 . Екстракція за допомогою карбонових кислот зазвичай проводиться при рН на 0,5 менше за рН гідролізу вихідної неорганічної солі металу. Подібний тип екстракції з використанням жирних кислот C n H 2 n +1 COOH застосовується, наприклад, гідрометалургії кобальту для очищення кобальтовмісних розчинів від домішок.

або безпосередньо (зв'язок Р-С, фосфорорганічні сполуки):

де R - алкільний (СnН 2 n +), циклоалкільний або арильний (одновалентний залишок ароматичних вуглеводнів) радикал.

Найбільш вивчена екстракційна здатність середніх ефірів фосфорної, фосфонової та фосфінової кислот, а також оксидів заміщених фосфінів. Екстракція усіма цими реагентами протікає на основі донорно-акцепторної здатності фосфорильного кисню - Р=О, яка зростає у ряді:

Отже, у цьому напрямку зростає і екстракційна здатність цих сполук. З середніх ефірів фосфорної кислоти найбільш широке поширення як екстрагент отримав трибутилфосфат ТБФ ((С 4 Н 9 О) 3 РО), що використовується в гідрометалургії радіоактивних металів (наприклад, при виробництві ядерного пального, зокрема, при екстракції уранілнітрату), в гідрометалургії металів (ніобій, тантал, цирконій та ін.). Діалкілалкілфосфінати ДААФ (R 1 P(O)(OR 2) 2) застосовуються при екстракції скандію із солянокислого середовища, ніобію, танталу та інших рідкісноземельних елементів.

З азотовмісних екстрагентівнайбільш широко використовуються для цілей екстракції аміни різного ступеня заміщеності (одержувані при заміщенні органічним радикалом протонів аміаку): первинні, вторинні , третинні та четверичні амонієві основи (ПрАТ): R 4 NOH. Багато солі первинних, вторинних та третинних амінів, що мають нормальні алкільні радикали C n H 2 n +1 (алкіламіни), обмежено розчиняються в рідких вуглеводнях, краще - в ароматичних (> 0,1 моль/л).

Для екстракції міді, нікелю та кобальту запропоновані суміші a - гідроксимів із загальною формулою , де R і R' - радикал; R'' - радикал чи атом водню.

Сірковмісні екстрагенти.Внаслідок меншої електронодонорної здатності атома сірки, порівняно з атомом кисню, заміна кисню на сірку у відповідних кисневмісних органічних сполуках (ефірах, спиртах і т.д.) призводить до зниження екстракційних властивостей сірковмісних органічних сполук (тіоефіри R 2 S; тіоспіри; , ;дітіокислоти і т.д.).

Однак зменшення основності тіосполук може призвести до підвищеної селективності вилучення, внаслідок чого органічні екстрагенти, що містять сірки, становлять певний інтерес. Досить ефективними екстрагентами є органічні сульфіди (тіоефіри). Наприклад, диізобутилсульфід (iC 4 H 9) 2 S добре екстрагує хлорне залізо з розчинів соляної кислоти у формі НFеСl 4 , подібно до звичайного кисневмісного дибутилового ефіру (С 4 Н 9) 2 О. Що стосується неорганічних кислот і солей урану випробувані як екстрагент диалкилсульфидов , одержувані окисленням відповідних диалкилсульфидов перекисом водню серед оцтової кислоти СН 3 СООН. Практичний інтерес у гідрометалургії мають сульфокислоти R-SO 3 H (або ), що є катіонообмінними екстрагентами. Сульфовані вуглеводні рекомендуються для промислової екстракції нікелю та кобальту з водних розчинів з концентрацією металів від 0,5 до 10 г/л.

Хімічні та масообмінні процеси, що протікають при екстракції

Поділ речовин у процесі екстракції заснований на відмінності в розподілі між двома рідинами, що не змішуються. У найпростішому випадку, коли речовина, що екстрагується, в обох фазах знаходиться в одній і тій же формі (так званий фізичний розподіл), застосуємо закон Нернста:

,

де До d – константа розподілу. Константа розподілу K d не залежить від концентрації речовини, що екстрагується, у водній фазі і при встановленому постійному співвідношенні обсягів контактуючих фаз (Р: Е) при даній температурі залишається постійною величиною як для багатих, так і для бідних розчинів. Тому в кілька послідовних циклів процесу можна досягти скільки завгодно глибокий ступінь вилучення або очищення.

Однак до більшості реальних екстракційних систем закон розподілу у своїй класичній формі не застосовний, так як в обох фазах може відбуватися взаємодія речовини з розчинником, можливі також екстракція речовини у вигляді кількох типів сполук, зміна взаємної розчинності фаз під впливом речовин, що екстрагуються і т.д. Тому для характеристики розподілу речовини зазвичай використовують коефіцієнт розподілу

де С х Про і С х В - відповідно загальні аналітичні концентрації речовини, що екстрагується, у всіх сполуках в органічній і водній фазах.

Оскільки екстракція проводиться не так для вилучення металу з чистих розчинів, скільки для вибіркового виділення цінного елемента з розчинів, що містять суму домішок, застосовується ще один показник, що має назву фактора поділу:

.

Тобто він є відношенням коефіцієнтів розподілу двох речовин. Для умов поділу обов'язково необхідно мати нерівність D Ме1 ¹ D Me 2 . Найкращий поділ відбувається, коли D Ме1 >> D Ме2. При цьому чим ближче до одиниці S, тим більше число стадій екстракції потрібно проводити. При обчисленні величини фактора поділу прийнято більший коефіцієнт розподілу D Ме поміщати в чисельник, тому S 1 .

Як і в будь-якому гідрометалургійному процесі, важливим показником екстракції є величина вилучення металу (або відсотка екстракції):

,

де V 0 і V - відповідно обсяг органічної фази і водного розчину. Коефіцієнт розподілу D та ступінь вилучення Е - величини взаємопов'язані:

.

Найчастіше вилучення металів з водяної в органічну фазу здійснюється трьома способами:

Катіонообмінна екстракція - екстракція металів, що знаходяться в йодних розчинах у вигляді катіонів, органічними кислотами або їх солями. Механізм екстракції полягає в обміні катіону, що екстрагується, на Н + або інший катіон екстрагента.

Аніонообмінною екстракцією - екстракцією металів, що знаходяться у водних розчинах у вигляді аніонів, солями органічних основ. Екстракція відбувається за рахунок обміну металовмісного аніону на аніон екстрагента.

Координаційною екстракцією, при якій з'єднання, що екстрагується, утворюється в результаті координації молекули або іона екстрагента безпосередньо до атома (іону) екстрагованого металу, в результаті чого метал і екстрагент виявляються в одній сфері екстрагованого комплексу.

Координаційними або комплексними сполуками є ті, у яких є центральний атом або іон, оточений певною кількістю іонів або молекул, які називаються лігандами.

Кількість хімічних (координаційних) зв'язків між центральним атомом або іоном (комплексоутворювачем) та лігандами називається координаційним числом. Координаційні зв'язки часто мають донорно-акцепторний характер, тобто утворюються за наявності у атома-донора неподіленої (вільної) пари електронів, що зв'язується з атомом-акцептором. При утворенні, наприклад, комплексного іона (NH 4) + :

,

азот, що має у молекулі NH 3 неподілену пару електронів, є донором, а іон водню - акцептором.

Лігандами є аніони неорганічних кислот, органічні кислоти та нейтральні молекули (наприклад, Н 2 О), причому утворення комплексних іонів можна представити як витіснення молекул води, що оточують (гідратують) іон, іншим лігандом. Ліганди залежно від кількості атомів, що утворюють координаційний зв'язок, можуть бути монодентатними, біден- татними тощо.

Полідентатні ліганди (бідентаті і більше) утворюють циклічні комплекси, тобто іон, що екстрагується, оточений декількома молекулами органічного екстрагента.

Центральний атом та координовані групи (ліганди) утворюють внутрішню координаційну сферу комплексу – комплексний іон. Компенсуючі заряд комплексного іона позитивні чи негативні іони утворюють зовнішню сферу комплексної сполуки.

Катіонообмінна екстракція

Цей тип екстракції може бути у загальному вигляді описаний рівнянням

де Me – метал валентністю z;

R – кислотний залишок органічної кислоти. Поширеними катіонообмінними екстрагентами є кислоти жирного ряду типу RСООН (наприклад, карбонові кислоти) з числом вуглецевих атомів у радикалі R від семи до дев'яти (З 7 - З 9) та нафтенові кислоти:

Нафтенові кислоти одержують із сирої нафти; їхня молекулярна маса коливається від 170 до 330. Часто використовують алкілфосфорні кислоти, зокрема похідні ортофосфорної кислоти - алкілортофосфати. Якщо в ортофосфорній кислоті (Н 3 РО 4) два іони водню замінені на органічні радикали, виходять продукти під назвою діалкілортофосфатів, наприклад, ди-(2-етилгексил)-фосфорна кислота (Д2ЕГФК).

Різновидом катіонообмінної екстракції є екстракція комплексоутворюючими (хелатоутворюючими) моно-, бі- і полідентатними екстрагентами типу оксимів - сполук, що містять групу (=N-ОН). У цьому випадку екстракція відбувається в результаті іонного обміну і координації екстрагента до атома (іону) металу, що екстрагується, з утворенням внутрішньокомплексних сполук.

Аніонообмінна екстракція

Аніонообмінні екстрагенти відносяться до класу амінів, які є похідними аміаку NH 3 . Залежно від кількості водневих атомів, заміщених в аміаку вуглеводневими радикалами, одержують первинні, вторинні або третинні аміни:

R - вуглеводневий радикал, що містить від 7 до 9 (іноді до 16) вуглецевих атомів.

В амінах азот має неподілену пару електронів, що визначає властивість цих екстрагентів утворювати координаційні сполуки

Солі амінів, що утворюються при обробці кислотою, можуть обмінювати аніон кислоти на металовмісні аніони, наприклад

У лужному середовищі аміни можуть перебувати над вигляді солей, здатних обмінювати аніони, а вигляді нейтральних молекул, тому їх застосовують лише у кислих середовищах.

Найбільш уживаними з амінів є колектор АНП - первинний амін, дилауриламін (вторинний амін) та триоктиламін (третинний амін).

Крім екстрагування за типом аніонного обміну, екстракція амінами іноді призводить до впровадження аміну у внутрішню координаційну сферу комплексного екстрагованого аннону з утворенням міцних зв'язків метал - азот (що характерно, наприклад, для платинових металів). Внутрішньокомплексні сполуки, що утворюються, дуже міцні, в результаті чого утруднений процес зворотного перекладу металу з органічної фази у водну - реекстракція.

Ще одним класом аніонообмінних екстрагентів є четвертинні амонієві основи (ПрАТ) та їх солі (ЧАС). ПрАТ є похідними іону амонію (NH 4) + :

,

де R – вуглеводневий радикал.

Найбільш уживані такі ЧАС, як триалкілбензіламмоній хлорид - скорочено TAБАХ, триалкілметиламонійхлорид (CH 3 R 3 N)Cl - ТАМАХ, тетраалкіламонійхлорид (R 4 N)Cl - ТОВХ. R - C n H 2 n +1 де n = 8 - 10.

ЧАС екстрагують метали тільки за типом реакції аніонного обміну:

де z - заряд металовмісного аніону МеХ;

m – заряд аніону ЧАС;

Y - аніон ГОД.

ЧАС здатні екстрагувати металовмісні солі не тільки з кислих, але і з лужних розчинів.

Солі амінів і ЧАС у ряді випадків мають обмежену розчинність у зазвичай використовуваних розріджувачах (гас, вуглеводні). Для покращення розчинності до органічної фази додають органічні спирти (наприклад, дециловий), проте великі (понад 10%) концентрації спирту зазвичай погіршують екстракцію через взаємодію з екстрагентом.

Основні способи проведення екстракції

Використовуються в основному такі способи проведення екстракції: одноразова екстракція, багаторазова екстракція з перехресним та протиточним рухом розчинника, безперервна протиточна екстракція. Найбільшого поширення в промисловості набула екстракція одним розчинником, хоча знаходить застосування та екстракція двома екстрагентами.

Одноразова (одноступінчаста) екстракція.Цей спосіб проведення екстракції полягає в тому, що вихідний розчин F і екстрагент S перемішують у змішувачі, після чого у відстійнику поділяють на два шари: екстракт Е та рафінат R. Зазвичай вважають, що в змішувачі внаслідок інтенсивного перемішування та достатнього часу контакту встановлюється фазова рівновага , Т. е. одноразова екстракція дозволяє досягти ефективності, відповідної теоретичної щаблі зміни концентрації. Ступінь вилучення при такому методі проведення екстракції можна підвищити, збільшуючи подачу екстрагента в апарат, але це призведе до зниження концентрації екстракту та подорожчання процесу.

Процес можна здійснювати як періодично, і безперервно. При періодичній організації процесу стадію поділу екстракту та рафінату можна проводити у змішувачі. У цьому випадку відпадає потреба у відстійнику.

Багаторазова екстракція з перехресним струмом розчинника.При проведенні екстракції за цим способом (рис. 2) вихідний розчин F і рафінати відповідні обробляють порцією свіжого екстрагента S 1 , S 2 і т.д. на кожному ступені екстракції, що складається з змішувача і відстійника (на рис. 2 відстійники не показані), причому рафінати направляють послідовно в наступні ступені, а екстракти Е 1 Е 2 кожного ступеня виводять із системи. При такому способі екстрагування вихідний розчин F надходить у перший ступінь, а кінцевий рафінат R n відбирають з останнього, n-го ступеня.

Мал. 2. Схема багаторазової екстракції з перехресним струмом розчинника (1, 2,3, …, n - щаблі).

За цим способом можна практично повністю витягти з вихідного розчину компонент, що розподіляється, і отримати чистий рафінат. Однак при цьому неминучі втрати розчинника, що міститься у вихідному розчині, так як у кожному ступені відбувається часткове видалення цього розчинника з екстрактом.

Багаторазова екстракція із протиточним рухом розчинника.Цей спосіб проведення екстрагування характеризується багаторазовим контактуванням у щаблях 1, 2 і т.д. при протиточному русі потоків рафінату R та екстракту E (рис. 3) за умови подачі вихідного розчину F та екстрагента S з протилежних кінців установки. Оскільки спосіб проведення екстракції при протиточному русі розчинника дозволяє забезпечити отримання продуктів заданої якості при досить високій продуктивності установки, цей спосіб екстрагування знаходить широке застосування в промисловості.

Мал. 3. Схема багаторазової екстракції з протиточним рухом розчинника (1,2, …, n-1. n - щаблі).

Безперервна протиточна екстракція.Такий спосіб екстрагування здійснюють в апаратах колонного типу (наприклад, насадочних). Більш важкий розчин (наприклад, вихідний) постійно подають у верхню частину колони (рис. 4), звідки він стікає вниз.

У нижню частину колони надходить легка рідина (у разі розчинник), яка піднімається вгору по колоні. В результаті контакту цих розчинів відбувається перенесення розподіленої речовини з вихідного розчину екстрагент. Цей спосіб екстракції часто застосовується у промисловості.

Протиточна екстракція із флегмою.При необхідності повнішого поділу вихідного розчину екстрагування можна проводити з флегмою за аналогією з процесом ректифікації (рис. 5). У цьому випадку вихідну суміш F подають у середню частину апарату (на ступінь живлення). Після регенерації екстракту в регенераторі частину 2 отриманого продукту R 0 повертають у вигляді флегми в апарат 1, а іншу частину відбирають у вигляді вилученого з вихідного розчину компонента В. Очевидно, що склади розчинів R 0 і B однакові. Таким чином, вузол екстракційної 2 установки є аналогом вузла дефлегмації ректифікаційної установки.

Мал. 5. а) (ліворуч) схема протиточної екстракції з флегмою: 1 - екстракційний апарат; 2 – апарат для регенерації екстракту; б) схема екстракції з двома розчинниками: 1 – екстракційний апарат; 2 – апарат для регенерації екстракту.

Потік флегми R 0 при контакті з потоком екстракту вимиває з останнього частково або повністю розчинений у ньому вихідний розчинник A, який в кінцевому підсумку переходить у рафінат, внаслідок чого ступінь поділу та вихід рафінату підвищуються.

Слід зазначити, що екстракція з флегмою, покращуючи поділ вихідного розчину, призводить до збільшення витрати екстрагента та об'єму апаратури, що подорожчає цей процес. Тому вибір кількості флегми має проводитися з урахуванням техніко-економічного розрахунку.

Екстракція двома розчинниками.Якщо у вихідному розчині міститься два або більше компонентів, які потрібно вилучити окремо або групами з декількох компонентів, то використовують екстракцію з двома розчинниками, що не змішуються (рис. 5,б). Розчинники підбирають таким чином, щоб кожен з них переважно розчиняв якийсь один компонент або групу компонентів. Вихідну суміш F, що складається з компонентів A і B, подають у середню частину апарату 1. Екстрагент S, (важчий, ніж S 1), вибірково розчинний компонент A, надходить у верхню частину апарату 1, а екстрагент S 1 вибірково розчинний компонент B, - у його нижню частину.

Екстракцію з двома розчинниками зазвичай застосовують для поділу речовин із близькою розчинністю. Для здійснення цього методу потрібна відносно велика витрата екстрагентів, що суттєво дорожчає процес.

екстракція розчинник органічний катіонообмінний

Сучасна екстракційна апаратура

За принципом взаємодії або способом контакту фаз екстрактори поділяють на дві групи: східчасті та диференційно-контактні. Усередині цих груп екстрактори часто поділяють на гравітаційні (швидкість фаз у них обумовлена ​​різницею щільностей цих фаз) і механічні (при додаванні потоків енергії ззовні шляхом механічного перемішування, дією відцентрової сили, поршневим пульсатором і т.д.). Практично в будь-якому з апаратів названих груп збільшення поверхні контакту фаз одна з фаз різними способами диспергується і розподіляється в іншій, суцільній фазі у вигляді крапель. Після кожного перемішування фаз в апаратах слідує сепарація цих фаз, що необхідно насамперед для регенерації екстрагента (під дією гравітаційних або відцентрових сил). Зазначимо також, що у промисловості зазвичай застосовують безперервно діючі екстрактори.

Ступінчасті екстрактори.Екстрактори цієї групи складаються з дискретних щаблів, у кожному з яких відбувається контакт фаз, після чого вони поділяються і рухаються протитечією в наступні щаблі. На рис. 6 представлена ​​схема одноступінчастої (а) і багатоступінчастої (б і в) установок одного з найпоширеніших типів ступінчастих екстракторів - змішувально-відстійного.

Мал. 6. Схеми одноступінчастої (а) та багатоступінчастих (б, в) установок змішувально-відстійних екстракторів: 1 - змішувачі; 2 – відстійник; 3 – насоси.

До переваг змішувально-відстійних екстракторів відносяться їх висока ефективність (ефективність кожного ступеня може наближатися до одного теоретичного ступеня поділу), можливість швидкої зміни числа ступенів, придатність для роботи в широких інтервалах зміни фізичних властивостей та об'ємного співвідношення фаз, відносно легке масштабування та ін. цих екстракторів є велика займана виробнича площа, наявність змішувачів з індивідуальними приводами, великі обсяги відстійних гравітаційних камер.

Змішувально-відстійні екстрактори великої продуктивності (до 1500 м 3 /год) знаходять застосування в гідрометалургії, технології урану та в різних інших багатотоннажних виробництвах.

Диференційно-контактні екстрактори.Екстрактори цієї групи відрізняються безперервним контактом між фазами та плавною зміною концентрації по висоті апарату. У таких екстракторах (на відміну від ступінчастих) рівновага між фазами перерізу апарата не досягається. Диференціально-контактні екстрактори компактніші за ступінчасті і займають меншу виробничу площу.

У гравітаційних екстракторах рух фаз відбувається внаслідок різниці їх густин. До гравітаційних екстракторів відносяться розпилювальні, насадкові та тарілчасті колони.

Мал. 7. Порожнисті (розпилювальні) колонні екстрактори: а - з розпорошенням важкої фази; б - з розпорошенням легкої фази; 1 – екстрактори; 2 - розбризкувачі; 3 – гідрозатвори; 4-поверхні розділу фаз.

Найбільш простими за облаштуванням представниками гравітаційних екстракторів є розпилювальні колони (рис. 7). Важливою перевагою розпилювальних екстракторів є можливість обробки в них забруднених рідин. Іноді ці апарати застосовують для екстрагування пульп.

Досить широкого поширення в промисловості набули насадкові екстрактори (рис. 8), які за конструкцією аналогічні насадковим абсорберам.

Мал. 8. Насадковий екстрактор: 1 – насадка; 2 – розподільник; 3 – відстійники; 4 - гідрозатвор; 5 - поверхня поділу фаз.

Як насадка 1 часто використовують кільця Рашига, а також і насадки інших типів. Насадку розташовують на опорних решітках секціями між якими відбувається перемішування фаз. Одну з фаз (рис. 8 - екстрагент) диспергують за допомогою розподільного пристрою 2 в потоці суцільної фази (вихідний розчин). У шарі насадки краплі можуть багаторазово коалесцировать і потім дробитися, що підвищує ефективність процесу. Дуже важливим є вибір матеріалу насадки. Вона повинна переважно змочуватися суцільною фазою, оскільки при цьому усувається можливість небажаної коалесценції крапель і утворення поверхні насадки плівки, що призводить до різкого зниження поверхні контакту фаз. Зазначимо, що керамічна та фарфорова насадки краще змочуються водною фазою, ніж органічною, а пластмасова насадка зазвичай краще змочується органічною фазою. Поділ фаз у насадкових колонах відбувається у відстійних зонах 3, часто мають більший діаметр, ніж діаметр екстрактора, для кращої сепарації фаз.

До механічних екстракторів відносяться диференціально-контактні екстрактори з підведенням зовнішньої енергії контактуючі фази.

Одним із поширених у техніці механічних екстракторів є роторно-дисковий екстрактор. Роторні екстрактори розрізняються в основному конструкцією пристроїв, що перемішують. Так, замість гладких дисків застосовують різного виду мішалки, іноді секції заповнюють насадкою тощо. До основних переваг роторних екстракторів відносяться висока ефективність масопереносу, мала чутливість до твердих домішок у фазах, можливість створення апаратів великої одиничної потужності та ін.

Разом про те роторним екстракторам властивий серйозний недолік - про масштабний ефект, тобто. суттєве збільшення ВЕП із збільшенням діаметра апарату. Причина цього явища полягає в нерівномірності поля швидкостей по висоті та поперечному перерізу апарату, утворенні застійних зон, байпасуванні, що сприяють посиленню поздовжнього перемішування та порушення рівномірної структури потоків в апараті.

Ефективність процесу масопереносу під час екстракції можна підвищити за рахунок пульсації фаз. У пульсаційних екстракторах застосовують два основних способи сполучення пульсацій рідин. За першим способом пульсації в колонному екстракторі генеруються зовнішнім механізмом (пульсатором) гідравлічно, по другому - за допомогою вібрації перфорованих тарілок, укріплених на загальному штоку, який повідомляє зворотно-поступальний рух.

Застосування пульсацій у процесі екстракції сприяє кращому диспергуванню рідини, інтенсивному оновленню поверхні контакту фаз, збільшенню часу перебування рідини, що диспергується в екстракторі. Найбільшого поширення в техніці набули ситчасті тарілчасті та насадкові пульсаційні екстрактори.

Пульсаційний екстрактор (рис. 9) являє собою колону з ситчастими тарілками без патрубків для перетікання суцільної фази. У колоні за допомогою спеціального механізму (пульсатора) рідини повідомляються пульсації - коливання невеликої амплітуди (10-25 мм) та певної частоти. Як пульсатор найчастіше використовують безклапанний поршневий насос, що приєднується до днища колони (рис. 9, а) або лінії подачі легкої рідини (рис. 9, б). При повідомленні рідини пульсацій відбувається тонке багаторазове диспергування однієї з фаз, що обумовлює інтенсивну масопередачу. Крім ситчастих екстракторів застосовуються також насадкові пульсаційні колони.

Ефективний спосіб інтенсифікації процесу екстракції шляхом повідомлення рідини пульсацій може бути використаний також екстракційних апаратах інших типів.

Для надійного відокремлення механізму пульсатора від робочого середовища при обробці хімічно агресивних та радіоактивних речовин застосовують мембрану (рис. 9, в), сильфон (рис. 9, г) або пневматичний пристрій (рис. 9, д). В останньому випадку між поршнем пульсатора та колоною поміщають буферний шар повітря, який поперемінно розширюється та стискається, повідомляючи коливання рідини в колоні.

Мал. 9. Пульсаційні ситчасті екстрактори (А – важка фаза, В – легка фаза): а – пульсатор приєднаний до днища колони; б - пульсатор приєднаний до трубопроводу для легкої подачі рідини; в – пульсації передаються через мембрану; г - пульсації передаються через сильфон; д – пульсації передаються через буферний шар повітря (повітряну подушку).

Пульсаційні екстрактори високоефективні дозволяють проводити екстракцію без контакту обслуговуючого персоналу з оброблюваними рідинами, що дуже важливо, якщо рідини радіоактивні або токсичні.

У світовій практиці застосовуються ситчасті колонки пульсаційні діаметром до 3 м і насадкові діаметром до 2 м.

До недоліків пульсаційних колон відносяться великі динамічні навантаження на фундамент, підвищені експлуатаційні витрати, труднощі обробки систем, що легко емульгуються.

Розрахункова частина

Завдання 1. Розрахунок необхідної витрати екстрагента в безперервно чинному протиточному екстракторі типу «змішувач - відстійник».

Визначити: об'ємну (V Е, м 3 /с) та масову (G, кг/с) витрату екстрагента.

Складаємо рівняння матеріального балансу екстракції:

Визначення об'ємних витрат екстрагента:

3. Визначення масової витрати екстрагента:

Завдання 2. Розрахунок необхідного числа ступенів екстракції при вилученні з розчину Молібдену 0,3 М розчином Д2ЕГФК.

5. Розрахунок необхідного теоретичного числа ступенів екстракції:

Результат округляється до цілих у бік.

(Сходів)

Завдання 3. Розрахунок ефективності процесу екстрагування солі Ме (в екстракторі типу «змішувач – відстійник»).

Об'ємна витрата екстрагента
Діаметр 6-ти лопатевої турбінної мішалки
Швидкість обертання мішалки
В'язкість водного розчину
В'язкість екстрагента
Міжфазний натяг
Коефіцієнт розподілу
Об'єм екстрагента
Затримка екстрагента в екстракторі
Функція потужності мішалки
Щільність екстрагента
Щільність водного розчину

Визначити ефективність екстракції.

Визначення щільності суміші:

Розрахунок діаметра крапель:

м

Розрахунок середньої тривалості контакту фаз:

з

Розрахунок ефективності екстракції:

Очищення стічних вод

Прикладом екстракційного очищення стічних вод може бути очищення від фенолів у коксохімічній, сланцепереробній та вуглепереробній промисловості; від аніліну; від оцтової кислоти; від епіхлоргідрину в хімічній промисловості органічними розчинниками (бензол, прості та складні ефіри).

При екстракційному очищенні фенольних стічних вод як екстрагент застосовують бутилацетат, діізопропіловий ефір, бензол та ін. Для підвищення ефективності вилучення фенолів запропоновано використовувати змішані розчинники: бутилацетат у суміші з бутиловим спиртом, з діізопропіловим ефіром та ін з ізобутилацетатом (феносольван), що володіють високою здатністю екстрагувати по відношенню до фенолів.

Установки для екстракційного очищення стічних вод від фенолів включають чотири відділення: 1) підготовки фенольних стічних вод до екстракції - виділення смол відстоюванням та фільтрацією, охолодження стічної води, уловлювання парів розчинника та, у разі необхідності, карбонізація; 2) екстракції; 3) регенерації екстрагента із води; 4) регенерації розчинника з екстракту та отримання товарних фенолів.

Для екстракційної очистки стічних вод коксохімічних заводів можуть бути застосовані різні розчинники (бензол, складні ефіри, поглинальна олія та ін), проте найбільшого поширення знайшов бензол, що отримується при коксуванні вугілля. У зв'язку з тим, що коефіцієнт розподілу бензолу стосовно фенолу невеликий (близько 2,2 при 20 °С), використовуються значні обсяги бензолу і концентрація фенолів в екстракті мала. Тому для регенерації бензолу не застосовують дистиляційні методи, а метод абсорбції водним розчином лугу (бензол-фенолятний метод).

Бензол-фенолятний метод очищення включає наступні стадії: 1) знесмольування води відстоюванням, фільтруванням та промиванням циркулюючим бензолом; 2) екстракція фенолів із стічної води бензолом; 3) очищення бензолу від розчинних у ньому кислих газів промиванням лужно-фенолятним розчином; 4) екстракція фенолів із бензолу лужним розчином; 5) виділення розчиненого бензолу з обесфеноленної стічної води. Отримані розчини фенолятів після попереднього випаровування направляють на переробку.

На деяких коксохімічних заводах як екстрагенти використовують бутилацетат, феносольван, кам'яновугільна олія та ін.

Екстракційні методи знефенолювання стічних вод мають великі переваги: ​​високою ефективністю очищення, можливістю вилучення нелетких фенолів та ін.

Висновок

Основною перевагою процесу екстракції порівняно з іншими процесами поділу рідких сумішей (ректифікацією, випарюванням та ін.) є низька робоча температура процесу, який проводиться найчастіше за нормальної (кімнатної) температури. При цьому відпадає потреба у витратах тепла на випаровування розчину. Разом з тим застосування додаткового компонента - екстрагента та необхідність його регенерації призводить до деякого ускладнення апаратурного оформлення та подорожчання процесу екстракції.

При вилученні летких речовин екстракція може успішно конкурувати з ректифікацією в тих випадках, коли поділ ректифікацією або утруднений, а іноді і практично неможливий (розподіл сумішей, що складаються з близькокиплячих компонентів і азеотропних сумішей), або пов'язаний з надмірно високими витратами (витяг цінних шкідливих) речовин із сильно розведених розчинів).

Екстракція незамінна для поділу сумішей речовин, чутливих до підвищених температур, наприклад, антибіотиків, які можуть розкладатися при розділенні їх ректифікацією або випарюванням. Застосування екстракції часто дозволяє ефективно замінювати такі процеси, як поділ висококиплячих речовин з використанням глибокого вакууму, наприклад, молекулярною дистиляцією, або поділ сумішей методом фракціонованої кристалізації.

Дуже перспективне застосування екстракції для поділу сумішей неорганічних речовин, коли інші способи поділу не застосовуються. Процеси рідинної екстракції в даний час успішно використовуються для переробки ядерного пального, отримання цирконію та гафнію та багатьох інших рідкісних металів. За допомогою екстракції можна отримувати високочисті кольорові та благородні метали.

У ряді випадків значний ефект досягається при поєднанні екстракції з іншими поділовими процесами. Прикладами подібних комбінованих процесів є: поділ близькокиплячих та азеотропних сумішей за допомогою екстрактивної ректифікації, попереднє концентрування розведених розчинів за допомогою екстракції перед випарюванням та ректифікацією, які проводяться при цьому з меншою витратою тепла.

Список літератури

1. Айнштейн В.Г. Загальний курс процесів та апаратів хімічної технології. - М: Хімія, 2002 р. - 1758 стор.

Дитнерський Ю.І. Процеси та апарати хімічної технології. Ч.2. - М: Хімія, 2002 р. - 368 стор.

Зюлковський З. Рідинна екстракція у хімічній промисловості. - Л.; Держхімвидав, 1963 р. - 479 стор.

Карпачова С.М., Захаров Є.І. Пульсуючі екстрактори. - М.: Атоміздат, 1964 р. - 299 стор.

Касаткіна А.Г. Основні процеси та апарати хімічної технології. - М: Хімія, 1973 р. - 750 стор.

Леонов С.Б. Гідрометалургія. Ч. 2. Виділення металів із розчинів та питання екології. - 2000 р. - 491 стор.

Меретуков М.А. Процеси рідинної екстракції та іонообмінної сорбції у кольоровій металургії. - М: Металургія, 1978 р. - 120 стор.

Плановський О.М., Рам В.М. Процеси та апарати хімічної технології. - М., вид-во Хімія, 1966 - 848 стор.

Проскуряков В.А. Шмідт Л.І Очищення стічних вод у хімічній промисловості. - Л. Хімія, 1977 р. - 464 стор.

Ягодін Г.А., Каган С.З. Основи рідинної екстракції. - М: Хімія, 1981 р. - 400 стор.

Мета роботи:Придбання навичок розрахунку процесів та апаратів для екстракційного очищення стічних вод.

Вступна частина.

Екстракція – це вибіркове вилучення компонента з рідини (рафінаду) за допомогою рідкого розчинника (екстрагенту). Фазу, яка збагачується речовиною забруднювача, називають екстрагентом до контакту, і екстрактом після контакту.

Однією з умов процесу екстракції є взаємна нерозчинність та достатня різниця щільностей фаз (рафінаду та екстрагента).

Рідина екстракція складається з низки технологічних операцій:

Контактування рідини, що очищається, з екстрагентом;

Перенесення компонента з однієї фази до іншої;

Поділу фаз;

Регенерація екстрагента.

Екстрактори бувають горизонтальні та вертикальні, безперервні та періодичні, одноступінчасті та багатоступінчасті, перехресноточні та протиточні, з підведенням механічної енергії (для контакту фаз) і без підведення механічної енергії тощо.

Найпростішим типом екстрактора є вертикальна розпилювальна колона з безперервним контактом фаз (рисунок 2.1). У порожнисту вертикальну циліндричну колону зверху подається стічна вода, знизу за допомогою диспергатора розпорошується (у вигляді крапель) екстрагент, щільність якого менша за щільність води. Протиточне рух фаз забезпечується силою тяжкості, тобто. відмінністю щільності фаз (рушійна сила). Краплі, що утворилися, проходять робочу зону, витягують забруднювальну речовину і збираються у верхньому відстійнику.

Виведення легкої фази з верхньої відстійної зони не викликає труднощів, надлишок рідини зливається через патрубок. Виведення важкої фази вимагає спеціального регулювання, інакше з нижньої частини може вилитися вся рідина. Найбільш простим пристроєм є флорентійська судина, принцип роботи якого заснований на врівноважуванні стовпів рідин (що повідомляють судини), що виводяться потоками легкої та важкої фаз

Вимоги до екстрагента:

Мінімальна взаємна розчинність із рафінадом;

Висока вибірковість;

Високий коефіцієнт розподілу та велика ємність;

Достатня відмінність густини в порівнянні з рафінадом;

Доступність, дешевизна, легкість регенерації;

Чи не токсичність, вибухобезпека, мінімальні корозійні дії.

Екстракція є ефективною при високому вмісті у виробничих стічних водах розчинених органічних речовин, що становлять технічну цінність. Найбільш широко застосовується для очищення стічних вод підприємств із термічної обробки твердих палив (вугілля, сланців, торфу), що містять значну кількість фенолів.

Методика розрахунку

1. Фактор екстракції:

де С вх і С вих – вхідна та необхідна вихідна (ГДК) концентрація забруднюючої речовини у стічній воді.

2. Об'ємна витрата екстрагента:

, м 3 /год (2.2)

де Q СВ - витрата стічної води, м3/год;

m – коефіцієнт розподілу.

3. Концентрація вилученої речовини в екстракті (при вихідному чистому екстрагенті):

, мг/л. (2.3)

4. Необхідний ступінь екстракції:

. (2.4)

5. Поперечний переріз апарату:

, м 2 (2.5)

де w - Швидкість потоку, м / с. У розрахунках w=0,02 м/с.

6. Діаметр колони:

, М. (2.6)

7. Висота колони: H = (5-7) D, м. (2.7)

8. Висота виведення ТФ (з рівняння сполучених судин):

, м, (2.8)

де і - щільності ЛФ та ТФ (води), =1000 кг/м3;

і - Висоти ЛФ і ТФ (рисунок 2.1). Приймаючи, що
, можна задати або (наприклад, =H/7) та розрахувати висоту виведення ТФ.

Таблиця 2.1 – Вихідні дані (варіанти).