Экстрагирование в системе «твёрдое тело-жидкость»

Движущей силой процесса экстракции в системе «твёрдое тело-жидкость» является разница концентраций экстрагируемого вещества в жидкости, заполняющей поры твёрдого тела, и в основной массе экстрагента, находящегося в контакте с поверхностью твёрдых частиц. Механиз экстрагирования состоит из следующих стадий:

- проникновение растворителя в поры частиц твёрдого материала;

- растворение целевого компонента;

- перенос экстрагируемого вещества из внутренних структур частиц материала к поверхности раздела фаз с образованием диффузионного пограничного слоя (плёнки);

- перенос экстрагируемого вещества через пограничный диффузионный слой (плёнку).

- перенос экстрагируемого вещества от наружной поверхности диффузионного пограничного слоя в объём омывающего материала.

При экстрагировании в системе «твёрдое тело - жидкость» процесс может лимитироваться следующими стадиями:

Внешнедиффузионная. Скорость процесса определяется скоростью диффузии в объёме при условии, что концентрация растворителя в порах и на поверхности твёрдого материала меньше, чем концентрация его в объёме;

Внутридиффузионная. Скорость процесса определяется скоростью диффузии в порах вещества;

Внутренняя кинетическая. При условии, что пористый материал обладает низкой химической активностью, а концентрация растворителя в порах равна концентрации вобъёме;

Внешняя кинетическая. Реагент имеет относительно высокую химическую активность. Поэтому реакция протекает на поверхности пористого материала при условии, что скорость реакции лимитирует скорость всего процесса (при малой пористости вещества).

Экстрагирование в системе «жидкость-жидкость»

Экстракция в системах «жидкость-жидкость» - диффузионный процесс, который протекающий при участии двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество. Этот метод известен с середины XIX в.. И получил широкое распространение через 100 лет - в 50-60-е гг. XX в.. В течение нескольких десятилетий он был одним из самых важных аналитических методов разделения и концентрирования органических соединений и микроэлементов.

Жидкостная экстракция состоит из двух технологических операций:

1) контактирование исходной смеси с растворителем, в ходе которого осуществляется массообменный процесс, переход компонента через границу раздела из одной фазы в другую;

отделение полученного раствора от оставшейся жидкой смеси.

При жидкостной экстракции происходит неполная взаимная растворимость исходной смеси и растворителя - в противном случае вторая операция неосуществима. Контактирование фаз проводится путём распределения (дробления) одной фазы в виде капель в объёме другой.

В результате взаимодействия жидких фаз получают экстракт - раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафинад - остаточный исходный раствор, из которого удалены экстрагируемые компоненты.

Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинад) отделяются друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими механическими способами. После этого происходит извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерация экстрагента из рафинада. Целевой продукт выделяют из экстракта ректификацией, упариванием, или реэкстракцией.

Главное преимущество процесса экстракции в системе «жидкость-жидкость» по сравнению с другими процессами разделения жидких смесей - низкая рабочая температура процесса. Процесс часто проводится при нормальной температуре. Отпадает необходимость в затратах тепла на испарение раствора. При экстракции из многочисленных растворителей можно подобрать высокоизбирательный экстрагент, отличающийся по химическим свойствам от компонента исходной смеси. При этом достигается более полное разделение, чем с помощью других массообменных процессов.

В промышленности используют методы жидкостной экстракции (как правило, при использовании одного экстрагента):

- одноступенчатая (однократная);

- многоступенчатая с перекрёстныем током;

- непрерывная противоточная;

- ступенчатая противоточая;

- противоточная с флегмой.

Одноступенчатая экстракция применяется тогда, когда высок коэффициент разделения. Она заключается в перемешивании исходного раствора и растворителя, а после установления равновесия фаз - в разделении смеси на экстракт и рафинат. Для разделения эмульсий используют отстойники, для трудноразделимых эмульсий - сепараторы.

Многоступенчатая экстракция проводится в многосекционных экстракторах или экстракционных установках. Она может проводиться с противотоком экстрагента или комбинированным способом при наличии нескольких экстрагентов. Многоступенчатая противоточная экстракция более эффективна, чем экстракция в перекрестном токе. При противоточной экстракции достигается более высокая средняя движущая сила процесса и происходит более полное извлечение компонента из раствора.

Требования, предъявляемые к органическим растворителям для экстракции.

К органическим растворителям, применяемым для экстракции, предъявляется ряд требований.

1. Органический растворитель должен хорошо извлекать исследуемое вещество из водной фазы.

2. Желательно, чтобы применяемый растворитель был избирательным или селективным. Он должен извлекать из растворов только одно вещество или группу родственных соединений.

3. Растворитель должен иметь незначительную растворимость в воде, а вода не должна заметно растворяться в этом растворителе.

При использовании для экстракции органических растворителей, растворяющихся в воде или растворяющих воду, конечные объемы фаз после взбалтывания не будут равны начальным объемам этих фаз. Это может быть источником ошибок при расчетах константы и коэффициента распределения, а также при вычислении степени экстракции. Чтобы исключить возможные ошибки при расчетах, органический растворитель насыщают водой, а воду— органическим растворителем. Только после этого производят экстракцию.

4. Органический растворитель по возможности не должен быть низкокипящим. Температура кипения растворителядолжна быть выше 50 °С. Низкокипящие органические растворители даже при комнатной температуре быстро улетучиваются. Поэтому при экстракции их объемы уменьшаются, а концентрация экстрагированных веществ в этих растворителях увеличивается. Это может быть одним из источников ошибок при расчетах константы или коэффициента распределения экстрагируемого вещества. Однако низкая температура кипения органических растворителей является положительным фактором с точки зрения регенерации их после экстракции.

5. Плотность органических растворителей по возможности должна отличаться от плотности воды и водных растворов. При большой разности плотностей указанных жидкостей разделение фаз происходит быстро.

6. Растворители не должны быть огнеопасными или ядовитыми. Есть и некоторые другие требования, предъявляемые к растворителям.

Экстракционные аппараты.

Колонные экстракторы для системы жидкость—жидкость разделяют на аппараты без подвода энергии и с подводом энергии.

К первым относятся распылительные, насадочные и ситчатые экстракторы, ко вторым — смесительно-отстойные, роторные, пульсационные, вибрационные

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 мало эффективны. Насадочные экстракционные колонны по конструкции аналогичны насадочным колоннам для процессов ректификации и абсорбции. В качестве насадки в них используют преимущественно кольца Рашига, которые укладывают на опорные решетки колосникового типа.

Распылительные колонны.

Распылительный колонный экстрактор представляет собой полую колонну, внутри которой имеются лишь уст­ройства для ввода легкой и тяжелой фаз. На рис.2. показан распы­лительный экстрактор, в котором диспергируется легкая фаза, поступаю­щая в корпус 1 через распределитель 2. Проходя через отверстия распре­делителя, легкая фаза в виде капель движется снизу вверх сквозь тяже­лую фазу, заполняющую смесительную зону колонны. К этой зоне сверху и снизу примыкают отстойные зоны, обычно имеющие больший по срав­нению со смесительной зоной диаметр для лучшего отстаивания жидкостей.

Вверхней отстойной зоне капли сливаются и образуют слой легкой фазы, которая отводится сверху колонны. Тяжелая жидкость поступает через трубы 3 и движется в виде сплошной фазы сверху вниз. Она удаляет­ся из колонны через гидравлический затвор 4, с помощью которого до­стигается полное заполнение жидкостью корпуса колонны.

В соответствии с высотой перелива тяжелой жидкости устанавливается положение уровня раздела фаз в колонне. Снижая высоту перелива, можно перемещать уровень раздела в любое сечение смесительной зоны, а также в нижнюю отстойную зону колонны. Обычно в промышленных экст­ракторах положение уровня раздела фаз автоматически регулируется вентилем 5, установленным на выходе тяжелой жидкости из колонны, который соединяется с датчиком, контролирующим положение уровня раздела.

Каждой скорости тяжелой жидкости должна соответствовать некото­рая предельно-допустимая скорость легкой жидкости, и наоборот. С уве­личением скорости легкой жидкости возрастает число капель в единице объема аппарата и их движение происходит во все более стесненных ус­ловиях. В результате увеличивается объемная доля диспергируемой фазы (ее задержка в аппарате), что уменьшает до­лю поперечного сечения, свободного для про­хода сплошной фазы. Это, в свою очередь, вызывает возрастание локальных скоростей сплошной фазы, которая начинает уносить все большее число капель в направлении, обратном направлению движения дисперсной фазы. Возникают циркуляционные токи дис­персной фазы, т. е. обратное перемешивание, которое существенно умень­шает движущую силу и соответственно ин­тенсивность массопередачи в распылитель­ных экстракторах.

Рис.2. Распылитель­ный колонный экстрактор: 1—корпус; 2—распылитель лег­кой жидкости (дисперсной фа­зы); 3 — трубы для ввода тя­желой жидкости (сплошной фа­зы); 4 — гидравлический за­твор; 5 — регулирующий вен­тиль.

Возрастание уноса приводит в конечном счете к образованию второй поверхности раздела фаз в нижней отстойной зоне (см. рис. 2), нарушению противотока и «захлебыванию» колонны.

Аналогичное влияние оказывает умень­шение доли поперечного сечения аппарата распределителем для диспергируемой фазы: капли укрупняются и легко увлекаются сплошной фазой. Для того чтобы по возмож­ности свести к минимуму явления, ускоря­ющие «захлебывание», распределитель дис­персной фазы устанавливают в нижней рас­ширенной части колонны, где скорость сплошной фазы уменьшается, а сплошную фазу вводят, как показано на рис. 1, чтобы устранить возмущение потока на вхо­де в колонну.

Распылительные экстракторы отличаются высокой производитель­ностью, но вместе с тем очень низкой интенсивностью массопередачи, обус­ловленной обратным (продольным) перемешиванием. Величина ВЕП в них достигает нескольких метров. Это является основной причиной весьма ограниченного промышленного применения распылительных колонн.

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: