в каком случае рекомендуется использовать одноступенчатую экстракцию

Экстракция. Одноступенчатая и многоступенчатая экстракция

Экстракция в системе «жидкость – жидкость» – 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.

Жидкость, используемая для извлечения компонентов, называется экстрагентом. Массообмен между фазами протекает при их непосредственном контакте. Полученная в результате экстракции жидкая смесь поступает в разделитель, в котором разделяется на экстракт – раствор экстрагированных веществ в экстрагенте и рафинат – остаточный раствор, из которого экстрагированы извлекаемые компоненты. Процесс экстракции проводится в аппаратах различной конструкции – экстракторах.

При экстракции в системе «жидкость – жидкость» экстракт и рафинат разделяют отстаиванием, затем из экстракта выделяют растворенное вещество отстаиванием, выпариванием или другими методами.

В промышленности используют периодическую или непрерывную экстракцию по следующим схемам: одноступенчатой, многоступенчатой противоточной и многоступенчатой с перекрестным током экстрагента.

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.

Источник

Одноступенчатая экстракция

Одноступенчатая экстракция

Жидкая фаза, выходящая из устройства, обозначена цифрами Zhn и Yn. массовая доля α-растворенного вещества а также показана на рисунке. Эта задача решается с помощью треугольника, показанного на рисунке 3. 40. 8. Если вы смешиваете RPM и 1up_ flow, вы получаете смесь. Его состав представлен точкой M.

Общее для всех коэффициентов формы это то, что они определяют геометрию и поэтому в каждом отдельном случае для каждого рассматриваемого тела определяются раз и навсегда. Людмила Фирмаль

положение точки M на линии, соединяющей Yn ₊ ₁ и i’ya_₁, определяется соотношением величин этих 2 потоков в соответствии с этим правилом. Если экстрагент 0,408 кг подается на каждый килограмм ₍, то соотношение сегментов должно быть равно 0,408.И затем… Равно или 0,290.

Верхняя поверхность может быть совершенно исключена, чтобы образовать произвольное число проходов для теплового потока (трубок тока). Людмила Фирмаль

Эти 2 фазы находятся в equilibrium. So, точки TUP и Yn находятся на краю Коннода, проходя через точку M. массовая доля рафинатного компонента а снижается до chl = 0,16 или после перегонки экстрагента до x’L = 0,17. В вопросе, который будет рассмотрен в этой главе, IV, V и другие подобные обозначения являются、 В установившемся состоянии он перемещается в единицах по 1 килограмму в час, а при регулярном извлечении-в единицах по 1 килограмму.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник

Одноступенчатая экстракция

Способы бинарной экстракции

Простейшим способом проведения процесса экстракции является одноступенчатая экстракция. Исходная смесь и экстрагент вводятся в смеситель 1 (рис. 16.2а), где происходит диспергирование и массопередача, а затем переходят в сепаратор 2, в котором разделяются на две фазы: рафинат и экстракт. Процесс может проводиться как непрерывно, так и периодически. Как правило, можно считать, что структура потоков в смесителе близка к МИС и выходящие из аппарата фазы экстракта и рафината находятся в состоянии равновесия.

На рис. 16.2.б показано условное обозначение одноступенчатой экстракции.

Запишем уравнение материального баланса по распределяющему компоненту для непрерывной одноступенчатой экстракции

, (16.3)

где и — массовые расходы инертного компонента и экстрагента, — относительные массовые концентрации, обозначения которых соответствуют рисунку 16.1. Дополнив (16.3) уравнением равновесия экстракта и рафината (16.4) получим систему уравнений с неизвестными , которые могут быть найдены ее решением

, (16.4)

, (16.5)

, (16.6)

Если коэффициент распределения постоянен и не зависит от , то и легко могут быть найдены из (16.5) и (16.6). Если же линия равновесия имеет кривизну, то есть , то решение затрудняется, так как в (16.5) и (16.6) необходимо подставлять . Таким образом уравнение (16.5) становится нелинейным и решение его ищется, как правило, численными методами. В этом случае решение системы уравнений (16.3), (16.4) проще найти графическим методом преобразовав уравнение (16.3) к виду

, (16.7)

Проведем из точки на —диаграмме (рис. 16.3) с координатами и , соответствующей концентрациям фаз на входе в аппарат, прямую под углом , тангенс которого равен отношению , до пересечения с линией равновесия. Точка их пересечения даст координаты , , соответствующие составам фаз на выходе из аппарата. Чем меньше отношение , то есть чем больше расход экстрагента, тем меньше величины и . С одной стороны это хорошо, так как достигается большая степень извлечения распределяемого компонента из исходной смеси, но с другой стороны, требуется больший расход экстрагента, что увеличивает затраты на его регенерацию. Кроме соотношения расходов на величины , влияет и коэффициент распределения . Чем он больше, тем большая степень извлечения достигается при определенных расходах и возрастает концентрация распределяемого компонента в экстрагенте. Учесть оба эти фактора одновременно можно используя фактор массопередачи (13.125), который применительно к процессу экстракции носит название экстракционного фактора

. (16.8)

С помощью него можно просто выразить коэффициент извлечения (14.9), который для процесса одноступенчатой экстракции будет иметь вид

. (16.9)

Как видно из (16.9) заданной степени извлечения соответствует определенное значение экстракционного фактора. Для увеличения степени извлечения необходимо увеличивать экстракционный фактор, повышая коэффициент распределения или расход экстрагента.

Рис. 16.3. Изображение процесса одноступенчатой экстракции на диаг-рамме .

Недостаток процесса одноступенчатой экстракции заключается в необходимости больших затрат экстрагента для достижения высокой степени извлечения, то есть получения рафината высокой степени очистки. Для устранения этого недостатка используется многоступенчатая экстракция.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Лекция 16 «Экстракция»

16.1. ЭКСТРАКЦИЯ В СИСТЕМЕ ЖИДКОСТЬ — ЖИДКОСТЬ

16.1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

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.

Принципиальная схема экстракции приведена на рис. 16.1.1.

Рис. 16.1.1. 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.

Процесс экстракции проводится в аппаратах различной конструкции — экстракторах.

Экстракцию широко используют для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов.

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 ректификацией. Поскольку расход теплоты на ректификацию уменьшается с увеличением концентрации исходного раствора, предварительное концентрирование раствора экстракцией позволяет сократить расход теплоты на разделение исходной смеси.

16.1.2. 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 характеризует коэффициент распределения φ, который равен отношению 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 φ=ур/х, где ур, х — равновесные концентрации распределяемого вещества в экстракте и рафинате. В этом случае линия равновесия — прямая:

(16.1.1)

Уравнению отвечают начальные участки изотерм экстракции. При наличии диссоциации и ассоциации молекул растворённого вещества и его химического взаимодействия с экстрактом 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 определяется экспериментальным путём.

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 изображён в координатах y—x.

При частичной взаимной растворимости жидких фаз каждая из них при экстракции будет представлять собой трёхкомпонентный раствор. Составы трёхкомпонентных смесей представляют в треугольной системе координат (Рис. 16.1.2).

Рис. 16.1.2. Треугольная диаграмма

Площадь, заключённая внутри треугольника, соответствует составам трёхкомпонентных растворов (тройным смесям). Для определения содержания каждого компонента в растворе на сторонах диаграммы нанесены шкалы отсчёта. Длина каждой стороны принята за 100% (массовых, объёмных 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 изображаются процессы изменения состава трехкомпонентных смесей. При прибавлении к раствору, характеризуемому точкой N (рис. 16.1.3, 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 и точки, соответствующие получаемым составам, будут лежать на прямой РМ, и чем более будет разбавлен раствор, тем ближе к стороне треугольника LE.

Рис. 16.1.3. Изменение состава трёхкомпонентных 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. 16.1.3, б) по уравнению материального баланса

По правилам рычага имеем

(16.1.2)

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. 16.1.4).

Рис. 16.1.4. Линия равновесия в треугольной диаграмме

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 L в Е). Причем количество насыщенных растворов в каждом из двух слоев определяется положением точки N и находится по правилу рычага [(см. уравнение (16.1.2)].

Бинодальная кривая на треугольной диаграмме разграничивает области, соответствующие двухфазным смесям (под бинодальной кривой) и однофазным растворам (вне бинодальной кривой).

Приведенная на рис. 16.1.4 диаграмма равновесия составлена для постоянной температуры и называется изотермой.

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. 16.1.4 будет приближаться к оси LE, при этом площадь под линией RKЭ будет уменьшаться.

16.1.3. 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 в сплошной и дисперсной фазах пренебречь нельзя, коэффициент массопередачи определяется выражениями

(16.1.3)

(16.1.4)

где: и — коэффициенты массоотдачи в дисперсной и сплошной фазах.

В случае, если диффузионное сопротивление сосредоточено в сплошной фазе, из уравнений (16.1.3) и (16.1.4) 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 массоотдачи в фазах рассчитывают по критериальным уравнениям, которые получают на основании экспериментальных данных. Критериальные уравнения приводятся ниже при описании конструкций экстракторов.

Среднюю движущую силу рассчитывают с учетом фактора масштабного перехода с введением в расчетные уравнения его значения.

16.1.4. СХЕМЫ И РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ЭКСТРАКЦИИ

В промышленности используют периодическую или непрерывную 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 периодическим и непрерывным способами по схеме, приведенной на рис. 16.1.5,а. В аппарат — смеситель загружают исходный раствор F в количестве L кг растворителя концентрацией Хн и экстрагент Е, которые перемешиваются мешалкой, а затем разделяются на два слоя: экстракт Э и рафинат R.

Рис. 16.1.5. Схема одноступенчатой экстракции: (а) и изображение процесса в координатах у—х (б) и на треугольной диаграмме(в)

Для разделения эмульсии используются отстойники, для трудноразделимых эмульсий — сепараторы.

Материальный баланс по распределяемому веществу

(16.1.5)

Полагая, что у=φx и модуль экстракции m=E/L, получим концентрации рафината

(16.1.6)

(16.1.7)

При этом степень извлечения

(16.1.8)

где: ε – экстракционный фактор;

Рассмотрим процесс одноступенчатой экстракции на треугольной и прямоугольной диаграммах (рис. 16.1.5, б, в). При перемешивании исходного раствора с экстрагентом образуется тройная смесь, состав которой характеризует точка N, расположенная на линии смешения FE. После расслаивания этой смеси образуются экстракт и рафинат, составы которых определяются точками R и Э, лежащими на хорде равновесия, проходящей через точку N. Модуль экстрагента определяется по правилу рычага: E/F=FN/(EN)

Количество рафината R=,а количество экстракта Э=N—R=.

Состав рафината определяет точка RK, а экстракта — точка Эк на стороне треугольника LM.

Экстремальные значения модулей экстрагента определяют точки N1 и N2 на бинодальной кривой: и .

При взаимной нерастворимости исходного раствора и экстрагента на диаграмме у—х процесс экстракции изображается прямой линией АВ, для построения которой из точки хн проводят линию под углом до пересечения с линией равновесия в точке В, координаты которой выражают составы получаемых экстракта ук и рафината хк, и соединяют точку В с точкой А (хн, ун=0), характеризующей концентрацию экстрагируемого компонента в исходной смеси F.

Модуль экстрагента для получения рафината с заданной концентрацией хк

Чем больше модуль экстрагента, тем меньше тангенс угла наклона и концентрации экстрагируемого компонента в рафинате и экстракте: и . Однако с увеличением модуля экстрагента возрастает стоимость его регенерации. Оптимальными значениями экстракционного фактора являются 1,2

Источник