ПРОЦЕССЫ ЭКСТРАКЦИИ В СИСТЕМАХ

ЖИДКОСТЬ—ЖИДКОСТЬ

Общие сведения

Процессы экстракции в системах жидкость—жидкость находят широ­кое применение в химической, нефтеперерабатывающей и нефтехими­ческой и других отраслях промышленности. Они эффективно исполь­зуются для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и рассе­янных элементов, очистки сточных вод и т.д.

Экстракция в системах жидкость-жидкость представляет собой массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерас­творимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ). Так, например, очистку сточных вод производят экстракцией бутилацетатом, в который предпочтительно переходят одноатомные и многоатомные фенолы.

Для повышения скорости процесса исходный раствор и экстрагент приводят в тесный контакт. В результате взаимодействия фаз получают экстракт — раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафинат — остаточный исходный раствор, из которого с той или иной степенью полноты удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяются друг от друга отстаиванием, иногда центрифугированием или другими механическими способами. После этого производят извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерацию экстрагента из рафината.

XVI-1.

Соответствующие компоненты выделяются из экстракта либо ректификацией, либо путем реэкстракции, например перевода их в водный раствор. Во избежание потерь экстрагента, растворенного или унесенного рафинатом, экстрагент выделяют ректификацией или экстракцией другим растворителем и возвращают для последующего использования.

Принципиальная схема процесса непрерывной экстракции приведена на рис. XVI-1,а. Процесс собственно экстракции происходит в колонном экстракторе 1, после чего производится выделение извлеченных веществ из экстракта (в ректификационной колонне 2) и экстрагента из рафината (в ректификационной колонне 5).

На рис. XVI-1,б показана типичная схема экстракции солей металлов, отличающаяся тем, что после колонного экстрактора 4 соли извлекаются из экстракта путем перевода их в водный раствор (реэкстракции) в ко­лонне 5. Экстрактор 4 может иметь, как видно из рисунка, промывную секцию для дополнительной отмывки экстракта от нежелательных при­месей.

В ряде случаев процесс экстракции усложняется, в частности, вслед­ствие химической реакции, протекающей в объеме или на поверхности раздела фаз. При определенных условиях для лучшего разделения исход­ного раствора применяют специфические способы экстракции. Так, на­пример, исходный раствор, представляющий собой смесь органических веществ, оказывается целесообразным обрабатывать двумя взаимно не­растворимыми экстрагентами, между которыми распределяются извле­каемые компоненты. Для облегчения перехода экстрагируемых компонентов, например солей металлов, в органическую фазу иногда применяют высаливание, осуществляемое путем добавки, соли с одноименными ионами в исходный водный раствор, а также регулируют кислотность или рН раствора, концентрацию экстрагента в инертном раз­бавителе, служащим для уменьшения его вязкости, и т.д.

Основным достоинством процесса экстракции по сравнению с другими процессами разделения жидких смесей (ректификацией, выпариванием и др.), является низкая рабочая температура процесса, который проводится наиболее часто при нормальной (комнатной) темпера­туре. При этом отпадает необходимость в затратах тепла на испарение раствора. Кроме того, при экстракции обычно возможно из многочислен­ных растворителей подбирать высокоизбирательный экстрагент, отлича­ющийся по химическим свойствам от компонентов исходной смеси и часто позволяющий достичь более полного разделения, чем это осуществимо с помощью других массообменных процессов. Вместе с тем применение дополнительного компонента — экстрагента и необходимость его реге­нерации приводит к некоторому усложнению аппаратурного оформления и удорожанию процесса экстракции.

При извлечении летучих веществ экстракция может успешно конкури­ровать с ректификацией в тех случаях, когда разделение ректификацией либо затруднено, а иногда и практически невозможно (разделение смесей, состоящих из близкокипящих компонентов и азеотропных смесей), либо сопряжено с чрезмерно высокими затратами (извлечение вредных приме­сей или ценных веществ из сильно разбавленных растворов). Так, напри­мер, извлечение уксусной кислоты из ее малоконцентрированных водных растворов экстракцией этилацетатом (или смесью этилацетата и бензола) является значительно более экономичным, чем выделение ректификацией, так как, несмотря на довольно большую разность температур кипения воды и кислоты, относительная летучесть их невелика. Кроме того, не­обходимость испарения очень больших количеств воды весьма удорожает ректификацию.

Экстракция незаменима для разделения смесей веществ, чувствитель­ных к повышенным температурам, например антибиотиков, которые мо­гут разлагаться при разделении их ректификацией или выпариванием. Применение экстракции часто позволяет эффективно заменять такие процессы, как разделение высококипящих веществ с использованием глубокого вакуума, например молекулярной дистилляцией, или разделение смесей методом фракционированной кристаллизации.

Экстракция может служить также экономичным и эффективным мето­дом разделения сложных смесей на классы соединений одинакового хими­ческого состава, температуры кипения которых перекрывают друг друга (разделение ароматических и предельных углеводородов, кипящих в том же интервале температур).

Весьма перспективно применение экстракции для разделения смесей неорганических веществ, когда другие способы разделения неприменимы. Процессы жидкостной экстракции в настоящее время успешно исполь­зуются для переработки ядерного горючего, получения циркония и гаф­ния и многих других редких металлов. С помощью экстракции можно по­лучать высокочистые цветные и благородные металлы.

В ряде случаев значительный эффект достигается при сочетании экс­тракции с другими процессами разделения. Примерами подобных комби­нированных процессов являются: разделение близкокипящих и азеотроп­ных смесей с помощью экстрактивной ректификации, предварительное концентрирование разбавленных растворов посредством экстракции перед выпариванием и ректификацией, которые проводятся при этом с мень­шим расходом тепла.

Методы экстракции

При экстракции неорганических веществ обычно извлекают одно или несколько веществ из водной фазы одним экстрагентом.

При разделении экстракцией смесей органических веществ в зависи­мости от числа применяемых экстрагентов различают:

1) экстракцию одним экстрагентом в системах, состоящих минимум из трех компонентов (двух разделяемых компонентов исходного раствора и экстрагента);

2) экстракцию двумя экстрагентами (фракцион­ная экстракция) в системах, состоящих минимум из четырех компонентов (двух компонентов исходного раствора, распределяющихся между двумя несмешивающимися экстрагентами).

Экстракция одним экстр­агентом наиболее распро­странена. Рассмотрим раз­ные варианты этого процес­са на примере ступен­чатой экстракции, раз­личные способы осуществле­ния которой приведены ниже.

Одноступенчатая (одно­кратная) экстракция. Этот простейший метод заключается в том, что исходный раствор F и экстрагент S перемешиваются в смесителе 1 (рис. XVI-2), после чего раз­деляются на два слоя: экстракт Е и рафинат R. Разделение обычно происходит в сепараторе-отстойнике 2. При таком однократном взаимо­действии экстрагента и исходного раствора при достаточном времени контакта могут быть получены близкие к равновесным составы экс­тракта и рафината.

Таким образом, количество экстрагируемого вещества фиксировано законом равновесного распределения, и степень его извлечения является относительно низкой. Степень извлечения можно повысить путем увели­чения количества используемого экстрагента, но с увеличением объемного соотношения потоков экстрагента и исходного раствора снижается кон­центрация экстракта, что удорожает извлечение конечного продукта. По этим причинам одноступенчатую экстракцию применяют в промышлен­ной практике лишь в тех случаях, когда коэффициент распределения очень высок.

Процесс может проводиться как периодически, так и непрерывным способом — при непрерывном возврате экстрагента в смеситель (после его регенерации).

Ниже приводится расчет одноступенчатого процесса экстракции, лежащий в основе расчета процессов многоступенчатой экстракции.

Первоначально рассмотрим наиболее простой случай, когда фазы практически взаимно нерастворимы.

Пусть А кг растворителя исходного раствора концентрацией ₀ сме­шиваются с S кг экстрагента, причем в результате экстракции получаются равновесные фазы: рафинат концентрацией и экстракт концентрацией (в кг/кг растворителя). Весовое соотношение фаз b' = S/A. Тогда материальный баланс по распределяемому веществу

откуда

Учитывая, что = m , находим

Следовательно, концентрация получаемого рафината

(XVI,1)

и концентрация экстракта

(XVI,2)

Достигаемая степень извлечения распределяемого вещества

(XVI,3)

где e = b′m — экстракционный фактор.