Большая Советская Энциклопедия (ЭК)

Большая Советская Энциклопедия

Экстрактор

Экстра'ктор, аппарат, применяемый в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой, фармацевтической промышленности, гидрометаллургии для разделения смесей различных веществ экстракцией .

Экстракция

Экстра'кция (от позднелат. extractio — извлечение), экстрагирование, процесс разделения смеси жидких или твёрдых веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов).

Процесс Э. включает 3 последовательные стадии: смешение исходной смеси веществ с экстрагентом; механическое разделение (расслаивание) двух образующихся фаз; удаление экстрагента из обеих фаз и его регенерацию с целью повторного использования. После механического разделения получают раствор извлекаемого вещества в экстрагенте (экстракт) и остаток исходного раствора (рафинат) или твёрдого вещества. Выделение экстрагированного вещества из экстракта и одновременно регенерация экстрагента производится дистилляцией , выпариванием , кристаллизацией , высаливанием и т. п.

Достоинствами Э. являются низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных смесей, возможность сочетания

с другими технологическими процессами (ректификацией, кристаллизацией), простота аппаратуры и доступность её автоматизации. Недостатком Э. в ряде случаев является трудность полного удаления экстрагента из экстрагируемых веществ.

Э. подчиняется законам диффузии и равновесного распределения. При Э. из жидкостей после смешения исходного раствора с экстрагентом и расслоения образовавшейся смеси концентрация у экстрагируемого вещества (В) в фазе экстракта больше его концентрации х в фазе рафината. При взаимной нерастворимости экстрагента (С) и растворителя (Л) исходного раствора зависимость у от х для равновесной системы (для которой у обозначается как у_р ) изображается в диаграмме у — х (рис. 1 , а). Если раствор разбавлен, а вещество В в экстракте находится в неассоциированном и недиссоциированном состояниях, отношение

 (коэффициент распределения) — величина постоянная, не зависящая от концентрации, и линия равновесия в диаграмме у — х является прямой; в противном случае K_p — функция концентрации, и линия равновесия криволинейна. K_p всегда зависит от температуры, практически не зависит от давления; определяется он экспериментальным путём.

Вследствие кратковременности и несовершенства акта смешения экстрагента и исходного раствора действительная (рабочая) концентрация у всегда меньше равновесной у_р. Степень приближения у к у_р характеризует эффективность Э., а разность y_p—y является его движущей силой.

В результате однократной Э. возможна сравнительно небольшая степень извлечения вещества В из исходного раствора, поэтому прибегают к многократному повторению актов смешения и последующего расслаивания взаимодействующих фаз при их встречном движении (рис. 1 , б). Если в исходном растворе концентрация вещества В уменьшается от x₁ до x₂, то его концентрация в фазе экстракта возрастает от 0 до y₁. Из уравнения материального баланса Э.:

Dy₁ =W (x₁– x₂ ) = М (а )

(где D и W — соответственно расходы чистого экстрагента и чистого растворителя) можно определить расход экстрагента:

Уравнение (а) описывает прямую (см. рис. 1 , а), проходящую через точки с координатами (x₁, 0) и (x₁ , y₁ ). В приведённых выражениях x₁ и y₁— концентрации относительно чистого растворителя А и чистого экстрагента С. Очевидно, что при прочих равных условиях расход экстрагента растет по мере уменьшения концентрации (x₂ ) вещества В в рафинате и уменьшения его концентрации y₁ в экстракте.

Кинетика Э. описывается общим уравнением массообмена . M = K

cF t, где М — количество экстрагированного вещества, К — коэффициент массопередачи,

с — средняя разность концентраций экстрагируемого вещества в обеих фазах, F — величина межфазной поверхности, t — время.

Величина

с однозначно определяется заданными концентрациями х, у и у_р , поэтому для достижения больших значений М стремятся увеличить К путём турбулизации потоков взаимодействующих фаз и F — путём диспергирования одной из фаз (экстрагента или исходного раствора) на мелкие капельки. Точное значение К пока не может быть рассчитано теоретическим путём, поэтому эффективность процесса Э. выражают,

как и при ректификации или абсорбции, числом ступеней равновесия (идеальных тарелок). Графическое определение числа ступеней равновесия показано на рис. 1 , а. В случае частичной растворимости растворителя А и экстрагента С равновесие системы изображается в плоскости равностороннего треугольника (рис. 1 , в). Каждой точке внутри треугольника соответствует тройная смесь, в которой концентрации компонентов А, В, С измеряются длинами перпендикуляров, опущенных на противолежащие стороны. Под кривой EG (бинодальной кривой) расположена область гетерогенных смесей, а над кривой — гомогенных растворов. Процессы Э., поскольку в них чередуются акты смешения и расслаивания фаз, протекают только в гетерогенной области. Смешав исходный раствор с некоторым количеством экстрагента, получим тройную гетерогенную смесь Р, которая расслаивается на экстракт Q и рафинат R с концентрацией экстрагируемого вещества В. Если теперь смешать рафинат со свежей порцией экстрагента, получим новую гетерогенную смесь P₁ , которая расслоится на экстракт Q₁ и рафинат R₁ с более низкой концентрацией Q₁ . Положение прямых QR и Q₁R₁, называется конодами, определяется для каждой системы экспериментальным путём. Продолжая акты смешения и расслаивания, можно добиваться дальнейшего понижения концентрации компонента В в рафинате, т. е. повышения степени Э. Совершенно очевидно, что число построенных конод (их может быть сколько угодно) равно числу ступеней равновесия. В приведённом примере периодической Э. после каждого акта смешения и расслаивания падает концентрация В как в рафинате, так и в экстракте. Для повышения концентрации вещества В в экстракте и большего его исчерпывания из рафината во многих случаях прибегают к Э. с так называемой обратной флегмой. Сущность этого процесса сводится к частичному отделению экстрагента от экстракта и исходного растворителя от рафината и обратному возвращению долей этих фракций в аппарат навстречу уходящим потокам.

Для экстракционного разделения двух компонентов (B₁ и B₂ ), особенно с близкой растворимостью в исходном растворителе, часто используют два экстрагента с различной селективностью. Исходный раствор поступает в среднюю часть экстрактора, один из экстрагентов — в верхнюю часть, другой — в нижнюю. В результате компонент B₁ переходит в фазу одного экстрагента, компонент B₂ — в фазу другого (рис. 2 ).

Наиболее эффективна непрерывная Э., осуществляемая в многоступенчатых аппаратах (экстракторах) при противотоке исходного раствора и экстрагента. В этом случае заданная степень Э. достигается при наименьшем расходе экстрагента. Многоступенчатые экстракторы (см. рис. 3 , а, б, в) обычно представляют собой вертикальные колонны, разделённые поперечными перфорированными тарелками, вращающимися дисками, мешалками и т. п. на ступени (секции). В каждой ступени происходит перемешивание взаимодействующих фаз и их расслаивание. Т. о., исходный раствор и экстрагент многократно перемешиваются и расслаиваются. Эффективность этих аппаратов оценивается кпд отдельных ступеней или высотой аппарата, эквивалентной одной ступени равновесия — теоретической тарелке (см. Ректификация ).

Значит, распространение получили экстракторы ситчатые и с механическим перемешиванием. В ситчатых (рис. 3 , а) ступени разграничены перфорированными горизонтальными тарелками и сообщаются между собой переливными трубками. Одна из контактирующих жидкостей, проходя через отверстия тарелок, диспергируется, чем создаётся большая поверхность контакта с встречной жидкостью, протекающей по переливным трубкам в виде сплошной фазы. Экстракторы с механическим перемешиванием делятся на роторно-дисковые (рис. 3 , б) и с чередующимися смесительными и отстойными насадочными секциями (рис. 3 , в). В роторно-дисковых экстракторах вращающиеся диски перемешивают и диспергируют жидкости, после чего они расслаиваются. В экстракторах со смесительными и насадочными секциями лопастные или турбинные мешалки размещены на общем вертикальном валу попеременно со слоями неподвижной насадки (кольца Рашига, спирали, пакеты сеток и пр.). Перемешанные жидкости, пройдя через слои насадки, расслаиваются. Применяются также экстракторы с непрерывным контактом взаимодействующих фаз (распылительные, насадочные), не разделённые на отд. ступени, их эффективность при достаточной высоте измеряется несколькими ступенями. Распылительные экстракторы (рис. 3 , г) снабжены соплами, инжекторами и т. п. для диспергирования взаимодействующих жидкостей. Такие аппараты отличаются простотой и высокой производительностью, но сравнительно невысокой эффективностью. Несколько более эффективны, но менее производительны насадочные экстракторы (рис. 3 , д), наполненные кольцами Рашига, кольцами Паля и др. Часто используются ящичные экстракторы, которые разделены вертикальными перегородками на ступени, каждая из которых состоит из смесительной и отстойной камер (рис. 4 ). Расположенные в смесительной камере турбинные мешалки перемешивают жидкости и одновременно транспортируют их из ступени в ступень.

Такие экстракторы могут работать при любом соотношении исходного раствора и экстрагента, сохраняя при этом рабочие концентрации жидкостей при прекращении процесса.

Для Э. неустойчивых соединений (например, антибиотиков) используются центробежные экстракторы, ротор которых состоит из набора цилиндров, перфорированных с обоих концов, или спиральных лент. Исходный раствор и экстрагент движутся навстречу друг другу, причём более тяжёлая жидкость — от центра к периферии, а более лёгкая — в обратном направлении. Контакт жидкостей происходит на пути их движения, а диспергирование — при прохождении через перфорированные части цилиндров.