ВОПРОС 1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ЛЕКЦИЯ № 28 ЭКСТРАКЦИЯ

МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

МОДУЛЬ № 5

Литература:

1. Г.Д. Кавецкий, В.П. Касьяненко «Процессы и аппараты пищевой технологии».- М., КолосС, 2008.-591 с.: ил.

План лекции:

1. Экстракция в системе «жидкость – жидкость».

1.1. Общие сведения.

1.2. Равновесие в системе «жидкость – жидкость».

1.3. Конструкции экстракторов в системе «жидкость – жидкость».

2. Экстракция в системе «твердое тело – жидкость».

2.1. Общие сведения.

2.2. Статика и кинетика выщелачивания

2.3. Устройство экстракционных аппаратов для выщелачивания.

 

Контрольные вопросы:

1. В чем сущность процессов экстракции в системе «жидкость – жидкость»?

2. В чем сущность процессов экстракции в системе «твердое тело – жидкость»?

3. Какие компоненты учувствуют в процессе экстракции?

4. Какие факторы определяют равновесие в процессе экстракции?

5. Какие конструкции аппаратов для выщелачивания Вам известны?

6. Как они устроены и работают?

 

 

ВОПРОС № 1 ЭКСТРАКЦИЯ В СИСТЕМЕ «ЖИДКОСТЬ – ЖИДКОСТЬ»

Экстракцией в системе «жидкость — жидкость» называется процесс извлечения растворенного вещества или веществ из жид­кости при помощи специальной другой жидкости, не растворяю­щейся или почти не растворяющейся в первой, но растворяющей экстрагируемые компоненты.

Принципиальная схема экстракции приведена на рис. 1.

В экстрактор загружаются исходный раствор F, содержащий распределяемое (экстрагируемое) вещество или вещества М, и ра­створитель L. Жидкость, используемая для извлечения компонен­тов, называется экстрагентом (Е). Массообмен между фаза­ми протекает при их непосредственном контакте. Полученная в результате экстракции жидкая смесь поступает в разделитель, где разделяется на экстракт (Э) — раствор экстрагированных веществ в экстрагенте и рафинат (R) — остаточный раствор, из которого экстрагированы извлекаемые компоненты. Разделение смеси на экстракт и рафинат происходит в результате отстаивания или се­парирования.

Процесс экстракции проводят в аппаратах различной конст­рукции — экстракторах.

Экстракцию широко используют для извлечения ценных про­дуктов из разбавленных растворов, а также для получения кон­центрированных растворов.

Основное преимущество экстракции — низкая рабочая темпе­ратура процесса, что позволяет разделять жидкие смеси термола­бильных веществ, например антибиотиков, разлагающихся при повышенных температурах.

 

 

Рис. 1 Принципиальная схема экстракции

Во многих случаях экстракцию применяют в сочетании с рек­тификацией. Поскольку расход теплоты на ректификацию умень­шается с увеличением концентрации исходного раствора, предва­рительное концентрирование раствора экстракцией позволяет со­кратить расход теплоты на разделение исходной смеси.

 

 

ВОПРОС 1.2. РАВНОВЕСИЕ В СИСТЕМЕ «ЖИДКОСТЬ – ЖИДКОСТЬ»

Переход распределяемого вещества из одной жидкой фазы (ис­ходного раствора) в другую (экстрагент) происходит до установле­ния равновесия, т. е. до выравнивания химических потенциалов в фазах. В процессе участвуют три компонента (К= 3) и две фазы (Ф= 2). Согласно правилу фаз вариантность системы F=3. Одна­ко температура и давление при проведении процесса экстракции, как правило, поддерживаются постоянными. Тогда вариантность экстракционной системы будет равняться единице.

Следовательно, данной концентрации распределяемого веще­ства в одной фазе в состоянии равновесия соответствует опреде­ленная концентрация в другой.

Равновесие в процессах экстракции характеризуется коэффи­циентом распределения φ, который равен соотношению равновес­ных концентраций экстрагируемого вещества в обеих жидких фа­зах — в экстракте и рафинате.

В простейших системах достаточно разбавленных растворов, подчиняющихся закону Бертло — Нернста, при постоянной тем­пературе коэффициент распределения не зависит от концентра­ции распределяемого вещества и ф = у_р/х, где у_р, х — равновесные концентрации распределяемого вещества в экстракте и рафинате. В этом случае линия равновесия — прямая:

 

(1)

 

Последнему уравнению отвечают начальные участки изотерм экстракции. При наличии диссоциации и ассоциации молекул ра­створенного вещества и его химического взаимодействия с экстра­гентом коэффициент распределения изменяется с концентрацией и изотермы экстракции отклоняются от прямой. В области высо­ких концентраций такие отклонения вызваны изменением коэф­фициентов активности в фазах.

Коэффициент распределения, как правило, в промышленных системах определяют экспериментальным путем.

Если считать обе жидкие фазы нерастворимыми друг в друге, то каждая из фаз будет представлять собой двухкомпонентный ра­створ. В этом случае процесс экстракции по аналогии с другими массообменными процессами может быть изображен в координа­тах у—х.

При частичной взаимной растворимости жидких фаз каждая из них при экстракции будет представлять собой трехкомпонентный раствор. Составы трехкомпонентных смесей представляют в тре­угольной системе координат (рис. 2).

В вершинах L, М, Е равностороннего треугольника отложены составы частых (100 %-ных) компонентов: растворитель исходно­го раствора L, экстрагент Еи распределяемое вещество М. Каждая точка на сторонах LM, ME и EL соответствует составу двухкомпонентных растворов.

Площадь, заключенная внутри треугольника, соответствует со­ставам трехкомпонентных растворов (тройным смесям). Для опре­деления содержания каждого компонента в растворе на сторонах диаграммы нанесены шкалы отсчета. Длина каждой стороны при­нята за 100 % (массовых, объемных или мольных).

Состав раствора или смеси определяется длиной отрезков, про­веденных параллельно каждой стороне треугольника до пересече­ния с двумя другими.

Например, точка N характеризует тройную смесь, состоящую из 30 % растворителя L, 41 % экстрагента Еи30% распределяемо­го вещества М.

На треугольной диаграмме изображают процессы изменения состава трехкомпонентных смесей. При прибавлении к раствору, характеризуемому точкой N (рис. 3, а), распределяемого веще­ства М содержание компонентов Е и L не изменяется, а точки, определяющие составы полученных растворов, будут находиться на прямой NM, приближаясь к вершине треугольника М, в зави­симости от количества прибавленного компонента М.

При извлечении распределяемого вещества М из смеси N точ­ки, соответствующие получаемым составам, будут лежать на пря­мой РМ, и чем более разбавлен раствор, тем ближе к стороне тре­угольника LE.