38.7. Основы расчета установки экстрагирования

Расчет экстракционной установки включает в себя:

1. Выбор экстрагента;

2. Выбор относительного расхода экстрагента Гм;

3. Расчет процесса экстрагирования;

4. Выбор типа экстрактора;

5. Расчет основных размеров активной зоны аппарата;

6. Выбор и расчет вспомогательного оборудования;

7. Расчет основных расходных параметров и оценка себестоимости конечного продукта.

Экстрагенты, используемые в промышленных условиях, можно разделить на несколько основных групп.

Вода и водные растворы неорганических солей, оснований, кислот и щелочей.

Органические кислоты и их соли, а также соли органических оснований. Такого рода экстрагенты используются при извлечении различных металлов, в том числе цветных, щелочных и благородных.

Нейтральные экстрагенты (альдегиды, кетоны, спирты и различные эфиры), которые используются, в частности, для извлечения редкоземельных и радиоактивных металлов.

Сжиженные газы (хладоны, бутан, пропан и др.). Эти экстрагенты используются при переработке растительного сырья для извлечения эфиромасличных веществ и веществ фармацевтического и пищевого назначения.

В ряде случаев целесообразно использовать смеси экстрагентов для обеспечения селективности извлечения. В этом случае следует выбирать экстрагенты с наименьшей взаимной растворимостью для облегчения их последующего разделения и переработки.

Выбор относительного расхода фаз Г_м (кг экстрагента/кг твердой фазы) производится исходя из физико-механической структуры твердой фазы, ее расхода и содержания экстрактива в ней, типа аппарата и режима относительного движения фаз.

Минимальное количество экстрагента должно быть в 4 ‑ 5 раз больше количества жидкости, удерживаемой во внутренних структурах сырья для обеспечения возможности ее перемещения относительно элементов твердой фазы при полном смачивании поверхности масссопереноса. Как отмечалось выше, чем меньше значение Г_м, тем выше концентрация экстракта и меньше степень истощения сырья. Увеличение значений Г_м до 15 ‑ 20 приводит к значительному росту степени истощения. Затем этот рост замедляется и при значениях Гм > 40 этот показатель практически не меняется. При этом получаются большие количества сильно разбавленных экстрактов, дальнейшее концентрирование которых требует значительных затрат. При необходимости активного перемешивания фаз выбирают обычно значения Г_м = 8÷12, что обеспечивает достаточную текучесть экстракционной системы.

Расчет процесса экстрагирования проводится как и для жидкостной экстракции в зависимости от способа экстрагирования.

Одноступенчатое экстрагирование из твердого тела

Материальный баланс экстракции из твердого тела подобен материальному балансу жидкостной экстракции, но графическое определение количества потоков различно (рис. 38.17).

Поле существования системы из трех компонентов A, B, S разделено пограничной линией aNRв, которая разделяет на поле – справа – гетерогенную область и на поле слева – гомогенная область. Гомогенная область характеризуется не переходом экстрагента S в твердое тело, а способностью твердого тела удерживать растворитель. Поэтому линия NR может для одной и той же системы менять свое месторасположение в зависимости, от внутренней структуры (степени измельчения и т.п.) твердого тела. Фигуративная точка N характеризует минимальное количество растворителя: при большем значении, которого возможно отделение жидкостного экстракта от «влажного» твердого вещества.

Рисунок 38.17 – Графическое изображение одноступенчатой экстракции из твердого тела:  – хорды равновесия.

При добавлении к твердому веществу количества экстрагента S больше S_min (например, точка М) полученной смеси после распределения экстрактивного вещества можно выделить жидкую фазу. Распределение экстрактивного вещества между твердым телом и экстрагентом происходит до равновесных концентраций, соединенных прямой хордой равновесия. Поэтому из смеси М удаляя жидкость с равновесной концентрацией (точка Е), можно было бы получить, твердое вещество с соответствующей концентрацией компонента В (точка ). Но, так как, твердое тело имеет способность удерживать жидкую фазу в своих порах, то поэтому получают твердое тело с содержанием экстрагента (точка R), как пересечение хорды равновесия с пограничной линией aNRb.

Количество полученного экстракта и рафината определяется с использованием правила рычага подобно тому, как это показано при жидкостной экстракции.