ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Выделение компонентов раствора экстракцией из "Новый справочник химика и технолога Процессы и аппараты Ч1" Если в одну из фаз, например А, добавить третий компонент С, полностью смешиваемый с фазой и с фазой В, начнется процесс перехода компонента С из фазы А в фазу В и обратно. На границе раздела фаз достаточно быстро устанавливается равновесие, при этом скорости перехода молекул СшАъВнизВвА становятся равными, а компонент С распределяется между обеими фазами, образуя растворы различной концентрации в фазе А — Хсл а ъ фазе В — хсв- При этом отношение концентраций цг = хсв/хсл, называемое коэффициентом распределения, в соответствии с законом Бертло — Нернста в разбавленных растворах является константой, зависящей только от температуры. В реальных растворах отношение концентраций устанавливается таким, что абсолютные активности компонента, т. е. активности, рассчитанные при условии выбора за стандартное состояние — состояние чистого компонента, и в той и в другой фазе оказываются равными. [c.34] Так же как и при абсорбции и десорбции (см. 1.4.1), равновесие во всем объеме жидких фаз устанавливается значительно дольше, чем на границе раздела. Скорость установления этого равновесия определяется скоростью протекания достаточно медленных процессов молекулярной и конвективной диффузии в жидкостях, посредством которых осуществляется перенос массы растворенного компонента из основной массы фазы А к поверхности раздела фаз и далее в основную массу фазы В. [c.34] Из закона распределения вещества между двумя фазами вытекает, что вещество С, растворенное в одном растворителе (А), можно извлечь из раствора, добавив к нему второй растворитель (В), не смешивающийся с первым, и выдержав определенное время для установления равновесия в образовавшейся системе. Такой процесс извлечения растворенного вещества из раствора называется экстракцией. Растворитель, с помощью которого проводят извлечение, называется экстрагентом. В результате экстракции получают раствор, обогащенный экстрагентом, — экстракт, и раствор, обедненный экстрагентом, — рафинат. Для полного вьщеления компонента С из исходного раствора необходимо осуществить несколько ступеней контакта, каждый раз добавляя новую порцию экстрагента, в которой концентрация извлекаемого компонента не будет превышать равновесную для данной ступени. Если на такой ступени достигается равновесие, то она называется теоретической, или идеальной, ступенью контакта. [c.34] Величина коэффициента распределения является вторым важным критерием для выбора экстрагента. На практике коэффициенты распределения либо определяют из известных корреляционных уравнений, либо используют имеющиеся экспериментальные данные, либо при разработке новых процессов определяют экспериментально. [c.34] При экстракции солей металлов из водных растворов органическими растворителями процесс, как правило, протекает с образованием достаточно устойчивых комплексных соединений в органической фазе. Кроме того, для снижения равновесной концентрации соли в водной фазе применяют специально подобранные вещества — высаливатели. В этих условиях значения коэффициентов распределения могут достигать нескольких тысяч. [c.35] Таким образом, экстракция позволяет не только вьвде-лить растворенный компонент из раствора, но и сконцентрировать его в другом растворителе. Это свойство экстракции широко используется в аналитической химии. [c.35] В производствах органических веществ использование экстракции становится экономически оправданным тогда, когда прямые физико-химические методы разделения смесей (ректификация, дистилляция, выпаривание) непрш одны или слишком сложны и поэтому затраты на их реализацию неприемлемы. [c.35] в нефтеперерабатывающей промышленности широко используется процесс экстракции ароматических зтлеводородов (бензола, толуола, ксилолов) из продуктов каталитического риформинга, содержащих, в том числе, и легкие парафины. Диапазоны температур кипения последних и ароматических углеводородов перекрываются, поэтому методы ректификации оказываются неэффективными. [c.35] Процесс получения безводной уксусной кислоты из нефти, включающий стадию экстракции органических кислот низкокипящим органическим растворителем с последующим удалением следов воды из экстракта азеотропной дистилляцией, в два раза экономичнее, чем применение одной только азеотропной дистилляции. [c.35] Бутадиен отделяют от бутилена, имеющего близкую температуру кипения, экстракцией медно-аммиачным ацетатным раствором. [c.35] Для выделения витаминов А, В и Е, температуры кипения которых слишком высоки, вместо высоковакуумной дистилляции используют экстракцию жидким пропаном. [c.35] В производствах редких металлов экстракцию из растворов метилизобутилкетоном и ТБФ проводят для разделения циркония и гафния. Для разделения фторидов тантала и ниобия используют экстракцию цикло-гексаноном и ТБФ. Экстракционные методы широко применяются для получения концентратов редкоземельных элементов и для выделения индивидуальных лантаноидов. Чрезвычайно перспективно широкое проникновение методов экстракции в гидрометаллургию цветных металлов. [c.36] Следует отметить также традиционное применение методов экстракции и в производствах других неорганических веществ экстракционной фосфорной кислоты, иода и брома. [c.36] Аппараты, используемые для проведения процесса экстракции, называются экстракторами. Время пребывания жидкостей в них определяется в большинстве случаев скоростью переноса массы из одной фазы в другую за счет взаимодействующих между собой процессов молекулярной и конвективной диффузии. Именно поэтому процесс экстракции относится к классу массообменных процессов химической технологии. Причины возникновения диффузионного потока рассмотрены в 1.4.1. Скорость процесса молекулярной диффузии в жидкостях очень мала, поэтому основная функция аппаратов для проведения процесса экстракции заключается в том, чтобы максимально интенсифицировать процесс массопереноса. Принципы и способы такой интенсификации, вытекающие из теории массопереноса, которая подробно рассматривается в разделе 5, достаточно хорошо известны. [c.36] Наиболее действенным способом повышения суммарной скорости массопереноса является сокращение пути, проходимого молекулами растворенного вещества до поверхности раздела фаз. Это достигается за счет уменьшения объема жидкости, приходящегося на единицу поверхности раздела фаз, или, что то же самое, формирования максимально развитой поверхности в единице объема аппарата. В системах жвдкость— жидкость высокоразвитая поверхность контакта создается в большинстве случаев за счет диспергирования одной из фаз. [c.36] Второй принцип — это максимальное использование преимуществ конвективной диффузии по сравнению с молекулярной. Чем выше скорость жидкости, тем тоньше область, прилегающая к поверхности раздела фаз, в которой скорость переноса массы лимитируется скоростью молекулярной диффузии. Поэтому в контактных устройствах стараются реализовать высокие локальные и относительные скорости движения фаз. [c.36] Использование нестационарных режимов процесса диффузии, скорость которой в начальной стадии процесса значительно выше, чем в установившемся режиме, можно также рассматривать как один из путей интенсификации процесса массопереноса. [c.36] Важным принципом интенсификации является принцип противотока. Известно, что величина диффузионного потока тем выше, чем выше градиент концентрации. Градиенты концентрации возникают в той и в другой фазе в первый момент контакта за счет разницы концентраций на поверхности раздела (на которой уже установилось равновесие) и в основной массе жидкости. Разность этих концентраций носит название движущей силы процесса массопередачи. Пропшоточное поршневое движение фаз в аппарате при одинаковых значениях степени извлечения и отношения расходов фаз обеспечивает наибольшую величину средней по высоте аппарата движущей силы. Кроме того, только организация движения фаз в аппарате (или каскаде аппаратов) по принципу противотока позволяет с использованием минимально необходимого количества чистого экстрагента практически полностью извлечь растворенный компонент из исходного раствора, даже если для этого потребуется очень большое число теоретических ступеней контакта. Любые другие способы организации движения фаз (перекрестный ток, прямоток, полное перемешивание одной из фаз и обеих фаз и др.) теоретически позволяют сделать это только при бесконечном отношении расхода экстрагента к расходу исходного раствора. [c.36] Все применяемые в промышленности экстракторы можно подразделить на две большие грутшы экстракторы со ступенчатым контактом и экстракторы с непрерывным контактом. [c.36] Экстракторы со ступенчатым контактом фактически являются многоступенчатыми экстракционными установками. Каждая ступень по эффективности близка к теоретической ступени. При периодическом режиме работы одна ступень представляет собой аппарат с мешалкой, в котором жидкости перемешиваются до достижения состояния, близкого к состоянию равновесия. После чего в этом же аппарате проводится расслаивание образовавшейся эмульсии. В непрерывном процессе каждая ступень состоит из двух аппаратов смесителя и отстойника. Поэтому эти аппараты называются смесительно-отстойными. Отдельные ступени объединяются в виде каскада, чаще с противоточным движением фаз. Основной недостаток экстракторов подобного типа — большая занимаемая площадь. Значительные габариты оборудования определяются не скоростью массопереноса, а достаточно низкой скоростью разделения эмульсий в отстойниках. Поэтому их используют в тех случаях, когда для разделения не требуется большого числа теоретических ступеней. С целью уменьшения занимаемых производственных площадей и исключения из схемы многочисленных насосов и трубопроводов смеситель и отстойник могут объединяться в ячейку, а ячейки размещаться в едином корпусе (так называемый ящичный экстрактор). [c.36] Вернуться к основной статье