konspect_lectsiy-ln_lm

допоміжну криву КСі (рис. 20.6). Цю криву будують, проводячи через точки Rі та Еі паралельно сторонам трикутника LМ і МG прямі до їх перетину в точках Сі , з’єднання яких між собою і дасть шукану допоміжну криву КСі. Щоб знайти будь-яку хорду, яка проходить, наприклад, через точку R', через цю точку проводять лінію R'С', паралельну стороні діаграми LМ, а потім через точку С' – лінію С'Е', паралельну МG, до перетину її з лівою гілкою кривої рівноваги в точці Е'. З’єднавши точки R' і Е', одержують шукану хорду R'Е'.

M M M

Розчинність залежить від температури, тому зі зміною останньої змінюється й положення кривої рівноваги. Зазвичай, взаємна розчинність рідин підвищується зі збільшенням температури, тому область існування гетерогенних систем зменшується і при певній температурі зовсім зникає (рис. 20.7). Температуру, яка відповідає повній взаємній розчинності компонентів системи й утворенню гомогенного розчину, називають критичною.

Рис. 20.8. Типи трикутних діаграм з однією (а), двома (б) і трьома (в) областями обмеженої розчинності

Крім розглянутої трикутної діаграми, можливі також діаграми інших типів (рис. 20.8), наприклад з двома областями обмеженої розчинності (рис. 20.8,а), які можуть при цьому зливатися в одну (рис. 20.8,б).

Вибір екстрагенту

Основною властивістю екстрагенту є його селективність, тобто здатність переважно видобувати один з кількох компонентів розчину. Тому найкращим з цього погляду можна вважати той екстрагент, який розчиняє максимальну кількість одного компонента й мінімальну кількість решти компонентів.

Селективність екстракції характеризується коефіцієнтом селективності, або

де В – коефіцієнт селективності, значення якого визначають селективністю екстрагенту відносно розподілюваного компонента В.

З урахуванням (20.1) коефіцієнт селективності набуває вигляду:

B mB* mA* .

Оскільки при В =1 селективність дорівнює нулю, то вибирати екстрагент треба так, щоб В >1 (на практиці значення В має бути не менше двох).

Значення В можна збільшити, змінивши рН розчину або ввівши в систему неекстраговану сіль, тобто методом висолювання.

До інших необхідних властивостей екстрагенту можна віднести легкість виконання реекстракції, легке розшаровування фаз, безпечність під час роботи (нетоксичність, пожежовибухобезпечність тощо), низьку вартість, стабільність під час екстракції, реекстракції, зберігання та ін.

Матеріальний баланс рідинної екстракції

Якщо фази, які беруть участь у процесі екстракції, практично взаємно нерозчинні, то матеріальний баланс екстракції описують загальним для масообмінних процесів рівнянням. При одноразовій взаємодії фаз (періодична екстракція) матеріальний баланс процесу по потоках набуває вигляду:

Gп Lп Gк Lк ,

де GF, GS, GE і GR – кількості вихідного розчину, екстрагенту, екстракту й рафінату відповідно, кг.

Для процесу безперервної рідинної екстракції рівняння робочої лінії описують загальним для масообмінних процесів рівнянням:

yк yп LG xп xк .

Проте внаслідок часткової взаємної розчинності рідких фаз витрати потоків вздовж контактної частини екстрактора будуть змінюватися, тому відношення L/G const і робоча

GM GF GS GRn GE1 .

Якщо позначити різницю потоків у першому ступені GF GE1 GP , то попереднє рівняння набуває вигляду:

GF GE1 GRn GS GP .

При цьому точки F, P i E1 за правилом важеля мають лежати на одній прямій, тоді на одній прямій мають лежати й точки R1 , P i E2 тощо. Отже, якщо різниця кількості двох будьяких сумішей є сталою величиною, що дорівнює GР , то прямі, що проходять через точки, які характеризують склади цих сумішей на трикутній діаграмі, перетнуться в одній точці – полюсі діаграми.

Щоб визначити кількість теоретичних ступенів, з’єднують точки E=E1 і F, S i R=Rn прямими, які перетинаються в точці Р. З’єднуючи відрізками точки E1 i R1, E2 i R2, ..., En i Rn, отримують коноди E1R1, E2R2, ..., EnRn, кожна з яких характеризує теоретичний ступінь (за умови досягнення рівноваги в ступенях кількість дійсних ступенів дорівнює числу теоретичних).

Безперервна протитечійна екстракція

Цей спосіб екстракції використовують зазвичай у колонних апаратах, у яких важчий розчин подають у верхню частину колони, звідки він стікає вниз, а в нижню – легшу рідину, яка підіймається вгору по колоні. У результаті взаємодії двох фаз у контактній частині апарата розподілювана речовина переноситься з вихідної суміші в екстрагент (рис. 20.16,а).

Якщо фази, що взаємодіють при екстракції, практично взаємно нерозчинні, то процес безперервної протитечійної екстракції можна подати на діаграмі у–х (рис. 20.16,б) за аналогією, наприклад, з процесом десорбції.

У разі часткової взаємної розчинності фаз процес подають на трикутній діаграмі (рис. 20.16,в). Зазвичай задають склади вихідної суміші xF , екстрагенту yG , екстракту yE і рафінату xR , а для визначення кількості теоретичних ступенів цього процесу з’єднують точки E i F, а також S i R прямими, перетин яких дає полюс Р. Після цього будують коноди – теоретичні ступені (за аналогією з рис. 20.15,в).

Протитечійна екстракція з флегмою

Потік флегми Ф, контактуючи з потоком екстракту, вимиває з останнього частково або повністю розчинений у ньому вихідний розчинник G, який у результаті переходить до рафінату, внаслідок чого ступінь розділення й вихід рафінату підвищується. Проте екстракція з флегмою, поліпшуючи розділення вихідної суміші, передбачає підвищену витрату екстрагенту та ускладнює апаратурне оформлення.

У промисловості застосовують також інші технологічні схеми рідинної екстракції (наприклад, екстракція двома екстрагентуми та ін.).

Конструкції та принцип дії рідинних екстракторів

За принципом дії або способом контакту фаз екстрактори поділяють на дві групи: ступінчасті й диференційно-контактні. Усередині цих груп екстрактори часто поділяють на гравітаційні (швидкість руху фаз у них обумовлюється різницею густин цих фаз) і механічні (із введенням енергії у фази). Майже в будь-якому з екстракторів, щоб збільшити поверхню контакту фаз, одну з фаз диспергують і розподіляють у іншій (дисперсійному середовищі) у вигляді крапель.

Ступінчасті екстрактори складають з окремих ступенів, у кожному з яких фази контактують, після чого ці фази розділяються й рухаються протитечією в наступні ступені.

Один з найпоширеніших типів ступінчастих екстракторів – змішувально-відстійні, основним елементом яких є ємність з перемішувальним пристроєм. До переваг змішувальновідстійних екстракторів належить їхня висока ефективність, можливість швидкого регулювання кількості ступенів, придатність для оброблення рідин з різними фізикомеханічними властивостями й характеристиками. Їхні недоліки – це значні розміри й витрати енергії на змішування фаз.

Диференційно-контактні екстрактори відрізняються безперервним контактом фаз і плавною зміною концентрації вздовж контактної частини. Вони значно компактніші за ступінчасті.

До гравітаційних диференційно-контактних екстракторів належать порожнисті (розпилювальні), насадкові й тарілчасті колонні екстрактори (рис. 20.18–20.20), а до механічних диференційно-контактних – роторно-дискові, пульсаційні, вібраційні й відцентрові екстрактори (рис. 20.21–20.23).

Рис. 20.18. Порожнисті екстрактори з диспергуванням важкої (а) і легкої (б) фази: 1 – розподільник дисперсної фази, 2 – корпус, 3 – поверхня поділу фаз; І – важка фаза; ІІ – легка фаза

Рис. 20.23. Відцентровий екстрактор: 1 –

ротор; 2 – кожух; 3 – вал; І – важка фаза; ІІ – легка фаза

Розрахування рідинних екстракторів

Зазвичай вихідними даними для розрахування екстракторів є витрати вихідної суміші, концентрації розподілюваної речовини у вихідній суміші та екстрагенті, а також кінцева концентрація цієї речовини в рафінаті. Шуканими параметрами в цьому разі є основні розміри апарата, витрата екстрагенту й кінцева концентрація в ньому розподілюваної речовини. Для механічних екстракторів визначають також витрати зовнішньої енергії.

Порядок розрахування ступінчастих екстракторів наведено вище.

Методики розрахування диференційно-контактних колонних екстракторів принципово не відрізняються від методики розрахування масообмінних колон, проте визначення поверхні контакту фаз і деякі інші моменти мають певні особливості [10, 3.10].

Запитання для самоконтролю

1.Розкрийте суть рідинної екстракції. Наведіть схеми проведення процесу та сфери застосування рідинної екстракції.

2.Сформулюйте закон розподілу, поясніть обмеження його використання в розрахунках рідинної екстракції.

3.Поясніть трикутні діаграми й побудову рівноважних (біноїдальних) кривих.

4.На чому ґрунтується вибір екстрагенту? Що таке селективність екстракції?

5.У чому особливості складання матеріальних балансів рідинної екстракції при практичній взаємній нерозчинності й частковій взаємній розчинності компонентів?

6.Поясніть основні положення кінетики рідинної екстракції.

7.Як будують робочу лінію на діаграмі у–х і на трикутній діаграмі: одноразової екстракції, багаторазової екстракції з протитечією екстрагенту, безперервної протитечійної екстракції?

8.За якими ознаками класифікують рідинні екстрактори?

9.Подайте схеми будови й поясніть принцип дії порожнистих екстракторів. Які переваги й недоліки вони мають у порівнянні з тарілчастими й насадковими екстракторами?

10.Подайте схему будови й поясніть принцип дії роторно-дискового екстрактора. Обґрунтуйте його переваги й недоліки.