Общие сведения. Бинарная экстракция

ГЛАВА 15. ЭКСТРАКЦИЯ

Способы бинарной экстракции

На примере бинарной экстракции рассмотрим основные способы проведения процесса, которые могут применяться и для разделения многокомпонентных систем. Способы экстракции можно подразделить на ступенчатые и непрерывные. В первых исходная смесь и экстрагент приводятся в контакт до достижения равновесия между экстрактом и рафинатом, а во вторых фазы взаимодействуют друг с другом не достигая равновесия.

Одноступенчатая экстракция

Простейшим способом проведения процесса экстракции является одноступенчатая экстракция. Исходная смесь и экстрагент вводятся в смеситель 1 (рис. 15.2а), где происходит диспергирование и массопередача, а затем переходят в сепаратор 2, в котором разделяются на две фазы: рафинат и экстракт. Процесс может проводиться как непрерывно, так и периодически. Как правило, можно считать, что структура потоков в смесителе близка к МИС и выходящие из аппарата фазы экстракта и рафината находятся в состоянии равновесия. На рис. 15.2.б показано условное обозначение одноступенчатой экстракции.

а)

б)

Рис. 15.2. Схемы процесса одноступенчатой экстракции:

а) 1 смеситель; 2 – сепаратор; б) условное обозначение ступени

Запишем уравнение материального баланса по распределяющему компоненту для непрерывной одноступенчатой экстракции

, (15.3)

где и массовые расходы инертного компонента и экстрагента, относительные массовые концентрации, обозначения которых соответствуют рисунку 15.1. Дополнив (15.3) уравнением равновесия экстракта и рафината (15.4) получим систему уравнений с неизвестными , которые могут быть найдены ее решением

, (15.4)

, (15.5)

, (15.6)

Если коэффициент распределения постоянен и не зависит от , то и легко могут быть найдены из (15.5) и (15.6). Если же линия равновесия имеет кривизну, то есть , то решение затрудняется, так как в (15.5) и (15.6) необходимо подставлять . Таким образом, уравнение (15.5) становится нелинейным и решение его ищется, как правило, численными методами. В этом случае решение системы уравнений (15.3), (15.4) проще найти графическим методом преобразовав уравнение (15.3) к виду

, (15.7)

Проведем из точки на диаграмме (рис. 15.3) с координатами и , соответствующей концентрациям фаз на входе в аппарат, прямую линию под углом , тангенс которого равен отношению , до пересечения с линией равновесия. Точка их пересечения даст координаты , соответствующие составам фаз на выходе из аппарата. Чем меньше отношение , то есть чем больше расход экстрагента, тем меньше величины . С одной стороны это хорошо, так как достигается большая степень извлечения распределяемого компонента из исходной смеси, но с другой стороны, требуется больший расход экстрагента, что увеличивает затраты на его регенерацию. Кроме соотношения расходов на величины влияет и коэффициент распределения . Чем он больше, тем большая степень извлечения достигается при определенных расходах и возрастает концентрация распределяемого компонента в экстрагенте. Учесть оба эти фактора одновременно можно используя фактор массопередачи (12.125), который применительно к процессу экстракции носит название экстракционного фактора

. (15.8)

С помощью него можно просто выразить коэффициент извлечения (13.9), который для процесса одноступенчатой экстракции будет иметь вид

. (15.9)

Рис. 15.3. Изображение процесса одноступенчатой

экстракции на диаграмме

Как видно из (15.9) заданной степени извлечения соответствует определенное значение экстракционного фактора. Для увеличения степени извлечения необходимо увеличивать экстракционный фактор, повышая коэффициент распределения или расход экстрагента.

Недостаток процесса одноступенчатой экстракции заключается в необходимости больших затрат экстрагента для достижения высокой степени извлечения, то есть получения рафината высокой степени очистки. Для устранения этого недостатка используется многоступенчатая экстракция.

Ступенчатые экстракторы

Наиболее распространенными ступенчатыми экстракторами являются смесительно-отстойные, в которых диспергирование одной из фаз в другой осуществляется с помощью механической мешалки, а разделение фаз – отстаиванием.

Простейшим смесительно-отстойным экстрактором периодического действия может служить вертикальный цилиндрический аппарат с мешалкой. Процесс экстракции в этом случае будет состоять из следующих стадий: заполнение аппарата исходной смесью и экстрагентом; перемешивание, в ходе которого осуществляются образование эмульсии и процесс массопередачи до состояния близкого к равновесному; разделение образовавшихся фаз рафината и экстракта путем отстаивания; выгрузка из аппарата продуктов экстракции.

Однако на практике гораздо чаще применяются смесительно-отстойные экстракторы непрерывного действия. В них вышеперечисленные стадии протекают одновременно, но в различных частях экстрактора. С этой целью смеситель и сепаратор (отстойник) выполняются в виде отдельных камер (рис. 15.2а). Обе фазы могут подаваться в нижнюю часть смесителя либо легкая фаза снизу, а тяжелая сверху. Штуцер, соединяющий смеситель с отстойником, может располагаться в верхней части смесителя или на уровне мешалки. В последнем случае радиальное движение обеспечиваемое, например, турбинной мешалкой используется для перемещения эмульсии из смесителя в отстойник.

б)

Рис. 15.11. Ящичный экстрактор: а) отдельная ступень; б) – трехступенчатый противоточный; 1 – смеситель; 2 – отстойник; 3 – турбинная мешалка; 4 – полый вал; 5 – штуцер для выхода эмульсии; 6 – вертикальные перегородки, разделяющие ступени. Здесь и далее в главе 15: – легкая фаза (Л); – тяжелая фаза (Т);

– эмульсия (Э); – граница с твердой фазой; – граница раздела фаз жидкость – жидкость, газ – жидкость

Наиболее часто применяются вертикальные цилиндрические смесители с перегородками, уменьшающими воронкообразование и цилиндрические горизонтальные отстойники (см. рис. 7.3). Однако в целях экономии площадей, материала и насосов при многоступенчатой экстракции используют ящичные экстракторы прямоугольного сечения, все ступени которого размещены в одном корпусе и отделены друг от друга вертикальными перегородками (рис. 15.11.) Такой экстрактор позволяет обойтись без насосов. Перемещение сред в нем осуществляется за счет насосного действия турбинной мешалки, засасывающей тяжелую фазу через полый вал 4 и радиально отбрасывающей ее к штуцеру 5.

Фракционная экстракция

Еще одним способом экстракции, применяемым с целью повышения степени разделения исходной смеси, является фракционная экстракция (экстракция двумя экстрагентами). Экстрагенты должны иметь как можно меньшую растворимость друг в друге и преимущественно растворять различные компоненты исходной смеси. Процесс фракционной экстракции осуществляется в многоступенчатых или непрерывных противоточных установках. Рассмотрим его на примере четырехкомпонентной системы при многоступенчатой экстракции.

Пусть имеется исходная смесь , состоящая из компонентов А и В. Для ее разделения используются два экстрагента: S, преимущественно растворяющий В, и , преимущественно извлекающий А. В случае фракционной экстракции компоненты исходной смеси распределяются между двумя фазами, основу которых составляют соответствующие экстрагенты. Таким образом оба конечных продукта должны называться экстрактами, однако для удобства сохранения всех обозначений один из них, пусть с преимущественным содержанием и А, обычно, называют рафинатом, Исходная смесь поступает на промежуточную ступень под номером f (рис.15.20). На первую ступень подается экстрагент , а на последнюю экстрагент S. Отбор экстракта и рафината осуществляется, соответственно, из 1-й и m-й ступени. Концентрации и расходы фаз на выходе из каждой ступени могут находиться решением системы уравнений, аналогичной (15.25) (15.27).

Рис.15.20. Схема процесса фракционной многоступенчатой противоточной экстракции

Недостатком фракционной экстракции является значительный расход двух экстрагентов, а также необходимость регенерации каждого из них. Этот способ применяется, обычно, при невозможности подобрать один экстрагент с высокой селективностью.

Контрольные вопросы к главе 15

1. Что называется экстракцией? Какие продукты получают в результате экстракции, чем они отличаются от исходной смеси?

2. Какими способами можно разделить продукты экстракции?

3. Что такое экстрагент и какими свойствами он должен обладать?

4. Как можно регенерировать экстрагент?

5. В чем заключаются преимущества и недостатки экстракции по сравнению с другими процессами разделения?

6. В каких случаях целесообразно использовать экстракцию?

7. Перечислите основные стадии процесса экстракции.

8. Что характеризует коэффициентаселективности?

9. Изобразите схему установки для проведения процесса бинарной экстракции.

10. Перечислите способы проведения процесса бинарной экстракции.

11. Изобразите схему процесса одноступенчатой экстракции, запишите уравнения материального баланса и равновесия, получите на основе их решения конечные концентрации распределяемого компонента в экстракте и рафинате.

12. Решите последнюю задачу графическим методом, в каком случае он представляет преимущества по сравнению с аналитическим?

13. Что такое экстракционный фактор и коэффициент извлечения? Какова их взаимосвязь для одноступенчатой экстракции?

14. Как можно повлиять на экстракционный фактор? В чем заключаются преимущества и недостатки его увеличения?

15. Изобразите схему многоступенчатой перекрестной экстракции, как графическим методом определить необходимое число ступеней, в чем заключаются преимущества и недостатки этого способа по сравнению с одноступенчатой экстракцией?

16. Изобразите схему многоступенчатой противоточной экстракции, как графическим методом определить необходимое число ступеней, в чем заключаются преимущества и недостатки этого способа по сравнению с одноступенчатой и перекрестной экстракцией?

17. Как осуществляется непрерывная противоточная экстракция? Изобразите этот процесс на диаграмме.

18. Приведите классификацию экстракторов.

19. Изобразите схематично конструкции экстракторов, опишите принципы их работы, преимущества и недостатки.

20. В чем заключаются особенности многокомпонентной экстракции?

21. Изобразите схему процесса многоступенчатой противоточной экстракции с флегмой, опишите работу такой установки.

22. Изобразите схему процесса фракционной многоступенчатой противоточной экстракции, опишите работу такой установки ее преимущества и недостатки.

Вопросы для обсуждения

1. Имеет ли смысл проведение процесса многоступенчатой прямоточной экстракции?

2. Для чего при проведении процесса экстракции вначале одна из фаз диспергируется в другой, если затем приходится эти фазы отделять?

3. Почему при многокомпонентной экстракции существует не только минимальный, но и максимальный расход экстрагента.

ГЛАВА 15. ЭКСТРАКЦИЯ

Общие сведения. Бинарная экстракция

Экстракцией называется процесс избирательного поглощения компонентов жидкой смеси другими жидкостями или «сверхкритическими флюидами» (см. разд. 16.9), 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 распределяемыми 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 при условии экономической целесообразности. Как правило, это достигается в следующих случаях:

1. 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;

2. Разделение азеотропных смесей или смесей компонентов с близкими летучестями;

3. 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 или десорбции для сверхкритических флюидов.

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

, (15.1)

где и – коэффициенты распределения соответствующих компонентов, определяемые соотношениям (12.62). Здесь в качестве фазы I рассматривается фаза экстракта (концентрации компонентов в ней обозначены буквой y), а фазы 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 (13.4) записать уравнение равновесия в виде

, (15.2)

где концентрация распределяемого компонента в экстрагенте S, а в инертном компоненте А. Как и в случае бинарной абсорбции для трехкомпонентной двухфазной системы число степеней свободы равно трем , но поскольку экстракция, как правило, проводится при постоянных давлении и температуре, то . 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. 13.3).

Схема установки для проведения процесса бинарной экстракции при регенерации экстрагента с помощью ректификации изображена на рис. 15.1. Исходная смесь F компонентов А и В поступает в экстрактор 1, где при взаимодействии с экстрагентом S концентрация распределяемого компонента В 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

Рис. 15.1. Схема установки для бинарной экстракции: 1 экстрактор; 2 ректификационная колонна; 3 подогреватель; 4 дефлегматор; 5 кипятильник; 6 холодильник

выделения из него целевого компонента В, экстрагент с остаточным содержанием распределяемого компонента вновь подается в экстрактор.

Способы бинарной экстракции

На примере бинарной экстракции рассмотрим основные способы проведения процесса, которые могут применяться и для разделения многокомпонентных систем. Способы экстракции можно подразделить на ступенчатые и непрерывные. В первых исходная смесь и экстрагент приводятся в контакт до достижения равновесия между экстрактом и рафинатом, а во вторых фазы взаимодействуют друг с другом не достигая равновесия.

Одноступенчатая экстракция

Простейшим способом проведения процесса экстракции является одноступенчатая экстракция. Исходная смесь и экстрагент вводятся в смеситель 1 (рис. 15.2а), где происходит диспергирование и массопередача, а затем переходят в сепаратор 2, в котором разделяются на две фазы: рафинат и экстракт. Процесс может проводиться как непрерывно, так и периодически. Как правило, можно считать, что структура потоков в смесителе близка к МИС и выходящие из аппарата фазы экстракта и рафината находятся в состоянии равновесия. На рис. 15.2.б показано условное обозначение одноступенчатой экстракции.

а)

б)

Рис. 15.2. Схемы процесса одноступенчатой экстракции:

а) 1 смеситель; 2 – сепаратор; б) условное обозначение ступени

Запишем уравнение материального баланса по распределяющему компоненту для непрерывной одноступенчатой экстракции

, (15.3)

где и массовые расходы инертного компонента и экстрагента, относительные массовые концентрации, обозначения которых соответствуют рисунку 15.1. Дополнив (15.3) уравнением равновесия экстракта и рафината (15.4) получим систему уравнений с неизвестными , которые могут быть найдены ее решением

, (15.4)

, (15.5)

, (15.6)

Если коэффициент распределения постоянен и не зависит от , то и легко могут быть найдены из (15.5) и (15.6). Если же линия равновесия имеет кривизну, то есть , то решение затрудняется, так как в (15.5) и (15.6) необходимо подставлять . Таким образом, уравнение (15.5) становится нелинейным и решение его ищется, как правило, численными методами. В этом случае решение системы уравнений (15.3), (15.4) проще найти графическим методом преобразовав уравнение (15.3) к виду

, (15.7)

Проведем из точки на диаграмме (рис. 15.3) с координатами и , соответствующей концентрациям фаз на входе в аппарат, прямую линию под углом , тангенс которого равен отношению , до пересечения с линией равновесия. Точка их пересечения даст координаты , соответствующие составам фаз на выходе из аппарата. Чем меньше отношение , то есть чем больше расход экстрагента, тем меньше величины . С одной стороны это хорошо, так как достигается большая степень извлечения распределяемого компонента из исходной смеси, но с другой стороны, требуется больший расход экстрагента, что увеличивает затраты на его регенерацию. Кроме соотношения расходов на величины влияет и коэффициент распределения . Чем он больше, тем большая степень извлечения достигается при определенных расходах и возрастает концентрация распределяемого компонента в экстрагенте. Учесть оба эти фактора одновременно можно используя фактор массопередачи (12.125), который применительно к процессу экстракции носит название экстракционного фактора

. (15.8)

С помощью него можно просто выразить коэффициент извлечения (13.9), который для процесса одноступенчатой экстракции будет иметь вид

. (15.9)

Рис. 15.3. Изображение процесса одноступенчатой

экстракции на диаграмме

Как видно из (15.9) заданной степени извлечения соответствует определенное значение экстракционного фактора. Для увеличения степени извлечения необходимо увеличивать экстракционный фактор, повышая коэффициент распределения или расход экстрагента.

Недостаток процесса одноступенчатой экстракции заключается в необходимости больших затрат экстрагента для достижения высокой степени извлечения, то есть получения рафината высокой степени очистки. Для устранения этого недостатка используется многоступенчатая экстракция.