Экстракция в системе жидкость — жидкость

Жидкостная экстракция представляет собой процесс с участием двух взаимонерастворимых (или ограниченно растворимых) жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество

177

(или несколько веществ). Этот процесс является одним из массо-обменных процессов, протекающих по за-конам диффузии и рас­пределения вещества между фазами. В основе взаимодействия ле­жит уравнение массопередачи (13.3), согласно которому количест­во передаваемого вещества из фазы в фазу пропорционально ве­личине фазового контакта, движущей силе и коэффициенту массо­передачи. Таким образом, очевидно, что процесс экстракции должен.

Экстракт

Исход

'генерированной экстрагент

Рис. 160. Схема процесса жидкостной экстракции: / — экстракционный аппарат, 2 — ректифи­кационная установка для экстракта, 3 — ректификационная установка для рафината

проводиться в условиях, .обеспе­чивающих быстрое взаимопро­никновение двух реагирующих жидкостей. Такие условия созда­ют путем увеличения поверхно­сти контакта между жидкостями при большой разнице концентра­ций экстрагируемого вещества в них, что создает необходимую движущую силу. По окончании процесса экстракции необходимо разделить фазы и, если требует­ся, получить извлеченный компо­нент в чистом виде.

Экстрагент, в котором после проведения процесса повысилась концентрация извлекаемого ве­щества, называется экстрактом. Растворитель, из .которого более-или менее полно удалено растворенное вещество, носит название рафината. Полученные жидкие фазы,— экстракт и рафинат—■ обычно разделяют отстаиванием, после чего Из экстракта выделяют растворенное вещество ректификацией, выпариванием или други­ми методами. Основное достоинство процесса экстракции по срав­нению с другими методами разделения жидких смесей — возмож­ность проведения его при низкой (комнатной) температуре. При этом.отпадает необходимость в затратах теплоты на испарение ра­створа. Кроме того, подбирая высокоизбирательный экстрагент с извлечением экстрагента, растворенного в рафинате, оказывается возможным достичь более полного разделения исходной смеси.

Жидкостную экстракцию, особенно при осуществлении процес­са в большом промышленном масштабе, стремятся провести по неп­рерывному методу. На рис. 160 представлена принципиальная схе­ма процесса очистки. Установка состоит из колонного экстракто­ра /, ректификационной колонны 2 для извлечения растворенного компонента из экстракта и ректификационной колонны 3 для ра­фината. Исходный раствор поступает в верхнюю часть колонны 1, а в нижнюю ее часть вводится экстрагент. В колонне происходит массобменный процесс извлечения, в результате которого экстра­гент насыщается растворенным веществом и выводится из верхней части колонны, поступая далее в ректификационную колонну 2. Рафинат, выходящий из нижней части колонны /, подвергается

173

очистке в колонне 3. Регенерированный экстрагент из колонны 2 возвращается в процесс на колонну V .

Экстракция служит эффективным методом разделения неорга­нических веществ в тех случаях, когда неприемлемы другие спосо­бы разделения. Процессы жидкостной экстракции в настоящее вре­мя широко применяются при переработке ядерного топлива, для разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод, выделения в чистом виде'различн'ых продуктов органического и нефтехимического синтеза. Экстракцию применяют также для по­лучения высокочистых благородных металлов.

Предельные концентрации компонента в экстракте и рафина-те определяют из условий фазового равновесия. Данные, о-равно­весии необходимы для правильного выбора экстрагента, организа­ции технологической схемы извлечения, выбора конструкции и раз­меров основного экстрактора и всей остальной аппаратуры. Коли­чественно равновесие выражается как отношение" равновесных концентраций распределяемого вещества в'фазах, называемое ко­эффициентом распределения.

В зависимости от свойств экстрагируемых веществ экстракцию проводят различными методами. При экстракции неорганических веществ из водных растворов -обычно применяют один экстрагент. Экстракцию органических веществ проводят с одним или двумя экстрагентами. В последнем случае процесс носит название фрак­ционной экстракции.

При проведении экстракции одним экстрагентом применяют од­
но- и многоступенчатую экстракцию. Метод одноступенчатой экст­
ракции заключается в том, что исходный раствор и экстрагент пе­
ремешивают в смесителе и затем в отстойнике, разделяют на два
слоя — экстрагент и рафинат.' В результате однократного взаимо­
действия экстрагента и исходного раствора при достаточном вре­
мени контакта получают составы экстракта и рафината, близкие к
равновесным. Степень извлечения вещества относительно низка,
так как даже при увеличении количества вводимого экстрагента
извлечение компонента из раствора не может быть полным, при­
чем концентрация в рафинате уменьшается при неоправданном уве­
личении расхода экстракта.             "

Многоступенчатая экстракция в промышленности применяется наиболее часто. Установка для многоступенчатой экстракции сос­тоит из нескольких последовательно соединенных аппаратов — сту­пеней, в которых исходный раствор и экстрагент поступают с про­тивоположных концов и движутся противотоком друг к другу. При такой организации процесса исходный, наиболее концентрирован­ный раствор соприкасается с экстрактом, относительно насыщен­ным извлекаемым веществом. Обедненный раство'р (рафинат), на­ходящийся в последнем аппарате, соприкасается' с чистым раство­рителем,-вследствие чего извлечение имеющегося компонента про­исходит достаточно полно. Таким образом, во всех аппаратах уста­новки поддерживается большая движущая сила и осуществляется

179

«аиболее полное извлечение экстрагируемого компонента из исход-лого раствора.

При одинаковой чистоте конечного рафината в процессе про-
тивоточной экстракции значительно уменьшается расход экстраген-
та, увеличивается выход рафината, но в этом случае необходима
установка из нескольких аппаратов. Кроме рассмотренных двух
-основных елучаев в промышленности применяют и более сложные
•схемы организации процесса.       ,•

§ 60. Аппаратура для жидкостной экстракции •

Смесительно-отстойные экстракторы (рис. 161) относятся к числу наиболее старых экстракционных аппаратов. На рисунке представлены только две ступени такой установки, хотя их может

ч. -------------------- —                                           '

Рнс. 161. Схема смеснтелыю-отстойного экстрактора:

А — подача -экстрагента «легкая фаза>, Б — подача экстрагируемого
раствора «тяжелая фаза>, В — вывод готового продукта, Г — выход
экстракта; / — смесители с мешалками, 2 — отстойники                  ^

быть значительно больше. Каждая ступень состоит из смесителя с мешалкой 1 и отстойника 2. Легкая фаза — экстрагент А — пода­ется^ смеситель / первой ступени, куда поступает также тяжелая фаза из отстойника второй ступени, в которой производится экст­рагирование. После смешения фазы расслаиваются в отстойнике 2 первой ступени, из которого рафинат выводится в качестве конеч­ного продукта В, а легкая фаза — экстракт ^-направляется & сме­ситель / второй ступени. Здесь она смешивается со свежей тяжелой фазой Б и отделяется от нее в отстойнике 2 второй ступени. Из этого отстойника сверху удаляется легкая фаза Г — рафинат, а тя­желая фаза, как упоминалось выше, поступает в первую ступень.

Кроме смесителей с мешалками применяют перемешивание на­сосами, инжекторами и др. Разделение фаз проводится в аппара­тах различных конструкций — гравитационных, центробежных. В смесительно-отстойных экстракторах достигается интенсивное вза­имодействие между фазами, обеспечивающее приближение к рав­новесному состоянию. Однако эти установки довольно громоздки и занимают большие производственные площади. ~

Полочные колонные экстракторы относятся к числу непрерыв­но действующих аппаратов, работающих без подвода внешней

180

энергии. На рис. 162, а изображен колонный экстрактор с полками в виде колец, расположенных у стенок аппарата, и дисков в его. центральной части. На рис. 162, б полки в колонне изготовлены в виде сегментов и центральных частей со срезанными сегментами. Чередование полок таких конструкций в колоннах обеспечивает

aj

жидкость ТГ

к Легкая 7 жидкость

^

^: жидкость

5)

Легкая в)
i жидкость Легкая              Тяжелая

JL              "жидкость ^4^_ _ (Скидкость

щ

} \£Тяже/тя жидкость

жидкость легкая _ живность"

Рис. 162. Полочные колонные экстракционные аппараты: а — с кольцевыми полками, б —с сегментными полками, в —с ситчатыми полками

 

■ аппараты с ме-

а — общий вид, б -

Рис. 163. Роторно-дисковый экстрактор:

■ аппарат с дисками, в, г -шалками

•зигзагообразное прохождение легкой фазы снизу вверх и тяжелой сверху вниз при хорошем их смешении. Применяются также ко­лонны с ситчатыми полками (рис. 162, в).

* Роторно-дисковые колонные экстракторы (рис. 163) представ­ляют собой колонну, внутри которой расположены кольцевые пол­ки. Но оси аппарата размещен вал с насаженными на него дисками или мешалками, помещенными между кольцевыми полками, как показано на рисунке. Тяжелая фаза подается сверху, легкая — снизу. Каждая из них выводится с противоположных концов аппа­рата. Вращающиеся диски или мешалки производят многократное дробление капель, вследствие чего аппараты с механическим пере­мешиванием работают эффективнее полочных.

181

Стремление использовать дополнительную механическую энер­гию для увеличения поверхности контакта фаз при обеспечении последующего быстрого слияния отдельных капель и разделения жидкостей привело к использованию для этой цели пульсирующе­го тока жидкости.

Легк ая жидкость

.Тяжелая жидкость

Пульсациоиный экстрактор (рис. 164) состоит из колонны / и пульсатора 2, представляющего собой поршневой насос прос­того действия, подающий легкую фазу пульсирующим током. Используются также конструкции пульсационных экстракторов, в которых внутренние устройства колонн — тарелки, диски и др. — подвергаются механическому встряхиванию, что также способствует дроблению жидкостей на капли. Одна­ко этот способ менее целесообразен, так как вибрация больших инерцион­ных масс конструктивных элементов требует больших энергозатрат. ■_

Легк ая жидкость

Тяжелая жидкость

Рис. 164. Пульсациоиный экстрактор: / — колонна, 2— пульсатор (порш невой насос)

Кроме поршневых насосов для соз­дания пульсирующего тока жидкости используют и другие устройства. Не­достатком работы пульсационных экс­тр агентов являются неоднородность получаемой смеси в отдельных точках аппарата, а следовательно, и. неодина­ковая эффективность отдельных уча­стков аппарата. Кроме рассмотренных конструкций применяются центробежные и другие экстракторы.

⇐ Предыдущая31323334353637383940Следующая ⇒

Поделиться: