Lektsia_15_Extraktsia_Lektsia_1

9

Лекция №15

Лекция №1 Жидкостная экстракция.

Введение.

Извлечение одного или нескольких компонентов из одной жидкой фазы другой практически не растворимой или частично растворимой с первой.

Процесс используется для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов. Но главное, экстракцию следует рассматривать, наряду с ректификацией, как один из основных способов разделения жидких однородных смесей.

В большинстве случаев экстракция используется в сочетании с ректификацией (см. рис.1.1)

Рис.1.1. Принципиальная схема сочетания процессов экстракции и ректификации: 1 – экстрактор; 2 – ректификационная колонна.

Суть процесса экстракции на примере ящичного смесительно-отстойного экстрактора (рис.2.1)

Процесс экстракции в ящичном экстракторе представляет собой массообменный процесс на фоне 3х гидромеханических явлений: диспергирования, отстаивания и коалесценции.

Рис.2.1. Принципиальная схема ящичного экстрактора: 1 – зона смешения; 2 – зона расслаивания; 3 – турбинная мешалка.

В зоне смешения происходит интенсивное смешение обеих фаз (легкой и тяжелой) с образованием эмульсии. Дисперсной фазой является фаза, объемный расход которой меньше. Здесь же идет интенсивный процесс массообмена, отличающийся высокими значениями пропускной способности поверхностной стадии переноса, . Эмульсия далее поступает на разделение в зону расслаивания – идут одновременно процессы осаждения дисперсной фазы, коалесценция (укрупнение) капель дисперсной фазы и слияние дисперсной фазы в сплошную фазу, как крайнее проявление явления коалесценции.

Размеры зоны расслаивания много больше размеров зоны смешения. Эта разница между размерами зон растет с ростом устойчивости эмульсии.

По одной из классификаций экстракционные аппараты подразделяются на горизонтальные и вертикальные.

Ящичные экстракторы по этой классификации относятся к горизонтальным. Комбинация из нескольких одноступенчатых ящичных экстракторов образует n – ступенчатый ящичный экстрактор. На рисунке представлена схема 3 – ступенчатого экстрактора такого типа с противотоком легкой и тяжелой фаз.

Рис. Схема трехступенчатого ящичного смесительно - отстойного экстрактора в режиме противотока (вид сверху): 1- турбинная мешалка; 2 – зона рсслаивания; 3 – зона смешения.

Горизонтальные экстракторы занимают большую производственную площадь, но малую высоту помещения.

Вертикальные экстракторы занимают, напротив, малую производственную площадь, но требуют высоких помещений.

На рисунке представлена схема одного из таких аппаратов, а именно, аппарата с подводом внешней энергии (так же как и ящичный экстрактор): роторно – дискового экстрактора.

Роторно-дисковый экстрактор представляет собой каскад нечетко разделенных контактных ступеней, через которые противотоком движутся потоки рафината и экстракта в виде сплошной и дисперсной фаз. КПД ступени такого экстракторы существенно уступает КПД ящичного аппарата в силу ряда причин.

Рис. Роторно-дисковый экстрактор при работе с верхним положением границы раздела фаз: 1 –корпус; 2 – кольцевые перегородки; 3 – вал; 4 – диски; 5 – распределитель дисперсной фазы.

Смотреть рисунки по учебнику Айнштейна:

№ 13.1, стр. 1109; № 13.2, стр. 1110; №13.6, стр. 1114; №13.8, стр 1116.

Основные требования к экстрагенту:

- минимальная взаимная растворимость к экстрагенту;

- высокая селективность, т.е. способность извлекать из смеси преимущественно целевой компонент;

- высокий коэффициент распределения в пользу экстрагента.

Основные способы экстракции.

Таковыми являются: однократная экстракция, порционная экстракция (экстракция в перекрестном токе) и противоточная экстракция.

Традиционно последовательный анализ указанных способов жидкостной экстракции рассматривают отдельно для случаев: а) взаимной нерастворимости разбавителя и экстрагента и

б) их частичной взаимной растворимости.

Случай взаимной нерастворимости разбавителя и экстрагента .

Равновесие в процессах экстракции при условии взаимной нерастворимости разбавителя и экстрагента.

R = const

Рис.3.1. Диаграмма фазового равновесия при m = const и .

В области малых концентраций справедлив закон распределения , где – коэффициент распределения, Y и X - относительные массовые доли переходящего вещества в фазах экстракта и рафината.

В общем случае m Тогда равновесие описывается кривой в прямоугольных координатах (см. рис.3.1)

Анализ однократной экстракции при m = const . Массоперенос при идеальном контакте фаз (предполагается, что пропускная способность поверхностной стадии переноса вещества велика по сравнению с пропускной способностью потоковой стадии процесса; для процесса экстракции это: ). Степень извлечения η.

Схема процесса однократной экстракции представлена на рис.4.1.

Рис.4.1. Однократная экстракция.

Здесь L - массовый расход разбавителя, X – относительная массовая доля вещества в фазе исходного раствора и рафината; D - массовый расход экстрагента, Y – относительная массовая доля вещества в фазе экстрагента и экстракта.

Уравнение материального баланса по веществу при условии .

, откуда , или . Уравнение материального баланса по веществу при условии .

, откуда или, с учетом того, что , получим

.

Степень извлечения есть отношение извлеченной массы вещества в процессе экстракции к массе вещества, вошедшей в экстрактор

.

Согласно последнего уравнения степень извлечения будет стремиться к 1 при возрастании расхода экстрагента

, где есть фактор экстракции (массопепедачи)

Для оценки эффективности реального контакта фаз вводится понятия коэффициента полезного действия ступени, так например, согласно рисунку имеем

. Зная , можно рассчитать конечную действительную концентрацию рафината и действительную степень разделения.

Рис. К определению КПД ступени.

Анализ процесса порционной экстракции (в перекрестном токе экстрагента) при и .

Рис. Принципиальная схема порционной экстракции и графическая интерпретация процесса в диаграмме “Y – X”.

Здесь поток рафината последовательно проходит через все экстракционные ячейки. Общий поток экстрагента разбивается на n порций. Каждая из этих порций имеет отношение только к одной экстракционной ячейке.

Составляют уравнение материального баланса для первой ступени по переходящему веществу

, откуда или, с учетом того, что , получают

.

Аналогично для второй ступени

, или ;

Для третьей

Для любой ступени

.

Оптимизация потоков экстрагента по ступеням при порционной экстракции для и .

Задача легко решается на примере 2 х ступенчатой схемы (см. рисунок)

Рис. Схема порционной экстракции при n =2.

Цель анализа в установлении такой величины d₁ при которой массообмен происходит с наибольшей полнотой (минимальном значении конечной концентрации рафината при известном значении общего расхода экстрагента.

Выше было получено выражение для второй ступени в виде

. Заменяя d₂ через D-d₁, получают

.

Числитель последнего уравнения не зависит от d₁. Знаменатель (Zn) состоит из двух сомножителей. Согласно первому сомножителю в Zn рост d₁ вызывает уменьшение X₂, а согласно 2 му - увеличение X₂. Значит функция может иметь экстремум. Для проверки его существования и определения d₁ в точке экстремума надо взять производную знаменателя и приравнять ее нулю

Откуда следует, что

Анализ типа экстремума (приравнивание второй производной нулю) показывает, что в точке экстремума Zn проходит через максимум. Значит при минимальна.

Степень извлечения при проведении процесса порционной экстракции ( ,, d₁ = d₂ = d₃ = …= d_n = d = D/n).

Если тогда d₁ = d₂ = d₃ = …= d_n = d = D/n, тогда

.

Принимая, что , получим

, где .

Найдем предельное значение состава рафината на выходе из последней ячейки порционной экстракции при неограниченном стремлении числа ячеек к бесконечности.

, так как - есть замечательный предел, основание натурального логарифма.

Степень извлечения при порционной экстракции может быть рассчитана по формуле

. (1)

Найдем предельное значение степени извлечения при порционной экстракции

, или раскрывая значение c, получим

. (2)

Графическая интерпретация полученных результатов анализа представлена на рисунке. Видно, что степень извлечения при порционной экстракции для конечного числа ступеней асимптотически приближается к ее максимальному значению. При n = 4 – 6 степень извлечения при конечном n становится очень близкой к максимальному значению.

Рис. Сопоставление степеней извлечения при порционной экстракции для конечного числа ступеней с максимально возможной степенью извлечении при бесконечно большом числе ступеней.