АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Экстрагирование двумя растворителями

В экстрактор одновременно подают два растворителя, обладающие незначительной взаимной растворимостью и способные каждый избира­тельно растворять один из компонентов исходной смеси.

На рис. 428 представлены схемы установок периодического дей­ствия с двумя растворителями. По схеме рис. 428, /, смешение исходной
смеси с обоими растворителями происходит в смесителе с механической мешалкой, а разделение фаз—в колонном аппарате, при этом экстракт отбирается из верхнего элемента колонны, а рафинат—из нижнего. Отделение компонентов В и А от растворителей происходит в отдельных, специально для этого предназначенных установках. Схема на рис. 428, II отличается тем, что один из растворителей вместе с исходной смесью подается в верхнюю часть колонны, другой же в нижний элемент колонны.

SB і

-^Г в

Рис. 428. Схемы установок периодического действия для экстрагирования двумя растворителями:

/—смеситель; 2—колонна; 3—установка для регенерации легкого растворителя; 4—установкатдля регенерации тяжелого растворителя; 5—загрузочная емкость.

В установке непрерывного действия (рис. 429) исходная смесь поступает в среднюю часть колонны, растворители же подаются в колонну—один в верх­ний, другой—в нижний элемент. В некоторых слу­чаях растворители перед поступлением в колонну смешиваются один с компонентом А, а другой с компонентом В, что способствует повышению степени чистоты извлека­емых из экстрагируемой смеси компонентов.

Экстрагирование по этому методу является многоступенчатым противоточным процессом, который в общем виде можно изобразить схемой, представленной на рис. 4-30.

Исходная смесь F подается в одну из средних ступеней установки, т. е. при работе на колонном аппарате—в середину колонны, один раство­ритель подается в систему с одного конца, другой—с противоположного конца или при работе на колонном аппарате растворитель SA (наиболее легкий) подается снизу колонны, a SB (более тяжелый) в верхнюю часть колонны. Как уже упоминалось, взаимная растворимость растворителей должна быть низкой, поскольку это, как правило, обеспечивает более высокую избирательность. Для этого необходимо, чтобы растворители значительно отличались по полярности.

Растворитель с более высокой полярностью в процессе экстраги­рования образует фазу экстракта и называется экстрагирующим раство­
рителем, растворитель с более низкой полярностью (или неполярный) образует фазу рафината и называется промывным растворителем. В соот­ветствии с этим ступени, расположенные между вводами исходной смеси и экстрагирующего растворителя, называют экстракционными ступенями, а ступени, находящиеся между вводами исходной смеси и промывного растворителя, называют промывными ступенями.

Так как в процессе с двумя растворителями участвует"!.не менее четырех компонентов, фазовую диаграмму нельзя построить на плоской диаграмме и приходится пользоваться трехмерными фигурами (например, тетраэдром). При этом получаются громоздкие построения, рассматривать которые здесь МЫ не имеем ВОЗМОЖНОСТИ. ; - - |

Число ступеней изменения концентрации экстрагирования с двумя растворителями можно определить графически так же, как и для противо­точного многоступенчатого процесса. Для этих целей примем, что исход­ная смесь состоит из двух компонентов—А и В, растворитель 5Х пред­ставляет собой компонент С и растворитель S.2—компонент |'D. Будем считать, что исходная смесь, кроме разделяемых компонентов А и В, содержит также небольшие количества компонентов С и D, так что общий вес исходной смеси представляет собой величину

F = А + В + CF.+ DF

И, следовательно, через каждую ступень экстракционной установки будет проходить в одной фазе компонент С в количестве

С =С' +о

В другой фазе компонент D в количестве D'=D+D/r, причем эти коли­чества С и D' являются постоянными для всех ступеней данного процесса. Примем также, как и ранее, обозначения концентрации раствора

В фазе экстракта у ив фазе рафината х, при этом хА-

BD.

; Хв -

DD

ХАс

*/а=—-иг/в л ХСс лсс

Ражаются в вес. единицах в единицу времени. Если С и D будут выраже­ны в молярных или объемных единицах в единицу времени, то х соответ­ственно должен быть выражен либо в мол. долях, либо в вес. единицах на единицу объема.

Коэффициент распределения соответственно обозначим для ком­понента А

*ВС

Где х выражается в вес. долях, если фазы С и D вы-

Ув

Материальный баланс компонента А для части установки, включаю­щей ступени от Г до т' включительно:

С'г/Asi + D'-^A(m'-i-i) = Суш + D'xA|

У Km' У KS\

А{т' +1) А1

Полученное уравнение представляет собой уравнение прямой линии

D'

MN (рис. 431) с координатами хА и уА и тангенсом угла наклона ^—

Линии рабочих кон­центраций компонента А для

Левой, считая от места ввода ис­ходной смеси части установки. Эта прямая проходит на одном €Ат'ні''У*т'ґ конце через точку (XAl, YASJ) и для любой ступени через точки (ХА(т'+1), у Am') НИЖЄ КРИВОЙ рав - новесия. Линия рабочих концен­траций MN представляет собой отношение между концентрация­ми компонента А в фазе С, уходя­щей с данной ступени, и в фазе D, входящей в данную ступень. Кри­вая равновесия, с другой сторо­ны, представляет отношения меж­ду концентрациями компонента А в двух растворах, покидающих данную ступень. Проводя на ди­аграмме ступенчатые построения в левой части от ступени, в кото­рую поступает исходная смесь, получим число ступенек, равное П' — числу ступеней изменения концентрации для заданных условий ректификации в данной части экстракционной установки.

Аналогично можно написать уравнение материального баланса того же компонента А для ступеней от т до первой включительно:

Gyk(M+\) DxAS2 = Сум + DXAm D У к(т+\) Ук\

Хкт х

Последнее уравнение представляет собой уравнение прямой PQ— линии рабочих концентраций компонента А для правой, считая от места ввода исходной смеси, части экстракционной установки. Эта прямая располагается выше кривой равновесия, проходит через точки (xAS2,

Ум) и (хАт, уАт+\) и имеет наклон, равный На основе этой линии

Можно таким же способом, как и описано выше, путем построений опре­делить число ступеней изменения концентраций п для правой части уста­новки.

Такие же уравнения и построения можно найти и для компонента В исходной смеси. Для ступеней от Г до т' включительно уравнение мате­риального баланса выражается так:

С'г/Bsi + D' Хщт'+\) = Суьп - + D'Jcbi

Откуда

D' ______ Уът' #BSI;

С'

ХВ{т'+1) ~~~ ХВ1

А для ступеней от т до 1 включительно:

Q/B(m+1) + D^BS2 = Q/ВІ + DxBtn

Откуда

Ущт+1) Уві

1Вт'

Уравнение (3—297) есть уравнение линии RS (рис. 432) рабочих концентраций компонента В для левой

Части установки; линия проходит через точки (XBV> YBSX) в (^B(M'+I). Увт') с наклоном Уравнение (3—298) есть уравнение

Линии TU рабочих концентраций компонента В в правой части установки; она проходит через точки

(хBS2> Ув\) и (ХВт, ущт+і) с наклоном По диаграмме на рис. 432

Также путем ступенчатых построений можно найти необходимое число П' и п ступеней изменения концентрации компонента В.

При определении необходимого числа ступеней концентрации, числа ступеней должны быть равнозначными для обоих компонентов. Концентрации обоих компонентов по ступеням определяют по диаграмме (см. рис. 431 и 432). Необходимо, чтобы число ступеней левой части п' и число ступеней правой части п были для обоих компонентов одними и

40 д ^г Касаткин.

Теми же. Концентрация компонентов на той ступени, в которую поступает исходная смесь, должна на диаграмме соответствовать составу исходной смеси.

При наличии кривых равновесия для данных бинарных смесей можно весьма просто графически определить число ступеней экстракцион­ной установки. Если коэффициенты распределения /г а и kB являются постоянными величинами, то линии равновесия становятся прямыми. Если исходная смесь не содержит компонентов растворителей, линии ра­бочих концентраций будут параллельны. Графический способ определе­ния необходимого числа ступеней позволяет также определять конечные концентрации при заданном числе ступеней изменения концентрации. Важно, чтобы вычисленная конечная концентрация исходной смеси не превышала пределов растворимости компонентов.

Для заданного общего расхода растворителей число ступеней будет меньшим в том случае, когда оба растворителя полностью поступают в крайние ступени и когда исходная смесь не содержит компонентов растворителей. В этом случае наклон линий MN и RS будет меньшим, а наклон линий PQ и TU большим и все линии рабочих концентраций будут находиться в наибольшем удалении от линии равновесия.