4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Описание метода экстрации

Методы экстракции

При экстракции неорганических веществ обычно извлекают одно или несколько веществ из водной фазы одним экстрагентом.

При разделении экстракцией смесей органических веществ в зависи­мости от числа применяемых экстрагентов различают:

экстракцию одним экстрагентом в системах, состоящих минимум из трех компонентов (двух разделяемых компонентов исходного раствора и экстрагента);

экстракцию, двумя экстрагентами (фракцион­ная экстракция) в системах, состоящих минимум из четырех компонентов (двух компонентов исходного раствора, распределяющихся между двумя несмешивающимися экстрагентами).

Экстракция одним экстрагентом наиболее распространена. Рассмо­трим разные варианты этого процесса на примере ступенчатой экстракции, различные способы осуществления которой приведены ниже.

Одноступенчатая (однократная) экстракция. Этот простейший метод заключается в том, что исходный раствор Р и экстрагент S перемешиваются в смесителе 1 (рис. ХIII-8), после чего разделяются на два слоя: экстракт Е и рафинат R. Разделение обычно происходит в сепараторе-отстойнике 2. При таком однократном взаимодействии экстрагента и исходного раствора при достаточном времени контакта могут быть получе­ны близкие к равновесным составы экстракта и рафината.

Рис. ХIII-8 Схема одноступенчатой экстракции: 1 — смеситель; 2 — сепаратор-отстойник.

Таким образом, количество экстрагируемого вещества фиксировано законом равновесного распределения и степень его извлечения является относительно низкой. Степень извлечения можно повысить путем увели­чения количества используемого экстрагента, но с увеличением объемного соотношения потоков экстрагента и исходного раствора снижается кон­центрация экстракта, что удорожает извлечение конечного продукта. По этим причинам одноступенчатую экстракцию применяют в промышленной практике лишь в тех случаях, когда коэффициент распределения очень высок. Процесс может проводиться как периодически, так и непрерывным способом — при непрерывном возврате экстрагента в смеситель (после его регенерации).

Многоступенчатая экстракция при перекрестном токе. Экстракция этим способом проводится в нескольких ступенях (рис. ХIII-10), через которые последовательно движется исходный раствор, причем во всех ступенях, начиная со второй, исходным раствором является рафинат R1, R2, R3,…, Rп-1 с предыдущей ступени.

Общее количество свежего экстрагента разделяется на части и подво­дится в количествах S1, S2, S3, . Sn, как показано на рис. ХIII-10, а, параллельно на все ступени.

Рис. ХIII-10. Схема многоступенчатой экстракции при перекрестном токе (а) и изображение процесса на диаграмме У— X (б): 1, 2, 3, . п — ступени.

Изображение процесса в прямоугольной диаграмме приведено на рис. ХШ-10, б. Построение на диаграмме проведено так же, как для про­цесса одноступенчатой экстракции. При этом предполагалось, что экстрагент и растворитель исходного раствора нерастворимы друг в друге, экстрагент равномерно распределяется между ступенями и содержит не­которое количество экстрагируемого компонента, т. е. имеет начальную концентрацию хEo. При достаточно большом числе ступеней указанным способом можно получать практически в чистом виде компонент А, остаю­щийся в рафинате, т. е. растворитель исходного раствора. Однако это свя­зано с большими потерями данного компонента и уменьшением его выхода, так как на каждой ступени некоторая часть компонента А удаляется с экстрактом.

На каждую последующую ступень в качестве исходного раствора по­ступают все более обедненные экстрагируемым компонентом рафинаты R1, R2, R3,…, Rп-1 поэтому концентрации экстрактов снижаются от пер­вой 1 к последней п) ступени. В результате для получения рафината высокой чистоты требуются большие объемные соотношения экстрагента и исходного раствора, т. е. большой суммарный расход свежего экстраген­та, что связано со значительным удорожанием процесса его регенерации. Вследствие указанных недостатков описанный способ экстракции находит ограниченное применение в промышленности. Так, его используют в тех случаях, когда необходимо получить, не считаясь с потерями, в весьма чистом виде компонент А и когда для этой цели можно применять деше­вый экстрагент (например, воду), причем не требуется регенерации экст­рагента.

Многоступенчатая противоточная экстракция. Экстракция по этой схеме (рис. ХIII-11) особенно часто применяется в промышленности. Исходный раствор Р и экстрагент 5 поступают с противоположных концов установки, состоящей из последовательно соединенных ступеней, и движутся противотоком друг к другу. Конечный экстракт Еn удаляется из первой ступени установки, а конечный рафинат Rп — из последней ступени. При этом на последней (n-ой) ступени рафинат Rп-1 наиболее обедненный экстрагируемым компонентом В, взаимодействует со свежим экстрагентом 5, не содержащим (или содержащим незначительное коли­чество) этого компонента, а на первой ступени наиболее концентрирован­ный раствор компонента В (исходный раствор) взаимодействует с близ­ким к насыщений этим компонентом экстрагентом Е2. Благодаря этому выравнивается движущая сила на концах установки, достигается высокая средняя движущая сила процесса и осуществляется наиболее полное из­влечение экстрагируемого компонента из исходного раствора.

Рис. ХIII-11. Схема многоступенчатой противоточной экстракции (1, 2, ..„ n—1, n —ступени).

При одинаковой чистоте конечного рафината в процессе противоточной экстракции значительно уменьшается расход экстрагента и увеличи­вается выход рафината, но требуется большее число ступеней по сравне­нию с экстракцией при перекрестном токе. С технико-экономической точки зрения многоступенчатая противоточная экстракция является более эф­фективным процессом, чем экстракция в перекрестном токе.

Многоступенчатая противоточная экстракция с флегмой. Для того что­бы повысить степень разделения исходного раствора на компоненты, при экстракции, по аналогии с ректификацией, используют иногда орошение аппарата флегмой. В процессах экстракции без применения флегмы концентрация экстракта, выходящего из многоступенчатого аппарата, не может быть выше равновесной, соответствующей концентрации исход­ного раствора, что ограничивает степень разделения. При использовании флегмы (рис. ХIII-15) экстракт E1 направляется, как обычно, в установку для регенерации, где из него отгоняют возможно большее количества экстрагента Sрег. Однако в данном случае установка для регенерации является аналогом дефлегматора в процессе ректификации. Выходящий из нее остаточный продукт делится на две части: одна часть отводится в виде экстракта Еn, а другая часть возвращается в аппарат в виде флег­мы Sфл. Поток флегмы, поступающей в аппарат на стороне отбора экстрак­та, вымывает из последнего частично или полностью растворенное в нем некоторое количество исходного растворителя (компонента А), причем-удаленный из экстракта компонент А в конечном счете переходит в рафинат. В результате степень разделения увеличивается и выход рафината возрастает.

Рис. ХIII-15. Схема многоступенчатой противоточной экстракция с флегмой (1, 2. . n—1, n— ступени).

Возврат части экстракта в виде флегмы, улучшая разделение и повы­шая чистоту конечных продуктов, приводит вместе с тем к увеличению» расхода экстрагента (что эквивалентно большему расходу тепла при ректификации), увеличению размеров и удорожанию экстракционной установки. Поэтому выбор доли возвращаемого экстракта, соответствую­щей флегмовому числу при ректификации, должен производиться на ос­нове технико-экономического расчета.

Отмечая сходство процессов экстракции и ректификации, где анало­гом экстракта является паровая фаза, аналогом рафината — жидкая фаза, а относительная летучесть компонентов подобна избирательности при экстракции, следует подчеркнуть, что эта аналогия не полная. Так, использование флегмы при экстракции связано с определенными ограни­чениями. Например, возврат флегмы должен быть таким, чтобы составы» смесей жидкостей (экстракта и рафината) соответствовали двухфазной области на треугольной диаграмме, т. е. чтобы этот возврат не приводил к полной взаимной растворимости компонентов.

В принципе возможно также использование флегмы рафината, но ее применение значительно менее эффективно, чем орошение экстрактом, и, по-видимому, нецелесообразно.

Многоступенчатая экстракция двумя растворителями (экстрагентами). Процесс экстракции двумя несмешивающимися друг с другом экстраген­тами носит название фракционной экстракции. Применение в качестве экстр агента однородной смеси из двух, а иногда и большего числа компонентов позволяет повысить его селек­тивность, а также изменить некоторые другие свой­ства, влияющие на массопередачу, например, сни­зить межфазное натяжение или уменьшить вяз­кость. Процесс фракционной экстракции отличает­ся наибольшей разделяющей способностью по срав­нению с другими методами экстрагирования, опи­санными выше.

В простейшем случае в процессе участвуют че­тыре компонента: два компонента исходного раст­вора (А+В) и два экстрагента (S1+S2). Один из экстрагентов, например S1 извлекает преиму­щественно компонент В и образует фазу экстракта, а другой экстрагент S2, в котором растворяется глав­ным образом компонент A, образует фазу рафината. Процесс проводится при ступенчатом или непре­рывном взаимодействии компонентов.

На рис. ХIII-16 показана схема непрерывной фракционной экстракции, проводимой в колонном аппарате. Исходная смесь Р поступает в среднюю часть экстракционной колонны 1, более тяжелый экстрагент S2 подается в верхнюю часть колонны, а более легкий S1 — в ее нижнюю часть. Экстракт (S1+В) и рафинат (S2 + А) отбираются с проти­воположных концов колонны. ЭкстрагентыS1 и S2 извлекаются соответственно в установках 2 и 3.

Экстрагент S1 называется экстрагирую­щим. Соответственно часть колонны между точка­ми ввода этого экстрагента и исходного раство­ра, где осуществляется обогащение экстракта, носит название секции экстр акции (секция а на рис. ХIII-16). Экстрагент S2 называется промывным, а нижняя часть колонны (между точками ввода ис­ходного раствора и экстрагента S2), в которой происходит очистка, или исчерпывание, рафината, — секцией отмывки (секция б). В не­которых случаях фракционную экстракцию проводят с орошением аппа­рата флегмой.

Рис. ХШ-16. Схема фракционной экстрак­ции в колонном ап­парате: а-секция экстракции; б-секция отмывки; 1-экстракционная колонна; 2, 3-установки для ре­генерации каждого из экстрагентов соответственно.

Нетрудно заметить, что между процессами фракционной экстракции и ректификации также имеется аналогия, которая уже отмечалась выше. Можно отметить также, что, в отличие от органических веществ, не­органические вещества при выделении их экстракцией обычно присутст­вуют в исходном водном растворе, из которого они извлекаются органи­ческим экстрагентом. Их выделение, по существу, со­ответствует процессу экстракции двумя растворителями (вода +орга­нический экстрагент).

Читать еще:  Почему возникает синдром фукса

Экстракция двумя экстрагентами применяется главным образом для разделения веществ с близкой растворимостью, например, смесей редко земельных элементов. Этот метод экстракции требует значительных рас­ходов экстрагентов и поэтому является относительно дорогим.

УСТРОЙСТВО ЭКСТРАКЦИОННЫХ АППАРАТОВ

В зависимости от вида контакта между жидкими фазами экстракторы, как и другие массообменные аппараты, бывают: 1) ступенчатые, где изменение состава фаз происходит скачкообразно, от ступени к сту­пени, из которых состоит аппарат; 2) дифференциально-контактные, в которых изменение состава фаз приближается к непре­рывному.

Обычно в экстракторах для создания возможно большей поверхности контакта фаз и, соответственно, для увеличения скорости массопередачи одна из жидкостей (дисперсная фаза) распределяется в другой жидкости (сплошная фаз а) в виде капель. В зависимости от ис­точника энергии, используемой для диспергирования одной фазы в дру­гой и перемешивания фаз, экстракторы каждой из указанных выше групп могут быть подразделены на аппараты, в которых диспергирование осу­ществляется за счет собственной энергии потоков (без введения допол­нительной энергии извне), и аппараты с введением внешней энергии во взаимодействующие жидкости. Эта энергия подводится посредством ме­ханических мешалок, сообщения колебаний определенной амплитуды и частоты (пульсаций или вибраций), путем проведения экстракции в поле центробежных сил и другими способами.

В экстракторах после каждого процесса перемешивания следует раз­деление (сепарация) фаз. В зависимости от рода сил, под действием кото­рых осуществляется сепарация, различают экстракторы с разделением фаз в поле сил тяжести — под действием разности удельных весов фаз (гравитационные экстракторы) и экстракторы с разделением фаз в поле центробежных сил (центробежные экстракторы).

Вместе с тем по принципу организации процесса все экстракторы могут быть разделены на периодически действующие и не­прерывно действующие.

В настоящее время аппараты периодического действия применяются главным образом в лабораторной практике и сравнительно редко — в промышленных установках малой производительности.

Приведенная классификация не отражает всех конструктивных осо­бенностей аппаратов одного и того же типа; важнейшие из этих особен­ностей будут отмечены ниже при рассмотрении экстракторов различных типов.

Экстракция.

Экстракцией называют процесс распределения растворен-ного вещества между двумя несмешивающимися жидкими фа-зами и основанное на этом выделение и разделение веществ.

Процесс экстракции характеризуют следующими основными величинами;

константа экстракции Кекс — константа равновесия реакции экстракции;

константа распределения Р — отношение концентрации ве-щества в строго определенной форме в органической фазе к его концентрации в той же форме в водной фазе в условиях равно-весия;

коэффициент распределения Е — отношение аналитической (общей) концентрации вещества в органической фазе к его ана-литической концентрации в водной фазе (обычно в условиях равновесия);

степень извлечения R — доля экстрагированного в фазу орга-нического растворителя вещества от общего количества веще-ства при данных условиях в процентах;

фактор разделения S — отношение коэффициентов распреде-ления двух разделяемых элементов.

Разделение веществ методом экстракции основано на раз-личной растворимости их в несмешивающихся растворителях. Если какое-либо вещество способно растворяться (не диссоции-руя и не ассоциируя при этом) в двух несмешивающихся растворителях, например в воде и в каком-нибудь органическом растворителе, то оно распределяется между этими двумя растворителями и устанавливается равновесие:

По закону распределения, если распределяемое вещество в обеих фазах находится в одной и той же форме, то концентра-ции его в этих фазах связаны зависимостью:

где Е — коэффициент распределения.

Коэффициент распределения зависят от температуры, свойств вещества и свойств фаз. Зависимость коэффициента распределения от температуры может быть самой разнообразной. В одних случаях с повышением температуры коэффициент распределения увеличивается — экстрагирование улучшается, в других коэффициент распределения уменьшается — экстрагиро-вание ухудшается.

На экстракцию внутрикомплексных соединений оказывают влияние большие количества солей-электролитов, присутствую-щих в водной фазе. Влияние солей-электролитов на экстрацию внутрикомплексных соединений очень разнообразно — оно за-висит от реагента, природы экстрагируемого соединения, рас-творителя, природы соли.

Большое влияние, особенно на распределение органических комплексных соединений, оказывает кислотность среды.

В ряде случаев на экстракцию существенное влияние оказы-вает природа растворителя. На практике руководствуются в ос-новном следующим: а) растворитель по возможности не должен смешиваться с водой; б) плотность растворителя должна в до-статочной степени отличаться от плотности воды, так чтобы была четкой граница раздела между фазами; в) желательно, чтобы применяемые растворители имели не слишком низкую температуру кипения, так как интенсивное испарение раствори-теля мешает работе; г) растворитель должен быть в достаточно чистом виде.

К числу важных факторов, влияющих на экстракцию внутрикомплексных соединений, относится время контакта фаз. Практически во многих экстракционных системах равновесие достигается не мгновенно. Скорость экстракции зависит от ско-рости химических реакций, протекающих в системе, и от ско-рости массопередачи, т. е. переноса вещества между двумя фазами.

На скорость экстракции влияет также природа металла и реагента, условия экстракции. Изменение их может быть ис-пользовано для повышения избирательности экстракции. В ряде случаев различия в скорости экстракции элементов, присут-ствующих в смеси, настолько велики, что эти различия могут быть использованы для разделения элементов.

Применение экстракции для отделения определяемых ионов от ионов, мешающих определению, хорошо сочетается с физико-химическими (фотоколориметрическим, полярографическим и другими) методами определения отделенного иона в экстракте. В некоторых случаях такие определения могут быть проведены непосредственно в самом растворе после экстракции. Например, индий после экстракции его бензолом из раствора, содержащего родамин, может быть, определен в бензольном растворе по опти-ческой плотности при 530 нм. Тантал, извлеченный циклогексаноном из сернокислого раствора, предложено определять спектральным путем в остатке после испарения циклогексанона.

Нередко для дальнейшего определения применяют реэкстрагирование выделенного вещества из органической фазы. В боль-шинстве случаев это осуществляется взбалтыванием органической фазы с кислым раствором или раствором реагентов, разрушаю-щих комплексное соединение, в виде которого данный элемент выделен в органическую фазу. После реэкстрагирования эле-мент в водном растворе может быть определен полярографически или другим физико-химическим методом.

Экстрагирование проводят в делительных воронках, в этих воронках удобно отделять слои жидкостей.

В некоторых случаях, когда коэффициент распределения не-велик, экстракцию проводят несколько раз. При этом каждый раз определенная доля вещества извлекается из водного рас-твора. Порции экстрагента затем объединяют и анализируют.

В большинстве случаев для аналитических целей бывает достаточно 2—3 экстракций. В особо сложных случаях для раз-деления многих компонентов приходится применять многократ-ную противоточную экстракцию. Экстрагирование в сочетании с физико-химическими методами определения в настоящее время широко применяется в практике научно-исследовательских и заводских лабораторий. Применение экстракции позволяет извлекать вещества из очень разбавленных растворов, при этом экстрагируемое вещество количественно выделяется в чистом виде. Кроме того, экстракция дает возможность вы-делять и разделять вещества трудно или вовсе не разделяемые, другими методами.

Предложены способы экстракции большинства элементов и многих классов соединений. В качестве факторов, влияющих на процесс извлечения, широко используют комплексообразование и регулирование рН.

Варьирование условий экстракции открывает широкие воз-можности для аналитического применения ее с целью разделе-ния и отделения различных ионов друг от друга. Здесь указано несколько примеров влияния условий экстракции на ее ре-зультат:

а) алюминий может быть отделен от железа и титана экст-ракцией хлороформом оксихинолятных комплексов этих метал-лов (при рН = 5 в хлороформный слой экстрагируется только оксихинолят алюминия);

б) никель и кобальт могут быть отделены от всех других металлов экстракцией хлороформом их комплексов с б-бензоил-диоксимом в широком интервале рН;

в) медь от многих металлов может быть отделена экстрак-цией гексанолом при рН = 7 в виде комплекса с батокупроионом;

г) титан от железа и алюминия можно отделить экстракцией хлороформом при рН = 5,3 его комплекса с 8-оксихинальдином, от ниобия и -тантала — титан можно отделить экстракцией изоамиловым спиртом из раствора, содержащего тартрат аммония, купферонатного комплекса титана при рН = 5.

Распределение вещества между двумя несмешивающимися жидкостями можно использовать для исследования равновесий комплексообразования. Распределяющимся веществом может быть лнганд или металлсодержащее соединение. Требование, чтобы две жидкие фазы, одной из которых обычно бывает вода или водный раствор, не смешивались, нередко выполняется час-тично. Если взаимная растворимость двух жидкостей значи-тельна, то необходимо учитывать изменение среды и влияние этого изменения на константы комплексообразования. При изу-чении равновесий комплексообразования в водных растворах в качестве второй жидкости используют органический раствори-тель. Экстракцию соединений можно контролировать рядом мето-дов. Наиболее общим является использование радиоактивных изотопов. Этот метод позволяет работать с очень низкими кон-центрациями металлов, что позволяет изучать моноядерные комплексы таких металлов, для которых характерно образова-ние полиядерных комплексов.

Экспериментальная техника экстракции очень проста. Очень важно, чтобы обе жидкости были взаимно насыщены до экстрак-ции. Для оценки константы равновесия распределение вещества должно быть определено в зависимости от изменения концент-рации компонентов реакции экстракции. Каждое значение этой функции, т. е. каждая точка кривой распределения, определяется отдельным экспериментом. Недавно Рейнгард и Ридберг создали «прибор для непрерывного измерения экстракционных коэффициентов распределения». Этот прибор в настоящее время коммерчески доступен под наименованием AKUFVE — название прибора — начальные буквы слов, составляющих приведенную выше фразу в кавычках на шведском языке.

Читать еще:  Круги перед глазами причина

Прибор является одним из тех, который обладает исключительно боль-шими возможностями для изучения равновесий комплексообразования, можно сказать, что создание автоматической аппара-туры для исследования экстракции представляет собой очень важное достижение.

Число работ по различным аспектам применения экстракции в химии растворов огромно, но здесь можно напомнить только о некоторых классических и наиболее важных.

Экстракция

Экстракцией называют процесс извлечения одного или нескольких компонентов из раствора с помощью избирательного растворителя.

Экстракция широко используется для очистки производственных сточных вод от солей металлов, фенолов и других соединений. При экстракции исходный раствор и несмешивающийся с ним экстрагент приводят в контакт между собой, в результате чего экстрагируемое вещество переходит из раствора в экстрагент. В результате экстракции образуются экстракт – раствор извлекаемого вещества в экстрагенте и рафинат – остаточный исходный раствор, из которого в той или иной степени удалены экстрагируемые компоненты. Экстракт и рафинат отделяют друг от друга отстаиванием, после чего извлекают экстрагированное вещество из экстракта и проводят регенерацию экстрагента из рафината.

Экстракция протекает в двухфазной трехкомпонентной системе. Компонентами этой системы являются: растворитель, из которого извлекается экстрагируемое вещество (применительно к очистке сточных вод таким растворителем является вода), экстрагент и экстрагируемое вещество. Одной из фаз является раствор экстрагируемого вещества в воде, другой – раствор экстрагируемого вещества в экстрагенте.

Не существует нерастворимых друг в друге жидкостей. Экстрагент частично растворяется в воде, а вода – в экстрагенте. Поэтому правильнее было бы говорить о фазе как о растворе экстрагируемого вещества в насыщенном растворе воды в экстрагенте или экстрагента в воде.

При экстракции неорганических веществ из водных растворов обычно удается подобрать экстрагент, практически нерастворимый в водной фазе.

Например, растворимость широко применяемого экстрагента трибутилфосфата в воде составляет 0,02 вес. %. Поэтому в дальнейшем взаимной растворимостью растворителя и экстрагента будем пренебрегать, что позволит упростить изложение материала, не затрагивая общности основных зависимостей.

Движущей силой процесса экстракции является разность химических потенциалов распределяемого вещества в воде и экстрагенте. Переход вещества из одной фазы в другую будет продолжаться до момента выравнивания этих потенциалов, т.е. до наступления равновесия.

1) Одноступенчатая (однократная) экстракция.

Этот простейший метод экстракции заключается в том (рис. 2.33), что исходный раствор F, состоящий из двух компонентов: растворителя (воды) W и растворенного вещества B, перемешивают с экстрагентом S в смесителе периодического действия, после чего смесь сливают в сепаратор-отстойник.

В отстойнике смесь разделяется на два слоя: экстракт E = S + B и рафинат R = W + B. При достаточном времени контакта могут быть получены близкие к равновесным концентрации распределяемого вещества B в экстракте и рафинате.

Рис. 2.33. Схема одноступенчатой экстракции

Рассмотрим наиболее простой случай, когда жидкие фазы практически нерастворимы друг в друге.

Пусть w кг исходного раствора с концентраций x смешиваются с s кг экстрагента. В результате экстракции получаются равновесные фазы: рафинат с концентрацией x* и экстракт с концентрацией y*.

Материальный баланс по распределяемому веществу:

Учитывая, что y* = kx*, найдем концентрацию получаемого рафината:

и концентрацию экстракта

Достигаемая степень извлечения Ф распределяемого вещества определяется как отношение количества извлеченного вещества к количеству этого вещества в исходном растворе:

где z ≡ ks/w – экстракционный фактор.

Величина экстракционного фактора имеет важное технико-экономическое значение при проведении процессов экстракции. При низких значениях z степень извлечения распределяемого компонента из исходного раствора также мала, при высоких значениях z возрастает стоимость регенерации экстрагента. Оптимальные значения экстракционного фактора находятся в пределах от 1,5 до 2.

Для построения графика процесса одноступенчатой экстракции на диаграмме y = f(x) наносят равновесную линию y* = f(x*) и ставят на оси абсцисс начальную точку рабочей линии с координатами x = x и y = 0 (рис. 2.34).

Рис. 2.34. Рабочая линия одноступенчатой экстракции

Из материального баланса экстракции следует, что:

т.е. тангенс угла наклона рабочей линии процесса равен –w/s.

Если в результате экстракции достигается равновесие фаз, то прямую продолжают до пересечения с линией равновесия. Координаты точки пересечения выражают составы получаемых экстракта yк = y* и рафината xк = x*. Чем больше расход экстрагента s, тем меньше тангенс угла наклона рабочей линии, и, следовательно, тем ниже концентрации извлекаемого вещества как в экстракте, так и в рафинате.

2)Многоступенчатая экстракция при перекрестном потоке.

Экстракция этим способом проводится в нескольких ступенях, через которые последовательно движется исходный раствор. Во всех ступенях, начиная со второй, исходным раствором является рафинат предыдущей ступени. Экстрагент подается во все ступени параллельно (рис. 2.35).

Рис. 2.35. Схема (а) и рабочая линия (б) многоступенчатой экстракции при перекрестном потоке

На каждую следующую ступень подаются все более обедненные экстрагируемым веществом рафинаты, поэтому концентрации экстрактов снижаются от первой ступени к последней. В результате для получения рафината высокой чистоты требуются большие объемные соотношения экстрагента и исходного раствора, что связано с удорожанием всего процесса экстракции.

Поэтому процессы такого типа применяют в промышленности в редких случаях, когда для экстракции можно применить дешевый экстрагент и утилизировать его без регенерации.

3) Многоступенчатая противоточная экстракция.

По этой схеме (рис. 2.36) исходный раствор и экстрагент поступают с противоположных концов установки и движутся противотоком друг к другу через ряд последовательных ступеней.

Рис. 2.36. Схема (а) и рабочая линия (б) многоступенчатой противоточной экстракции

Конечный экстракт удаляется из первой ступени, а конечный рафинат из последней. При этом на последней ступени рафинат, наиболее обедненный экстрагируемым компонентом, взаимодействует со свежим экстрагентом, не содержащим этого компонента. На первой ступени экстрагент, концентрация извлекаемого вещества в котором близка к насыщению, взаимодействует с наиболее концентрированным раствором этого компонента. Благодаря этому движущая сила процесса выравнивается по всей установке, достигается достаточно высокая средняя скорость процесса и осуществляется наиболее полное извлечение экстрагируемого компонента из исходного раствора.

Рассмотрим материальный баланс процесса экстракции вещества B из исходного двухкомпонентного раствора W + B экстрагентом S. Взаимной растворимостью растворителя исходного раствора W и экстрагента S можно пренебречь. В этом случае массовые потоки растворителей по длине установки остаются постоянными и равными соответственно w и s.

Для некоторой n-й ступени установки справедливо соотношение:

откуда следует, что:

Полученное уравнение рабочей линии изображается прямой линией, тангенс угла наклона которой равен w/s (рис. 2.5).

Процесс многоступенчатой экстракции может быть изображен в виде ступенек между рабочей линией и линией равновесия. Каждая такая ступенька называется теоретической ступенью экстракции. Поскольку в реальных установках равновесие на каждой ступени не достигается в силу ограниченности времени контакта, число реальных ступеней экстракции всегда больше числа теоретических ступеней.

Экстракторы этого типа состоят из ряда ступеней, каждая из которых содержит смеситель и отстойник (рис. 2.37). Движение жидких фаз через ступени осуществляется в режиме противотока. Экстрагент подается в смеситель последней ступени. Туда же параллельным потоком подается рафинат из отстойника предыдущей ступени. После смешения фазы разделяются в отстойнике последней ступени, откуда конечный рафинат удаляется в качестве основного продукта, а экстракт направляется в смеситель предыдущей ступени.

Смешение жидкостей может происходить не только с помощью механических мешалок, но и посредством насосов, инжекторов и другими способами. Разделение фаз можно осуществлять не только в гравитационных отстойниках, но и в сепараторах центробежного типа, например в гидроциклонах или центрифугах. Поэтому число вариантов смесительно-отстойных экстракторов велико.

Рис. 2.37. Двухступенчатый смесительно-отстойный экстрактор

В смесительно-отстойных экстракторах достигается интенсивное взаимодействие между фазами, причем эффективность каждой ступени может приближаться к одной теоретической ступени разделения. Эти аппараты хорошо работают при малых расходах экстрагента – 1/10 и менее от расхода водного раствора, что позволяет получать концентрированные экстракты. Важным достоинством смесительно-отстойных экстракторов является возможность изменения числа ступеней экстракции.

Недостатками экстракторов этого типа является сложность конструкции, обусловленная наличием мешалок в каждой ступени, и большая площадь, занимаемая установкой. Капитальные затраты и эксплуатационные расходы для таких экстракторов выше, чем для экстракторов других типов.

Распылительный колонный экстрактор представляет собой полую колонну, оборудованную устройствами для ввода и вывода фаз (рис. 2.38).

Легкая фаза, которой может быть как экстрагент, так и водный раствор, подается в нижнюю часть колонны через распределитель. Проходя через отверстия распределителя, легкая фаза диспергируется на капли и движется снизу вверх (всплывает) через слой тяжелой фазы, которой заполнена колонна. В верхней части колонны находится верхняя отстойная зона, имеющая больший диаметр по сравнению с колонной.

Рис. 2.38. Распылительный колонный экстрактор

В этой зоне происходит отделение легкой фазы от эмульсии и вывод ее из аппарата. Тяжелая фаза подается на дно верхней отстойной зоны, переливом поступает в колонну и собирается в нижней отстойной зоне. Вывод тяжелой фазы осуществляется через гидравлический затвор, с помощью которого достигается полное заполнение колонны жидкостью. Уровень раздела фаз в колонне регулируется высотой перелива тяжелой фазы с помощью вентилей.

Каждому расходу тяжелой фазы соответствует некоторый оптимальный расход легкой фазы. С увеличением расхода легкой фазы возрастает число ее капель в единице объема аппарата, и уменьшается доля поперечного сечения, свободного для прохождения сплошной тяжелой фазы. Это, в свою очередь, вызывает возрастание локальных скоростей относительного движения фаз, и все большее число капель начинает двигаться вниз вместе с тяжелой фазой, т.е. навстречу основному потоку легкой фазы. Возникают циркуляционные токи дисперсной фазы (обратное перемешивание), которые существенно уменьшают среднюю движущую силу процесса и интенсивность экстракции. Дальнейшее увеличение расхода тяжелой фазы приведет к уносу капель из зоны экстракции, образованию второй поверхности раздела фаз в нижней отстойной зоне, нарушению противотока, т.е. к захлебыванию колонны.

Читать еще:  Особенности формирования возрастной макулярной дегенерации

С уменьшением расхода дисперсной (легкой) фазы резко снижается поверхность раздела фаз как за счет уменьшения числа капель в единице объема, так и за счет увеличения их размеров. При этом происходит пропорциональное снижение степени извлечения экстрагируемого компонента.

Распылительные экстракторы характеризуются простотой конструкции, высокой производительностью, но вместе с тем очень низкой интенсивностью экстракции.

Полочные колонные экстракторы.

Полочные экстракторы (рис. 2.39) представляют собой колонны с тарелками-перегородками различной конструкции. Перегородки имеют форму либо чередующихся дисков и колец, либо дисков с вырезами в виде сегментов. Расстояние между соседними полками составляет обычно 50 – 150 мм.

Рис. 2.39. Полочный колонный экстрактор

Легкая жидкость (экстрагент) при движении вверх разбивается на капли, которые под каждой полкой сливаются друг с другом (коалесцируют) и обтекают полку в виде ламинарной пленки, которая омывается сплошной фазой.

Интенсивность массопередачи в полочных колоннах несколько выше, чем в распылительных, главным образом за счет уменьшения обратного перемешивания.

Дата добавления: 2015-05-07 ; Просмотров: 3251 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Экстракция.

Экстракцией называют процесс распределения растворен-ного вещества между двумя несмешивающимися жидкими фа-зами и основанное на этом выделение и разделение веществ.

Процесс экстракции характеризуют следующими основными величинами;

константа экстракции Кекс — константа равновесия реакции экстракции;

константа распределения Р — отношение концентрации ве-щества в строго определенной форме в органической фазе к его концентрации в той же форме в водной фазе в условиях равно-весия;

коэффициент распределения Е — отношение аналитической (общей) концентрации вещества в органической фазе к его ана-литической концентрации в водной фазе (обычно в условиях равновесия);

степень извлечения R — доля экстрагированного в фазу орга-нического растворителя вещества от общего количества веще-ства при данных условиях в процентах;

фактор разделения S — отношение коэффициентов распреде-ления двух разделяемых элементов.

Разделение веществ методом экстракции основано на раз-личной растворимости их в несмешивающихся растворителях. Если какое-либо вещество способно растворяться (не диссоции-руя и не ассоциируя при этом) в двух несмешивающихся растворителях, например в воде и в каком-нибудь органическом растворителе, то оно распределяется между этими двумя растворителями и устанавливается равновесие:

По закону распределения, если распределяемое вещество в обеих фазах находится в одной и той же форме, то концентра-ции его в этих фазах связаны зависимостью:

где Е — коэффициент распределения.

Коэффициент распределения зависят от температуры, свойств вещества и свойств фаз. Зависимость коэффициента распределения от температуры может быть самой разнообразной. В одних случаях с повышением температуры коэффициент распределения увеличивается — экстрагирование улучшается, в других коэффициент распределения уменьшается — экстрагиро-вание ухудшается.

На экстракцию внутрикомплексных соединений оказывают влияние большие количества солей-электролитов, присутствую-щих в водной фазе. Влияние солей-электролитов на экстрацию внутрикомплексных соединений очень разнообразно — оно за-висит от реагента, природы экстрагируемого соединения, рас-творителя, природы соли.

Большое влияние, особенно на распределение органических комплексных соединений, оказывает кислотность среды.

В ряде случаев на экстракцию существенное влияние оказы-вает природа растворителя. На практике руководствуются в ос-новном следующим: а) растворитель по возможности не должен смешиваться с водой; б) плотность растворителя должна в до-статочной степени отличаться от плотности воды, так чтобы была четкой граница раздела между фазами; в) желательно, чтобы применяемые растворители имели не слишком низкую температуру кипения, так как интенсивное испарение раствори-теля мешает работе; г) растворитель должен быть в достаточно чистом виде.

К числу важных факторов, влияющих на экстракцию внутрикомплексных соединений, относится время контакта фаз. Практически во многих экстракционных системах равновесие достигается не мгновенно. Скорость экстракции зависит от ско-рости химических реакций, протекающих в системе, и от ско-рости массопередачи, т. е. переноса вещества между двумя фазами.

На скорость экстракции влияет также природа металла и реагента, условия экстракции. Изменение их может быть ис-пользовано для повышения избирательности экстракции. В ряде случаев различия в скорости экстракции элементов, присут-ствующих в смеси, настолько велики, что эти различия могут быть использованы для разделения элементов.

Применение экстракции для отделения определяемых ионов от ионов, мешающих определению, хорошо сочетается с физико-химическими (фотоколориметрическим, полярографическим и другими) методами определения отделенного иона в экстракте. В некоторых случаях такие определения могут быть проведены непосредственно в самом растворе после экстракции. Например, индий после экстракции его бензолом из раствора, содержащего родамин, может быть, определен в бензольном растворе по опти-ческой плотности при 530 нм. Тантал, извлеченный циклогексаноном из сернокислого раствора, предложено определять спектральным путем в остатке после испарения циклогексанона.

Нередко для дальнейшего определения применяют реэкстрагирование выделенного вещества из органической фазы. В боль-шинстве случаев это осуществляется взбалтыванием органической фазы с кислым раствором или раствором реагентов, разрушаю-щих комплексное соединение, в виде которого данный элемент выделен в органическую фазу. После реэкстрагирования эле-мент в водном растворе может быть определен полярографически или другим физико-химическим методом.

Экстрагирование проводят в делительных воронках, в этих воронках удобно отделять слои жидкостей.

В некоторых случаях, когда коэффициент распределения не-велик, экстракцию проводят несколько раз. При этом каждый раз определенная доля вещества извлекается из водного рас-твора. Порции экстрагента затем объединяют и анализируют.

В большинстве случаев для аналитических целей бывает достаточно 2—3 экстракций. В особо сложных случаях для раз-деления многих компонентов приходится применять многократ-ную противоточную экстракцию. Экстрагирование в сочетании с физико-химическими методами определения в настоящее время широко применяется в практике научно-исследовательских и заводских лабораторий. Применение экстракции позволяет извлекать вещества из очень разбавленных растворов, при этом экстрагируемое вещество количественно выделяется в чистом виде. Кроме того, экстракция дает возможность вы-делять и разделять вещества трудно или вовсе не разделяемые, другими методами.

Предложены способы экстракции большинства элементов и многих классов соединений. В качестве факторов, влияющих на процесс извлечения, широко используют комплексообразование и регулирование рН.

Варьирование условий экстракции открывает широкие воз-можности для аналитического применения ее с целью разделе-ния и отделения различных ионов друг от друга. Здесь указано несколько примеров влияния условий экстракции на ее ре-зультат:

а) алюминий может быть отделен от железа и титана экст-ракцией хлороформом оксихинолятных комплексов этих метал-лов (при рН = 5 в хлороформный слой экстрагируется только оксихинолят алюминия);

б) никель и кобальт могут быть отделены от всех других металлов экстракцией хлороформом их комплексов с б-бензоил-диоксимом в широком интервале рН;

в) медь от многих металлов может быть отделена экстрак-цией гексанолом при рН = 7 в виде комплекса с батокупроионом;

г) титан от железа и алюминия можно отделить экстракцией хлороформом при рН = 5,3 его комплекса с 8-оксихинальдином, от ниобия и -тантала — титан можно отделить экстракцией изоамиловым спиртом из раствора, содержащего тартрат аммония, купферонатного комплекса титана при рН = 5.

Распределение вещества между двумя несмешивающимися жидкостями можно использовать для исследования равновесий комплексообразования. Распределяющимся веществом может быть лнганд или металлсодержащее соединение. Требование, чтобы две жидкие фазы, одной из которых обычно бывает вода или водный раствор, не смешивались, нередко выполняется час-тично. Если взаимная растворимость двух жидкостей значи-тельна, то необходимо учитывать изменение среды и влияние этого изменения на константы комплексообразования. При изу-чении равновесий комплексообразования в водных растворах в качестве второй жидкости используют органический раствори-тель. Экстракцию соединений можно контролировать рядом мето-дов. Наиболее общим является использование радиоактивных изотопов. Этот метод позволяет работать с очень низкими кон-центрациями металлов, что позволяет изучать моноядерные комплексы таких металлов, для которых характерно образова-ние полиядерных комплексов.

Экспериментальная техника экстракции очень проста. Очень важно, чтобы обе жидкости были взаимно насыщены до экстрак-ции. Для оценки константы равновесия распределение вещества должно быть определено в зависимости от изменения концент-рации компонентов реакции экстракции. Каждое значение этой функции, т. е. каждая точка кривой распределения, определяется отдельным экспериментом. Недавно Рейнгард и Ридберг создали «прибор для непрерывного измерения экстракционных коэффициентов распределения». Этот прибор в настоящее время коммерчески доступен под наименованием AKUFVE — название прибора — начальные буквы слов, составляющих приведенную выше фразу в кавычках на шведском языке.

Прибор является одним из тех, который обладает исключительно боль-шими возможностями для изучения равновесий комплексообразования, можно сказать, что создание автоматической аппара-туры для исследования экстракции представляет собой очень важное достижение.

Число работ по различным аспектам применения экстракции в химии растворов огромно, но здесь можно напомнить только о некоторых классических и наиболее важных.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector