творителя, тем более четко разделяются компоненты. Более избирательный растворитель имеет большую величину коэффи­циента распределения /С. Увеличение растворяющей способности позволяет растворить больше извлекаемых компонентов, т. е. снизить расход растворителя. Повышение растворяющей способ­ности обычно связано с уменьшением избирательности раство­рителя.

В процессе экстракции могут быть выделены три основных составляющих (условных компонента): избирательный раствори­тель, извлекаемые компоненты и неизвлекаемые компоненты, которые можно охарактеризовать некоторыми аддитивными свой­ствами (составом, плотностью, вязкостью и т. п.). Поэтому для расчета процесса экстракции нашли широкое применение тре­угольные диаграммы.

После отделения растворителя от экстрактного раствора по­лучают экстракт, а от рафинатного раствора — рафинат, кото­рые и являются конечными продуктами процесса.

О

О

ъ + 1 ь

i-l

Рис. XVI-1. Схемы основных методов экстрагирования:

а — однократная экстракция; б — многократная экстракция; в — противоточная эк­стракция в аппаратах типа смеситель—отстойник; г — противоточная экстракция в ко­лонном аппарате; С — смеситель; О — отстойник; F — сырье; L — растворитель; R — рафинатный раствор; S — экстрактный раствор.

2. Основные методы экстрагирования

Любой процесс экстрагирования включает стадии: 1) смешение растворителя и разделяемой смеси с целью их контактирования; 2) разделение образовавшихся рафинатного и экстрактного рас­творов. Поэтому одна ступень экстракции состоит из смесителя

и отстойника, реализуемых в различных конструктивных моди­фикациях.

Различают следующие разновидности процесса экстракции:

1. однократная экстракция (см. рис. XVI-1, а) —сырье обра­батывается однократно всем количеством растворителя с после­дующим разделением на рафинатный и экстрактный растворы;

2. многократная экстракция (рис. XVI-1, б) — исходное сырье и рафинатные растворы обрабатываются в каждой ступени соот­ветствующей порцией свежего растворителя;

3. противоточная экстракция (рис. XVI-1, в) —многократное противоточное контактирование рафинатных и экстрактных рас­творов смежных ступеней.

Противоточная экстракция может осуществляться в несколь­ких аппаратах типа смеситель—отстойник или в аппарате колон­ного типа (рис. XVI-1, г).

Противоточная экстракция обеспечивает хорошее разделение при высоком выходе рафината, в то время как при многократной экстракции выход рафината высокого качества невелик. Одно­кратную экстракцию используют для грубого разделения смеси.

3. Основы расчета экстракторов

Треугольная диаграмма и ее основные свойства. Как уже отме­чалось, в процессе экстракции можно рассматривать три условных компонента: растворитель, экстрагируемые компоненты и не- извлекаемые компоненты. Для представления составов такой тройной смеси используют треугольную диаграмму (рис. XVI-2), представляющую собой равносторонний треугольник ABL> каж­дая вершина которого отвечает условному компоненту, а концен­трации этих компонентов х откладываются на сторонах треуголь­ника. Вершина L отвечает растворителю, А — неизвлекаемым компонентам, В — извлекаемым.

Любая смесь трех компонентов отвечает точке на площади треугольника (например, точка N); двойная смесь отвечает точке на стороне треугольника. Например, смесь компонентов А и В представлена точкой F на стороне АВ.

На поле треугольной диаграммы отложена также бинодальная кривая S'KR', отвечающая равновесным рафинатным и экстракт­ным растворам согласно равновесному распределению компонен­тов (например, точки R и S). Прямая RS> связывающая точки равновесных составов на бинодальной кривой, называется коно- дой. Область, охватываемая бинодальной кривой, отвечает рас­слаивающимся растворам, область вне этой кривой — гомоген­ным растворам. Таким образом, при экстракции составы растворов не должны выходить за пределы первой области.

Треугольная диаграмма обладает следующим основным свой­ством, которое вытекает из материального баланса смешения. Если при смешении двух систем R и S получается новая система N,

зов

то точки, характеризующие все три системы, располагаются на одной прямой / При этом точка N располагается между точками R и S на расстояниях, обратно пропорциональных массам (объемам) исходных систем R и S, т. е. отрезок RS пропорционален массе системы N, отрезок RN — массе системы S, а отрезок SN — массе системы R. Можно также записать, что

N = R + S (XVI,2)

R/S = SN/RN и R/N — SN/RS (XVI,3)

Из этого общего свойства вытекают следующие следствия.

Следствие 1. Если при попарном смешении нескольких систем получается одна и та же система N, то прямые, соединяющие точки попарно смешиваемых систем, пересекаются в одной точке N. Так, систему N можно получить смешением систем R и S или L и F.

Следствие 2. Если при попарном удалении (вычитании) раз- личных систем получается одна и та же система, то прямые, соединяющие точки попарно вычитаемых систем, пересекаются в одной точке. Так, если из системы N удалить систему F, то получим систему L. Тот же результат получим, если из системы N_x удалить систему F_ly из системы N₂ — систему F₂, из системы R — систему Р и т. д. При этом очевидно, что FIN = NL/FL, F₁/N₁ = = NjLIF-LL, F₂/N₂ = N₂L/F₂L и т. д.

Следствие 3. Если имеется раствор F, состоящий из компонен- тов А и 5, то любые смеси, составленные из раствора F и раство- рителя L, будут находиться на прямой FL (точки N₃, N, N₄).

Точки Э и Р отвечают экстракту и рафинату, полученным соответственно из экстрактного S и рафинатного R растворов. На основании указанных правил легко выполнить расчет процесса ь

экстракции.

Расчет однократной экстракции. Пусть исходное сырье — смесь компо- нентов А и В отвечает точке F. Боль- шие буквы, относящиеся к соответст- вующим растворам, также обозначают их массовые (или объемные) по- токи. Проведем однократную обра-

Рис. XVI-2. Треугольная диаграмма для расчета Я F, Р F Э В

процесса экстракции {S'KR' — бинодальная кри-

вая; SR — ко но да). ,

ботку сырья F растворителем L. Если концентрация растворителя в смеси будет x_LNy то получим точку N (рис. XVI-3) на пересече- нии этой горизонтали с прямой FL, так как на основании след- ствия 3 все смеси сырья F и растворителя L находятся на пря- мой FL. Через точку N проводим коноду RS, которая определяет точки ^-рафинатного и S-экстрактного растворов.

я Рз

Рис. XV1-3. Схема к расчету однократной экстракции. Рис. XVI-4. Схема к расчету многократной экстракции.

._f™_ = f ^x

РЭ x_AD — x

3=F^ = F _=F-_P

РЭ ХАР—ХАВ

При удалении растворителя из экстрактного раствора S получаем экстракт Э. Точка Э лежит на пересечении прямой LS со стороной А В треугольника. Аналогично на пересечении пря­мой¹, LR со стороной АВ определяем точку Р, характеризующую состав получаемого рафината. Концентрации растворителя в экс­трактном x_Ls и рафинатном x_LR растворах определяются гори-

зонтальными линиями, проведенными из точек 5 и R до пересе­чения со стороной AL треугольника.

Исходя из основного свойства треугольной диаграммы, можно определить все основные показатели процесса однократной экстракции.

Расход растворителя

L FN X_lm L

Откуда

Выход рафината Р

N

FL

L = F-

1

L+F

*ln

1—xln

af

— X

аэ

ар ~~ ^лаэ

Выход экстракта Э

Количество рафинатного раствора

_R = _N№_=n^xls-x_lN rs xls—x_lr

Или по аналогии с уравнением (XVI,4)

R=Р + L = P + P

xlr 1 — x_lR

1 ^xlr

(XVI,4) (XVI,5) (XVI,6)

(XVI,7) (XVI,8)

Поскольку при однократной экстракции образуются равновес­ные рафинатный и экстрактный растворы, этот процесс экви­валентен одной теоретической тарелке.

Расчет многократной экстракции. При многократной экстрак­ции (рис. XVI-1 и XVI-4) после добавления к сырью растворителя образуется система N_l9 которая расслаивается с образованием экстрактного раствора и рафинатного R_x. Положение точек Si и R_x на бинодальной кривой определяется конодой Экстракт­ный раствор S_x выводится из системы,⁴ а к рафинатному рас­твору Rx добавляется новая порция растворителя, в результате этого образуется система N₂. Эта система расслаивается, образуя новые экстрактный S₂ и рафинатный R₂ растворы, определяемые конодой R₂S₂. Экстрактный раствор S₂ вновь выводится из си­стемы, а рафинатный раствор R₂ вновь смешивается со свежим растворителем, образуя систему N₃.

После расслаивания системы N₃ (конода R₃S₃) образуются экстрактный раствор S₃, который выводят из системы, и рафинат­ный раствор, состав которого соответствует требованиям к рафи- нату Р₃. Таким оёразом, в данном случае для получения рафи­ната Р₃ потребовались три контактных ступени, так как предше­ствовавшие рафинатные растворы Rx и R₂ не обеспечивали тре­буемого качества рафината.

Расход растворителя на каждой ступени обработки составит: на первой

L± = F ^XLNl (XVI,9)

1 —x_LNl

на второй

_L р (XVI,Ю)

¹ 1 —XLNl

на третьей

L₃=P, , ° (XVI.11)

¹ —^xln з

Выход рафината требуемого качества:

p._s _ __ р . __р F^j Р_гЭ₂ Р₂Эз (XVI 12)

Рз^З Р 3^3 Р 2^2 Р3Э3

Так как каждая дробь, стоящая в правой части равенства, меньше единицы, то

P3<P2<P1<F (XVI,13)

Следовательно, при многократной экстракции выход целевого продукта уменьшается по мере улучшения его качества. Расходы и составы других потоков определяют аналогично, исходя из свойств треугольной диаграммы.

Расчет противоточной экстракции. Для получения высоких выходов и качества целевых продуктов применяют противоточную экстракцию (рис. XVI-1 и XVI-5). В этом случае растворитель L движется противотоком по отношению к сырью, обеспечивая посте- пенное обогащение экстрактного раствора нежелательными компо- нентами, которые удаляются из рафинатного раствора. В итоге

рафинатный раствор, покидающий экстрактор, будет иметь требуемый состав без дополнительного подвода растворителя как при многократной экстракции.

Для каждой i-й ступени экстрак- ции уравнение материального баланса имеет вид

Ri-i + Si+i=Rt + St

или

S_i+1 — Ri=Si — Ri_i у= L —R = S — F = M

(XVI, 14)

Аналогичные уравнения балансов можно записать для каждого компо- нента системы А, В, L. На основа- нии второго следствия, вытекающего из основного свойства треугольной диаграммы, можно заключить, что прямые, проходящие через точки каждой пары встречных потоков:

Рис. XVI-5. Схема расчета противоточной экстракции.

5 и F, S₂ и R_l9 S₃ и R₂, L и R — образуют пучок прямых, пересекающихся в одной точке М. Эти линии называются рабо- чими линиями, так как они связывают потоки (и их составы), встречающиеся в любом произвольном сечении.

Поскольку положение точек L и R, S и F известно, то может быть найдено и положение полюса М на пересечении продолже- ния прямых FS и RL. Потоки F и S = S_x связаны рабочей линией FSM. Положение точки S определяется из общего материального баланса системы при заданном качестве получаемого рафината Р и расходе растворителя, отвечающего точке N.

Потоки R_± и S = относятся к равновесным, и их место на треугольной диаграмме определяется конодой R_±S. Потоки и S₂ — встречные, т. е. их точки лежат на рабочей линии R_rM. Пересечение прямой R_XM с бинодальной кривой дает точку S₂ — экстрактного раствора, стекающего со второй тарелки. Продол- жая указанные построения с использованием рабочих линий и

Л Р F В

конод, получим в конце концов требуемый состав рафинатного раствора. Как следует из проведенных построений, число полу­ченных конод определяет число теоретических тарелок. Разделив число теоретических тарелок на к. п. д. контактного ус­тройства, находим практическое число ступеней экстрагиро­вания.

Для аппаратов типа смеситель—отстойник к. п. д. равен 0,75—0,95; для тарельчатых аппаратов 0,25—0,45; для насадочных аппаратов высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ), равна от 1,5 до 3 м.

Увеличение расхода растворителя вызывает перемещение точки N вверх. При максимально возможном расходе раствори­теля точка N займет положение N₂, так как при дальнейшем увеличении расхода растворителя точка N выйдет за пределы двухфазной области, и процесс экстракции прекратится. Следо­вательно, максимальный расход растворителя равен

L_m^=F (XVI,15)

¹ *^Lmax

Минимальный расход растворителя определяется из следу­ющих соображений. При заданных составах рафината Р и сырья F уменьшение расхода растворителя вызовет перемещение точки N по линии LF вниз. В связи с этим точка S переместится вправо по верхней ветви бинодальной кривой, а полюс М будет удаляться от вершины L. Угол, образованный рабочей линией FM и коно- дой, уменьшится. Минимальный расход растворителя будет от­вечать такому положению полюса М', при котором крайняя рабочая линия FM' совпадает с ближайшей конодой R'S'. В этом случае потребуется бесконечно большое число тарелок.

Минимальный расход растворителя равен

^Lmm (XVI,16)

¹ *^Lmin

x_Lm]n определяется точкой системы.

Фактический расход растворителя заключен в пределах

^min < £факт < £тах> ПрИ ЭТОМ ОбыЧНО

£факт = (и-1,2)1,_т1п (XVI,17)

4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЭКСТРАКТОРОВ

Аппараты для проведения процесса экстракции называют экстракторами. Поверхность фазового контакта создается диспер­гированием на капли одной жидкой фазы в другой. Для этой

дели используют экстракторы различных типов: колонные, сме- сительно-отстойные, центробежные. Наиболее широкое примене­ние нашли колонные экстракторы, среди которых можно выделить полые распылительные, инжекционные, тарельчатые, насадочные и пульсационные.

Сечение колонных экстракторов определяется допустимой ско­ростью движения сплошной фазы, зависящей от конструкции контактных устройств, физико-химических свойств обеих фаз и т. д.

По практическим данным, при очистке масел скорость по­дачи сырья составляет от 10 до 30 м³/(м²-ч) для тарельчатых и насадочных колонных экстракторов.