АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Экстрагирование перекрестным током с одним растворителем

В простейшем случае экстрагирование может быть осуществлено, как это представлено на рис. 439, /, путем однократного контакта в экстракторе типа обычного смесителя с механической мешалкой. После смешения исходной смеси с растворителем смесь передается в сепаратор, где и происходит расслаивание ее на две фазы—экстракт и рафинат. Затем в смеситель наливают новую порцию исходной смеси и растворителя и после опоражнивания сепаратора от экстракта и рафината—новую смесь передают в сепаратор и т. д. Такая примитивная схема экстракции применяется исключительно редко, так как требуется весьма громоздкая аппаратура и расходуется много растворителя, а рафинат получается с большим содержанием экстрагируемого компонента, т. е. недостаточно чистый.

В аппаратах такого типа можно проводить экстракцию и многоступен­чатым контактом. В этом случае рафинат после разделения фаз снова 39*

Возвращают в смеситель и дают свежую порцию растворителя. Затем смесь перемешивается и передается в сепаратор; в сепараторе она раз­деляется на экстракт и рафинат, последний вновь возвращают в смеситель и т. д. до тех пор, пока не будет получен рафинат заданного состава.

/—однократный контакт; //, ///—многоступенчатый контакт с перекрестным током: /—экстрактор; 2—Се­паратор; 3—Установка для регенерации растворителя; 4— разделительная колонна.

На рис. 419, II представлена схема многоступенчатого контакта с перекрестным током; при этом экстрагируемый компонент В отводится, а растворитель регенерируется и возвращается на экстракцию, что поз-

Воляет работать с незначительными количествами растворителя. В этой схеме экстракт после разделения фаз в сепараторе при помощи насоса (не показанного на схеме) передается в установку для разделения на компонент В и растворитель, после чего растворитель возвращается на экстрагирование. На рис. 419, III представлена такая же схема экстраги­рования перекрестным током с многократным контактом, но отличаю­щаяся от предыдущей тем, что часть экстрагируемого компонента В

После его выделения из экстракта подается в сепаратор, представляющий собой колонный аппарат.

Схемы, представленные на рис. 419, представляют собой установки экстрагирования периодического действия. Установки перекрестного тока могут работать и по принципу непрерывного действия. В такой многоступенчатой установке (рис. 420) каждая ступень состоит из смеси­теля, сепаратора и установки для разделения экстракта на экстрагируемый компонент В и растворитель. После расслаивания и разделения смеси от предыдущей ступени рафинат поступает в смеситель последующей ступе­ни и смешивается с растворителем. Число ступеней подбирается с таким расчетом, чтобы в последней ступени получить рафинат за­данного состава.

Независимо от того, как осуществляется экстракция пе­рекрестным током—периодиче­ски или непрерывно, каждый этап обработки рафината (исклю­чая случай одноконтактного про­цесса) растворителем представ­ляет собой экстракционную сту­пень и, таким образом, экстра­гирование перекрестным током представляет собой многосту­пенчатый процесс. Диаграмма процесса в треугольной систе­ме представлена на рис. 421.

Материальные расчеты та­кого процесса мало чем отли­чаются от расчета одноступен­чатого процесса. Практически при расчете установок заданы—количество исходной смеси, состав исходной смеси и состав растворителя, а определяют обший расход растворителя, расход растворителя по ступеням, число ступеней, полу­чающиеся количества экстракта и рафината. Должны быть также заданы либо состав конечного рафината, либо степень извлечения ксмпонента В из исходной смеси.

Для каждой ступени можно пользоваться уравнениями (3—270)— (3—275), принимая

Для первой ступени: 5г, Ег, Rt и Мг для S, Е, R и М соответственно; для второй ступени: Rt для F и S2, Е2, R2 и М2, для S, E, Rи М\ и для любой/тг-ой ступени: Rm-i для Fu Rm> Em, Mm и Sm для).R, E, M и 5 соответственно. ' . I

Для любой ступени минимальный расход растворителя определяется количеством его, необходимым для образования насыщенного раствора. Максимальный расход растворителя определяется, так же как и для одноступенчатого процесса, составом конечного рафината.

Если компонент А и растворитель С можно рассматривать пол­ностью взаимно нерастворимыми, то все материальные расчеты много­ступенчатой экстракции с перекрестным током можно значительно упрос­тить. Будем считать, что исходная смесь состоит из компонентов А и Б, а растворитель представляет собой компонент С, причем компонент В перехо­дит при экстрагировании в экстракт, а компонент А остается в рафинате. По оси абсцисс прямоугольной системы координат откладываем содержа­ние компонента В в исходной смеси и в рафинате, выраженное в кгс компонента В на один кгс компонента А, т. е. для рафината т-ой ступени (рис. 422)

BRm

--

ARm

И для исходной смеси

Хр —

AF

По оси ординат откладываем содержание того же компонента В в экстрактах и в растворителе, выраженное в кгс компонента В на один

Кгс компонента G, т. е. для экстрак­

Em КСЕт

VBS

KCs

Допустим, что количество ком­понента А в исходной смеси и со­ответственно во всех рафинатах за­дано и равно А кгс и также изве - Рис 422. Диаграмма перекрестного много - СТНО И количество компонента G В ступенчатого контакта. растворителе и в экстрактах по

Ступеням. Тогда: весТисходной смеси можно выразить уравнением

F = A-F А

Или

F = А(1]+ XF) кгс вес растворителя в любой /я-ой ступени

Sm — Cm +

Или

= +ys) кгс вес рафината в любой т-ой ступени

= Al-f А«-

Или

Rm = A(\ -\-Хт) кгс вес экстракта в любой т-ой ступени

Ет — On 4- С п

ИЛИ

Em = Cm(\+Ym) Кгс (3-279)

Для любой m-ой ступени можно написать следующее уравнение материального баланса компонента В:

Д %R(m-1) , r XBS ________________ Г ХВEm. д х

Г ~ Чп — Чи ~Z----------------------- Г А —

*АЩт—1) *GS ХС Em \,хкЕт

KXm-N+ СMYs = Стг/т + Ах„г У — у о А

/т ^ =_ (3-280)

Уравнение1 (3-—280) представляет собой уравнение прямой, проходя­щей через две точки с координатами (хт, ут) и (хт-\, ys)• Так как в теоре­тической ступени экстракт и рафинат находятся в состоянии фазового равновесия, точка (хт, ут)должна лежать на кривой равновесия; отноше - Л

Ние —Q- есть наклон этой линии (по 3—280).

Уравнение (3—280) дает возможность определить число ступеней процесса экстракции и соответственно содержание компонента В в экстрак­тах и рафинатах по всем ступеням процесса графическим путем.

7 Допустим, что для данной системы кривая равновесия в координа­тах у—х известна и нанесена на диаграмму (см. рис. 422). Из точки V с

А]

Координатами (xF, ys) проводим прямую с наклоном —ГЛ до пересечения

Ее с кривой равновесия в точке /. Для этой точки по кривой равновесия находим координаты (xv у±). Прямая V—1 будет соответствовать первой ступени процесса. Для второй ступени исходной является точка U с

А

Координатами (л^, ys). Проводя из этой точки прямую с наклоном —

До пересечения в точке 2 на кривой равновесия, получаем составы экстрак­та и рафината для второй ступени процесса (х2, у2). Далее строим прямую с А:

Наклоном —~ для третьей ступени и т. д. до тех пор, пока не будет

Получен состав рафината, равный или меньший заданного. Число прямых на диаграмме будет соответствовать числу ступеней изменения концентра­ции, а точки пересечения этих прямых с кривой равновесия укажут состав рафината и экстракта для каждой ступени процесса. Такого же кЬнечного результата извлечения компонента В из исходной смеси можно достичь и в одноступенчатом процессе, для которого прямая будет проходить через точки W и V. Наклон прямой показывает, что этот результат при одноступенчатом процессе мог бы быть достигнут за счет большего расхода растворителя (и соответственно при увеличении емкости экстракцион­ного аппарата).

Число ступеней противоточной многоступенчатой экстракции можно определить и аналитически по закону распределения:

Ут = Кхт

Где К—константа или коэффициент распределения.

Если, как это практически обычно и бывает, компонент В "в при­меняемом для экстракции растворителе отсутствует, т. е. ys~0 и коли­
чество растворителя Ст для всех ступеней одинаково, то для первой ступени можно написать уравнение

А уг ____ Кхх

Ст Х1 — Хр Xj — Xf

Откуда

КС*

А

Для второй ступени

А уг Кхг

Х% — *1 [ Xf

Х% ■

Откуда

V, =

Для п-ной ступени, очевидно, будем иметь равенство

(3—281)

КСт \п

—+V

Откуда число ступеней

Lg

(3—282)

Экстрагирование перекрестным током имеет следующие весьма существенные недостатки, которые ограничивают применение этого ме­тода в промышленности.

Методом экстракции с перекрестным током можно получить в чистом виде только один из компонентов бинарной исходной смеси, а именно тот компонент, который остается в рафинате, т. е. компонент А. Можно получить рафинат с высоким, приближающимся к 100%, содер­жа ниемчшмпонента А, например, за счет большого числа ступеней, однако это связано с большими потерями этого компонента.

По мере возрастания содержания компонента А в рафинате выход его значительно уменьшается, так как на каждой ступени процесса определенная часть этого компонента удаляется с экстрактом.

Расход растворителя относительно большей, так как на каждой ступени приходится добавлять чистый растворитель. Однако если при­меняется дешевый растворитель, например вода, а экстракт регенерировать нет необходимости, то этот недостаток не является существенным.

Учитывая перечисленные недостатки метода экстрагирования с перекрестным током, можно рекомендовать применение этого метода только в тех случаях, когда:

1) неэкстрагируемый компонент А исходной смеси необходимо получать в возможно более чистом виде, не считаясь с потерями его;

не требуется проведение регенерации растворителя или процесс регенерации сравнительно прост;

коэффициент распределения Кв экстрагируемого компонента очень высок по сравнению с коэффициентом распределения /Сд очищаемого компонента А.

100. Экстрагирование противотоком с одним растворителем

Противоточное экстрагирование можно проводить как в смесителях, так и в колоннах. Во всех случаях противоточное экстрагирование с одним растворителем представляет собой многоступенчатый процесс непрерывного действия, в котором исходная смесь поступает в первую ступень, а растворитель—в последнюю, причем образующиеся две жидкие фазы—экстракт и рафинат непрерывно протекают противотоком один к другому (конечный экстракт вытекает из первой ступени установки, а

Действует с наименее насыщенным этим компонентом растворителем и, наоборот, наиболее концентрированный раствор экстрагируемого ком­понента В взаимодействует с наиболее насыщенным этим компонентом растворителем. Этим обеспечивается полное извлечение экстрагируемого компонента из исходной смеси и наиболее высокая средняя движущая сила процесса, которая выражается разностью между равновесной и рабочей концентрациями экстрагируемого компонента.

На рис. 423 представлена схема противоточного экстрагирования с использованием в качестве экстракторов смесителей с механическими мешалками и разделением фаз в сепараторах. Вытекающий из первой ступени конечный экстракт Ег передается в установку для регенерации растворителя и выделения компонента В. Конечный рафинат вытекает из последней ступени установки.

На рис. 424 представлены две схемы противоточного экстрагирова­ния в колонных аппаратах. Исходная смесь поступает в верхнюю часть колонны, а растворитель в нижнюю. Растворитель с растворенным в нем компонентом В протекает в виде экстракта снизу вверх колонны, а исходная смесь и затем компонент А, з виде рафината, протекают сверху вниз. Поспе регенерации растворитель снова возвращается на экстраги­рование. Схема установки, показанная на рис. 424, У/, отличается тем, что экстрагирование проводится с орошением—чистый компонент В, после его отделения от экстракта, частично подается в верхний элемент колонны на орошение, чем обеспечивается более высокая степень чисто­ты разделяемых продуктов.

Материальные расчеты противоточного экстрагирования, так же как и экстрагирования с перекрестным током, можно выполнить при помощи треугольных диаграмм. Для расчета должны быть заданы: состав исходной, смеси—точка F, состав исходного растворителя—точка S

U

Рис. 424. Схемы противоточного экстрагирования в колоннах:

/—колонна; 2—Установка для регенерации растворителя.

Состав конечного экстракта—точка Е1 и состав конечного рафината— точка Rn. Допустим, что кривая равновесия для данной тройной смеси известна и нанесена на диаграмму (рис 425).

Для всей установки можно написать следующее уравнение материаль­ного баланса

Согласно последним двум уравнениям продолжение линий EtF и SRn До их пересечения дает точку Q. Эта точка является оперативной точкой для необходимых построений по всем ступеням процесса.

Материальный баланс m ступеней (считая от первой ступени до m-ой ступени включительно) выражается уравнением

F + Em+X = EX + Rm (3-285)

Или

F — E1~Rm — Em+I =Q (3-286)

Материальный] баланс m-ой ступени выражается уравнением

Rm-1|+ Em+i = Rm + Em (3-287)

Или

Rm-i — Em = Rm — Em+l (3—288)

Из рассмотрения последних четырех уравнений видно, что любой экстракт Етможет быть определен на диаграмме соответствующим рафинатом Rm путем продолжения линии QRmfjip пересечения с кривой равновесия в правой ее части.

Так как все ступени рассматриваются - нами как ступени изменения конценграций, экстракт Ет и рафинат Rm должны находиться в равновесии. Поэтому по найденной точке Ег на кривой равновесия найдем равновес­ную ей точку Rx. Проводя через эту точку линию QRX до пересечения с кривой равновесия, найдем точку Е9 и т. д. Число полученных точек Е или R соответствует числу ступеней изменения концентрации для за­данных условий противоточного экстрагирования.

Положение точки М на диаграмме может быть определено по урав­нениям (3—270) и (3—271). Конечные количества экстракта Ех и рафи­ната Rn могут быть определены из сопоставления уравнений (3—283) с ма­териальным балансом компонента В

Е = М(хвм~хвпп) (3-289)

ХВЕг ~ XBRn]

Для любой ступени т общий материальный баланс может быть выражен как:

Ет+, = Rm + Em- Rm-I (3-290)

А баланс компонента А уравнением

Rm— 1 TXAR(M— 1) + Ет+\ ХАЕ(т+1) = RMXARm + EmxAEm (3—291)

Рассматривая совместно последние два уравнения, находим

Г> RM-L (XAR(M—L) ХАЄ(т—1)) + ^т (XAE(M+L) ~ ХАEm) /Q Опоч

Ti ------ ------------- :------------------- —----------------------------------- (О--- Z\)2)

ХА Rm XAE(M+L)

Выход рафината заданного состава зависит от относительного рас­хода растворителя; чем меньше расходуется растворителя, тем выше будет выход рафината, однако тем большее число ступеней потребуется для осуществления процесса. Если эстрагирование производится (рис. 426)

NUF „ г ,

При соотношении -==г - частей растворителя |на] одну часть исходной

Смеси, то, как это видно из диаграммы, для того чтобы получить рафинат заданного состава Rn (при условии, что EnRn—линия сопряжения), тре­буется только одна ступень. При более низком относительном расходе растворителя (точки М2) вместе с фазой рафината получаются фазы
экстракта (Ez, Es), концентрация которого возрастает по мере снижения относительного расхода растворителя. Однако число ступеней процесса при этом увеличивается. Максимально возможная концентрация конеч­ного экстракта Ег определяется на диаграмме точкой пересечения линии, проходящей через точки FR, с кривой равновесия. При противоточной экстракции положение точки Ег не зависит от конечного состава рафината.

Следовательно, в этом случае нельзя получить экстракт та­кого состава, который соответ­ствовал бы области, находя­щейся между точками К и (К—критическая точка), так как в этом случае при постро­ении можно убедиться, что ли­нии, исходящие из оператив­ной точки Q, практически на­чинают совпадать с линиями сопряжения и в соответствии с этим потребовалось бы бес­конечно большэе число сту­пеней.

Поэтому точку Мх, соот­ветствующую минимальному расходу растворителя, можно найти по диаграмме как точку пересечения линии JFS с лини­ей, соединяющей точку Rnt соответствующую заданному конечному составу рафината, с точкой Ег, соответствующей максимальной концен­трации конечного экстракта. Минимальный расход растворителя опре-

S

Конечно, можно было бы

F

Принять и более низкий расход растворителя, однако при этом получится менее чистый рафинат (см. точку R'N).

Максимальный расход растворителя будет соответствовать одно­ступенчатому процессу.

Как и в предыдущем методе экстракции, расчеты можно значительно упростить, если считать, что жидкости А и С взаимно нерастворимы друг в друге. Примем, как и при перекрестном токе, прямоугольную систему координат (у—х), где

Тогда считая, что количество компонента А в исходной смеси и всех рафинатах остается одним и тем же, равным А, а количество растворителя по всем ступеням также остается одним и тем же, равным Ст, выразим материальный баланс компонента А для первых т ступеней уравнением

AXF + СMYm+I = Ахт + СMYt

Ут+1 — ~Q— Хг

Последнее уравнение представляет собой уравнение линии рабочих

А

Концентрации ут+і—хт, в котором отношение является тангенсом

Угла наклона, а хР и у, являются для данной установки постоянными величинами. Так как m представляет любую ступень, то линия рабочих концентраций может лежать между двумя точками с координатами (XF, Уі) и (Хп, ys), как это показано на рис. 427. Так как кривая равновесия дает зависимость между концентрациями хт и ут, ступень изменения концентрации в данном случае может быть изображена ступенькой между кривой равновесия и линией рабочих концентраций. Обычно величины A, XF> Хп и Ys задаются, поэтому начальная точка G линии рабочих концен­траций (хп, ys) известна. Другой конец этой линии имеет абсциссу xF, ордината же будет зависеть от количества растворителя Ст, протекаю­щего по отдельным ступеням. В пределе линия рабочих кон­центраций может касаться кри­вой равновесия в точке D, что будет соответствовать мини­мальному расходу растворителя и бесконечно большому числу ступеней изменения концентра­ции. Чем больше будет расход растворителя, тем ниже относи­тельно кривой равновесия будет проходить линия рабочих кон­центраций. Таким образом, наклон линии рабочих концен­траций практически опреде­ляется выбором расхода рас­творителя (т. е. отношением А : Cm). Число ступенек между

Кривой равновесия и линией рабочих концентраций в пределах от (хп, ys) до (л:/?, і/г) соответствует числу ступеней изменения концентрации.

Сравнение противоточного многоступенчатого экстрагирования с экстрагированием перекрестным током приводит к следующим выводам:

Для получения рафината одной и той же чистоты необходимо проводить противоточное экстрагирование с большим числом ступеней, чем при перекрестном токе. В этом отношении перекрестный ток более выгоден, чем противоток.

При получении рафината одинаковой чистоты выход его в условиях противоточного процесса значительно выше, чем при перекрестном токе.

Противоточный процесс имеет значительное преимущество и в отношении расхода растворителя. Так, например, на единицу объема исходной смеси при экстрагировании с перекрестным током требуется пятикратное количество растворителя для достижения заданной чистоты конечного рафината, в то время как при противоточном процессе этой чистоты рафината можно' достичь при однократном расходе раствори­теля независимо от числа ступеней.

Таким образом, противоточное экстрагирование следует предпочи­тать перекрестному току.