Основные определения и теория процесса. Экстракцией называют процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов)

Экстракцией называют процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии раствора с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и не растворяются остальные компоненты исходной смеси [1]. Экстракция в системах жидкость – жидкость представляет собой массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество.

Процесс жидкостной экстракции состоит в том, что исходную смесь и экстрагент приводят в тесный контакт. В результате взаимодействия фаз получают экстракт – раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафинат – остаточный исходный раствор, из которого с той или иной степенью полноты удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы (экстрагент и рафинат) разделяются отстаиванием, центрифуированием или другими гдромеханическими способами. После этого извлекают целевой продукт из экстракта и производят регенерацию экстрагента из рафината. Основное достоинство процесса экстакции по сравнению с другими процессами разделения жидких смесей (ректификация. выпаривание) состоит в том, что он осуществляется при низких рабочих температурах, чаще всего при комнатной температуре.

В зависимости от вида контакта между жидкими фазами экстракторы, как и другие массообменные аппараты, бывают: со ступенчатым контактом фаз (тарельчатые); с непрерывным контактом фаз (насадочные).

Методы осуществления жидкостной экстракции и аппаратура для нее весьма разнообразны. При противоточной экстракции исходная смесь и экстрагент поступают в экстракционную колонну навстречу друг другу и движутся в ней противотоком из-за разности в плотностях. Снизу в колонну подают более легкий продукт, сверху – более тяжелый. Рассмотрим случай, когда плотность экстрагента больше плотности исходной смеси. Экстрагент подается сверху и движется вниз, извлекая растворенный в исходной смеси целевой компонент. Образующийся при этом экстракт выводится из колонны снизу. Первичный растворитель исходной смеси по мере движения вверх освобождается от целевого компонента. Очищенный первичный растворитель – рафинат выводится из колонны сверху. При таком движении жидкостей в верхней части колонны разбавленный раствор экстрагируемого вещества в первичном растворителе обрабатывается свежим экстрагентом. Благодаря этому обеспечивается наиболее полное извлечение экстрагируемого компонента из рафината.

Любой процесс, связанный с переходом вещества из одной фазы в другую, обратим, т.е. молекулы вещества могут переходить, как в одном, так и в другом направлении. Предел этого перехода – состояние равновесия между фазами. При полной взаимной нерастворимости первичного и вторичного растворителей каждый из них присутствует только в одной фазе. Степень отклонения рассматриваемой двухфазной системы от состояния равновесия является движущей силой процесса массообмена. Графически движущая сила выражается отрезком, заключенным между равновесной и рабочей линиями. Равновесия при экстрагировании можно достигнуть лишь через длительный промежуток времени взаимодействия сред. Практически в экстракционных аппаратах равновесие не достигается и концентрация Y (действительная, рабочая) отличается от Y^* (равновесной).

На рис. 5 представлена схема процесса противоточной экстракции. Обозначим массовый расход исходной смеси (в данном случае керосин с бензойной кислотой) через G, содержание извлекаемого компонента в ней через X; массовый расход экстракта (вода с бензойной кислотой) через L; содержание извлеченного компонента через Y. Концентрации X, Y выражены в относительных массовых концентрациях.

Для противоточного экстрактора уравнение материального баланса имеет вид

,

где М – масса вещества, перешедшего в единицу времени из первичного растворителя в экстракт, кг/с.

Рассмотрим сечение I – I экстрактора (рис. 5) и составим материальный баланс для верхней части аппарата

.

Из этого уравнения определим концентрацию в любом сечении верхней части аппарата

.

Мы получили уравнение рабочей линии процесса экстракции, которое графически выражается прямой линией. В случае действующего экстрактора значения определяются экспериментально и по двум точкам и , строится рабочая линия, наклон которой зависит от соотношения потоков (рис. 5).

Рис. 5. Схема процесса противоточной экстракции: ОС – линия равновесия; АВ – рабочая линия, прямая, проходящая через точки А и В , при соотношениях потоков ; А₁В₁ – рабочая линия, полученная при соотношения потоков

Положение равновесной линии определяется физическими свойствами системы и условиями (температура, давление), в которых находится данная система. Данные по равновесию приведены в табл. 3.

Таблица 3

Равновесные концентрации бензойной кислоты
в воде и в керосине

, кг/м3	0,185	0,661	1,073	1,705
, кг/м3	0,440	0,851	1,076	1,387

Чем больше система отклонена от равновесия, тем интенсивнее она стремится к нему и наоборот, при малых отклонениях от равновесия движущая сила мала.

Движущая сила процесса переменна по высоте аппарата; внизу аппарата она равна отрезку : ; вверху аппарата она равна : .

Средняя движущая сила процесса экстракции равна среднему арифметическому (если ) или среднему логарифмическому значению.

Чем больше движущая сила процесса, тем больше вещества передается за одно и то же время на одном и том же участке аппарата из одной фазы в другую .

Изменяя соотношения потоков, мы изменяем и движущую силу процесса.