Экстрагирование

Перевод

ЭКСТРАГИРОВАНИЕ

(от лат. extraho - вытягиваю, извлекаю), перевод одного или неск. компонентов из твердого пористого тела в жидкую фазу с помощью избират. р-рителя (экстрагента); один из массообменных процессов хим. технологии. Наряду с термином "Э." часто применяют термин "выщелачивание" (в англоязычной литературе "leaching"), назв. к-рого происходит от слова "щелочь". Действительно, в нек-рых технол. процессах извлечения р-р содержит щелочь; однако во мн. иных аналогичных процессах, также наз. "выщелачиванием", щелочь вообще не используется. Поэтому термин "Э.", под к-рым понимают извлечение в системетвердое тело - жидкость, следует считать более общим и предпочтительным.  Э. существенно отличается от экстракции жидкостной, к-рая протекает в гетерог. системе жидкость - жидкость. При Э. размеры твердых тел задаются предшествующими операциями (измельчение).  Различают два принципиально разных способа извлечения: Э. растворенного в-ва и Э. твердого в-ва. В случае Э. растворенного в-ва пористый объем твердого тела заполнен р-ром целевого компонента, к-рый при извлечении диффундирует за пределы пористого тела в экстрагент. Классич. пример - извлечение сахара из свекловичной стружки при ее обработке горячей водой. Э. твердого в-ва происходит, если целевой компонент, заполняющий пористый объем твердого тела, находится в твердом состоянии. При обработке твердого тела экстрагентом диффузионной стадии предшествует стадия растворения целевого компонента. В обоих случаях пористый инертный скелет либо остается в неизмененном виде, либо подвергается определенным изменениям.  К осн. стадиям Э. относят: 1) подготовку сырья и экстрагента (очистка и измельчение сырья, нагревание р-рителя); 2) непосредственное контактирование твердой и жидкой фаз в аппарате, наз. экстрактором; 3) разделение системы твердая фаза - р-р (отстаивание, фильтрование, центрифугирование).  Пром. экстрагенты должны обладать высокой избирательностью, легко регенерироваться и быть сравнительно дешевыми. Таким требованиям отвечают вода, этанол, бензин, бензол, СС1₄ ацетон, р-ры к-т, щелочей и солей.  На скорость и механизм Э. существенно влияет структура твердых пористых тел, особенности строения к-рых определяются их природой и технол. обработкой на стадиях, предшествующих Э. Такие тела могут обладать изотропной или анизотропной структурой. Изотропные тела имеют одинаковое строение во всех направлениях. Этому условию отвечают тела, состоящие из весьма малых сцементированных между собой частиц, а также тела животного или растит. происхождения, обладающие клеточным строением. При измельчении изотропных тел возможно появление анизотропии. Для анизотропных тел может наблюдаться регулярная анизотропия. Так, в случае растит. объектов, имеющих систему капилляров, направление вдоль капилляра предпочтительно для диффузионного переноса в сравнении с направлением, перпендикулярным к капилляру. При нерегулярной анизотропии тело можно рассматривать как совокупность емкостей, отделенных одна от другой непроницаемыми перегородками. Особенно неблагоприятно для Э. существование замкнутых областей, изолирующих заключенную в них жидкость от экстрагента.  В соответствии со вторым началом термодинамики при взаи-мод. твердой и жидкой фаз их состояние изменяется в направлении достижения равновесия, к-рое характеризуется равенством хим. потенциалов извлекаемого в-ва в объеме твердого тела и в осн. массе экстрагента. При извлечении растворенного в-ва это равносильно равенству его концентраций в обеих фазах; условие нарушается, если целевой компонент адсорбируется твердой фазой, тогда равновесие определяется изотермой адсорбции (см.Адсорбция). При извлечении твердого в-ва равновесие обусловлено р-римостью целевого компонента, находящегося в контакте с экстрагентом; при полном извлечении твердого компонента его концентрации в осн. массе р-ра и в пористом объеме выравниваются.  Кинетически Э. подчиняется законам массообмена, конвективной и мол. диффузии (см. Диффузия), а также законам переноса извлекаемого в-ва из твердой фазы в жидкую (см. Переноса процессы). Движущая сила переноса целевого компонента - разность его хим. потенциалов в фазах. На практике для упрощения связи между скоростью процесса и составом материальных потоков движущую силу Э. выражают через переменный во времени градиент концентраций извлекаемого в-ва в фазах.

Массообмен при извлечении растворенного вещества. Концентрационное поле в объеме сферич. пористой частицы радиусом R(наиб. распространенный случай) с изотропной структурой м. б. описано дифференц. ур-нием диффузии в сферич. координатах:

где с - концентрация в-ва, растворенного в пористом объеме твердого тела (целевого компонента); t - время; D - коэф. диффузии в-ва в порах частицы; r - радиальная координата (0<rR)>.</r  Диффундирующий из глубины пористого тела целевой компонент достигает его границ и переходит в экстрагент. Этот процесс выражается ур-нием:

где К - коэф. массоотдачи;c₁ - соотв. концентрация в-ва на пов-сти частицы и текущая концентрация в-ва в объеме экстрагента. Вводя безразмерные параметры j= r/R и Bi= KR/D, преобразуем ур-ние (2) к виду:

Из ур-ния (3) становится ясным физ. смысл параметра Bi (диффузионное число Био; см. Подобия теория). При Bi параметр , т. е. концентрация в-ва на пов-сти частицы равна его концентрации в р-ре. Такие условия отвечают внутридиффузионному режиму (мол. диффузия), при к-ром экстракц. процесс протекает наиб. интенсивно. При Bi1 производная мала и с =const; соответствующий режим, наз. внешнедиффузионным (конвективная диффузия), достигается увеличением скорости обтекания твердых частиц жидкостью. Подбирая определенные условия, для обеспечения макс. интенсивности Э. можно перевести внешнедиффузионный режим во внутридиффузионный.  Систему ур-ний (1) и (2) необходимо решать совместно с ур-нием материального баланса, устанавливающим зависимость между си <c_{1.></c Эта зависимость определяется схемой взаимод. фаз при Э. (прямоток, противоток). Для прямоточного процесса:}

_{где Vи W- соотв. объем всех пор твердого тела, содержащих р-р, и экстрагента, поступающего в единицу времени в экстрактор; с0 - начальная концентрация целевого компонента в порах; с н -> начальная концентрация целевого компонента в экстрагенте;- осредненная (к моменту времени t)концентрация целевого компонента в пористом объеме. Последняя составляет:}

_{Для противоточного процесса:}

_{где с к - конечная концентрация целевого компонента в экстрагенте на выходе из экстрактора.  Система ур-ний (4) и (5) имеет решение:}

_где =

_{2,= V/W; t = l/v (l -> длина аппарата, v - скорость перемещения твердой фазы); mn - корни характеристич. ур-ния ; с т= с н при (прямоток) и с т=> с к при (противоток).}

_{Массообмен при извлечении твердого вещества. Возможны разл. варианты распределения твердого целевого компонента по объему частицы; во мн. случаях наблюдается равномерное распределение. Вследствие растворения в-ва и диффузии его за пределы частицы область, содержащая твердый целевой компонент, при Э. систематически сокращается. Процесс описывается ур-нием (1) при краевых условиях: и где r0 - радиус сферы, в к-рой целевой  компонент сохраняется в твердом виде; <cs -></c концентрация насыщения р-ра целевым компонентом.  Вместо решения задачи с подвижной границей раздела фаз можно использовать также приближенное ур-ние:}

_{где М - масса твердого целевого компонента в объеме частицы.  Рассматривая медленный процесс извлечения твердого в-ва как квазистационарный, т. е. такой, при к-ром в каждый момент времени "успевает" установиться стационарное распределение концентраций в виде [(с s -с)/(с s Ч c1)] = = [(1 - r о/r)/(1 - r о/R)], находят:}

_{где Из ур-ния (8) определяют время t э, извлечения всего в-ва из частицы радиусом R:}

_{Более общую задачу непрерывного Э. (прямоток, противоток) решают, используя ур-ния материального баланса (4) и (5).}

_{Аппаратурное оформление процесса}

_{По взаимному направлению движения твердой фазы и экстрагента экстракторы подразделяют на прямоточные и противоточные, по режиму работы - на аппараты периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.}

_{Экстракторы периодического и полунепрерывного действия. наиб. распространены камерные аппараты (реакторы) с мех., пневматич. или пневмомех. перемешиванием, а также т. наз. настойные чаны с неподвижным слоем твердых частиц с циркуляцией (перколяторы) и без циркуляции экстрагента. Аппараты для Э. в плотном слое обычно располагаются вертикально и имеют комбинир. форму: в осн. части цилиндрическую, с одного или обоих концов - форму усеченного конуса (рис. 1, а). На решетку сверху загружается слой твердого материала, через к-рый сверху вниз протекает экстрагент; для выгрузки твердого остатка служит откидное днище.}

ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОГО ХРАНЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТИВОВ

5.1 Общие положения. 5.1.1 Лабораторные запасы реактивов должны храниться в специально оборудованных, хорошо вентилируемых, сухих помещениях (складах) согласно разработанной в лаборатории схеме размещения реактивов.5.1.2 При размещении реактивов на складах следует неукоснительно соблюдать порядок совместного хранения пожаро- и взрывоопасных веществ. Не разрешается совместное хранение реактивов, способных реагировать друг с другом с выделением тепла или горючих газов. Запрещается также совместно хранить вещества, которые в случае возникновения пожара нельзя тушить одним огнетушащим средством.5.1.3 Запрещается расфасовывать сыпучие вещества на складе.5.1.4 Основным правилом при хранении и отборе реактивов является предохранение их от загрязнения.5.1.5 На всех склянках с реактивами должны быть этикетки с указанием названия, квалификации и срока годности [13].5.1.6 Реактивы, которые нельзя хранить в стеклянной таре, помещают в тару из материалов, устойчивых к действию данного реактива. Например, плавиковую кислоту и щелочи хранят в бутылях из полиэтилена.5.1.7 Реактивы, разлагающиеся или изменяющие свои свойства под действием света (например, диэтиловый эфир, пероксиды, соли серебра), хранят в склянках из темного или желтого стекла.5.1.8 Гигроскопические вещества и вещества, окисляющиеся при соприкосновении с воздухом, должны храниться в герметичной таре. Для герметизации пробок используют парафин.5.1.9 Отработанные реактивы необходимо сливать в отдельные склянки для последующей переработки или передачи в организации, занимающихся утилизацией химических веществ. Сливать концентрированные кислоты, щелочи, ядовитые и горючие вещества в канализацию запрещается! 5.2 Хранение химических реактивов в лаборатории 5.2.1 В рабочих помещениях допускается хранить нелетучие, непожароопасные и малотоксичные твердые вещества и водные растворы, разбавленные кислоты и щелочи, в количествах, необходимых для анализов.5.2.2 Концентрированные кислоты в объеме не более 2 дм3 хранятся в стеклянной посуде с притертыми стеклянными крышками или пластмассовыми пробками в эксикаторе или стеклянной емкости с крышкой в вытяжном шкафу. Для лучшей герметичности надевают резиновые колпачки.5.2.3 Концентрированные растворы щелочей хранят в вытяжном шкафу, отдельно от кислот, в полиэтиленовой таре. Вместе с щелочами хранится аммиак.5.2.4 Хранение легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) допускается в толстостенных, снабженных герметичными пробками бутылях, вместимостью не более 1 дм3, особо опасные ЛВЖ - в объеме не более суточной потребности (Таблица 1). Бутыли с ЛВЖ помещают в специальные металлические ящики вдали от источников тепла и окислителей (хлоратов, нитратов, азотной кислоты, перекиси водорода, перманганатов).5.2.5 Четыреххлористый углерод и хлороформ хранят в нижнем отделении вытяжного шкафа.5.2.6 Склянки с концентрированным бромом хранят в коробке или полиэтиленовой банке с листовым асбестом в закрывающемся сейфе. Бромная вода хранится в склянках с колпачками, за неимением последних допускается хранение в эксикаторе с притертой крышкой в вытяжном шкафу.5.2.7 Органические вещества с резким раздражающим запахом (пиридин, изоамиловый спирт и др.) хранятся в склянках, хорошо закрытых пробками с резиновыми колпачками.5.2.8 Металлическая ртуть и другие ядовитые вещества (Приложение 3) хранятся в запирающихся шкафах (сейфах) в строгом соответствии с инструкциями по их хранению.5.2.9 Едкие вещества (железо треххлористое, йод, триэтаноламин, валериановая, пропионовая и др. органические кислоты) хранятся в стеклянной посуде с притертыми пробками в металлическом ящике под вытяжным шкафом. Для лучшей герметичности на пробки надевают резиновые колпачки. 5.3 Правила хранения пожароопасных реактивов К пожароопасным относятся огнеопасные, самовоспламеняющиеся (Приложение 4) и взрывоопасные (Приложение 5) вещества. 5.3.1 Запасы пожароопасных реактивов должны храниться в изолированных, хорошо вентилируемых помещениях вдали от отопительных приборов и прямых лучей солнца.5.3.2 Помещения для хранения пожароопасных веществ должны быть оснащены противопожарными средствами: порошковыми огнетушителями, сухим песком, лопатами, ведрами, листовым асбестом, кошмой, суконными одеялами и рукавицами. Тушение пожара водой и воздушно-механической пеной недопустимо!5.3.3 В местах хранения пожароопасных реактивов запрещено размещать посторонние предметы и мебель, загромождающие доступ к средствам пожаротушения.5.3.4 Хранение пожароопасных веществ допускается в строго соответствующей таре, имеющей этикетки с точным наименованием вещества и надписью "Огнеопасно" ("Взрывоопасно").5.3.5 Совместное хранение в одном помещении самовоспламеняющихся, огнеопасных и взрывоопасных веществ не допускается. При отсутствии отдельных помещений допускается хранение небольших количеств (10 - 15 г) вышеназванных веществ в одном помещении, но в отдельных, плотно закрывающихся железных шкафах.5.3.6 Не разрешается также совместно хранить вещества, которые способны при своем взаимодействии вызывать образование пламени или выделять большое количество тепла. Так, щелочные металлы и белый фосфор нельзя хранить с элементарными бромом и йодом, сильные окислители (бертолетову соль, марганцевокислый калий, перекиси) - с восстановителями (углем, серой, крахмалом, фосфором) и т.п.