ЭКСТРАГИРОВАНИЕ
ЭКСТРАГИРОВАНИЕ

Экстрагированием называется процесс извлечения одного или нескольких компонентов из смеси, находящейся в жидком или в твердом состоянии, путем обработки растворителем (экстраген-том), избирательным по отношению к извлекаемому компоненту.

ОСНОВНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

В процессе жидкостной экстракции целевой компонент находится в исходном растворителе в состоянии раствора, при этом условием извлечения компонента из растворителя служит большая его растворимость в экстрагенте по отношению к растворимости в первоначальном растворителе. При этом исходный растворитель и экстрагент не должны растворяться друг в друге.

При экстрагировании из твердофазного состояния подлежащий извлечению целевой компонент, как правило, заполняет внутреннюю пористую структуру нейтрального твердого тела. При этом сам извлекаемый компонент либо находится в твердофазном состоянии, либо растворен в некоторой жидкости, которая заполняет пористую структуру твердого тела.

Жидкостная экстракция часто производится в аппаратах с механическим перемешиванием. При этом создается эмульсия -механическая смесь мелких капель одной жидкости со сплошной фазой другой жидкости. Поверхностью массопередачи, через которую целевой компонент переходит от первоначального растворителя в массу экстрагента, является суммарная поверхность всех капель эмульсии. Как и в аппаратах для взаимодействия жидкой фазы с газовой или паровой фазой, здесь также существуют значительные трудности при попытках определения численных значений суммарной поверхности массопередачи. По этой основной причине расчеты скорости массопередачи в процессах экстракции, как правило, проводятся методами, исключающими величину поверхности контакта фаз. Помимо этого, здесь существуют трудности с вычислением скорости относительного перемещения капель одной и другой жидкостей. При экстрагировании из пористых частиц добавляются трудности анализа процессов переноса извлекаемого компонента из пористой структуры материала.

Задачи по равновесным соотношениям (статике) экстрагирования решаются преимущественно графическим путем - с помощью треугольной (или прямоугольной) диаграммы. 
Особенности треугольной диаграммы:

а) вершины треугольника (рис. 7.1) соответствуют чистым компонентам Л, В и С, стороны треугольника АВ, ВС и АС - двухком-понентным смесям А и В, В и С, А и С, точки внутри треугольника - трехкомпонентным системам (например, точка g характеризует следующий состав смеси в массовых долях: А 70 %, В 20 % и С 10%);

б) лучи Аа, ВЬ, Сс, проведенные из вершин треугольника, являются геометрическим местом фигуративных точек смесей с постоянным отношением содержаний двух других компонентов хв/хс, хл/хс, хА/хв соответственно;

в) линии dd, ее, ff, параллельные сторонам треугольника АС, ВС, АВ, являются геометрическим местом фигуративных точек смесей с постоянным содержанием компонентов В, А> С соответственно.

2. Правило рычага при смешении двух растворов, составы которых характеризуются на диаграмме любыми точками а и Ь, общий состав смеси выражается точкой с, лежащей на прямой аЪ, соединяющей эти точки; отрезки ас и be обратно пропорциональны массам взятых растворов (рис. 7.2)

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ

7.1. Построить треугольную диаграмму равновесия для системы вода - уксусная кислота - этиловый эфир при 25 4С, пользуясь данными табл. 7.1. Сравнить полученную диаграмму с диаграммой X, Y - z, Z (см. пример 7.3).

7.2. Уксусная кислота экстрагируется в противотоке этиловым эфиром из водного раствора, в котором массовая доля кислоты 20 %. Определить необходимый расход растворителя на 1000 кг/ч исходной смеси и число теоретических ступеней экстрагирования, если массовая доля кислоты в экстракте должна составлять 60 %, а в рафинате - не более 2 % (после отгонки растворителя).

7.3. Бензойная кислота экстрагируется из водного раствора с содержанием ее 1,5 кг на 1 м3 воды последовательной промывкой бензолом, содержащим 0,2 кг бензойной кислоты на 1 м3 бензола, при отношении объемов воды и бензола VF/VS = 4. Определить, сколько понадобится промывок, если конечная концентрация бензола в воде 0,2 кг/м3. Определить также составы получающихся экстрактов. Равновесные данные при рабочей температуре процесса:

7.4. В противоточном экстракторе экстрагируется 1,4-диоксан из 25 %-го водного раствора бензолом, в котором массовая доля ди-оксана 0,5 %. Конечная массовая доля диоксана в воде 2 %. Определить: а) минимальную массу растворителя на 100 кг исходной смеси; б) необходимое число теоретических ступеней экстрагирования; в) состав экстракта, приняв массу растворителя в 1,5 раза больше минимальной. Равновесные данные см. в примере 7.1.

7.5. Построить фазовые диаграммы равновесия в координатах X,Y-z, ZnX-Y для системы вода - уксусная кислота - изо-пропиловый эфир при 20 "С, пользуясь данными о равновесных составах сосуществующих фаз (в массовых долях, %), приведенными в табл. 7.3. Соединительные линии на диаграмме X, Y - z, Z проводить не следует. Определить оптимальный состав экстракта при работе противотоком для 5- и 10 %-й исходных смесей.
Таблица 7.3
Водный слой
Эфирный слой
вода уксусная изопропиловый вода уксусная изопропиловый
кислота эфир кислота эфир

7.6. Определить минимальное количество возврата экстракта и соответствующее ему минимальное количество растворителя на 100 кг исходной смеси вода - уксусная кислота с массовой долей последней 10 %, если экстракция производится диэтиловым эфиром при 25 еС. Массовая доля уксусной кислоты в экстракте после отгонки растворителя должна составлять 75 % уксусной кислоты, а в рафинате 1 %; растворитель отгоняется полностью*.

7.7. Решить задачу 7.6, приняв количество возврата двойным против минимального. Определить также число теоретических ступеней экстрагирования.

7.8. Построить фазовые диаграммы равновесия в координатах X, У - z> Z для системы гептан - метилциклогексан - анилин при 25 °С. Данные о равновесных составах сосуществующих фаз (в массовых долях, взять из табл. 7.4. Определить, какого состава продукты можно получить, обрабатывая 40 % -й раствор метил-циклогексана в гептане чистым анилином при обычной противо-точной экстракции. Определить также минимальное число ступеней экстрагирования (при полном возврате экстракта и рафината), если массовая доля метилциклогексана в экстракте 98 %, а в ра-финате 1 % (после отгонки от растворителя).
Таблица 7.4
Рафинатный слой Экстрактный слой Рафинатный слой Экстрактный слой

7.9. Вычислить значение коэффициента массопередачи в условиях примера 7.6 при диаметре капель бензола 0,78 10 3 мм. Сравнить соотношение внешнего и внутреннего сопротивлений массопереносу с результатами примера 7.6.

7.10. В условиях примера 7.7 произвести вычисления для определения времени полного экстрагирования, а также для построения кинетической кривой 1/0(т) отработки частицы радиусом 0,8 10 3 м.

7.11. Метилциклогексан экстрагируется анилином из 40 %-го раствора его в гептане при 25 4С в экстракционной установке с возвратом части экстракта и рафината. Массовая доля метилциклогексана в экстракте 98 %, а в рафинате 1 % (исключая растворитель). Отношение количеств возврата экстракта и экстракта-продукта принять в 1,62 раза больше минимального. Определить число ступеней экстрагирования.

7.12. В батарею из трех отстойников противоточного действия, объемом по 7 м3 каждый, поступают 2 т раствора NaOH в 1 м3 воды вместе с осадком СаС03 и отбираются 6 м8 прозрачного концентрированного раствора на выпарку. С другой стороны в батарею подается в качестве растворителя 6 м3 чистой воды на 2000 кг NaOH. Осадок СаС03 при переходе со ступени на ступень и при удалении из батареи удерживает 1 м3 раствора.