Екстракція в системі рідина — рідина

Рідинна екстракція є процесом за участю двох взаимонерастворимых (або обмежено розчинних) рідких фаз, між якими розподіляється речовина, що екстрагується (або декілька речовин).

Цей процес є одним з массообменных процесів, що протікають по законах дифузії і розподілу речовини між фазами. У основі взаємодії лежить рівняння массопередачи (11.3), гласно якому кількість передаваної речовини з фази у фазу пропорційно величині фазового контакту, рушійній силі і коефіцієнту массопередачи. Taким образом, очевидно, що процес екстракції повинен проводитися в умовах тих, що забезпечують швидке взаємопроникнення двох реагуючих рідин. Такі умови створюють шляхом збільшення поверхні контакту між рідинами при великій різниці концентрацій речовини, що екстрагується, в них, що створює необхідну рушійну силу. Після закінчення процесу екстракції необхідно розділити фази і, якщо потрібний, отримати компонент, що витягує, в чистому вигляді.

Ріс.129. Схема процесу рідинної екстракції:

1 – екстракційний апарат

2 – установка ректифікації для екстракту

3 – установка ректифікації для рафінату

Екстрагент, в якому після проведення процесу підвищилася концентрація витягуваної речовини, називається екстрактом. Розчинник, з якого більш менш повно видалена розчинена речовина, носить назву рафінату. Отримані рідкі фази — екстракт і рафінад зазвичай розділяють відставанням, після чого з екстракту виділяють розчинену речовину ректифікацією, випаровуванням або іншими методами. Основна гідність процесу екстракції в порівнянні з іншими методами розділення рідких сумішей — можливість проведення його при низькій (кімнатною) температурі. При цьому відпадає необхідність у витратах тепла на випаровування розчину. Крім того, підбираючи високовиборчий екстрагент, що відрізняється за властивостями від компонентів початкової суміші, виявляється можливим досягти повнішого розділення.

Рідинну екстракцію, особливо при здійсненні процесу великому промисловому масштабі, прагнуть провести по безперервному методу. На рис.129 представлена принципова схема такого процесу. Установка складається з колонного екстрактора 2, колони ректифікації 2 для витягання розчиненого компоненту з екстракту і колони ректифікації 3 для регенерації рафінату. Початковий розчин поступає у верхню частину колони 1, а в нижню її частину вводиться екстрагент. У колоні відбувається массообменный процес витягання, в результаті якого екстрагент насищається розчиненою речовиною і виводиться з верхньої частини колони, поступаючи далі в колону ректифікації 2. Рафінат, що виходить з нижньої частини колони 7, піддається очищенню в колоні 3. Регенерований екстрагент з колони 2, а в пекоюрых випадках і 3 повертається в процес на колону 1.

Екстракція служить ефективним методом розділення неорганічних речовин в тих випадках, коли неприйнятні інші способи розділення. Процеси рідинної екстракції в даний час широко застосовуються при переробці ядерного палива, для розділення рідкісних і розсіяних елементів, очищення стічних вод, виділення в чистому вигляді різних продуктів органічного і нафтохімічного синтезу. Екстракцію застосовують також для отримання високочистих благородних металів.

Граничні концентрації компоненту в екстракті і рафінаті визначають з умов фазової рівноваги. Дані про рівновагу необхідні для правильного вибору екстрагента, організацій технологічної схеми витягання, вибору конструкції і розмірів основного екстрактора до решти всієї апаратури.

Кількісна рівновага виражається як відношення рівноважних концентрацій розподілюваної речовини у фазах, зване коефіцієнтом распределелия.

Залежно від властивостей речовин, що екстрагуються, екстракцію проводять різними методами. При екстракції неорганічних речовин з водних розчинів зазвичай застосовують один екстрагент. При екстракції органічних речовин екстракцію проводять з одним або двома екстрагентами. У останньому випадку процес носить назва фракційної екстракції.

При проведенні екстракції одним екстрагентом застосовують одно- і багатоступінчату екстракцію. Метод одноступінчатої екстракції полягає в тому, що початковий розчин і екстрагент перемішують в змішувачі і потім у відстійнику розділяють на два шаруючи — екстрагент і рафінат. В результаті одноразового взаимодей-ствия екстрагента початкового розчину при достатньому часі контакту отримують склади екстракту і рафінату, близькі до рівноважних. Ступінь витягання речовини відносно низка, оскільки навіть при збільшенні кількості екстрагента, що вводиться, витягання компоненту з розчину не може бути повним, причому концентрація в рафінаті зменшується при невиправданому збільшенні витрати екстракту.

Багатоступінчата екстракція в промисловості застосовується найчастіше. Установка для багатоступінчатої екстракції складається з декількох послідовно сполучених апаратів — ступенів, в яких початковий розчин і екстрагент поступають з протилежних кінців і рухаються протитечією один до одного. При такій організації процесу початковий, найбільш концентрований розчин стикається з екстрактом, відносно насиченою витягуваною речовиною. Збіднений розчин (рафінат), що знаходиться в останньому апараті, стикається з чистим розчинником, унаслідок чого витягання наявного компоненту відбувається достатньо повно. Таким чином, у всіх апаратах установки підтримується велика рушійна сила і здійснюється якнайповніше витягання компоненту, що екстрагується, з початкового розчину.

При однаковій чистоті кінцевого рафінату в процесі протиточної екстракції значно зменшується витрата екстрагента, збільшується вихід рафінату, але в цьому випадку необхідна установка з декількох апаратів. Окрім розглянутих два основ-ных випадків в промисловості застосовують і складніші схеми організації процесу