Лекция 7

XVI. Экстракция

1. Процессы экстракции в системах жидкость—жидкость

1.1. Общие сведения

1.2. Методы экстракции

1.3. Устройство экстракционных аппаратов

16

Экстракцией в широком смысле называют процессы извлече­ния одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодей­ствии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые ком­поненты и значительно слабее или практически вовсе не растворяются остальные компоненты исходной смеси.

В химической технологии экстракция из растворов экстрагентами более распространена, чем экстракция из твердых тел. Экстракция из твердых веществ или квазитвердых материалов (например, из тканей расти­тельного сырья) применяется главным образом в лесохимической, пище­вой и фармацевтической промышленности. В химической технологии используют в основном экстракцию из твердых пористых веществ водой или водными растворами кислот и щелочей (процессы выщелачивания).

Процесс массоотдачи в твердой фазе суще­ственно отличается, от массоотдачи в жидкостях, поэтому процессы экстрак­ции в системах жидкость—жидкость и в системах жидкость-твердое тело должны рассматриваться раздельно.

1. Процессы экстракции в системах жидкость—жидкость

1.1. 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.