20

Экстракция Касаткин а.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии

Экстракциейв широком смысле называют процессы извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов).

Процессы экстракции в системах жидкость - жидкость

Экстракция в системах жидкость – жидкость представляет собой диффузионный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ).

Принципиальная схема процесса непрерывной экстракции приведена на рис. 1, а. Процесс собственно экстракции происходит в колонном экстракторе 1, после чего производится выделение извлеченных веществ из экстракта (в ректификационной колонне 2) и экстрагента из рафината (в ректификационной колонне 3).

На рис. 1, б показана типичная схема экстракции солей металлов, отличающаяся тем, что после колонного экстрактора 4 соли извлекаются из экстракта путем перевода их в водный раствор (реэкстракции) в колонне 5. Экстрактор 4 может иметь, как видно из рисунка, промывную секцию для дополнительной отмывки экстракта от нежелательных примесей.

Рис. 1. Принципиальные схемы процесса экстракции в системах жидкость – жидкость:

а – непрерывная экстракция; б – экстракция солей металлов; 1 – колонный экстрактор; 2 – ректификационная колонна для выделения извлеченных веществ из экстракта; 3 – ректификационная колонна для регенерации экстрагента из рафината; 4 – колонный экстрактор; 5 – колонна для реэкстракции.

Методы экстракции

При разделении экстракцией смесей органических веществ в зависимости от числа применяемых экстрагентов различают:

1. экстракцию одним экстрагентомв системах, состоящих минимум из трех компонентов (двух разделяемых компонентов исходного раствора и экстрагента);

2. экстракцию двумя экстрагентами (фракционная экстракция) в системах, состоящих минимум из четырех компонентов (двух компонентов исходного раствора, распределяющихся между двумя несмешивающимися экстрагентами).

Одноступенчатая (однократная) экстракция.

Этот простейший метод заключается в том, что исходный раствор Fи экстрагентSперемешиваются в смесителе 1 (рис. 2), после чего разделяются на два слоя: экстракт Е и рафинатR. Разделение обычно происходит в сепараторе-отстойнике 2. При таком однократном взаимодействии экстрагента и исходного раствора при достаточном времени контакта могут быть получены близкие к равновесным составы экстракта и рафината.

Рис. 2. Схема одноступенчатой экстракции:

1 – смеситель; 2 – сепаратор-отстойник.

Устройство экстракционных аппаратов

Ступенчатые экстракторы

Смесительно-отстойные экстракторы.

Каждая ступень смесительно-отстойного экстрактора состоит из смесителя, где жидкости перемешиваются до состояния, возможно более близкого к равновесному, и отстойника, где происходит отделение экстракта от рафината. В пределах ступени фазы движутся прямотоком друг к другу, но установка в целом, состоящая из любого числа последовательно соединенных ступеней, работает при противоточном движении фаз. Ступени аппарата располагаются в одной горизонтальной плоскости (рис. 3) или устанавливаются в виде каскада.

Рис. 3. Схема смесительно-отстойного экстрактора:

1 – смеситель; 2 – отстойник; а – легкая фаза; б – тяжелая фаза; в – конечный продукт (тяжелая фаза); г – конечный продукт (легкая фаза).

Принцип работы смесительно-отстойного экстрактора виден из рис. 3, на котором для простоты изображены только две ступени аппарата. Легкая фаза a подается в смеситель 1 первой ступени, куда параллельным током поступает тяжелая фаза из отстойника 2 следующей (второй) ступени. После смешения фазы расслаиваются в отстойнике первой ступени, из которого тяжелая фаза отводится в качестве конечного продукта в, а легкая фаза направляется во вторую ступень. Здесь она смешивается со свежей тяжелой фазой б и отделяется от нее в отстойнике 2 второй ступени. Из этого отстойника сверху удаляется легкая фаза (конечный продукт г), а снизу отводится тяжелая фаза, поступающая на смешение в первую ступень.

Перемещение и смешение жидкостей может производиться не только с помощью механических мешалок (как показано на рис. 3), но и посредством насосов, инжекторов и другими способами. Точно также разделение фаз можно осуществлять не только в гравитационных отстойниках (рис. 3), но и в сепараторах центробежного типа, например в гидроциклонах или центрифугах. Поэтому число вариантов конструкций смесительно-отстойных экстракторов велико.

Так, для того чтобы уменьшить площадь, занимаемую аппаратом, применяют компактные ящичные экстракторы. В ящичном экстракторе (рис. 4) все ступени расположены в общем корпусе прямоугольного сечения. Тяжелая фаза поступает в смеситель, расположенный в правом верхнем углу корпуса, и удаляется снизу из крайнего отстойника с левой стороны корпуса. Как видно из рисунка, в аппарате легкая фаза движется противотоком к тяжелой. Тяжелая фаза (см. сечение по А—А) удаляется через гидравлический затвор из нижней части отстойника в следующий смеситель, а легкая фаза переливается через порог и отводится из верхней части отстойника.

Рис. 4. Схема ящичного смесительно-отстойного экстрактора:

1 – смеситель; 2 – отстойник.

В смесительно-отстойных экстракторах достигается интенсивное взаимодействие между фазами, причем эффективность каждой ступени может приближаться к одной теоретической ступени разделения. Эти аппараты хорошо приспособлены для обработки жидкостей при значительно отличающихся объемных расходах фаз, например при соотношениях расходов 10:1 и более. Для уменьшения объемного соотношения фаз иногда используют частичную рециркуляцию фазы с меньшим объемным расходом из отстойника в смеситель каждой ступени, как показано пунктиром на рис. 4.

Важным достоинством смесителей-отстойников является возможность их эффективного применения для процессов экстракции, требующих большого числа ступеней. Смесительно-отстойные экстракторы занимают большую площадь, чем колонные аппараты, но зато требуют меньшей высоты производственного помещения (при горизонтальном расположении ступеней).

Недостатком смесителей-отстойников многих конструкций является медленное отставание в них жидкостей, что нежелательно при обработке дорогостоящих, взрывоопасных или легковоспламеняющихся веществ. Кроме того, наличие мешалок с приводом в каждой ступени усложняет конструкцию аппарата и приводит к повышению капитальных затрат и эксплуатационных расходов.