Общие сведения о процессе и области его применения
Экстракционное разделение — процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых пористых материалов избирательно действующими растворителями (экстрагентами).
Различают:
- жидкофазная экстракцияэкстрагирование в системе Ж-Ж.
- твердофазное экстрагирование — экстрагирование в системе ТВ-Ж.
Жидкостная экстракция — процесс перехода одного или нескольких растворенных веществ из одной жидкой фазы в другую, практически нерастворимую или частично растворимую в первой, но растворяющую эти вещества. Процесс протекает при непосредственном контакте двух жидких фаз.
Экстракцию из твердых веществ жидкостью (растворителем) часто называют экстрагированием. Если в этом процессе в качестве растворителя используется вода, то такую экстракцию называют выщелачиванием.
Экстракция широко применяется: в химической, нефтехимической, фармацевтической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности при получении редких и рассеянных элементов и т. п. с целью извлечения в чистом виде ценных или токсичных веществ из растворов, для получения концентрированных растворов этих веществ, для очистки сточных вод предприятий.
Жидкостную экстракцию, наряду с перегонкой, следует рассматривать как один из основных методов разделения однородных жидких смесей. Процесс экстракции обычно экономически выгоднее, например, ректификации в тех случаях, когда концентрация извлекаемого компонента мала (поскольку при экстракции не нужно испарять всю жидкую смесь).
Кроме того, экстракцию целесообразно применять в случае, если смесь невозможно или трудно разделить ректификацией или разделяемая смесь разлагается при нагревании. Обычно жидкостную экстракцию сочетают с ректификацией, которую применяют для регенерации экстрагирующей жидкости, называемой экстрагентом или растворителем. Наряду с ректификацией для регенерации экстрагента применяют такие методы, как нагревание, выпаривание и др. Плотности экстрагента и разделяемого раствора должны быть различными.
Экстрак m — раствор извлеченных веществ в экстрагенте.
Рафинат — раствор, из которого удалены экстрагируемые компоненты.
2. Основные схемы проведения экстракционных процессов
Массообменные процессы
... такие массообменные процессы как сушка, кристаллизация, адсорбция, экстракция и ректификация. Рассмотрим их поподробнее. Ректификация - процесс многократного противоточного контактирования встречных неравновесных потоков пара и жидкости с целью разделения жидких гомогенных смесей на ...
А) без регенерации экстрагента (рис. 1, а) исходный раствор (фаза. Фх + М) и экстрагент (фаза Фу) подают в экстракционный аппарат — экстрактор, в котором происходит перенос вещества М из фазы Фх в фазу Фу. В результате получают экстракт (фаза Фу + М) и рафинат (фаза Фх).
Схема без регенерации экстрагента в технике встречается редко.
Б) с регенерацией экстрагента (рис. 1, б) применяют чаще. По этой схеме проводят регенерацию экстрагента из экстракта и экстрагента из рафината, если экстрагент частично в немрастворим. Очищенный экстрагент вновь подают на экстракцию.
В) в сочетании с реэкстракцией. (рис. 1, в) за экстракцией следует обратный процесс, который называют реэкстракцией. При этом органическую фазу обрабатывают растворами реагентов, которые обеспечивают достаточно полный переход целевого компонента в водный раствор или осадок и его концентрирование. Получаемый при этом продукт называют реэкстрактом. Таким образом, процесс экстракции всегда связан с добавлением к разделяемому раствору экстрагента, что неизбежно приводит к загрязнению продуктов разделения и к необходимости последующей очистки и к удорожанию процесса.
Рис. 1
3. Равновесие в системе жидкость — жидкость
По правилу фаз Гиббса С=К-Ф+п.
При проведении процесса жидкостной экстракции обычно температура не изменяется, а давление на равновесие в системе жидкость — жидкость практически не оказывает влияния. Поэтому для экстракции величина п = О. Тогда для трехкомпонентной системы жидкостьраспределяемое вещество-жидкость С = 1 (К = 3, Ф = 2, п = О), и в ней можно изменять концентрацию одной из фаз без нарушения равновесия. При этом у* = f (х), т. е. данной концентрации распределяемого вещества х в одной фазе в состоянии равновесия соответствует определенная концентрация у* вещества в другой. Эта связь следует так называемому закону распределения: отношение равновесных концентраций распределяемого между двумя жидкими фазами вещества при постоянной температуре есть величина постоянная:
m = у*/х или у*= mх (1)
где у* и х — равновесные концентрации распределяемого вещества соответственно в экстракте и рафинате в относительных единицах; mкоэффициент распределения («https:// «, 9).
Следовательно, в координатах у — х при постоянных температуре и давлении получим обычную плоскую фазовую диаграмму, причем линия равновесия должна быть прямой, выходящей из начала координат. Однако величина m является постоянной только при практически полной взаимной нерастворимости участвующих в процессе фаз, что довольно редко встречается в реальных условиях. Обычно значение m зависит от концентрации распределяемого вещества, даже если температура при этом постоянна. Причиной отклонения закона распределения от прямолинейности может быть ассоциация или диссоциация растворенного вещества в одной или обеих фазах.
4. Выбор экстрагента
Основное свойство экстрагента — селективность, которая характеризует его способность преимущественно извлекать один из двух, трех или более компонентов раствора. Поэтому наиболее предпочтительным следует считать тот экстрагент, который растворяет максимальное количество одного компонента и минимальнoe количество остальных. Селективные свойства экстрагентов обусловлены различием во взаимодеиствии с компонентами исходной смеси, вследствие различии их химической природы. Высокая селективность позволяет снизить расход экстрагента и более экономично проводить процесс жидкостной экстракции.
Понятие экстракции
... или матрицы, индивидуального и группового выделения элементов. 1. ЧТО ТАКОЕ ЭКСТРАКЦИЯ экстракция химический равновесие концентрирование Экстракция - это процесс распределения вещества между двумя несмешивающимися растворителями. Одним из них обычно является вода, ...
Основные промышленные экстрагенты можно подразделить на три группы:
1) органические кислоты или их соли (фенолы, нафтеновыe кислоты, сульфокислоты и т. п. ), которые извлекают катионы металлов в органическую фазу из водной;
2) соли органических оснований (соли первичных, вторичных и третичных аминов и т. п. ), С помощью которых извлекают анионы металлов из водных растворов;
3) нейтральные растворители (вода, спирты, альдегиды, кетоны и т. п. ).
Селективность экстрагирования характеризуется так называемым коэффициентом селективности, или коэффициентом разделения вв, значение которого определяется селективностью экстрагента по отношению к распределяемому компоненту В:
вв = (Ув/Хв)/(Уа/Ха) (2)
Коэффициент селективности является аналогом относительной летучести компонентов в процессе ректификации.
С учетом уравнения (1) коэффициент селективности [уравнение (2)] примет вид вв = тв/та (3)
Из этого выражения следует, что с увеличением значения коэффициента распределения тв селективность возрастает. Поскольку вв = f (mв), то очевидно, что величина вв зависит от тех же факторов, что и тв — изменяется с изменением концентрации компонента В в экстракте и температуры. Поскольку при вв = 1 селективность процесса равна нулю, т. е. разделение смеси экстрагированием невозможно, то при выборе эсттрагента необходимо, чтобы вв > 1. В реальных условиях значение вв должно быть не менее 2. Если какой-либо экстрагент обладает малым коэффициентом распределения (а значит, и малой величиной в), но по другим причинам его применение целесообразно, то увеличить значение т можно изменением рН раствора (для диссоциированного экстрагируемого вещества).
Правильный выбор рН в таких случаях может привести к существенному возрастанию в вследствие увеличения тв и уменьшения та в уравнении (3).
Увеличить значение тв можно также введением в систему неэкстрагируемой соли, т. е. применением метода «высаливания».
экстракционный разделение равновесие
5. Материальный баланс процесса экстракции
Если участвующие в процессе экстракции фазы практически нерастворимы, то материальный баланс процесса описывается общим уравнением. При однократном взаимодействии фаз (периодическая экстракция) материальный баланс процесса по потокам принимает вид уравнения:
Gн + Lн = Gк + Lк (4)
или в принятых в данном разделе обозначениях
F + S = Е + R, (5)
где F, S-количества исходного paствоpa и экстрагента соответственно, кг.
Е и R — количества полученного экстракта и paфинатa соответственно, кг.
Уравнение (4) может быть использовано и для непрерывного процесса при условии, что все входящие в него величины выражаются в единицах расхода, например в кг/с. Для рассматриваемого случая уравнение рабочей линии процесса экстракции описывается общим для массообменных процессов уравнением:
Ук = Ун + (L/G)(XнХк).
(6)
Поэтому для анализа и расчета процесса экстракции в условиях взаимной нерастворимости фаз можно использовать известный метод графического построения равновесной и рабочей линии на фазовой диаграмме у — х, с помощью которого определяют движущую силу процесса и высоту экстрактора (например, через ЧТТ или ЧЕП).
Флюидная экстракция комплексов урана из техногенных месторождений
... количество техногенных отходов практически не уменьшается. Глава 2. УСТАНОВКА ДЛЯ СВЕРХКРИТИЧЕСКОЙ ФЛЮИДНОЙ ЭКСТРАКЦИИ КОМПЛЕКСОВ УРАНА ИЗ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Украина обеспечена собственными урановыми ресурсами ... к которым относятся: условия образования, объёмы, вещественный состав, характер процессов, преобразующих первичное вещество, неоднородность влияния отдельных показателей на принятие ...
Однако чаще участвующие в жидкостной экстракции фазы обладают частичной взаимной растворимостью. Поэтому количества потоков по высоте экстрактора будут изменяться, а значит отношение L/G в уравнении (6) не будет постоянным. Тогда очевидно, что на диаграмме у — х рабочая линия будет криволинейной. Поскольку в этом случае система является как минимум трехкомпонентной, то для анализа таких систем целесообразно воспользоваться треугольной диаграммой для построения не только равновесных, но и рабочих концентрационных зависимостей.
Способы проведения экстракции
В зависимости от глубины извлечения из исходного раствора растворенного в нем вещества, требований, предъявляемых к рафинату и экстракту, и других условий возможны различные варианты проведения процесса жидкостной экстракции. Однако любое экстрагирование обязательно включает в себя две основные стадии: смешение растворителя с исходной смесью для создания между ними тесного контакта и разделение образовавшейся смеси на экстракт и рафинад. Очень часто процесс экстрагирования сопровождается регенерацией экстрагента, т. е. удалением его из экстракта и рафинада. Эту стадию процесса обычно проводят в специальном регенерационном аппарате.
В химической технологии используются в основном следующие способы проведения экстракции:
однократная экстракция, многократная экстракция с перекрестным и противоточным движением растворителя, непрерывная противоточная экстракция.
Наибольшее распространение в промышленности получила экстракция одним растворителем, хотя находит применение и экстракция двумя экстрагентами.
1.Однократная (одноступенчатая) экстракция. Этот способ проведения экстракции заключается в том, что исходный раствор F и экстрагент S перемешивают в смесителе 1 (рис. 2), после чего в отстойнике 2 разделяют на два слоя: экстракт Е и рафинад R. Обычно считают, что в смесителе 1 вследствие интенсивного перемешивания и достаточного времени контакта устанавливается фазовое равновесие, т. е. однократная экстракция позволяет достигнуть эффективности, соответствующей теоретической ступени изменения концентрации. Степень извлечения при таком методепроведения экстракции можно повысить, увеличивая подачу экстрагента в аппарат 1, но это приведет к снижению концентрации экстракта и удорожанию процесса.
Процесс можно осуществлять как периодически, так и непрерывно. При периодической организации процесса стадию разделения экстракта и рафинада можно проводить в смесителе 1. В этом случае отпадает необходимость в отстойнике
2. Многократная экстракция с перекрестным током растворителя;
При проведении экстракции по этому способу исходный раствор F и соответствующие рафинаты обрабатывают порцией свежего экстрагента S1, S2 и т. д. на каждой ступени экстракции, состоящей из смесителя и отстойника, причем рафинаты направляют последовательно в следующие ступени, а экстракты Е1, Е2 и т. д. после каждой ступени выводят из системы. При таком способе экстрагирования исходный раствор F поступает в первую ступень, а конечный рафинат R отбирают из последней, п-ой ступени. По этому способу можно практически полностью извлечь из исходного раствора распределяемый компонент и получить чистый рафинат. Однако при этом неизбежны потери растворителя, содержащегося в исходном растворе, так как в каждом ступени происходит частичное удаление этого растворителя с экстрактом.
Анализ и повышение показателей надежности пожарной техники при ...
... учебные классы, комнаты отдыха дежурной смены и т.д. К группе помещений по содержанию и обслуживанию пожарной техники относятся: гараж пожарных автомобилей, пост мойки ПА, рукавный участок, ... Наименование Адрес Наличие специальной техники (ПА, приспособленная, специальная, аварийно-спасательная, плавсредства) - в необходимом столбце ставим "1" есть АЛ АНР отсутствует ФГКУ ОФПС Пожарная Часть № 8 ...
