Треугольные диаграммы
Согласно правилу фаз Гиббса:
Т.к. экстракция протекает в концентрированных системах, то влиянием давления пренебрегают.
Составы тройных жидких смесей изображают на треугольной диаграмме, а зависимость состава от температур изображают с помощью треугольной призмы, где температура откладывается по высоте призмы.
Для практических расчетов используют треугольную диаграмму, соответствующую t = const.
Т.к. экстрагент S и растворитель А ограниченно растворимы друг в друге, а целевой компонент В неограниченно растворим и в S и в А, то на диаграмме выделяют область гетерогенных двухфазных систем. Эта область ограничена бинодальной кривой, которая соединяет конечные точки хорд равновесия (конод, нод). Хорды равновесия соединяют точки взаимнонасыщенных растворов А в S и S в А.
Если бы смесь была бинарной, то хорды равновесия располагались бы горизонтально. В тройной смеси на равновесие влияет компонент В. Поэтому хорды имеют различный наклон, но как бы выходят из одной точки вне поля диаграммы.
Для сольютропных систем хорды могут иметь противоположные наклоны.
Точа К – критическая точка растворимости КТР.
Количественные расчеты по треугольной диаграмме проводят по правилу рычага.
Рассмотрим хорду R1E1. Любая тройная смесь (точка Н), состав которой лежит на этой хорде расслаивается на 2 фазы: экстракт состава E1 и рафинат R1 состава.
Количественные соотношения между фазами определяются по правилу рычага:
.
Максимальное содержание В в исходном растворе определяют построением касательной из точки S к бинодальной кривой до пересечения со стороной АВ (точка С).
Экстракции при данной температуре подвергают растворы в области АС, из растворов СА нельзя экстрагировать.
По этой касательной определяют максимальное количество экстрагента:
.
Ниже рассмотрены другие количественные определения по диаграммам.
Если из точки S провести лучи через границы хорды R1E1, то точки пересечения их со стороной АВ покажут составы рафината и экстракта после отгонки эксрагента (точки О, N и М).
По тройной диаграмме можно построить изотерму экстракции, т.е. зависимость содержания В в равновесных растворах BS и ВА.
Каждой хорде равновесия на треугольной диаграмме соответствует одна точка на изотерме. Изотерма проходит через максимум и заканчивается на диагонали диаграммы в точке К, т.е. КТР.
Кривые селективности
Селективность характеризует способность экстрагента предпочтительно растворять один или несколько компонентов исходного раствора.
Высокая селективность обеспечивает меньший расход экстрагента и более экономичное проведение процесса экстрагирования, обеспечивает полноту извлечения (см. треугольную диаграмму: чем дальше расстояние между точками N и М, тем более бедный рафинат и более обогащенный экстракт, т.е. тем S селективнее к В).
Для количественной оценки селективности строят диаграмму селективности, т.е. зависимость содержания В в фазе экстракта от его содержания в фазе рафината без учета содержания S в этих фазах, т.е. кривая строится в координатах:
.
Величина селективности характеризуется коэффициентом селективности или коэффициентом разделения βSВ.
βSВ – отношение концентраций В и А в фазе экстракта после удаления S, деленное на отношение концентраций В и А в фазе рафината, свободной от S.
.
,
m – коэффициент распределения компонента А и В.
Коэффициент распределения, а соответственно и β, можно изменить, меняя рН среды, а также путем высаливания – добавления к дистилляту неэкстрагируемых солей, изменяющих диссоциацию В в растворимость других компонентов.
Если β = 1, то селективность равна 0, экстракция – невозможна. Чем значительнее β >> 1, тем меньше габариты установки, меньше расход эстрагента, тем ниже капитальные и эксплуатационные расходы.
Второй важной характеристикой экстрагента является емкость по отношению к экстрагируемому компоненту, которая характеризуется величиной ХВЕ.