Технологический расчёт экстракции в системе «жидкость–жидкость»

Модуль экстрагента определяется по «правилу рычага»:

количество рафината

а количество экстракта:

Состав рафината определяет точка R_k, а экстракта — точка Э_k на стороне треугольника LM. Экстремальные значения модулей экстрагента определяют точки N₁ и N₂ на бинодальной кривой:

При взаимной нерастворимости исходного раствора и экстрагента на у-х-диаграмме процесс экстракции изображается прямой линией АВ, для построения которой из точки х_н проводят линию под углом α до пересечения с линией равновесия в точке β, координаты которой выражают составы получаемых экстракта у_к и рафината х_к, и соединяют точку В с точкой А (х_н, у_н = 0), характеризующей концентрацию экстрагируемого компонента в исходной смеси F.

Модуль экстрагента для получения рафината с заданной концентрацией х_к:

Причём чем больше модуль экстрагента, тем меньше тангенс угла наклона и концентрации экстрагируемого компонента в рафинате и экстракте: Х_к1 < Х_к и У_рк1 < У_рк. Однако с увеличением модуля экстрагента возрастает стоимость его регенерации. Оптимальные значения экстракционного фактора: 1,2 < mφ < 2.

Многоступенчатая экстракция проводится в многосекционных экстракторах или экстракционных установках, в которых каждый агрегат представляет самостоятельную установку. Многоступенчатая экстракция может проводиться с противотоком экстрагента, при перекрёстном токе исходного раствора и экстрагента или комбинированным способом при нескольких экстрагентах [9].

Необходимо сразу отметить, что противоточная экстракция может осуществляться по различным схемам. Например, в распылительных, насадочных и тарельчатых экстракторах состав обеих фаз меняется непрерывно по длине аппарата [10]. В других экстракторах или установках состав обеих или одной фазы меняется скачкообразно при переходе от секции к секции.

Противоточная экстракция осуществляется по различным схемам. В распылительных, насадочных и тарельчатых экстракторах состав обеих фаз меняется непрерывно по длине аппарата. В других экстракторах состав обеих или одной фазы меняется скачкообразно при переходе от секции к секции

В многосекционных противоточных установках (рис. 6а) исходный раствор F и экстрагент Е поступают с противоположных концов установки. Экстракт с концентрацией экстрагируемого компонента, близкой к насыщению, взаимодействует в первой ступени с исходным раствором F концентрацией х_н.

После разделения тройной смеси в первой ступени получают экстракт концентрацией γ₁ = γ_к и рафинат концентрацией x₁. Рафинат состава х_х во второй ступени взаимодействует с экстрактом состава Э₃. После разделения получают рафинат состава R₂ и экстракт состава Э₂. В последней n-й ступени обеднённый экстрагируемым компонентом рафинат R_n-1 концентрацией х_n-1 взаимодействует со свежим экстрагентом Е концентрацией γ_i = γ_n, близкой к нулю. В результате разделения на выходе из установки получают очищенный раствор.

Материальный баланс для всей установки по экстрагируемому компоненту, пренебрегая взаимной растворимостью раствора и экстрагента, записывается в следующих концентрациях, отнесённых к 1 кг экстрагента:

L(x_н – x_к) = E(y_н – y_к), (15)

а для одной (n - 1)-й секции:

L(x_н – x_n–1) = E(y_к – y_н). (16)

Отсюда получим уравнение рабочей линии противоточного процесса:

которое является уравнением прямой с тангенсом угла наклона:

tg(α) = L/E. (18)

Число ступеней контакта определяется количеством ступеней, вписанных между рабочей и равновесной линиями, начиная от точки A (х_н, у_к) и до точки B (х_к, y_n). Положение кинетической линии определяется коэффициентом извлечения и гидродинамическими условиями в аппарате. Этот процесс на треугольной диаграмме представлен на рис. 6в.

В первой секции экстракционной установки на ходу исходного раствора последней F взаимодействует с экстрактом с предыдущей второй ступени Э₂ с образованием тройной смеси точки N₁, после разделения которой в сепараторе получают экстракт Э₁ и рафинат R₁ в общем случае неравновесного состава. Во второй ступени рафинат R₁ взаимодействует с экстрактом из третьей ступени Э₃, образуя тройную смесь N₂, которая разделяется на R₂ и Э₂. Соединив две точки, соответствующие составам фаз на входе и выходе из каждой секции, линиями FЭ₁, RЭ₂, R₂Э₃ и т.д. и продолжив их, получим точку пересечения Р.

Аналогичные процессы происходят и в остальных секциях экстрактора. В результате исходный раствор обедняется экстрагируемым компонентом и выходит из последней n-й секции концентрацией х_к, а экстрагент насыщается компонентом до конечной концентрации у_к.

Расчёт установок для экстракции водно-органической смеси

Расчёт заключается в определении зависимости между качеством воды до и после очистки, а также количества используемого экстрагента (растворителя) и количества ступеней в установке [11].

Пусть изотерма экстракции — прямая, К_э = const и при экстрагировании используется полностью регенерированный экстрагент, содержание загрязняющего вещества в котором С_en(э) = 0. Уравнение баланса загрязняющего вещества в системе «вода-экстрагент» для одноступенчатой установки:

W_вC_en(в) = W_вC_ex(в) + W_эC_ex(э), (19)

где W_в и W_э — объёмы воды и экстрагента; C_en(в), C_ex(в) — концентрации загрязнений в воде до и после экстракции; C_ex(э) — содержание загрязнения в экстракте после экстракции и при условии достижения равновесного состояния. Обозначим соотношения:

Если установка состоит из m ступеней с противоточным движением воды и экстрагента, то есть на последнюю ступень подаётся чистый экстрагент, на предпоследнюю — экстракт после последней ступени и т.д., то получим зависимость:

Из формулы (22) можно определить количество ступеней, необходимое для требуемой очистки воды:

Выражение К_эη называется фактором экстракции, его увеличение позволяет уменьшить количество ступеней установки. Для этого следует увеличивать η или применять более эффективные экстрагенты, у которых выше значение К_э. При глубокой очистке фактор экстракции должен быть больше единицы.

Геометрические размеры экстрактора (высота, диаметр) находятся по эмпирическим зависимостям или по результатам экспериментов, причём как для каждого вида экстрагента, так и загрязняющего вещества.

Выводы

Экстракция — эффективный массообменный процесс извлечения из водных растворов органических компонентов. Достоинства экстракции: низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных водноорганических растворов, возможность разделения жидких смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами (ректификацией, кристаллизацией), простота аппаратуры и доступность её автоматизации.

Недостатками экстракции являются трудность полного удаления экстрагента из экстрагируемых компонентов из растворов, необходимость проведения многократной экстракции и контроля температурного режима.