Жидкостная экстракция

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

 

 

 

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ  ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

Институт природных ресурсов

Кафедра химической технологии топлива

и химической кибернетики

 

 

 

Реферат на тему

Жидкостная экстракция

по дисциплине «Машины и аппараты химических производств»

 

 

Студент гр.2КМ31                                 В.В. Норин

_______________

 

(подпись)

 

 

 

Руководитель                                            О.К. Семакина

преподаватель каф. ХТТ и ХК             (подпись)   

 

 

 

 

 

 

 

Томск – 2013

 

Экстракция Жидкостная (позднелат. extractio - извлечение, от extraho - вытягиваю, извлекаю), перевод одного или нескольких компонентов раствора из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней другую жидкую фазу, содержащую избирательный растворитель (экстрагент); один из массообменных процессов химической технологии. Используется для извлечения, разделения и концентрирования растворенных веществ.

Экстрагенты обеспечивают переход целевых компонентов из исчерпываемой (тяжелой) фазы, которая чаще всего представляет собой водный раствор, в извлекающую (легкую) фазу (обычно органическую жидкость). Две контактирующие жидкие фазы и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракционную систему. Извлекающая фаза включает только экстрагент (или смесь экстрагентов) либо является раствором одного или нескольких экстрагентов в разбавителе, служащем для улучшения физических (вязкость, плотность) и экстракционных свойств экстрагентов. В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, которые в исчерпываемой фазе практически нерастворимы и инертны по отношению к извлекаемым компонентам раствора. Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие растворимость экстрагируемых компонентов в извлекающей фазе или облегчающие расслаивание: спирты, кетоны, трибутилфосфат и т.д.). 

К основным стадиям жидкостной экстракции относятся:

1) приведение в контакт  и диспергирование фаз;

2) разделение или расслаивание  фаз на экстракт (извлекающая  фаза) и рафинат (исчерпываемая фаза);

3) выделение целевых компонентов  из экстракта и регенерация  экстрагента, для чего наряду с дистилляцией наиболее часто применяют реэкстракцию (процесс, обратный жидкостной экстракции), обрабатывая экстракт водными растворами веществ, обеспечивающих полный перевод целевых компонентов в раствор или осадок и их концентрирование;

4) промывка экстракта  для уменьшения содержания и  удаления механически захваченного  исходного раствора. 

В любом экстракционном процессе после достижения требуемых показателей извлечения фазы должны быть разделены. Эмульсии, образующиеся при перемешивании, обычно термодинамически неустойчивы, что обусловлено наличием избыточной свободной энергии вследствие большой межфазной поверхности. Последняя уменьшается из-за коалесценции (слияния) капель дисперсной фазы. Коалесценция энергетически выгодна (особенно в бинарных системах) и происходит до тех пор, пока не образуются два слоя жидкости.

Разделение эмульсий осуществляется, как правило, в две стадии. Сначала довольно быстро осаждаются (всплывают) и коалесцируют крупные капли. Значительно более мелкие капли остаются в виде "тумана", который отстаивается довольно долго. Скорость расслаивания зачастую определяет производительность аппаратуры всего экстракционном процесса. На практике для интенсификации разделения фаз используют центробежные силы и применяют различные устройства или насадки, которые располагают в отстойниках (см. ниже). В ряде случаев расслаиванию способствует электрическое поле. 

Основные требования к промышленным экстрагентам: высокая избирательность; высокая экстракционном емкость по целевому компоненту; низкая растворимость в рафинате; совместимость с разбавителями; легкость регенерации; высокие химическая, а в ряде случаев и радиационная стойкость, негорючесть или достаточно высокая температура вспышки (более 60 °С); невысокая летучесть и низкая токсичность; доступность и невысокая стоимость. 

Наиболее распространенные промышленные экстрагенты подразделяют на следующие классы:

1) нейтральные, извлечение  которыми осуществляется по разным  механизмам в зависимости от  кислотности исходного раствора,- вода, фосфорорганические соединения (главным образом трибутилфосфат), нефтяные сульфоксиды, насыщенные спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны и др.;

2) кислые, которые извлекают катионы металлов в орг. фазу из водной,- фосфорорганические кислоты [ди(2-этилгексил)фосфорная кислота], карбоновые и нафтеновые кислоты,сульфокислоты, алкилфенолы, хелатообразующие соединения  (гидроксиоксимы, алкилгидроксихинолины,  дикетоны);

3) основные, с помощью  которых извлекают анионы металлов из водных растворов, первичные, вторичные, третичные амины и их соли, соли четвертичных аммониевых, фосфониевых и арсониевых оснований и др. 

Кинетика экстракции

Жидкостная экстракция, как и любой реальный процесс, протекает во времени. Кинетически жидкостная экстракция представляет собой массопередачу, которая сопровождается разнообразными физико-химическими процессами, происходящими на межфазной границе, в прилегающих к ней слоях и в объемах фаз. Скорость экстракции, или количество вещества, переходящего в единицу времени из одной фазы в другую, определяется по ф-ле:

где К - коэффициент массопередачи; F - площадь межфазной поверхности;   - движущая сила процесса. Если параметры v, F и   известны, то можно найти значение плотности межфазного потока (j), коэф. массопередачи и обратную ему величину - так называемое сопротивление массопередаче (Rм):

В зависимости от природы Rм или, иными словами, в зависимости от того, каким конкретно процессом (химической реакцией или диффузией) лимитируется скорость извлечения вещества, могут быть предложены различные способы воздействия на скорость экстракции. Возможны два основных пути ее регулирования:

1) введением в экстракционном  систему механической энергии, затрачиваемой  на принудительном перемешивание  и диспергирование фаз с целью увеличения поверхности их контакта и коэффициентов массоотдачи в фазах;

2) воздействием на скорость  химических реакций и межфазных  физико-химических процессов. 

В химической технологии в качестве главного фактора интенсификации жидкостная экстракция используют первый путь, так как обычно скорость экстракции лимитируется диффузией. Однако необходимо учитывать, что возрастание межфазной поверхности и коэффициента массоотдачи в фазах становится все менее заметным по мере увеличения интенсивности принудительного перемешивания. Поэтому попытки дальнейшего ускорения экстракции за счет дополнительных затрат механической энергии могут оказаться неэффективными. Кроме того, при интенсивных режимах перемешивания возможно снижение скорости разделения фаз на последующих стадиях процесса. Если скорость извлечения вещества ограничена скоростью медленных хим. реакций в фазах, то при прочих равных условиях скорость экстракции не зависит от размера межфазной поверхности. Интенсификация экстракционного процесса возможна лишь за счет ускорения самих реакций.

В подавляющем большинстве экстракционных систем, особенно при интенсивном перемешивании, сопротивление массопередаче Rм сосредоточено в межфазной области. Это означает, что все действующие в ней факторы будут оказывать влияние на коэффициент массопередачи. К числу таких факторов относятся: межфазные реакции между экстрагентом и извлекаемым веществом; блокировка межфазной поверхности в результате аккумуляции на ней труднорастворимых продуктов реакций, микрокапель, твердых частиц или, др. словами, вследствие образования в межфазной области конденсированных межфазных пленок и зон микрогетерогенности; влияние процессов адсорбции - десорбции и двойного электрического слоя; самопроизвольная межфазная конвекция из-за нарушения гидродинамической стабильности границы раздела фаз (эффект Марангони). 

Знание закономерностей кинетики процесса и информация о коэффициент массопередачи необходимы для расчетов экстракционной аппаратуры и определения путей интенсификации жидкостной экстракции. 

Способы организации процесса

Осуществляют в аппаратах, называемыми экстракторами, с однократным и многократным контактом фаз. Соответственно различают однократную (одноступенчатую) и многократную (многоступенчатую) экстракцию; при этом ступенями разделения служат отдельные аппараты или их секции.

Многократная экстракция

Наиболее распространенна в промышленности. Проводится непрерывно и по способу движения фаз подразделяется на противоточную, полупротивоточную и перекрестноточную. Чаще всего применяют противоточную экстракцию одним экстрагентом (рис. 1) с числом ступеней обычно 5-10. Для трудноразделяемых компонентов (напр., близких по свойствам лантаноидов) число ступеней достигает 70-100.

Рис. 1. Схема противоточной многократной экстракции: 1-4, ..., n - экстракторы.

Четкость разделения исходной смеси можно повысить, используя следующие способы. При жидкостной экстракции с обратной флегмой экстрагент и рафинат частично отделяются от соответственного экстракта и исходного раствора; далее определенные доли этих фракций обратно возвращаются в экстрактор навстречу уходящим потокам (процесс проводят подобно ректификации). При жидкостной экстракции с двумя несмешивающимися экстрагентами каждый из них избирательно растворяет какой-либо компонент или группу компонентов экстракционном системы. 

Реже используют полупротивоток и перекрестный ток. При полупротивоточной экстракции одна фаза "неподвижна" (не перемещается со ступени на ступень), а другая фаза последовательно проходит все ступени каскада, вымывая компоненты раствора в порядке убывания коэффициента   Полупротивоток применяют для извлечения и разделения компонентов, присутствующих в системе в очень малых количествах. При необходимости более полного извлечения целевого компонента из исходного раствора иногда используют перекрестноточную экстракцию (рис. 2): исчерпываемая фаза движется последовательно вдоль ступеней каскада, а извлекающая фаза поступает на каждую ступень и с нее же выводится.

Рис. 2. Схема перекрестноточной многократной экстракции. 

Однократная экстракция

Осуществляется периодически или непрерывно, возможна лишь при высоких значениях   и применяется преимущественно для аналитических целей. Примером промышленной реализации одноступенчатого процесса может служить мембранная экстракция, основанная на использовании мембран жидких и сочетающая одновременно прямой процесс и реэкстракцию. Роль мембран выполняет слой органической жидкой фазы, разделяющий два водных раствора - исчерпываемый и извлекающий. Жидкая мембрана обычно содержит активный компонент - экстрагент, служащий для переноса целевых компонентов из исчерпываемой фазы в извлекающую. Разновидность мембранной жидкостная экстракция - экстракция во множественных эмульсиях вода - масло - вода. 

Оптимизация экстракции

Жидкостная экстракция - многофакторный процесс, математическое описание и оптимизация которого требуют сведения воедино совокупности равновесных, кинетических, гидродинамических, конструктивных данных и результатов масштабирования. Эта задача успешно решается с помощью структурного моделирования экстракционном процессов. В основе его лежат структурные модели, адекватно описывающие равновесие, кинетику и аппаратурное оформление каждого реального процесса. В отличие от функциональных моделей, которые также используются для описания экстракционном процесса, но рассматривают его или отдельные элементы лишь с целью установления количественных корреляции между отдельными параметрами, структурные модели обладают более широкими экстраполяционными возможностями и пригодны для оптимизации жидкостная экстракция на стадии промышленного проектирования. 

Аппаратурное оформление процесса

По способу контакта фаз промышленные экстракторы подразделяют на дифференциально-контактные (колонные аппараты), ступенчатые и промежуточные конструкции. Аппараты первой группы отличаются непрерывным контактом фаз и плавным изменением концентрации извлекаемого компонента вдоль длины (высоты) аппарата. При таком профиле концентраций фазы ни в одной точке экстрактора не приходят в равновесие. Эти аппараты более компактны и требуют ограниченных производственных площадей, однако в них за счет продольного перемешивания (обусловлено конвективными осевыми потоками, застойными зонами, турбулентными пульсациями и т. д.) может значительно уменьшаться средняя движущая сила. 

Аппараты второй группы состоят из дискретных ступеней, в каждой из которых осуществляется контакт фаз, после чего они разделяются и движутся противотоком в последующие ступени. Продольное перемешивание выражено слабее, но необходимость разделения фаз между соседними ступенями может приводить (при плохо отстаивающихся системах) к существенному увеличению размеров экстрактора. 

Колонные экстракторы

Их подразделяют на гравитационные и с внешним подводом энергии. Эффективность колонн оценивают кпд отдельных ступеней разделения, высотой, эквивалентной теоретической ступени (ВЭТС), либо высотой единицы переноса (ВEП). ВЭТС зависит от гидродинамического режима в колонне и физико-химических свойств экстракционной системы. Высоту (длину) колонны, в которой проводится многоступенчатый процесс, рассчитывают по ф-ле: H = N x ВЭТС(ВЕП), где N - необходимое число ступеней, определяемое, как правило, графически по изотермам экстракции и материальным балансам или с помощью расчетов на ЭВМ.