Экстрагирование

где – экстракционный фактор;  .

Рассмотрим процесс одноступенчатой  экстракции на треугольной и прямоугольной  диаграммах (рис. 5, б, в). При перемешивании исходного раствора с экстрагентом образуется тройная смесь, состав которой характеризует точка N, расположенная на линии смешения FE. После расслаивания этой смеси образуются экстракт и рафинат, состав которых определяются точками R и Э, лежащими на хорде равновесия, проходящей через точку N. Модуль экстрагента определяется по правилу рычага: .

Количество рафината , а количество экстракта .

Состав рафината определяет точка , а экстракта – точка на стороне треугольника LM.

Экстремальные значения модулей  экстрагента определяют точки и на бинодальной кривой: и .

При взаимной нерастворимости  исходного раствора и экстрагента на диаграмме процесс экстракции изображается прямой линией АВ, для построения которой из точки проводят линию под углом до пересечения с линией равновесия в точке В, координаты которой выражают составы получаемых экстракта и рафината , и соединяют точку В с точкой А (), характеризующей концентрацию экстрагируемого компонентра в исходной смеси F.

Модуль экстрагента для получения рафината с заданной концентрацией

.

Чем больше модуль экстрагента, тем меньше тангенс угла наклона и концентрации экстрагируемого компонента в рафинате и экстракте: и . Однако с увеличением модуля экстрагента возрастает стоимость его регенерации. Оптимальными значениями экстракционного фактора являются 1,2<<2. [3]

Многоступенчатая экстракция проводится в многосекционных экстракторах или экстракционных установках, в  которых каждый агрегат представляет самостоятельную установку. Многоступенчатая экстракция может проводиться с противотоком экстрагента, при перекрестном токе исходного раствора и экстрагента или комбинированным способом при наличии нескольких экстрагентов.

Противоточная экстракция может  осуществляться по различным схемам. Например, в распылительных, насадочных и тарельчатых экстракторах состав обеих фаз  меняется непрерывно по длине аппарата. В других экстракторах или установках состав обеих или  одной фазы меняется скачкообразно  при переходе от секции к секции.

В многосекционных противоточных  установках (рис.6, а) исходный раствор F и экстрагент E поступают с противоточных концов установки. Экстракт с концентрацией экстрагируемого компонента, близок к насыщению, взаимодействует в первой ступени с исходным раствором F концентрацией . После разделения тройной смеси в первой ступени получают экстракт концентрацией и рафинат концентрацией . Рафинат состава во второй ступени взаимодействует с экстрактом состава . После разделения получают рафинат состава и эстракт состава . В последней n-й ступени обедненный экстрагируемым компонентом рафинат концентрацией взаимодействует со свежим экстрагентом Е концентрацией , близкой к нулю. В результате разделения на выходе из установки получают очищенный раствор.

Рисунок 6 – Схема многоступенчатой противоточной экстракции (а) и изображение процесса в координатах (б) и на треугольной диаграмме (в)

 

Изобразим процесс многоступенчатой противоточной экстракции в диаграмме  (рис. 6, б). Для этого нужно составить уравнение рабочей линии процесса.

Материальный баланс для  всей установки по экстрагируемому  компоненту, пренебрегая взаимной растворимостью раствора и экстрагента, запишем в концентрациях, отнесенных к 1 кг экстрагента:

,

а для одной (n-1)-й секции

.

Отсюда получим уравнение  рабочей линии противоточного процесса

,

которое является уравнением прямой с тангенсом угла наклона

.

Число ступеней контакта определяется количеством ступеней, вписанных  между рабочей и равновесной  линиями, начиная от точки А() и до точки В().

Положение кинетической линии  определяется коэффициентом извлечения и гидродинамической обстановкой  в аппарате.

Процесс на треугольной диаграмме  представлен на рис. 6, в.

В первой секции экстракционной установки на ходу исходного раствора последней F взаимодействует с экстрактом с предыдущей второй ступени с образованием  тройной смеси точки , после разделения которой в сепараторе получают экстракт и рафинат в общем случае неравновесного состава.

Во второй ступени рафинат взаимодействует с экстрактом из третьей ступени , образуя тройную смесь , которая разделяется на и .

Соединив две точки, соответствующие  составам фаз на входе и выходе из каждой секции, линиями и т. д. и продолжив их, получим точку пересечения Р.

Аналогичные процессы происходят и в остальных секциях экстрактора. В результате исходный раствор обедняется экстрагируемым компонентом и выходит  из последней n-й секции концентрацией , а экстрагент насыщается компонентом до конечной концентрации .

Экстракция с перекрестным потолком экстрагента может осуществляться в нескольких секциях непрерывно (рис.7, а) либо в одной секции периодически (рис.7, б).

При непрерывном проведении процесса исходный раствор F вводится в первую секцию, в которой обрабатывается экстрагентом Е, после разделения получают  рафинат и экстракт . Рафинат вводится во вторую секцию, в которой вновь обрабатывается свежим экстрагентом Е. экстракты и выводятся из установки, а рафинат состава поступает в следующую секцию, где вновь процесс повторяется. В результате получают рафинат заданного состава и экстракт переменного состава .

а – непрерывного действия; б – периодического действия

Рисунок 7 –  Схема многоступенчатой экстракции при перекрестном токе в многоступенчатой установке

Рисунок 8 – Изображение процесса многоступенчатой экстракции с перекрестным током экстрагента в треугольной диаграмме (а) и в координатах (б)

Процесс многократной непрерывной  экстракции представлен на рис. 8. Образующаяся тройная смесь после смешивания исходного раствора и экстрагента (точка) разделяется в первой секции на рафинат и экстракт . Во второй секции рафинат состава смешивается со свежим экстрагентом E. Тройная смесь (точка на линии ) расслаивается на рафинат и экстракт . Далее рафинат поступает в следующие секции для извлечения экстрагируемого компонента до заданной концентрации. Очищенный раствор с концентрацией экстрагируемого компонента выходит из последней секции установки и поступает на следующую станцию технологического процесса. Экстракт регенерируется либо поступает на утилизацию в качестве сточных вод.

Процесс в каждой секции при непрерывной экстракции в  многосекционной установке или  односекционной при добавлении свежих порций экстрагента концентрацией , при условии полной взаимной нерастворимости исходного раствора и экстрагента представляется рабочими линиями, проведенными под углом , тангенс которого определяется экстракционным модулем.

Многоступенчатая противоточная  экстракция является более эффективным  процессом, чем экстракция в перекрестном токе. При противоточной экстракции достигается более высокая средняя  движущая сила процесса. За счет выравнивания движущей силы в начале и конце  установки происходит более полное извлечение компонента из раствора, при этом снижается экстракционный модуль по сравнению с экстракцией в перекрестном токе, однако увеличивается требуемое число ступеней контакта для достижения одинаковой степени очистки.[2]

 

 

2 Описание и анализ аппаратов проектируемого процесса

 

Эффективность массопередачи в процессах экстракции пропорциональна площади массообменной поверхности и средней движущей силе процесса. С целью увеличения площади массообменной поверхности в экстракторах одна из жидких фаз диспергируется и распределяется в другой в виде капель. Процесс массопередачи протекает между дисперсионной и сплошной фазами. Для проведения процесса с наибольшей движущей силой в экстракторах организуют взаимодействие потоков в условиях, приближающихся к идеальному вытеснению. Это достигается проведением процесса в тонком слое в насадочных, центробежных экстракторах, путем секционирования экстракторов либо использования многоступенчатых секционных экстракционных установок.

Экстракторы по принципу организации  процесса бывают непрерывного и периодического действия.

В зависимости от способа  контакта фаз экстракторы можно  разделить на три группы: ступенчатые, или секционные, дифференциально-контактные и смесительно-отстойные.

Ступенчатые (секционные) экстракторы состоят из отдельных секций, в которых концентрация в фазах изменяется скачкообразно. В некоторых случаях каждая секция приближается по полю концентрации к аппарату идеального смешения. Экстрактор, coстоящий из нескольких таких секций, по полю концентраций приближается к аппарату идеального вытеснения.                       

Необходимость разделения фаз  после каждой секции экстракции в  случае плохо разделяемых эмульсий может приводить к значительному  увеличению размеров экстрактора.                            

Дифференциально-контактные экстракторы обеспечивают непрерывный контакт между фазами и плавное непрерывное изменение концентраций в фазах. Из-за продольного перемешивания фаз в таких аппаратах средняя движущая сила может значительно снижаться по сравнению с аппаратами идеального вытеснения.

Для диспергирования жидкой фазы требуются затраты энергии. В зависимости от вида затрачиваемой  энергии экстракторы могут быть без подвода и с подводом внешней  энергии. Внешняя энергия во взаимодействующие фазы может вводиться перемешивающими устройствами, вибраторами и пульсаторами, например в вибропульсационных экстракторах, в виде центробежной силы в центробежных экстракторах, кинетической энергии струи в инжекторных и эжекторных экстракторах.

Смесительно-отстойные экстракторы состоят из нескольких ступеней, каждая из которых включает смеситель и разделитель. В смесителе в результате подвода внешней энергии происходит диспергирование одной из жидких фаз с образованием дисперсионной фазы, которая распределяется в другой — сплошной фазе. Дисперсной фазой может быть как легкая, так и тяжелая фаза.

В разделителе, который представляет собой отстойник, а в современных установках — сепаратор, эмульсия разделяется на рафинат и экстракт. Схема простейшего смесительно-отстойного экстрактора приведена на рис. 9.

Посредством соединения нескольких смесительно-отстойных секций образуются различные по схемам экстракционные установки.

Приведенная схема из-за присущих ей недостатков, а именно: громоздкости, значительной производственной площади, высокой металло- и энергоемкости, вытесняется более совершенными конструкциями.

 

1 — экстрактор; 2— сепаратор

Рисунок 9 – Смесителъно-отстойная экстракционная установка

 

Тарельчатые экстракторы  (рис. 10) представляют собой колонные аппараты с ситчатыми тарелками различных конструкций, снабженными переливными устройствами. Фазы взаимодействуют в перекрестном токе на каждой тарелке. Диспергируемая фаза (легкая или тяжелая) проходит через отверстия в тарелках и дробится на капли. Сплошная фаза движется вдоль тарелки от перелива к переливу. Капли на тарелках коалесцируют и образуют сплошной слой жидкости над тарелкой (тяжелая жидкость) или под тарелкой (легкая жидкость). Подпорный слой секционирует экстрактор по высоте и обеспечивает подпор для диспергирования жидкости через отверстия тарелок. Секционирование экстрактора снижает обратное перемешивание фаз и приводит к увеличению средней движущей силы процесса.

1 — цилиндрический корпус; 2—переливное устройство; 3 — ситчатые тарелки

Рисунок 10 – Тарельчатый экстрактор

 

Скорость дисперсной фазы в отверстиях тарелки определяют из условий создания струйного режима. Критическая скорость, соответствующая  переходу от капельного режима к струйному, зависит от диаметра отверстий:

.

Для работы экстрактора в  устойчивом струйном режиме скорость увеличивают примерно на 20 % по сравнению с критической.

Для определения коэффициентов  массоотдачи в дисперсной фазе можно рекомендовать выражение               ,    (9)

Где – диффузионное число Нуссельта ( здесь - коэффициент массоотдачи в дисперсной фазе; – эквивалентный диаметр капли;  – коэффициент диффузии в дисперсной фазе); – критерий Рейнольдса для капли ( здесь – относительная скорость движения капли в сплощной фазе; – кинематическая вязкость сплошной фазы); – диффузионный критерий Прандтля для дисперсной фазы ( здесь – кинематическая вязкость дисперсной фазы).

Роторно-дисковый экстрактор (рис. 11) относится к экстракторам с механическим перемешиванием фаз. Он представляет собой вертикальный многосекционный аппарат, в цилиндрическом корпусе которого по оси установлен ротор с круглыми горизонтальными дисками. Диски вращаются в средней плоскости секции экстрактора и разделены кольцевыми перегородками, что препятствует продольному перемешиванию потоков и способствует увеличению движущей силы процесса. При вращении ротора диски создают осевые потоки сплошной фазы, направленные от оси ротора к стенкам экстрактора. Достигнув стенок, жидкость движется вдоль них вверх и вниз в пространстве, ограниченном кольцевыми перегородками. Отражаясь от колец перегородки, жидкость меняет направление и движется к оси экстрактора. Так возникают тороидальные потоки сплошной фазы. В верхней и нижней частях экстрактора расположены отстойные зоны. Капли легкой фазы — экстракта движутся вверх и коалесцируют в верхней отстойной зоне. Для лучшего разделения фаз диаметр отстойных зон несколько превышает диаметр зоны смешения.