Экстракция

Экстракцией называют процесс извлечения одного или группы компонентов из твердой или жидкой смеси при помощи растворителя, избирательно растворяющего извлекаемые компоненты и не растворяющего или ограниченно растворяющего остальные компоненты.

В процессе экстракции получается раствор, содержащий извлеченное вещество (экстракт), и смесь оставшихся компонентов (рафинат).

В результате контакта растворителя с разделяемой смесью образующиеся две жидкие фазы или жидкая и твердая фазы, между которыми распределяется извлекаемое вещество.

Состояние равновесия фаз характеризуется законом равновесного распределения:

,

где и - соответственно концентрации извлекаемого вещества в образующих при экстракции фазах;

- коэффициент распределения, зависящий от природы компонентов системы, состава и температуры.

Значение определяют экспериментально, и для данной системы он является величиной постоянной.

Требования к растворителю:

1. избирательность;

2. растворяющая способность.

Растворяющая способность растворителя определяет полноту удаления экстрагируемого вещества: чем больше растворяющая способность, тем меньше расход растворителя.

Избирательность определяет четкость разделения.

Чем больше избирательность, тем выше четкость разделения (больше ).

Чем выше растворяющая способность, тем больше количество извлекаемых компонентов может быть в нем растворено и тем, следовательно, меньше расход растворителя.

Оба эти свойства зависят от температуры. При повышении температуры избирательность растворителя уменьшается, а его растворяющая способность увеличивается. При понижении - наоборот.

Необходимое условие экстракции смесь растворителя и разделяемое вещество образует двухфазную систему. Это достигается соответствующим выбором температуры экстракции и соотношения между количеством растворителя и разделяемой смеси.

При малом расходе растворителя он полностью растворяется в исходной смеси, образуя одну фазу. При большом расходе растворителя исходная смесь растворяется в растворителе, образуя одну фазу.

Рис.1. Кривая растворителя

Кривая растворимости устанавливает связь между температурой растворения и составом смеси растворителя и исходного сырья.

Многоступенчатая экстракция

а) перекрестная – заданное количество растворителя W₀ разделяется на отдельные части и т.д., каждая из которых используется для обработки сырья в первой, второй и последующих ступенях экстракции.

Экстрактные растворы W₁,W₂, и т.д. после каждой ступени экстракции выводятся из системы, а рафинатный раствор, образующийся в данной ступени, направляется для обработки новой порцией растворителя.

б) противоточная – контактирование в противотоке рафинатного и экстрактного растворов. Этот метод отличается меньшим расходом растворителя – и более четким разделением.

Схема ступенчатой противоточной экстракции.

Схема колонны для противоточной экстракции

Свойства треугольных диаграмм. Определение состава фаз

Изучение процесса экстракции удобно проводить с использованием треугольной диаграммы, на которой наглядно изображаются как трехкомпонентные, так и двухкомпонентные системы.

Рассмотрим способы выражения состава фаз с помощью треугольной диаграммы.

Треугольная диаграммы представляет собой равносторонний треугольник АВС, вершины А, В, и С которого принимаются за фигуративные точки чистых компонентов соответственно А, В, и С.

Любая точка, находящаяся на стороне треугольника, изображает двухкомпонентные смеси. (т. М; т.D – двойная смесь из компонентов С и В. Точка, находящаяся внутри треугольной диаграммы, изображает тройную систему, являющуюся смесью всех трех компонентов: А, В, С. (т.М).

Обозначим:

А; В; С; - фигуративные точки, а также количества компонентов А; В; и С соответственно, причем А и В являются компонентами сырья, С – растворителем.

а; в; с – концентрации компонентов А; В; и С в смеси;

Тогда очевидно следующие соотношения:

т.е. а+в+с=1.

Для определения состава любой системы, изображенной точкой N на треугольной диаграмме, используются два способа:

I. За единицу (или за 100%) принимается высота Н треугольника.

Из свойств равностороннего треугольника известно, что сумма длин перпендикуляров, опущенных из любой точки N внутри треугольника на его стороны есть величина постоянная, равная его высоте. Так как высота Н=1, то а+в+с=1, т.е. концентрация данного компонента определяется длиной перпендикуляра, опущенного из точки N на сторону, противоположную соответствующему компоненту.

II. За единицу (или за 100%) принимается сторона треугольника.

Через точку N проводим линии, параллельные сторонам треугольника.

Рассмотрим свойства треугольных диаграмм.

I. Если при смешении двух систем N₁ и N₂ получается новая система N₁, то фигуративные точки всех трех систем располагается на одной прямой, причем точка N находится между точками N₁ и N₂ на расстояниях, обратно пропорциональных количествам систем N₁ и N₂.

Под количеством системы понимается её масса, число киломолей или объем, в зависимости от того, в каких единицах измеряются концентрации – в массовых, молярных или объемных.

Доказательство.

Пусть в результате смешения системы N₁ состава а₂; в₂; с₂ образуется система N состава

а; в; с.

Материальный баланс смешения для системы в целом и по компонентам А и В будет:

N = N₁+N₂ (1)

N_a = N₁a₁ + N₂a₂ (2)

N_в = N₁в₁ + N₂в₂ (3)

Для третьего компонента уравнения писать не будем, так как его концентрация однозначно определяется из уравнения а+в+с=1.

Решая совместно уравнения получим:

(4)

Полученное уравнение показывает, что три точки N₁(a₁; в₁); N₂(a₂; в₂); N(а; в) лежат на одной прямой.

На основании теоремы о пропорциональности отрезков прямых, пересекаемых параллельными линиями, можно записать:

(5)

Последнее выражение подтверждает, что точка N смеси делит отрезок на части и обратно пропорциональные количествам N₁ и N₂ смешиваемых систем. Из уравнения (5) имеем:

(6)

Получаемое выражение показывает, что к фигуративным точкам N₁; N_2; N можно применить правило рычага.

Если опора рычага находится в точке N, то для уравнения моментов получим выражение (6). Если же считать, что опоры находятся в точке N₁ или N₂, то получим соответственно

II. Если при попарном смешении нескольких систем получается одна и та же (по количеству и составу) система N, то прямые, соединяющие точки попарно смешивающихся систем, пересекаются в одной общей точке N.

Согласно второму свойству для изображенного смешения систем можно записать:

P₁ + S₁ = P₂ + S₂ = N.

III. Если при попарном вычитании различных систем получается одна и та же (по количеству и составу) система F, то линии, соединяющие точки попарно вычитаемых систем, составляют пучок прямых с общим полюсом в точке F.

Для случая, представляемого на рисунке в соответствии с первым свойством можно записать:

P₁ + F = S₁ S₁-P₁=F

P₂ + F = S₂ или S₂-P₂=F

P₃ + F = S₃ S₃-P₃=F

Следовательно, S₁-P₁ = S₂-P₂ = S₃-P₃ = F.

При графическом расчете противоточной экстракции обычно полюс пучка прямых выходит за пределы треугольника. В таких случаях система, характеризуемая точкой F, является гипотетической системой с мнимым составом.

IV. Любая точка, лежащая на линии CD, характеризует постоянство соотношений количеств компонентов А и В.

Кривая равновесия фаз.

Расчеты процессов экстракции осуществляются с помощью биноидальной кривой равновесия системы сырье-растворитель.

Пусть имеется система М, состоящая из компонентов А и В. Для извлечения одного из компонентов выбирается растворитель С. Разделение при помощи экстракции возможно лишь при условии, что смесь растворителя и разделяемого вещества образует двухфазную (гетерогенную) систему. Согласно IV свойству треугольной диаграммы точка любой смеси М и С должна лежать на прямой МС. В имеющуюся систему, которая характеризуется т.М, добавили растворитель С. При небольшом расходе растворителя последний полностью растворяется в исходной смеси (участок М_n), образуются гомогенные смеси, т.е. исходное сырье растворяется в растворителе. Тронная система будет гетерогенной, т.е. будет распадаться на две фазы, в пределах участка nm. Система, характеризующаяся т.N будет расслаиваться на две равновесные фазы P и W. Положение точек P и W на треугольной диаграмме установятся, если опытным путем определить составы этих равновесных фаз.

Прямая, соединяющая равновесные фазы, называется нодой или линией сопряжения (PW).

Согласно I свойству треугольных диаграмм точки N; P; и W должны лежать на одной прямой.

Если удалить из фазы W находящийся в ней растворитель С, получим продукт E, называемый остатком или рафинатом, с большим содержанием компонента А, чем в исходном сырье.

Изменяя состав исходного сырья М, опытным путем получают для той же температуры еще ряд сопряженных точек и соответственно нод. Соединив плавными кривыми точки одноименных фаз, получают две ветви ( и ) кривой растворимости, которая называется биноидальной кривой равновесия тройной системы. Биноидальная кривая определяет область существования гетерогенной системы при определенной температуре, поэтому иногда её называют изотермой растворимости.

Как видно из рисунка, по мере удаления от стороны АС длина нод уменьшается, точки сопряженных фаз сближаются. В точке К точки равновесных фаз совпадают. К – критическая точка смешения.

При изменении температуры Биноидальная кривая будет менять свое положение, т.к. изменяется растворимость. В большинстве случаев взаимная растворимость компонентов повышается с увеличением температуры и область существования гетерогенных двухфазных систем уменьшается.

При t_кр компоненты, входящие в состав данной системы, полностью взаимно растворяющихся друг в друге, образуя гомогенный раствор.

Основные методы осуществления экстракции и их расчет.

Различают следующие методы экстракции:

1. однократная

2. многократная

3. противоточная

При однократной экстракции исходная разделяемая смесь P₀ в один прием обрабатывается всем заданным количеством растворителя W₀, а затем образующиеся в результате контакта рафинатная P₁ и экстрактная W₁ фазы разделяются и отводятся.

Для расчета однократной экстракции графическим методом должны быть заданы:

1. удельный расход растворителя ;

2. количество образующихся рафинатного и экстрактного растворов P₁;W₁,

3. содержание в них растворителя x₁ и y₁;

4. выход рафината R₁ и его состав;

5. выход рафината E₁ и его состав.

Соединим точку М с точкой С. Согласно IV свойству треугольных диаграмм прямая СМ характеризует постоянство соотношения компонентов А и В

Количество растворителя для экстракции должно быть выбрано с таким расчетом, чтобы точка L, выражающая состав смеси сырья с растворителем, была рассоложена на отрезке прямой NK, т.к. это будет характеризовать гетерогенную систему.

Если растворителя будет добавлено небольшое количество, (т.L окажется на прямой МК), то такая смесь образует однофазную систему (растворитель растворяется в исходном сырье).

Если растворитель будет взят в большом количестве (т.L ляжет на отрезок NC), то исходное сырье растворится в растворителе и система будет вновь однофазной.

Таким образом, расход растворителя должен быть выбран из следующего соотношения:

Допустим, что выбран такой расход растворителя, что его смесь с сырьем характеризуется точкой L.

В этом случае удельный расход растворителя определится из соотношения:

Гетерогенная система, характеризуемая точкой L, расслаивается на две равновесные фазы, состав которых можно определить по ноде, проходящей через т.L.

Точки P₁ и W₁ характеризуют соответственно рафинатный и экстрактный растворы, полученные в результате однократной экстракции, при выбранном расходе растворителя.

Количество образующихся рафинатного и экстрактного растворов определяется по правилу рычага:

;

Выход рафинатного и экстрактного растворов находят исходя из вышенаписанного соотношения и уравнения материального баланса экстракции:

.

Концентрация растворителя в рафинатном x₁ и экстрактном y₁ растворах определяется высотой перпендикуляра, опущенного из точек P₁ и W₁ на основание треугольника АВ.

Выход рафината и экстракта после отгонки растворителя:

Состав рафината и экстракта, полученных при экстракции с данным расходом растворителя определяется соответственно точками R₁ и E₁, лежащими в месте пересечения прямых CP₁ и CW₁ с основанием треугольника АВ.

Итак, в результате однократной экстракции при выбранном расходе растворителя исходное сырье (М) разделено на рафинат (R₁) и экстракт (Е₁).

Если взять другой расход растворителя, то получим другие результаты.

Сопоставляя ряд вариантов расчета однократной экстракции при различных расходах растворителя, выбираются оптимальные условия экстракции.

III. Противоточная экстракция характеризуется многократным контактированием в противотоке рафинатного и экстрактного растворов. Противоточный метод может быть осуществлен ступенчато с использованием смесителя для контактирования и отстойника для разделения образующихся фаз или непрерывно – в аппарате колонного типа с насадкой или тарелками специального типа.

Схема ступенчатой противоточной экстракции.

Схема колонны для противоточной экстракции

Расчет многоступенчатой противоточной экстракции рассмотрим на примере трехступенчатого процесса.

Сырье в количестве Р₀ поступает в первую ступень экстракции; образующийся при этом рафинатный раствор Р₁ направляется на вторую ступень, а затем в количестве Р₂ на третью ступень; с этой ступени в данном случае получается конечный рафинатный раствор.

В противоток с рафинатным раствором движутся исходный растворитель и соответствующие экстрактные растворы. Так, на третью ступень экстракции поступает растворитель W₀, получаемый с этой ступени экстрактный раствор W₃ переходит во вторую ступень, где вступает в контакт с рафинатным раствором Р₁; образующийся на второй ступени экстрактный раствор W₂ направляется на первую и т.д.

Обозначим:

x_i – содержание растворителя в рафинатной фазе;

y_i – содержание растворителя в экстрактной фазе.

Для графического метода расчета противоточной экстракции должно быть известно:

1. биноидальная кривая с нодами, т.е. известна точка пересечения нод (полюс Q).

2. состав сырья (точка М)

3. состав или качество рафината R₃ или экстракта E₁

Запишем уравнение материального баланса для каждой ступени экстракции:

I ступень: P₀ + W₂ = P₁ + W₁; откуда W₁ – P₀ = W₂ - P₁

II ступень: P₁ + W₃ = P₂ + W₂ W₂ – P₁ = W₃ – P₂

III ступень: P₂ + W₀ = P₃ + W₃ W₃ – P₂ = W₀ – P₃

По всем ступеням экстракции:

P₀ + W₀ = P₃ + W₁ W₀ – P₃ = W₁ – P₀

Поиск по сайту: