Автор работы: Пользователь скрыл имя, 24 Декабря 2013 в 00:32, реферат
Экстракцией в системе жидкость-жидкость называют процесс извлечения растворенного вещества или веществ из жидкости с помощью специальной другой жидкости, не растворяющейся или почти не растворяющейся в первой, но растворяющей экстрагируемые компоненты.
Процесс экстракции проводится в аппаратах различной конструкции – экстракторах.
Экстракцию широко используют для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов.
Введение
Экстракцией в системе жидкость-жидкость называют процесс извлечения растворенного вещества или веществ из жидкости с помощью специальной другой жидкости, не растворяющейся или почти не растворяющейся в первой, но растворяющей экстрагируемые компоненты.
Выщелачивание (частный случай экстракции) — это извлечение из твердого тела одного или нескольких веществ при помощи растворителя, обладающего избирательной способностью. В пищевой промышленности выщелачиванием обрабатывают капиллярно-пористые тела растительного или животного происхождения.
Процесс экстракции проводится
в аппаратах различной
Экстракцию широко используют
для извлечения ценных продуктов
из разбавленных растворов, а также
для получения
Основное преимущество экстракции – низкая рабочая температура процесса, что позволяет разделять жидкие смеси термолабильных веществ, например антибиотиков, разлагающихся при повышенных температурах.
Во многих случаях экстракцию
применяют в сочетании с
1 Описание и аналитическое исследование процесса
Принципиальная схема экстракции приведена на рис.1
F
E
Рисунок 1 – Принципиальная схема экстракции
В экстрактор загружаются исходный раствор F, содержащий распределяемое (экстрагируемое) вещество или вещества М, и растворитель L. Жидкость, используемая для извлечения компонентов, называется экстрагентом (Е). Массообмен между фазами протекает при их непосредственном контакте. Полученная в результате экстракции жидкая смесь поступает в разделитель, где разделяется на экстракт (Э) — раствор экстрагированных веществ в экстрагенте и рафинат (R) — остаточный раствор, из которого экстрагированы извлекаемые компоненты. Разделение смеси на экстракт и рафинат происходит в результате отстаивания или сепарирования.[1]
Равновесие в системе жидкость-жидкость
Переход распределяемого вещества из одной жидкой фазы (исходного раствора) в другую (экстрагент) происходит до установления равновесия, т. е. до выравнивания химических потенциалов в фазах. В процессе участвуют три компонента (К= 3) и две фазы (Ф= 2). Согласно правилу фаз вариантность системы F=3. Однако температура и давление при проведении процесса экстракции, как правило, поддерживаются постоянными. Тогда вариантность экстракционной системы будет равняться единице.
Следовательно, данной концентрации распределяемого вещества в одной фазе в состоянии равновесия соответствует определенная концентрация в другой.
Равновесие в процессах экстракции характеризуется коэффициентом распределения φ, который равен соотношению равновесных концентраций экстрагируемого вещества в обеих жидких фазах — в экстракте и рафинате.
В простейших системах достаточно разбавленных растворов, подчиняющихся закону Бертло — Нернста, при постоянной температуре коэффициент распределения не зависит от концентрации распределяемого вещества и , где , – равновесные концентрации распределяемого вещества в экстракте и рафинате. В этом случае линия равновесия – прямая:
Последнему уравнению отвечают начальные участки изотерм экстракции. При наличии диссоциации и ассоциации молекул растворенного вещества и его химического взаимодействия с экстрагентом коэффициент распределения изменяется с концентрацией и изотермы экстракции отклоняются от прямой. В области высоких концентраций такие отклонения вызваны изменением коэффициентов активности в фазах.
Коэффициент распределения, как правило, в промышленных системах определяют экспериментальным путем.
Если считать обе жидкие фазы нерастворимыми друг в друге, то каждая из фаз будет представлять собой двухкомпонентный раствор. В этом случае процесс экстракции по аналогии с другими массообменными процессами может быть изображен в координатах у—х.
При частичной взаимной растворимости жидких фаз каждая из них при экстракции будет представлять собой трехкомпонентный раствор. Составы трехкомпонентных смесей представляют в треугольной системе координат (рис. 2).
Рисунок 2 – Треугольная диаграмма
В вершинах L, М, Е равностороннего треугольника отложены составы частых (100 %-ных) компонентов: растворитель исходного раствора L, экстрагент Еи распределяемое вещество М. Каждая точка на сторонах LM, ME и EL соответствует составу двухкомпонентных растворов.
Площадь, заключенная внутри треугольника, соответствует составам трехкомпонентных растворов (тройным смесям). Для определения содержания каждого компонента в растворе на сторонах диаграммы нанесены шкалы отсчета. Длина каждой стороны принята за 100 % (массовых, объемных или мольных).
Состав раствора или смеси определяется длиной отрезков, проведенных параллельно каждой стороне треугольника до пересечения с двумя другими.
Например, точка N характеризует тройную смесь, состоящую из 30 % растворителя L, 41 % экстрагента Е и 30% распределяемого вещества М.
На треугольной диаграмме изображают процессы изменения состава трехкомпонентных смесей. При прибавлении к раствору, характеризуемому точкой N (рис. 3, а), распределяемого вещества М содержание компонентов Е и L не изменяется, а точки, определяющие составы полученных растворов, будут находиться на прямой NM, приближаясь к вершине треугольника М, в зависимости от количества прибавленного компонента М.
При извлечении распределяемого вещества М из смеси N точки, соответствующие получаемым составам, будут лежать на прямой РМ, и чем более разбавлен раствор, тем ближе к стороне треугольника LE.
а — концентрирование и разбавление смеси; б— смешивание двух трехкомпонентных смесей
Рисунок 3 – Изменение состава трехкомпонентных смесей на треугольной диаграмме
Разбавление смеси состава N экстрагентом Е характеризует линия NE.
С помощью треугольной диаграммы по известному количеству и составу исходной смеси (точка N) и составам, получаемым при ее разделении на экстракт (точка Э) и рафинат (точка R), можно определить количество этих фаз (рис. 3, б) по уравнению материального баланса
где R, Э, N – масса соответственно рафината, экстракта, исходной смеси, кг.
Изобразим линию равновесия в треугольной диаграмме. Примем условие, согласно которому распределяемое вещество М неограниченно растворяется в обеих жидких фазах L и Е, а сами растворители имеют ограниченную растворимость друг в друге (рис. 4).
Составы однородных двухкомпонентных растворов М и L и М и Е характеризуются точками на сторонах диаграммы LM и ЕМ. Растворители L и Е образуют однородные растворы только на небольших участках LR и ЭЕ. Смесь растворителей на участке RЭ расслаивается на два однородных двухкомпонентных насыщенных раствора R (насыщенный раствор Е в L) и Э (насыщенный раствор Z, в Е). Причем количество насыщенных растворов в каждом из двух слоев определяется положением точки Nv. находится по правилу рычага (уравнение (2)).
При добавлении вещества М в смесь состава W образуется тройная смесь состава, характеризуемого точкой , лежащей на прямой NM. Смесь состава расслаивается на две фазы с равновесными составами R1 и Э1 в соотношении R1Э1/). При дальнейшем добавлении в смесь распределяемого вещества М2, , ... получим тройные смеси составов N2, ,..., которые также расслаиваются на фазы с равновесными составами R2 и Э2, и Э3 и т. д. При этом меняются и массовые соотношения равновесных расходов до того момента, когда одна из фаз исчезнет в рассматриваемом случае при составе . После этого при добавлении распределяемого вещества М
образуются однородные тройные растворы состава N5 и др.
Если соединить и , R2 и Э2,... прямыми линиями, получим хорды равновесия , R2..., соответствующие равновесным составам. Хорды равновесия сходятся в точке К, называемой критической. Наклон хорды равновесия определяется природой компонентов и составом фаз. Соединив точки, характеризующие равновесные составы R, R1 R2, ... и Э, Э1, Э2,..., плавной кривой, получим кривую равновесия (бинодальную кривую). Ветвь RK кривой равновесия характеризует равновесные составы фазы растворителя L, а ветвь ЭК— равновесные составы фазы растворителя Е.
Бинодальная кривая на треугольной диаграмме разграничивает области, соответствующие двухфазным смесям (под бинодальной кривой) и однофазным растворам (вне бинодальной кривой).
Приведенная на рис. 4 диаграмма равновесия составлена для постоянной температуры.
На практике приходится иметь дело с компонентами, обладающими частичной растворимостью в определенных интервалах концентраций. Соответственно поведению компонентов треугольные диаграммы бывают с двумя и тремя зонами ограниченной растворимости.
На равновесие системы влияет также температура. Взаимная растворимость компонентов, как правило, с повышением температуры увеличивается, следовательно, область существования гетерогенных систем уменьшается. С увеличением температуры бинодальная кривая на рис. 4 будет приближаться к оси LE, при этом площадь под линией ККЭ будет уменьшаться.[2]
Рисунок 4 – Линия равновесия в треугольной диаграмме
Массопередача при экстракции
Кинетические закономерности процесса экстракции определяются основными законами массопередачи.
Для увеличения площади поверхности фазового контакта одну из фаз диспергируют в виде капель в другой сплошной фазе. Площадь поверхности фазового контакта определяется задержкой дисперсной фазы в экстракторе и средним поверхностно-объемным диаметром капель. Распределяемое вещество диффундирует из сплошной фазы к поверхности капель, а затем внутрь капли, либо, наоборот, из капли через поверхность раздела фаз в сплошную фазу.
Массопередача внутри капель осуществляется молекулярной и конвективной диффузией. Конвекция внутри капель возникает за счет циркуляции жидкости. Форма и размер капель в процессе экстракции многократно меняются за счет диспергирования и коалесценции. При этом происходит обновление поверхности межфазного контакта.
Для описания массопередачи в процессах экстракции пользуются вторым законом Фика.
В общем случае, когда диффузионным сопротивлением и сплошной и дисперсной фазах пренебречь нельзя, коэффициент массопередачи определяется выражениями
; (3) , (4)
Где и - коэффициенты массоотдачи в дисперсной и сплошной фазах.
В случае, если диффузионное сопротивление сосредоточено в сплошной фазе, из уравнений (3) и (4) получим . Тогда основное уравнение массопередачи перепишется так: .
В случае, если основное диффузионное сопротивление сосредоточено в дисперсной фазе, т.е. внутри капель, , количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую, будет равно .
Коэффициенты масоотдачи в фазах рассчитывают по критериальным уравнениям, которые получают на основании экспериментальных данных.
Среднюю движущую силу рассчитывают с учетом фактора масштабного перехода с введением в расчетные уравнения его значения.
Схемы и расчет процессов экстракции
В промышленности используют периодическую или непрарывную экстракцию по следующим схемам: одноступенчатой, многоступенчатой противоточной и многоступенчатой с перекрестным током экстрагента.
Одноступенчатая экстракция применяется в тех случаях, когда высок коэффициент разделения. Она может осуществляться переодическим и непрерывным способами по схеме, приведенной на рис. 4, а. в аппарат – смеситель загружают исходный раствор F в количестве L кг растворителя концентрацией и экстрагент , которые перемешиваются мешалкой, а затем разделяются на два слоя: экстракт Э и рафинат R.
Для разделения эмульсии используются отстойники, для трудноразделимых эмульсий – сепараторы.
Материальный баланс по распределяемому веществу . (5)
Полагая, что и модуль экстракции , получим концентрации рафината (6)
и экстракта . (7)
Рисунок 5 – Схема одноступенчатой экстракции (а) и изображение процесса в координатах (б) и на треугольной диаграмме (в)
При этом степень измельчения