Основные методы экстракции. Расчет процесса экстракции

Различают следующие методы экстракции

- однократная

- многократная

- противоточная.

1) При однократной экстракции исходная разделяемая смесь P₀ в один прием обрабатывается всем заданным количеством растворителя W₀; образующиеся в результате контакта рафинатная P и экстрактная W фазы разделяются и отводятся.

1 – смеситель; 2 - отстойник

Рисунок 6.66 – Принципиальная схема однократной экстракции

Для расчета однократной экстракции графическим методом должны быть заданы

- расход сырья ( ) и состав;

- кривая равновесия с нодами;

- удельный расход растворителя ;

- расход образующихся рафинатного и экстрактного растворов P;W;

- содержание в них растворителя и ;

- выход рафината R и его состав;

- выход рафината E и его состав.

Соединим точку М с точкой С. Согласно IV свойству треугольных диаграмм прямая СМ характеризует постоянство соотношения компонентов А и В

Количество растворителя для экстракции должно быть выбрано с таким расчетом, чтобы точка L, выражающая состав смеси сырья с растворителем, была расположена на отрезке прямой nm, т.к. это будет характеризовать гетерогенную систему.

Рисунок 6.67 – Расчет однократной экстракции

Если растворителя будет добавлено небольшое количество, (т.L окажется на прямой Мn), то такая смесь образует однофазную систему (растворитель растворяется в исходном сырье).

Если растворитель будет взят в большом количестве (т.L находится на отрезке mC), то исходное сырье растворится в растворителе и система будет вновь однофазной.

Таким образом, расход растворителя должен быть выбран из следующего

соотношения

. (6.160)

Допустим, что выбран такой расход растворителя, что его смесь с сырьем характеризуется точкой L.

В этом случае удельный расход растворителя определится из соотношения:

. (6.161)

Гетерогенная система, характеризуемая точкой L, расслаивается на две равновесные фазы, состав которых можно определить по ноде, проходящей через т. L.

Точки P₁ и W₁ характеризуют соответственно рафинатный и экстрактный растворы, полученные в результате однократной экстракции, при выбранном расходе растворителя.

Количество образующихся рафинатного и экстрактного растворов определяется по правилу рычага (I свойство треугольных диаграмм)

. (6.162)

Выход рафинатного и экстрактного растворов находят исходя из вышенаписанного соотношения и уравнения материального баланса экстракции:

. (6.163)

Концентрация растворителя в рафинатном и экстрактном растворах определяется положением точек P и W (см. рисунок 6.67).

Выход рафината и экстракта после отгонки растворителя:

; (6.164)

Состав рафината и экстракта, полученных при экстракции с данным расходом растворителя, определяется соответственно точками R и E, лежащими в месте пересечения прямых CP₁ и CW₁ с основанием треугольника АВ.

Итак, в результате однократной экстракции при выбранном расходе растворителя исходное сырье (М) разделено на рафинат (R) и экстракт (Е).

Если взять другой расход растворителя, то получим другие результаты.

Сопоставляя ряд вариантов расчета однократной экстракции при различных расходах растворителя, выбираются оптимальные условия экстракции.

2) Противоточная экстракция характеризуется многократным контактированием в противотоке рафинатного и экстрактного растворов. Противоточный метод может быть осуществлен ступенчато с использованием смесителя для контактирования и отстойника для разделения образующихся фаз или непрерывно – в аппарате колонного типа с насадкой или тарелками специального типа.

Рисунок 6.68 - Схемы трехступенчатой противоточной экстракции и колонны для противопоточной экстракции

Расчет многоступенчатой противоточной экстракции рассмотрим на примере трехступенчатого процесса (рисунок 6.68,а).

Сырье в количестве Р₀ поступает в первую ступень экстракции; образующийся при этом рафинатный раствор Р₁ направляется на вторую ступень, а затем в количестве Р₂ на третью ступень; с этой ступени в данном случае получается конечный рафинатный раствор.

Противотоком рафинатному раствору движутся исходный растворитель и соответствующие экстрактные растворы. Так, на третью ступень экстракции поступает растворитель W₀, получаемый с этой ступени экстрактный раствор W₃ переходит во вторую ступень, где вступает в контакт с рафинатным раствором Р₁; образующийся на второй ступени экстрактный раствор W₂ направляется на первую и т.д.

Обозначим:

– содержание растворителя в рафинатной фазе;

– содержание растворителя в экстрактной фазе.

Для графического метода расчета противоточной экстракции должно быть известно

- биноидальная кривая с нодами, т.е. известна точка пересечения нод (полюс Q).

- состав сырья (точка М)

- расход (Р₀) и состав сырья

- качество рафината R₃ (или экстракта E₁).

Запишем уравнение материального баланса для каждой ступени экстракции:

I ступень: P₀ + W₂ = P₁ + W₁; откуда W₁ – P₀ = W₂ - P₁

II ступень: P₁ + W₃ = P₂ + W₂ W₂ – P₁ = W₃ – P₂

III ступень: P₂ + W₀ = P₃ + W₃ W₃ – P₂ = W₀ – P₃

По всем ступеням экстракции:

P₀ + W₀ = P₃ + W₁ W₀ – P₃ = W₁ – P₀