Лекция 18

Экстракция

Общие сведения

Экстракцией называется процесс избирательного поглощения компонентов жидкой смеси другими жидкостями, называемыми экстрагентами. Поглощаемые компоненты называют экстрагируемыми или распределяемыми, а компоненты исходной смеси не растворимые или частично растворимые в экстрагенте - инертными или растворителями. В результате экстракции, как правило, образуются две жидкие фазы: экстракт - раствор извлеченных компонентов в экстрагенте и рафинат - остаток исходной смеси, обедненный распределенными компонентами. Экстракт и рафинат разделяются с помощью отстаивания или центрифугирования. Выделение поглощенных компонентов из экстракта осуществляется, как правило, ректификацией или реэкстракцией другими экстрагентами. Регенерированный таким образом экстрагент вновь используется в процессе экстракции. Преимущество экстракции по сравнению с перегонкой заключается в отсутствии необходимости испарения жидкости, низкой температуре процесса, а недостаток - в потребности использования дополнительных веществ (экстрагентов) и в затратах на их регенерацию.

Использование экстракции для разделения жидких смесей имеет смысл в случае экономической целесообразности. Как правило, это достигается в следующих случаях:

а) Разделение разбавленных растворов, если удается подобрать экстрагент, извлекающий компоненты, содержащиеся в малых концентрациях, что позволяет получить их концентрированный раствор в экстрагенте. Последующая ректификация малого количества экстракта потребует меньших затрат, чем ректификация большого количества исходной смеси;

б) Разделение азеотропных смесей или смесей компонентов с близкими летучестями;

в) Разделение смесей, растворитель в которых разлагается при высоких температурах, что не позволяет использовать процесс ректификации.

При проведении процесса экстракции можно выделить следующие стадии:

1. диспергирование одной из фаз (исходная смесь, экстрагент) в другой для обеспечения развитой поверхности их контакта и больших значений коэффициентов массопередачи;

2. собственно экстракция;

3. отделение экстракта от рафината;

4. регенерация экстрагента.

Основным фактором, определяющим целесообразность проведения, процесса экстракции, является подбор соответствующего экстрагента. Главные требования, предъявляемые к нему, заключаются в следующем:

а) экстрагент должен обладать избирательностью (селективностью), извлекая из исходной смеси лишь необходимые (целевые) компоненты и, по возможности, не растворять остальные;

б) гидромеханическое отделение экстракта от рафината возможно при различии плотности этих фаз - отсюда требование на существенное отличие плотности экстрагента от плотности инертных компонентов;

в) экстрагент и поглощаемые им компоненты должны обладать существенными различиями в летучести для успешного разделения экстракта с помощью ректификации.

Селективность одного компонента исходной смеси по отношению к другому можно охарактеризовать с помощью коэффициента селективности , который показывает увеличение доли данного компонента в экстрагенте по отношению к другому в сравнении с исходной смесью , в условиях равновесия

, (16.1)

где и - коэффициенты распределения соответствующих компонентов, определяемые соотношениям (13.62). Здесь в качестве фазы I рассматривается фаза экстракта (концентрации компонентов в ней обозначены буквой y), а фаза II - фаза рафината (концентрации в ней обозначены буквой x), находящиеся в условии равновесия. Экстракция возможна лишь в том случае, когда коэффициенты селективности целевых компонентов по отношению к нецелевым больше единицы, а практическое значение она имеет при их величине больше 2. Коэффициент селективности при экстракции имеет смысл, схожий с коэффициентом относительной летучести при перегонке.

Начнем рассмотрение процесса экстракции с простейшего случая бинарной экстракции, когда в каждой из фаз находится не более двух компонентов. Это возможно лишь при условии, что исходная смесь состоит из двух компонентов А и В, экстрагент S извлекает только распределяемый компонент В, а инертный компонент А в экстрагенте S абсолютно нерастворим. В этом случае коэффициент распределения , а коэффициент селективности . Поскольку расходы компонентов А и S в этом случае изменяться по высоте аппарата не будут, то, как и при описании процесса абсорбции, удобнее выражать концентрацию распределяемого компонента в относительных массовых концентрациях и по аналогии с (14.4) записать уравнение равновесия в виде

, (16.2)

где - концентрация распределяемого компонента в экстрагенте S, а - в инертном компоненте А. Отличие от абсорбции заключается в переходе компонента из фазы Х в фазу У, то есть аналогия в описании экстракции наблюдается с процессом десорбции, когда рабочая линия на диаграмме расположена ниже равновесной (см. рис. 14.4).

Схема установки для проведения процесса бинарной экстракции при регенерации экстрагента с помощью ректификации изображена на рис. 16.1. Исходная смесь F компонентов А и В поступает в экстрактор 1, где при взаимодействии с экстрагентом S концентрация распределяемого компонента в нем увеличивается с до , а концентрация B в А уменьшается от до . Рафинат R, состоящий в основном из компонента А с остатком В отводится в виде готового продукта, а экстракт Е через подогреватель 3 направляется в ректификационную колонну 2 для регенерации экстрагента и выделения из него целевого компонента В, экстрагент с остаточным содержанием распределяемого компонента вновь подается в экстрактор.

Рис. 16.1. Схема установки для бинарной экстракции: 1 - экстрактор; 2 - рек-тификационная колонна; 3 - подогреватель; 4 - дефлегматор; 5 - кипятильник; 6 - холодильник.