Модуль экстрагента определяется по «правилу рычага»:
количество рафината
а количество экстракта:
Состав рафината определяет точка Rk, а экстракта — точка Эk на стороне треугольника LM. Экстремальные значения модулей экстрагента определяют точки N1 и N2 на бинодальной кривой:
При взаимной нерастворимости исходного раствора и экстрагента на у-х-диаграмме процесс экстракции изображается прямой линией АВ, для построения которой из точки хн проводят линию под углом α до пересечения с линией равновесия в точке β, координаты которой выражают составы получаемых экстракта ук и рафината хк, и соединяют точку В с точкой А (хн, ун = 0), характеризующей концентрацию экстрагируемого компонента в исходной смеси F.
Модуль экстрагента для получения рафината с заданной концентрацией хк:
Причём чем больше модуль экстрагента, тем меньше тангенс угла наклона и концентрации экстрагируемого компонента в рафинате и экстракте: Хк1 < Хк и Урк1 < Урк. Однако с увеличением модуля экстрагента возрастает стоимость его регенерации. Оптимальные значения экстракционного фактора: 1,2 < mφ < 2.
Многоступенчатая экстракция проводится в многосекционных экстракторах или экстракционных установках, в которых каждый агрегат представляет самостоятельную установку. Многоступенчатая экстракция может проводиться с противотоком экстрагента, при перекрёстном токе исходного раствора и экстрагента или комбинированным способом при нескольких экстрагентах [9].
Необходимо сразу отметить, что противоточная экстракция может осуществляться по различным схемам. Например, в распылительных, насадочных и тарельчатых экстракторах состав обеих фаз меняется непрерывно по длине аппарата [10]. В других экстракторах или установках состав обеих или одной фазы меняется скачкообразно при переходе от секции к секции.
Противоточная экстракция осуществляется по различным схемам. В распылительных, насадочных и тарельчатых экстракторах состав обеих фаз меняется непрерывно по длине аппарата. В других экстракторах состав обеих или одной фазы меняется скачкообразно при переходе от секции к секции
В многосекционных противоточных установках (рис. 6а) исходный раствор F и экстрагент Е поступают с противоположных концов установки. Экстракт с концентрацией экстрагируемого компонента, близкой к насыщению, взаимодействует в первой ступени с исходным раствором F концентрацией хн.
После разделения тройной смеси в первой ступени получают экстракт концентрацией γ1 = γк и рафинат концентрацией x1. Рафинат состава хх во второй ступени взаимодействует с экстрактом состава Э3. После разделения получают рафинат состава R2 и экстракт состава Э2. В последней n-й ступени обеднённый экстрагируемым компонентом рафинат Rn-1 концентрацией хn-1 взаимодействует со свежим экстрагентом Е концентрацией γi = γn, близкой к нулю. В результате разделения на выходе из установки получают очищенный раствор.
Материальный баланс для всей установки по экстрагируемому компоненту, пренебрегая взаимной растворимостью раствора и экстрагента, записывается в следующих концентрациях, отнесённых к 1 кг экстрагента:
L(xн – xк) = E(yн – yк), (15)
а для одной (n - 1)-й секции:
L(xн – xn–1) = E(yк – yн). (16)
Отсюда получим уравнение рабочей линии противоточного процесса:
которое является уравнением прямой с тангенсом угла наклона:
tg(α) = L/E. (18)
Число ступеней контакта определяется количеством ступеней, вписанных между рабочей и равновесной линиями, начиная от точки A (хн, ук) и до точки B (хк, yn). Положение кинетической линии определяется коэффициентом извлечения и гидродинамическими условиями в аппарате. Этот процесс на треугольной диаграмме представлен на рис. 6в.
В первой секции экстракционной установки на ходу исходного раствора последней F взаимодействует с экстрактом с предыдущей второй ступени Э2 с образованием тройной смеси точки N1, после разделения которой в сепараторе получают экстракт Э1 и рафинат R1 в общем случае неравновесного состава. Во второй ступени рафинат R1 взаимодействует с экстрактом из третьей ступени Э3, образуя тройную смесь N2, которая разделяется на R2 и Э2. Соединив две точки, соответствующие составам фаз на входе и выходе из каждой секции, линиями FЭ1, RЭ2, R2Э3 и т.д. и продолжив их, получим точку пересечения Р.
Аналогичные процессы происходят и в остальных секциях экстрактора. В результате исходный раствор обедняется экстрагируемым компонентом и выходит из последней n-й секции концентрацией хк, а экстрагент насыщается компонентом до конечной концентрации ук.
Расчёт установок для экстракции водно-органической смеси
Расчёт заключается в определении зависимости между качеством воды до и после очистки, а также количества используемого экстрагента (растворителя) и количества ступеней в установке [11].
Пусть изотерма экстракции — прямая, Кэ = const и при экстрагировании используется полностью регенерированный экстрагент, содержание загрязняющего вещества в котором Сen(э) = 0. Уравнение баланса загрязняющего вещества в системе «вода-экстрагент» для одноступенчатой установки:
WвCen(в) = WвCex(в) + WэCex(э), (19)
где Wв и Wэ — объёмы воды и экстрагента; Cen(в), Cex(в) — концентрации загрязнений в воде до и после экстракции; Cex(э) — содержание загрязнения в экстракте после экстракции и при условии достижения равновесного состояния. Обозначим соотношения:
Если установка состоит из m ступеней с противоточным движением воды и экстрагента, то есть на последнюю ступень подаётся чистый экстрагент, на предпоследнюю — экстракт после последней ступени и т.д., то получим зависимость:
Из формулы (22) можно определить количество ступеней, необходимое для требуемой очистки воды:
Выражение Кэη называется фактором экстракции, его увеличение позволяет уменьшить количество ступеней установки. Для этого следует увеличивать η или применять более эффективные экстрагенты, у которых выше значение Кэ. При глубокой очистке фактор экстракции должен быть больше единицы.
Геометрические размеры экстрактора (высота, диаметр) находятся по эмпирическим зависимостям или по результатам экспериментов, причём как для каждого вида экстрагента, так и загрязняющего вещества.
Выводы
Экстракция — эффективный массообменный процесс извлечения из водных растворов органических компонентов. Достоинства экстракции: низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных водноорганических растворов, возможность разделения жидких смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами (ректификацией, кристаллизацией), простота аппаратуры и доступность её автоматизации.
Недостатками экстракции являются трудность полного удаления экстрагента из экстрагируемых компонентов из растворов, необходимость проведения многократной экстракции и контроля температурного режима.
