учебник по ОПОВ

Соли органических оснований (первичных, вторичных, третичных аминов, а также четвертичных аммониевых оснований), с помощью которых извлекают анионы металлов из водных растворов;

Нейтральные экстрагенты (вода, спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды и кетоны), извлечение которых осуществляется с помощью разных механизмов в зависимости от кислотности исходного раствора.

Эффективность процесса экстракции зависит от следующих факторов:

величины поверхности взаимодействия между фазами,

градиента концентрации извлекаемого вещества,

скорости взаимного перемещения фаз,

продолжительности контакта.

Чем выше эти показатели, тем больше возрастают скорость процесса и полнота очистки.

2.11.2 Способы организации процесса экстракции

Экстракцию жидкостную осуществляют в аппаратах, называемых экстракторами, с однократным и многократным контактом фаз. Различают однократную (одноступенчатую) и многократную (многоступенчатую) экстракцию; при этом ступенями разделения служат отдельные аппараты или их секции.

Однократная экстракция осуществляемая периодически или непрерывно и применяется преимущественно для аналитических целей.

При одноступенчатой (однократной) экстракции исходный раствор и экстрагент перемешивают в смесителе, после чего смесь передают в сепаратор-отстойник, где происходит разделение с образованием двух слоев - экстракта и рафината. Затем экстракт направляют на регенерацию.

При таком однократном взаимодействии при длительном времени контактирования могут быть получены близкие к равновесным составы экстракта и рафината. Степень извлечения вещества при однократной экстракции является низкой.

Многократная экстракция, наиболее распространенная в промышленности, проводится непрерывно и по способу движения фаз подразделяется на противоточную, полупротивоточную и перекрестноточную.

Чаще всего применяют противоточную экстракцию одним экстрагентом (рис. 2.11.2.) с числом ступеней обычно 5-10. Для трудноразделяемых компонентов число ступеней достигает 70-100.

250

Рис.2.11.2. Схема противоточной многократной экстракции: 1-5 экстракторы.

Реже используют полупротивоток и перекрестный ток. При полупротивоточной экстракции одна фаза "неподвижна" (не перемещается со ступени на ступень), а другая. фаза последовательно проходит все ступени каскада (см. ниже), вымывая компоненты раствора. Полупротивоток применяют для извлечения и разделения компонентов, присутствующих в системе в очень малых количествах. При необходимости более полного извлечения целевого компонента из исходного раствора иногда используют перекрестноточную экстракцию (рис. 2.11.3.): исчерпываемая фаза движется последовательно вдоль ступеней каскада, а извлекающая фаза поступает на каждую ступень и с нее же выводится.

Рис.2.11.3 Схема перекрестноточной многократной экстракции (Э - экстракторы).

В производстве, в частности в практике очистки сточных вод, наиболее часто применяется многоступенчатая противоточная экстракция (рис. 2.11.4.)

Рис.2.11.4. Схема многократной противоточной экстракции: 1 – исходные сточные воды; 2 – экстрактор; 3 – отстойник; 4 – очищенные сточные воды (рафинат); 5 – экстрагент; 6 – конечный экстракт.

251

Исходные сточные воды и экстрагент поступают с противоположных сторон. Конечный экстракт удаляется из первой ступени установки, а очищенные сточные воды (рафинат) из последней ступени. При этом на последней ступени сточные воды, наиболее обедненные удаляемым компонентом, взаимодействуют со свежим экстрагентом, а на первой ступени исходные сточные воды — с близким к насыщению удаляемым компонентом (экстрактом). Благодаря этому достигается высокая средняя движущая сила процесса и более полная очистка сточных вод.

Рис.2.11.5. Установка многократной экстракции для изготовления лекарственных препаратов

2.11.3 Экстракционные аппараты для систем жидкость-жидкость

Жидкостную экстракцию, т.е. процесс разделения жидких компонентов с помощью жидкого растворителя (экстрагента), широко применяют в процессах переработки нефти, для разделения ароматических углеводородов и редкоземельных элементов и др. Процесс экстракции осуществляется в аппаратах, называемых экстракторами.

Экстракторы подразделяются на гравитационные, в которых взаимное движение фаз осуществляется за счет сил гравитации и центробежные, где взаимодействие и сепарация фаз обусловлены полем центробежных сил.

Колонные (гравитационные) экстракторы

Колонные экстракторы для системы жидкость-жидкость разделяют на аппараты без подвода энергии и с подводом энергии. К первым относятся: распылительные, насадочные, ситчатые экстракторы; ко вторым – смесительноотстойные, роторные, пульсационные, вибрационные и др.

Распылительные экстракционные аппараты представляют собой полые колонны, в которых одна из фаз движется сплошным потоком, а другая – в виде капель. Эти аппараты просты по конструкции, но малоэффективны.

252

Насадочные колонны по конструкции аналогичны насадочным колоннам для процессов ректификации и абсорбции. В качестве насадки в них используют преимущественно кольца Рашига.

Ситчатая экстракционная колонна (рис.2.11.6.) имеет вертикальный цилиндрический корпус 1 и перфорированные (ситчатые) тарелки 2, снабженные переливными устройствами 3. Колонна работает следующим образом. Тяжелая фаза ТФ через штуцер 4 подается непрерывно в колонну, сплошным потоком опускается по колонне и удаляется через штуцер 7. Легкая фаза ЛФ непрерывно поступает через штуцер 6 в колонну под нижнюю тарелку 2. Пройдя через отверстия тарелки, эта фаза диспергируется и в виде капель поднимается на следующую тарелку. В верхней части дисперсная фаза коалесцирует в сплошной слой, образуя уровень раздела фаз а и удаляется через штуцер 5. В процессе образования капель и их движения осуществляется процесс массообмена.

Из аппаратов, работающих с подводом энергии,следует отметить прежде всего роторные экстракторы. Одной из первых конструкций роторных экстракторов является колонна Шайбеля (рис.2.11.7.), состоящая из чередующихся

253

смесительных 1 и отстойных 2 секций. Для перемешивания в смесительных секциях размещены закрепленные на валу мешалки 3. Отстойные секции заполнены насадкой (плетеной сеткой с крупными ячейками).

В конструкции, показанной на рис.2.11.7., а, смесительная секция I изолирована от отстойной секции II горизонтальными статорными кольцами 1. В более поздних конструкциях колонн Шайбеля (рис. 2.21, б) перемешивание фаз осуществляется турбинными мешалкам 1 в зоне между неподвижными кольцевыми перегородками 2 и слоем проволочной сетки 3.

Роторно-дисковый экстрактор (рис.2.11.8.) представляет собой колонну, по оси которой установлен ротор в виде вертикального вала 1 с круглыми горизонтальными дисками 2. Диски вращаются в полости секции, образованной закрепленными на корпусе статорными кольцами 3. Ротор приводится во вращение от электропривода 4. ЛФ вводится в аппарат снизу, а тяжелая фракция – сверху.

Под действием вращающихся дисков фазы в секциях совершают сложное циркуляционное движение, при котором совмещены радиальное и осевое

254

движение жидкости. Дисперсная и сплошная фазы движутся противотоком. Капли дробятся дисками, отбрасываются на периферию колонны, сталкиваются со стенками колонны и между собой одновременно с дроблением капель происходит и их коалесценция.

Центробежные экстракторы

Являются перспективным оборудованием для проведения процессов жидкостной экстракции. Поскольку ускорение генерируемого в них центробежного поля превышает ускорение свободного падения в 103-104 раз, в этих экстракторах достигается большая скорость взаимодействия жидкостей, высокая эффективность массообмена и четкая сепарация выходных потоков.

В связи с этим такие аппараты компактны, в них невелики объемы жидкостей, минимальна пожаро- и взрывоопасность, невелико время контактирования. Они используются при обработке нестойких, легко эмульгируемых жидкостей, а также для смесей компонентов с мало отличающимися плотностями.

Центробежные экстракторы можно разделить на две основные группы:

камерные или дискретно-ступенчатые, состоящие из отдельных ступеней (камер), в каждой из которых происходят последовательно смешение и разделение противоточно движущихся фаз;

дифференциально-контактные, в которых процесс протекает при непрерывном контактировании противоточно движущихся фаз.

Примером безнапорного экстрактора дифференциально-контактного типа может служить центробежный экстрактор (рис. 2.11.10), разработанный для селективной очистки смазочных масел. Аппарат состоит из цилиндрического ротора 2, заключенного в кожух 1 и опирающегося на подшипники 4. Вал 3 ротора приводится от электродвигателя через клиноременную передачу 5. На обоих концах вала расположены устройства 6 подвода жидкости. Внутри ротора с переменным шагом размещены контактные цилиндры 11. Ротор закрыт кожухом 12.

Тяжелая ТФ и легкая ЛФ фазы жидкости самотеком через устройства 6 поступают в полый вал, откуда под действием центробежных сил перемещаются: ЛФ – по радиальным каналам в диске 9 к периферии ротора, а ТФ – к первому от оси аппарата контактному цилиндру. ЛФ сплошным потоком перемещается из периферийной зоны к центру аппарата, попадает в приемный карман 13 и заборным диском 14 удаляется из аппарата. ТФ, диспергируясь при истечении из отверстий вала 3, перемещается к стенкам контактного цилиндра. На периферии ротора дисперсная фаза сепарируется на тарелках 10, коалесцирует, образует сплошной слой и отводится по каналам в диске 9 в приемный карман (образованный крышкой 8) для ТФ, откуда удаляется заборным диском 7.

255

Рис. 2.11.10. Безнапорный центробежный экстрактор

В качестве примеров можно привести: для первого вида экстракции - извлечение из древесины канифоли и скипидара, из феррита - едкого натра, из свекловичной стружки—сахара; для второго вида экстракции - отделение дивинила от ацетальдегида, а также очистка капролактама от примесей.

2.11.4 Экстракторы для твердых тел

Вэтих аппаратах экстракцию осуществляют по периодическому и непрерывному способам. При периодической работе цикл состоит из загрузки, экстрагирования, выгрузки и подготовки к следующему циклу.

Внепрерывно действующих аппаратах продукт А + В и растворитель С движутся по противоточной схеме : С + В2—экстракт, А + В1—рафинат). Такие экстракторы различают по способу перемещения в них твердых веществ. Так, в экстракторе, материал перемещается вертикальным шнеком вверх. В другом аппарате он перемещается цепью со скребками. В гребковом экстракторе твердый компонент смеси перемещается специальными гребками, установленными на общем валу и помещенными в отдельных секциях. В барабанном экстракторе твердый материал перемещается при вращении барабана, снабженного установленными по спирали гребками.

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

Среди экстракторов периодического и полунепрерывного действия.

наиболее распространены камерные аппараты (реакторы) с механическим,

256

пневматическим или пневмомеханическим перемешиванием, а также настойные чаны с неподвижным слоем твердых частиц с циркуляцией (перколяторы) и без циркуляции экстрагента. Аппараты для экстракции в плотном слое обычно располагаются вертикально и имеют комбинированную форму: в основной части цилиндрическую, с одного или обоих концов - форму усеченного конуса (рис. 2.11.11., а). На решетку сверху загружается слой твердого материала, через к-рый сверху вниз протекает экстрагент; для выгрузки твердого остатка служит откидное днище.

Рис. 2.11.11. Экстракторы периодического действия: а - единичный аппарата; б -батарея аппаратов (I-V); 1 - корпус; 2 - ложное днище (решетка); 3 - откидное днище; 4 - штуцер для ввода свежего экстрагента; 5 - штуцер для отвода концентрированного раствора; 6 - насос.

Последовательное соединение 4-16 таких аппаратов в батарею (рис. 2.11.11., б) позволяет перейти к полунепрерывной противоточной схеме. Благодаря замкнутой системе коммуникаций удается периодически отключать от циркуляционной системы один из аппаратов, освобождать его от полностью истощенного материала и заполнять свежим. Далее этот аппарат снова включают в систему циркуляции и подают в него наиболее обогащенный экстрагент, прошедший через все остальные аппараты; затем отключают следующий аппарат, в который до этого поступал чистый экстрагент, и т.д. С увеличением числа аппаратов процесс приближается к непрерывному.

Главные недостатки описанных экстракторов, которые продолжают широко применяться в химических производствах: большие затраты ручного труда при их эксплуатации, значит потери экстрагируемого вещества при выгрузке, высокая металлоемкость, трудность регулирования работы. Экстракторы периодического действия используют в производстве небольших партий фармацевтических препаратов, настоев, морсов и др. Экстракторы полунепрерывного действия (батарея аппаратов) малоэффективны, громоздки и сложны в обслуживании.

257

К экстракторам непрерывного действия относятся шнековые и ленточные

аппараты.

транспортер с перфорированной лентой. Подаваемый в аппарат материал движется слоем высотой 0,6-1,2 м по верхней ветви транспортера. Для равномерного распределения экстрагента по поверхности материала над слоем размещены распылители. Пройдя через слой материала, раствор поступает в воронку, откуда насосом подается в смежную зону, которая расположена в направлении, противоположном движению ленты. Распространены также роторные аппараты карусельного типа, реализующие тот же принцип действия.

Рис. 3. Ленточный экстрактор непрерывного действия: 1 - корпус; 2 - бункер; 3 - ленточный транспортер; 4 - воронка; 5 - насосы.

258

Преимущества экстракторов непрерывного действия, применяемых в многотоннажных производствах, перед периодически функционирующими аппаратами: более высокий коэффициент массоотдачи от поверхности твердых частиц к экстрагенту; полное исключение ручного труда при обслуживании; возможность создания экстрактов большой единичной мощности и автоматизации.

2.11.5 Контрольные вопросы по теме «Экстракторы»

Какие пошаговые операции вывполняются при экстракции в системе жидкость-жидкость?

Какие требования предъявляются к экстрагенту?

Какие факторы влияют на процесс экстракции?

Перечислите типы колонных аппаратов, применяемых для экстракции.

Чем отличается перекрестная экстракция от противоточной?

Какие экстракторы применяются для проведения процесса в системе жидкость – твердое тело?

259