Тема 6 Экстракция План (2 часа) 1. Физические основы процесса экстракции 2. Материальный баланс 3. Типы экстракторов 4. Схемы экстракционных установок Якуб Лидия Николаевна к. ф. -м. н. , доцент Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция
1. Физические основы процесса экстракции • Экстракцией называют процессы разделения жидких смесей и извлечения компонентов из твердых веществ при помощи жидкого растворителя (экстрагента), избирательно растворяющего только извлекаемые компоненты. • Экстракция из твердого вещества применяется для извлечения масла из семян, канифоли, скипидара и других продуктов из древесины и т. д. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 2
Физические основы процесса экстракции • Мы рассмотрим процессы экстракции в системе жидкость-жидкость, которые находят все более широкое применение в различных отраслях химической технологии – в производстве синтетического каучука, – в органическом синтезе, – при получении ядерного горючего, – производстве антибиотиков, – в процессах нефтепереработки. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 3
Физические основы процесса экстракции • Исходная жидкая смесь обрабатывается экстрагентом, который не растворим или мало растворим в исходной смеси. • В результате взаимодействия экстрагента с исходным раствором образуются: • экстракт — раствор извлеченных из исходной смеси компонентов в экстрагенте • рафинат — жидкая смесь, обедненная извлекаемыми компонентами и обычно содержащая некоторое количество экстрагента. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 4
Физические основы процесса экстракции • Разделение жидкой смеси методом экстракции складывается из следующих процессов: • смешение исходной смеси с экстрагентом для создания между ними тесного контакта; • разделение двух несмешивающихся жидких фаз (экстракта и рафината); • регенерация экстрагента, т. е. удаление его из экстракта и рафината. • Ниже показана принципиальная схема процесса экстракции: (без регенерации экстрагента): 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 5
Физические основы процесса экстракции • принципиальная схема процесса экстракции 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 6
Физические основы процесса экстракции • Равновесие между фазами • В процессе экстракции растворенное в жидкой фазе вещество распределяется между этой и другой жидкой фазой (экстрагентом) до достижения динамического равновесия. • Состояние равновесия фаз при экстракции характеризуется законом равновесного распределения, который выражают через коэффициент распределения Кр представляющий собой отношение равновесных концентраций распределяемого вещества в экстракте Y и рафинате X при данной температуре. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 7
Физические основы процесса экстракции • В простейшем случае Кр есть величина постоянная и закон равновесного распределения имеет следующий вид: • В данном случае линия равновесия в координатах У - X является прямой ОС. • Однако выражение справедливо только при том условии, если исходный растворитель и Экстрагент взаимно совершенно Нерастворимы и не происходит ассоциации или диссоциации молекул распределяемого вещества 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 8
Физические основы процесса экстракции • Кроме того, данный закон распределения применим при отсутствии химического взаимодействия между фазами. Практически экстрагент и исходный растворитель часто обладают некоторой взаимной растворимостью. • В этих случаях, коэффициент распределения Кр зависит не только от температуры, но и от концентрации X распределяемого вещества в рафинате, а закон равновесия выражается в координатах Y—X кривой ОС’ характеризующей зависимость Y = f(X). • Таким образом, Кр часто является величиной переменной, значения коэффициента распределения определяют опытным путем. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 9
Физические основы процесса экстракции ОС , ОС’- линии равновесия, АВ- рабочая линия 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 10
2. Материальный баланс • Материальный баланс процесса экстракции соответствует общему для массообменных процессов уравнению: • где G — количество реагента, кг/сек; • L—количество исходного растворителя, кг/сек; • Y 1 и Y 2 содержание распределяемого компонента в экстракте и в экстрагенте, кг/кг экстрагента. • Х 1 и Х 2 содержание распределяемого компонента в исходном растворе и в рафинате, кг/кг исходного растворителя 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 11
Материальный баланс • Следовательно, расход экстрагента составляет: • Из уравнения материального баланса определяют удельный расход экстрагента l= L/G. • Зависимость между составами экстракта и рафината выражается рабочей линией АВ. • Построение рабочей линии аналогично ее построению для процессов абсорбции. • Чтобы построить рабочую линию процесса экстракции, необходимо знать состав исходного раствора и экстракта или рафината на выходе из аппарата 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 12
3. Типы экстракторов • Предложено большое количество конструкций разнообразных экстракторов, однако в промышленности применяется лишь ограниченное число типов экстракционных аппаратов. • По характеру изменения состава жидких фаз экстракционные аппараты можно разделить на две группы: • дифференциально-контактные экстракторы, в которых характер изменения состава фаз близок к непрерывному; • ступенчатые экстракторы, в которых изменение состава фаз происходит скачкообразно (ступенчато), в каждой ступени осуществляется смешение и разделение (сепарация) фаз. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 13
Типы экстракторов • Экстракторы обеих групп могут быть классифицированы по двум признакам: • а) по способу контакта между сплошной фазой, заполняющей аппарат, и дисперсной фазой, распределяемой в виде капель в сплошной фазе. • Контакт между фазами возможен за счет собственной энергии потоков фаз (экстракторы без механических перемешивающих устройств), либо за счет подвода энергии извне (механические экстракторы); • б) по виду сепарации фаз, которая может происходить вследствие разности плотностей фаз (гравитационная сепарация) либо под действием центробежных сил (центробежная сепарация). 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 14
Типы экстракторов 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 15
3 а. Распылительные экстракторы • Распылительный экстрактор представляет собой полую колонну, заполненную одной из жидкостей сплошной (дисперсионной) фазой. • На рисунке показан экстрактор, в которомсплошной фазой является тяжелая жидкость). • Для создания большей поверхности контакта фаз другая жидкость (дисперсная фаза) распыляется при помощи распределительного устройства в сплошной фазе. • На определенном уровне капли дисперсной фазы сливаются и образуют слой, отделенный от сплошной фазы поверхностью раздела. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 16
Распылительные экстракторы • Уровень этой поверхности поддерживают на нужной высоте, устанавливая соответствующий уровень перелива через нижнюю отводную трубу. • Сверху и снизу экстракционная колонна расширена, что способствует лучшему отстаиванию фаз. • Распылительные колонны обладают высокой производительностью, но мало эффективны, что объясняется укрупнением капель дисперсной фазы и обратным перемешиванием, при возникновении которого капли дисперсной фазы увлекаются частицами сплошной фазы (или наоборот). 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 17
3 б. Колонные экстракторы • В колоннах с тарелками перегородками для уменьшения обратного перемешивания и для турбулизации потоков фаз установлены перегородки в виде чередующихся друг с другом плоских дисков (или тарелок) и колец. • Расстояние между перегородками 75— 150 мм и более. • Контакт между фазами осуществляется при обтекании перегородок дисперсной фазой в виде тонкой пленки (при коалесценции капель) и при движении капель дисперсной фазы в пространстве между перегородками. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 18
Колонные экстракторы • Эффективность таких колонн низка (число единиц переноса на тарелку 0, 05— 0, 1), но может быть повышена при уменьшении расстояния между тарелками. а —перегородки в виде дисков и колец; б—пере городки в виде тарелок и колец. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 19
3 в. Насадочные экстракторы • Насадочные экстракторы не отличаются по устройству от насадочных абсорберов. • Насадка, беспорядочно засыпанная на опорную решетку, выполняет роль перегородки • она способствует многократному дроблению и слиянию капель дисперсной фазы и сводит к минимуму обратное перемешивание. • В насадочных экстракторах насадку располагают в виде слоев, помещенных на опорные решетки; расстояние между решетками 0, 9— 1, 8 м. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 20
Насадочные экстракторы • По простоте устройства насадочные экстракторы приближаются к распылительным, но предельная производительность их ниже, так как некоторая часть сечения колонны занята насадкой. • Эффективность разделения в насадочных экстракторах невысокая. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 21
3 г. Многоступенчатые смесительные экстракторы • Наиболее распространенным аппаратом этого типа является роторно дисковый экстрактор. • По оси колонны вращается ротор вал, на который насажены плоские диски 2, перемешивающие жидкость. • Колонна делится на секции кольцевыми перегородками З укрепленными на стенках аппарата, диски находятся на середине высоты каждой секции. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 22
Многоступенчатые смесительные экстракторы • Движущиеся противотоком жидкие фазы смешиваются в каждой секции и в некоторой степени разделяются при обтекании неподвижных кольцевых перегородок, ограничивающих секции. • Достоинством роторно дисковых экстракторов является сочетание довольно значительной производительности с высокой интенсивностью процесса массопередачи. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 23
3 д. Тарельчатые экстракторы • В экстракторах с ситчатыми тарелкам, аналогичных ситчатым абсорберам, дисперсная фаза многократно раздробляется при прохождении сквозь отверстия ситчатых тарелок (диаметр отверстий 2— 9 мм) • Струйки дисперсной фазы распадаются при этом на мелкие капли, которые образуют слои над тарелками, если диспергируется тяжелая жидкость, или под тарелками, если диспергируется легкая жидкость. • Диспергирование происходит, когда гидростатическое давление слоя жидкости становится достаточным для ее прохождения сквозь отверстия. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 24
Тарельчатые экстракторы • Для стока сплошной фазы на тарелках имеются сливные патрубки. Расстояние между тарелками составляет 0, 15— 0, 6 м. • При обработке жидкостей, содержащих твердые взвеси, применяют ситчатые тарелки с вертикальными перфорированными стенками; отверстия таких тарелок меньше засоряются твердыми частицами. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 25
4. Схемы экстракционных установок • Одноступенчатая экстракция • Принципиальная схема одноступенчатого процесса экстракции • 1 смеситель • 2 сепаратор 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 26
Схемы экстракционных установок • Одноступенчатая экстракция • Фазы смешиваются при помощи мешалки (или другим способом) в смесителе /, после чего разделяются в сепараторе 2, из которого отводят экстракт и рафинат. • Далее экстракт и рафинат поступают на последующую переработку, например в ректификационные колонны, для удаления экстрагента. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 27
Схемы экстракционных установок • Регенерированный экстрагент поступает в смеситель вместе со свежим экстрагентом (регенерация экстрагента для упрощения на схеме не показана • Одноступенчатая экстрация может проводиться периодически или непрерывно. • Составы получаемых экстракта и рафината равновесны другу и сравнительно мало отличаются по содержанию распределяемого компонента. • Поэтому путем одноступенчатой экстракции не достигается достаточно полного извлечения экстрагируемого вещества. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 28
Схемы экстракционных установок • Значительно большая степень извлечения возможна при использовании многоступенчатой экстракции. • Многоступенчатая экстракция: • Процессы многоступенчатой экстракции проводятся только непрерывным способом. • При многоступенчатой экстракции рафинат, получаемый в одной ступени, смешивается в следующей ступени со свежим экстрагентом. • Таким образом, в каждую ступень вводится свежий экстрагент, а из нее отводится экстракт. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 29
Схемы экстракционных установок • При достаточном числе ступеней экстракции достигается высокая степень очистки конечного рафината, который удаляется из последней ступени • Существенным недостатком этого способа экстракции является весьма большой расход экстрагента и соответственно низкая средняя концентрация экстракта, который представляет собой смесь жидкостей с постепенно убывающей концентрацией извлекаемого вещества. • Это затрудняет и удорожает регенерацию экстоагента. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 30
Схемы экстракционных установок 1 смеситель 2 сепаратор 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 31
Схемы экстракционных установок • Высокая степень извлечения экстрагируемого вещества при относительно малом расходе экстрагента достигается в наиболее распространенном процессе противоточнои многоступенчатой экстракции. • Исходный раствор и экстрагент поступают с противоположных концов аппарата; • например, исходный раствор подается в первую ступень, экстрагент в последнюю ступень • Соответственно из первой ступени удаляется конечный экстракт, а из последней конечный рафинат. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 32
Схемы экстракционных установок • В этом процессе свежий экстрагент вступает в контакт с рафинатом, имеющим наименьшую концентрацию распределяемого компонента, и после многократного контактирования в последовательных ступенях процесса насыщается извлекаемым веществом. • В результате требуемая степень экстракции достигается при минимальном расходе экстрагента. 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 33
Схемы экстракционных установок 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 34
Благодарю за внимание 1/30/2018 Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция 35