Энциклопедии, словари, справочники
 Энциклопедии, словари, справочники (поиск)   /   Химическая энциклопедия  Читатели спрашивают 
 
А Б В Г
Д Е Ж З
И К Л М
Н О П Р
С Т У Ф
Х Ц Ч Ш
Щ Э Ю Я

ЭКСТРАКЦИЯ ЖИДКОСТНАЯ (позднелат. extractio - извлечение, от extraho - вытягиваю, извлекаю), перевод одного или неск. компонентов р-ра из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней др. жидкую фазу, содержащую избират. р-ритель (экстрагент); один из массообменных процессов хим. технологии. Используется для извлечения, разделения и концентрирования растворенных в-в.
Экстрагенты обеспечивают переход целевых компонентов из исчерпываемой (тяжелой) фазы, к-рая чаще всего представляет собой водный р-р, в извлекающую (легкую) фазу (обычно орг. жидкость). Две контактирующие жидкие фазы и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракц. систему. Извлекающая фаза включает только экстрагент (или смесь экстрагентов) либо является р-ром одного или неск. экстрагентов в разбавителе, служащем для улучшения физ. (вязкость, плотность) и экстракц. св-в экстрагентов. В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, к-рые в исчерпываемой фазе практически нерастворимы и инертны по отношению к извлекаемым компонентам р-ра. Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие р-римость экстрагируемых компонентов в извлекающей фазе или облегчающие расслаивание фаз (спирты, кетоны, трибутилфосфат и т.д.).
К осн. стадиям Э. ж. относятся: 1) приведение в контакт и диспергирование фаз; 2) разделение или расслаивание фаз на экстракт (извлекающая фаза) и рафинат (исчерпываемая фаза); 3) выделение целевых компонентов из экстракта и регенерация экстрагента, для чего наряду с дистилляцией наиб. часто применяют реэкстракцию (процесс, обратный Э. ж.), обрабатывая экстракт водными р-рами в-в, обеспечивающих полный перевод целевых компонентов в р-р или осадок и их концентрирование; 4) промывка экстракта для уменьшения содержания и удаления механически захваченного исходного р-ра.
В любом экстракц. процессе после достижения требуемых показателей извлечения фазы должны быть разделены. Эмульсии, образующиеся при перемешивании, обычно термодинамически неустойчивы, что обусловлено наличием избыточной своб. энергии вследствие большой межфазной пов-сти. Последняя уменьшается из-за коалесценции (слияния) капель дисперсной фазы. Коалесценция энергетически выгодна (особенно в бинарных системах) и происходит до тех пор, пока не образуются два слоя жидкости (см. Коалесценция, Тонкие пленки).
Разделение эмульсий осуществляется, как правило, в две стадии. Сначала довольно быстро осаждаются (всплывают) и коалесцируют крупные капли. Значительно более мелкие капли остаются в виде "тумана", к-рый отстаивается довольно долго. Скорость расслаивания зачастую определяет производительность аппаратуры всего экстракц. процесса. На практике для интенсификации разделения фаз используют центробежные силы и применяют разл. устройства или насадки, к-рые располагают в отстойниках (см. ниже). В ряде случаев расслаиванию способствует электрич. поле.
Осн. требования к пром. экстрагентам: высокая избирательность; высокая экстракц. емкость по целевому компоненту; низкая р-римость в рафинате; совместимость с разбавителями; легкость регенерации; высокие хим., а в ряде случаев и радиационная стойкость; негорючесть или достаточно высокая т-ра вспышки (более 60 °С); невысокая летучесть и низкая токсичность; доступность и невысокая стоимость.
Наиб. распространенные пром. экстрагенты подразделяют на след. классы: 1) нейтральные, извлечение к-рыми осуществляется по разным механизмам в зависимости от кислотности исходного р-ра,- вода, фосфорорг. соед. (гл. обр. трибутилфосфат), нефтяные сульфоксиды, насыщенные спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны и др.; 2) кислые, к-рые извлекают катионы металлов в орг. фазу из водной,- фосфорорг. к-ты [ ди(2-этилгексил)фосфорная к-та], карбоновые и нафтеновые к-ты, сульфокислоты, алкилфенолы, хелатообразующие соед. (гидроксиоксимы, алкилгидроксихинолины,6029-1.jpg-дикетоны); 3) основные, с помощью к-рых извлекают анионы металлов из водных р-ров,-первичные, вторичные, третичные амины и их соли, соли четвертичных аммониевых, фосфониевых и арсониевых оснований и др.

Равновесие при экстракции

Термодинамически Э. ж.- самопроизвольный процесс выравнивания хим. потенциалов в-в в контактирующих фазах (см. Фазовое равновесие). Состояние равновесия характеризуется термодинамической константой распределения Рт, в общем случае описываемой выражением:

6029-2.jpg

где6029-3.jpgи6029-4.jpg- соотв. стандартный хим. потенциал и термоди-намич. активность распределяемого компонента в извлекающей фазе;6029-5.jpg и а - то же для распределяемого компонента в исчерпываемой фазе; R - универсальная газовая постоянная; Т-т-ра.
Разность хим. потенциалов переносимых компонентов в фазах представляет собой движущую силу Э. ж. Точное определение хим. потенциалов в экстракц. системах в настоящее время затруднительно. Поэтому для упрощения инженерных расчетов за движущую силу процесса принимают разность6029-6.jpg между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями целевого компонента в фазах.
Для экстракц. равновесий справедливо фаз правило. Его применение к простейшей экстракц. системе (двухфазной из трех компонентов) при условии, что т-ра и давление обычно не изменяются, дает вариантность системы (т. е. число ее термодинамич. степеней свободы), равную единице. Это означает, что существует взаимно однозначное соответствие между равновесными концентрациями распределяемого компонента в исчерпываемой (с)и извлекающей6029-7.jpg фазах. Благодаря этому для характеристики равновесного распределения используют кривую равновесия, или изотерму экстракции6029-8.jpg, и коэффициент распределения6029-9.jpg (рис. 1 и 2). При существенной взаимной р-римости фаз для описания экстракц. равновесий вместо декартовых координат применяют более сложные диаграммы, напр. в плоскости равностороннего треугольника (см. также Диаграмма состояния).
По величине коэф.6029-10.jpg судят об экстракц. способности экстрагента: чем больше этот параметр, тем выше способность данного р-рителя извлекать целевой компонент. В экстракц. системах коэф.6029-11.jpg изменяется в широких пределах. Знание закономерностей экстракц. равновесий и ур-ний для их описания позволяет выбирать условия, обеспечивающие необходимые значения а.

Для характеристики экстракц. разделения двух в-в используют коэффициент разделения6029-12.jpg численно равный отношению соответствующих коэф. распределения этих в-в (обычно большего к меньшему) в экстракте и рафинате:6029-16.jpg Факторы, влияющие на экстракц. разделение, многочисленны и определяются не только закономерностями экстракц. равновесия, но и способом организации процесса (см. ниже). Напр., при однократном контакте фаз наилучшее разделение двух компонентов в состоянии равновесия достигается при макс. различии их степеней извлечения. Для практич. реализации разделения при многоступенчатой противоточной Э. ж. бывает достаточно6029-17.jpg= 1,5-2,0 (разделение лантаноидов и др.).

6029-13.jpg

Рис. 1. Типичные изотермы экстракции неэлектролитов (1,2) и электролитов (2,3).

6029-14.jpg

Рис. 2. Типичные зависимости6029-15.jpg=/(с) при экстракции неэлектролитов (1,2) и электролитов (2,3).

На экстракц. равновесие сильное влияние оказывают также коэф. активности компонентов в фазах, что объясняется относительно небольшим изменением своё [свое], энергии при экстракции (до 11 кДж/моль).
Ур-ние (1) - самое общее выражение, характеризующее экстракц. равновесие. Вид этого ур-ния применительно к конкретной экстракц. системе обусловлен природой и состоянием в-в в фазах. По данным признакам различают распределение в след, экстракц. системах: неэлектролит - неэлектролит, электролит - неэлектролит, электролит - электролит.

Экстракция в системах неэлектролит - неэлектролит. Для этих систем, в к-рых экстракция не сопровождается хим. р-циями, характерно т. наз. физическое распределение, обусловленное сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми взаимод. экстрагента с извлекаемым в-вом. В этом случае:

6029-18.jpg

где6029-19.jpgи6029-20.jpg- коэф. активности экстрагируемого в-ва соотв. в извлекающей и исчерпываемой фазах. При6029-21.jpg и6029-22.jpg коэф.6029-23.jpg (закон Бертло-Нернста). Выражению (2) отвечают начальные участки равновесных кривых 1 на рис. 1 и 2. Отклонения от линейности в области больших концентраций вызваны изменениями коэф. активности в-в в фазах.

Экстракция в системах электролит - неэлектролит, в к-рых электролит диссоциирует в водной фазе, возможна лишь при условии образования сравнительно прочной хим. связи (энергия связи 40-200 кДж/моль) между экстрагентом и извлекаемым компонентом. Количеств. описание экстракц. равновесий в данных системах основано на применении действующих масс закона. Хим. связь между извлекаемым компонентом и экстрагентом м. б. образована в результате р-ций присоединения (по сольватному или гидратно-сольватному механизму), катионного или анионного обмена, а также разл. сочетаний этих процессов.
Сольватный и гидратно-сольватный механизмы типичны для нейтральных экстрагентов. Реализация каждого механизма зависит от соотношения между своб. энергиями гидратации извлекаемого компонента и его взаимод. с экстрагентом. Для экстрагентов этого класса характерно существ. влияние на экстракц. равновесие гидратации, сольватации и (в случае достаточно разбавл. р-ров) электролитич. диссоциации в орг. фазе.
По сольватному механизму с образованием донорно-акцепторных связей извлекаются соли металлов (напр., экстракция нитратов урана, тория, лантаноидов трибутилфосфатом), с образованием водородной связи - нек-рые к-ты (напр., экстракция HNO3 триоктилфосфиноксидом). Процессы экстракции м. б. записаны, напр., так:

6029-24.jpg

где М - извлекаемый металл; X - анион;6029-25.jpg- экстрагент; v+, v-, q - стехиометрич. коэф.; z - зарядовое число; черта над знаком или формулой означает нахождение в-ва в извлекающей (в данном случае, органической) фазе.
Константа равновесия суммарной хим. р-ции образования извлекаемого соед. наз. термодинамической константой экстракции (КТ). Напр., для р-ции (3) имеем:

6029-26.jpg

где Кки Кэф - концентрационная и эффективная константы экстракции (для практич. целей часто ограничиваются расчетом только Kк)6029-27.jpg6029-28.jpg- средний ионный коэф. активности ионов; сэ и6029-29.jpg- исходная концентрация и коэф. активности экстрагента. Для извлечения по сольватному механизму характерно вытеснение воды из орг. фазы при возрастании в ней содержания извлекаемого компонента.
Гидратно-сольватный механизм реализуется за счет взаимод. экстрагента с гидратной оболочкой экстрагируемых компонентов. Поэтому по мере извлечения в орг. фазе увеличивается содержание воды, равновесная концентрация к-рой зависит от разл. факторов. Такой механизм характерен для экстракции сильных к-т (напр., НС1, НС1О4) трибутилфосфатом, а также солей металлов спиртами, простыми и сложными эфирами, кетонами и др. слабоосновными экстрагентами.
Для р-ций, протекающих по механизму присоединения, характерно стремление6029-30.jpg к нулю при уменьшении концентрации извлекаемого компонента в исчерпываемой фазе вследствие увеличения его степени диссоциации. Поэтому в системах с нейтральными экстрагентами зачастую используют высаливатели (см. Высаливание) - обычно неэкстрагирующиеся электролиты с одноименным по отношению к извлекаемому компоненту анионом. Введение высаливателя приводит к изменению формы изотермы экстракции и увеличению6029-31.jpg
Катионный обмен типичен для экстракции ионов металлов кислыми экстрагентами, напр. фосфорорг., карбоновыми и др. к-тами. Образующаяся соль, как правило, сольватирована молекулами экстрагента:

6029-32.jpg

Для таких процессов наблюдается линейное возрастание lg6029-33.jpg с увеличением рН, что является следствием закона действующих масс. В ряде случаев (напр., при экстракции U фосфорорг. к-тами) наряду с ионным обменом возможно образование координац. связи между фосфорильной группой и извлекаемым компонентом.
Анионный обмен характерен для экстракции минер. к-т и ионов металлов солями аминов и четвертичных аммониевых оснований, напр.:

6029-34.jpg

Экстракция соед. металлов солями аминов возможна также и по механизму р-ций присоединения. Для экстракции с помощью этих в-в типично сильное влияние на параметры равновесия процессов ассоциации в орг. фазе.
Извлечение ионов металлов кислыми хелатообразующими экстрагентами, а также смесями, напр. нейтральных и кислых экстрагентов, происходит по смешанному механизму. В первом случае катионный обмен дополняется донорно-акцепторными взаимод. с участием донорных атомов (обычно N или О) экстрагента. Во втором случае более полно реализуются координац. возможности иона металла за счет образования смешанных комплексов типа M[XZSq]. Повышенная прочность комплексов обусловливает увеличение коэф.6029-35.jpg

Экстракция в системах электролит-электролит ограниченно распространена в пром-сти и используется гл. обр. в науч. исследованиях. Описание равновесий в этих системах в отличие от рассмотренных требует учета электролитич. диссоциации компонентов р-ров в обеих фазах.

Синергизм. При экстракции смесями экстрагентов часто наблюдаются изменения коэф.6029-36.jpg вследствие изменений коэф. активности извлекаемого компонента в фазах или образования сольватов. Такой эффект, наз. синергетическим или синергизмом, выражается в том, что экспериментально определяемый коэф.6029-37.jpg оказывается больше этого коэф., вычисленного по схеме аддитивности. Синергизм обычно реализуется при невысоких концентрациях распределяемого компонента в извлекающей фазе. При более полном использовании емкости экстрагента наблюдается противоположный эффект (антагонизм), при к-ром коэф.6029-38.jpg меньше суммы коэф. распределения компонентов данной системы.

Кинетика экстракции Э. ж., как и любой реальный процесс, протекает во времени. Кинетически Э. ж. представляет собой массопередачу (см. Массообмен), к-рая сопровождается разнообразными физ.-хим. процессами, происходящими на межфазной границе, в прилегающих к ней слоях и в объемах фаз. Скорость экстракции, или кол-во в-ва, переходящего в единицу времени из одной фазы в другую, определяется по ф-ле:

6029-39.jpg

где К - коэф. массопередачи; F - площадь межфазной пов-сти;6029-40.jpg - движущая сила процесса. Если параметры v, F и6029-41.jpg известны, то можно найти значение плотности межфазного потока (j), коэф. массопередачи и обратную ему величину - т. наз. сопротивление массопередаче (Rм):

6029-42.jpg

В зависимости от природы Rм или, иными словами, в зависимости от того, каким конкретно процессом (хим. р-цией или диффузией) лимитируется скорость извлечения в-ва, м. б. предложены разл. способы воздействия на скорость экстракции. Возможны два осн. пути ее регулирования:
1) введением в экстракц. систему мех. энергии, затрачиваемой на принудит. перемешивание и диспергирование фаз с целью увеличения пов-сти их контакта и коэф. массоотдачи в фазах;
2) воздействием на скорость хим. р-ций и межфазных физ.-хим. процессов.
В хим. технологии в качестве гл. фактора интенсификации Э. ж. используют первый путь, т. к. обычно скорость экстракции лимитируется диффузией. Однако необходимо учитывать, что возрастание межфазной пов-сти и коэф. массоотдачи в фазах становится все менее заметным по мере увеличения интенсивности принудит. перемешивания. Поэтому попытки дальнейшего ускорения экстракции за счет дополнит. затрат
мех. энергии могут оказаться неэффективными. Кроме того, при интенсивных режимах перемешивания возможно снижение скорости разделения фаз на последующих стадиях процесса. Если скорость извлечения в-ва ограничена скоростью медленных хим. р-ций в фазах, то при прочих равных условиях скорость экстракции не зависит от размера межфазной пов-сти. Интенсификация экстракц. процесса возможна лишь за счет ускорения самих р-ций.
В подавляющем большинстве экстракц. систем, особенно при интенсивном перемешивании, сопротивление массопердаче Rм сосредоточено в межфазной области. Это означает, что все действующие в ней факторы будут оказывать влияние на коэф. массопередачи. К числу таких факторов относятся: межфазные р-ции между экстрагентом и извлекаемым в-вом; блокировка межфазной пов-сти в результате аккумуляции на ней труднорастворимых продуктов р-ций, микрокапель, твердых частиц или, др. словами, вследствие образования в межфазной области конденсир. меж фазных пленок и зон микрогетерогенности; влияние процессов адсорбции - десорбции и двойного электрич. слоя; самопроизвольная межфазная конвекция из-за нарушения гидродинамич. стабильности границы раздела фаз (эффект Марангони).
Знание закономерностей кинетики процесса и информация о коэф. массопередачи необходимы для расчетов экстракц. аппаратуры и определения путей интенсификации Э. ж.

Способы организации процесса Э. ж. осуществляют в аппаратах, наз. экстракторами, с однократным и многократным контактом фаз. Соотв. различают однократную (одноступенчатую) и многократную (многоступенчатую) экстракцию; при этом ступенями разделения служат отдельные аппараты или их секции.

Многократная экстракция, наиб. распространенная в пром-сти, проводится непрерывно и по способу движения фаз подразделяется на противоточную, полупротивоточную и перекрестноточную. Чаще всего применяют противоточную экстракцию одним экстрагентом (рис. 3) с числом ступеней обычно 5-10. Для трудноразделяемых компонентов (напр., близких по св-вам лантаноидов) число ступеней достигает 70-100.

6029-43.jpg

Рис. 3. Схема ггротивоточной многократной экстракции: 1-4, ..., n - экстракторы.

Четкость разделения исходной смеси можно повысить, используя след. способы. При Э. ж. с обратной флегмой экстрагент и рафинат частично отделяются от соотв. экстракта и исходного р-ра; далее определенные доли этих фракций обратно возвращаются в экстрактор навстречу уходящим потокам (процесс проводят подобно ректификации). При Э. ж. с двумя несмешивающимися экстрагентами каждый из них избирательно растворяет к.-л. компонент или группу компонентов экстракц. системы.
Реже используют полупротивоток и перекрестный ток. При полупротивоточной экстракции одна фаза "неподвижна" (не перемещается со ступени на ступень), а др. фаза последовательно проходит все ступени каскада (см. ниже), вымывая компоненты р-ра в порядке убывания коэф.6029-45.jpg Полупротивоток применяют для извлечения и разделения компонентов, присутствующих в системе в очень малых кол-вах. При необходимости более полного извлечения целевого компонента из исходного р-ра иногда используют перекрестноточную экстракцию (рис. 4): исчерпываемая фаза движется последовательно вдоль ступеней каскада, а извлекающая фаза поступает на каждую ступень и с нее же выводится.

6029-44.jpg

Рис. 4. Схема перекрестноточной многократной экстракции (Э - экстракторы).

Однократная экстракция, осуществляемая периодически или непрерывно, возможна лишь при высоких значениях6029-46.jpg и применяется преим. для аналит. целей. Примером пром. реализации одноступенчатого процесса может служить мембранная экстракция, основанная на использовании мембран жидких и сочетающая одновременно прямой процесс и реэкстракцию. Роль мембран выполняет слой орг. жидкой фазы, разделяющий два водных р-ра - исчерпываемый и извлекающий. Жидкая мембрана обычно содержит активный компонент - экстрагент, служащий для переноса целевых компонентов из исчерпываемой фазы в извлекающую. Разновидность мембранной Э. ж.- экстракция во множественных эмульсиях вода - масло - вода.

Оптимизация экстракции. Э. ж.- многофакторный процесс, мат. описание и оптимизация к-рого требуют сведения воедино совокупности равновесных, кинетич., гидродинамич., конструктивных данных и результатов масштабирования (см. Масштабный переход). Эта задача успешно решается с помощью структурного моделирования экстракц. процессов. В основе его лежат т. наз. структурные модели, адекватно описывающие равновесие, кинетику и аппаратурное оформление каждого реального процесса. В отличие от функциональных моделей, к-рые также используются для описания экстракц. процесса, но рассматривают его или отдельные элементы лишь с целью установления количеств. корреляции между отдельными параметрами, структурные модели обладают более широкими экстраполяц. возможностями и пригодны для оптимизации Э. ж. на стадии пром. проектирования.

Аппаратурное оформление процесса. По способу контакта фаз пром. экстракторы подразделяют на дифференциально-контактные (колонные аппараты), ступенчатые и промежуточные конструкции. Аппараты первой группы отличаются непрерывным контактом фаз и плавным изменением концентрации извлекаемого компонента вдоль длины (высоты) аппарата. При таком профиле концентраций фазы ни в одной точке экстрактора не приходят в равновесие. Эти аппараты более компактны и требуют ограниченных производств. площадей, однако в них за счет продольного перемешивания (обусловлено конвективными осевыми потоками, застойными зонами, турбулентными пульсациями и т. д.) может значительно уменьшаться средняя движущая сила.
Аппараты второй группы состоят из дискретных ступеней, в каждой из к-рых осуществляется контакт фаз, после чего они разделяются и движутся противотоком в послед. ступени. Продольное перемешивание выражено слабее, но необходимость разделения фаз между соседними ступенями может приводить (при плохо отстаивающихся системах) к существ. увеличению размеров экстрактора.

Колонные экстракторы подразделяют на гравитационные и с внеш. подводом энергии. Эффективность колонн оценивают кпд отдельных ступеней разделения, высотой, эквивалентной теоретич. ступени (ВЭТС), либо высотой единицы переноса (ВEП). ВЭТС зависит от гидродинамич. режима в колонне и физ.-хим. св-в экстракц. системы. Высоту (длину) колонны, в к-рой проводится многоступенчатый процесс, рассчитывают по ф-ле: H = N x ВЭТС(ВЕП), где N - необходимое число ступеней, определяемое, как правило, графически по изотермам экстракции и материальным балансам или с помощью расчетов на ЭВМ.
Гравитационные экстракторы. В них движение взаимодействующих жидкостей происходит под действием разности плотностей фаз; пов-сть их контакта образуется за счет собств. энергии потоков. К этим аппаратам относятся распылительные, насадочные и ситчатые экстракторы.
Распылит. экстракторы (рис. 5) - полые колонны, снабженные соплами, инжекторами и др. распылителями для диспергирования взаимодействующих фаз. Такие аппараты отличаются простотой и высокой производительностью, но сравнительно невысокой эффективностью. Несколько более эффективны, но менее производительны насадочные экстракторы, не отличающиеся по устройству от др. подобных массообменных аппаратов (см. также Насадочные аппараты). Ситчатые экстракторы представляют собой колонны с перфорир. тарелками, снабженными переливными устройствами (см. также Тарельчатые аппараты). Одна из взаимодействующих жидкостей, проходя через отверстия тарелок, диспергируется; благодаря этому создается большая пов-сть контакта с встречной жидкостью, протекающей по переливным устройствам в виде сплошной фазы. Ситчатые экстракторы уступают по производительности только распылит. экстракторам, надежны в работе (вследствие простоты конструкции и отсутствия движущихся частей), однако имеют низкую эффективность.
По сравнению с др. колонными аппаратами все гравитац. экстракторы малоэффективны (ВЭТС может достигать 3 м) из-за относительно небольшой площади уд. пов-сти контакта фаз, обусловленной крупными размерами капель (до неск. мм). Подвод энергии позволяет раздробить капли (до десятых долей мм), в результате чего требуемую высоту колонны можно уменьшить на порядок.

6029-47.jpg

Рис. 5. Распылительный экстрактор: 1,2 - распылители.

Экстракторы с внешним подводом энергии подразделяются на пульсационные (см. Пулъсационные аппараты), вибрационные (см. Вибрационная техника), с мех. перемешиванием. К аппаратам последнего типа относятся экстракторы роторно-дисковые и с чередующимися смесит. и отстойными насадочными секциями (колонны Шайбеля). В роторно-дисковых аппаратах (рис. 6) вращающиеся диски перемешивают и диспергируют контактирующие жидкости, после чего они расслаиваются. В колоннах Шайбеля (рис. 7) лопастные или турбинные мешалки размещены на общем вертикальном валу попеременно со слоями неподвижной насадки. Перемешанные жидкости, пройдя через слой насадки, расслаиваются.

6029-48.jpg

Рис. 6. Роторно дисковый экстрактор: 1 - ротор (вал с дисками); 2 - кольцевые перегородки статора.

6029-49.jpg

Рис. 7. Экстрактор с чередующимися смесительными и отстойными секциями (колонна Шайбеля): 1 -вал; 2 - мешалка; 3 - насадка.

Ступенчатые экстракторы. К ним относятся разл. типы смесителей-отстойников. Секция такого аппарата по эффективности приближается к одной теоретич. ступени. Требуемого числа ступеней достигают соединением секций в каскад. Зачастую неск. секций, разделенных перегородками, объединяют в одном корпусе (ящичные экстракторы; рис. 8). Каждая секция (ступень) имеет смесит. и отстойную камеры. Перемешивание фаз м. б. пульсационным или механическим (чаще всего применяют турбинные мешалки, одновременно транспортирующие жидкости из ступени в ступень).

6029-50.jpg

Рис. 8. Яшичный экстрактор: 1,3 - смесительная и отстойная камеры; 2 - перегородка; 4 - граница раздела фаз; 5 -рециркуляц. труба; 6 - всасывающий коллектор; 7 - турбинная мешалка.

Достоинства смесителей-отстойников: возможность варьирования нагрузок в широких пределах; возможность быстрого достижения требуемой производительности после остановки процесса; возможность формирования каскадов из большого числа ступеней; простота эксплуатации. Недостатки: большие объемы перерабатываемых в аппаратах р-ров и опасность возникновения пожаров; медленное установление равновесия; большое число мех. и пневматич. устройств; повышенная чувствительность к твердым загрязнениям, что снижает надежность работы; высокая металлоемкость. Смесители-отстойники имеют преимущества перед колонными экстракторами в процессах с малым или очень большим числом ступеней, а также в процессах с большими потоками (до 1000 м3/ч).

Экстракторы промежуточных конструкций. Среди аппаратов, занимающих промежуточное положение между дифференциально-контактными и ступенчатыми, наиб. распространены центробежные экстракторы, в к-рых разделение, а иногда и перемешивание фаз происходят в поле действия центробежных сил. Рабочий орган (ротор) этих аппаратов состоит из набора перфорир. с обоих концов цилиндров, спиральных лент и др. Исходный р-р и экстрагент движутся навстречу один другому, причем более тяжелая фаза - от центра к периферии, а более легкая - в обратном направлении. Контакт жидкостей происходит на пути их движения, а диспергирование - при прохождении через перфорир. части цилиндров.
Центробежные экстракторы подразделяют на камерные (дискретно-ступенчатые) и дифференциально-контактные. Аппараты первой группы состоят из отдельных ступеней (камер), в каждой из к-рых движущиеся противотоком фазы последовательно перемешиваются и разделяются (напр., экстракторы "Лувеста" и "Робатель"). В аппаратах второй группы процесс протекает при близком к непрерывному контакту движущихся встречных потоков фаз; движение происходит по каналам, образованным внутр. перегородками ротора (напр., экстракторы Подбильняка).
Центробежные экстракторы отличаются высокими производительностью (потоки до сотен м3/ч) и эффективностью (3-10 теоретич. ступеней), малой продолжительностью контакта фаз (неск. секунд и менее), интенсивным массообменом. Такие аппараты перспективны в произ-вах неустойчивых соед. (напр., антибиотики), при переработке высокорадиоактивных р-ров и стойких эмульсий, систем с близкими плотностями фаз.
Выбор экстракторов оптим. конструкций для конкретных пром. процессов должен базироваться на технико-экономич. сравнении аппаратов с учетом эффективности их работы, производительности, разделит, способности, энергетич., капитальных и эксплуатац. затрат.
В лаб. практике применяют в осн. те же, что и в пром-сти, способы Э. ж., проводимой в стеклянных, металлич. или полимерных экстракторах разнообразных конструкций, простейшие из к-рых - делительные воронки, прибор Льюиса (хим. стакан с мешалками) и др.

Области применения экстракционных процессов

Экстракция органических соединений широко распространена в основном орг. синтезе, нефте-, коксо-и лесохимии и др. отраслях пром-сти. Примеры: разделение смесей углеводородов нефтяных фракций на группы компонентов близкого хим. состава (ароматич. углеводороды и легкие парафины); извлечение ароматич. углеводородов (бензол, толуол, ксилолы) из продуктов каталитич. риформинга; очистка смазочных масел; выделение фенолов из фракций кам.-уг. смолы; извлечение бутадиена из смеси углеводородов в произ-ве СК; извлечение из водных р-ров орг. к-т с послед, их концентрированием (уксусная, акриловая, лимонная к-ты). В хим.-фармацевтич. и микробиол. отраслях пром-сти экстракцию используют в произ-ве лек. препаратов - алкалоидов, антибиотиков, витаминов, гормонов; в пищ. пром-сти - для очистки масел и жиров и др.
Экстракция неорганических соединений. Применение Э. ж. в гидрометаллургии позволяет создавать эффективные технол. схемы, обеспечивающие комплексную переработку минер, сырья и вторичных ресурсов. Экстракцию используют в технологии U и облученного ядерного горючего (извлечение и разделение U и Рu, выделение радионуклидов), редких и рассеянных (Be, Zr, Hf, Nb, Та, РЗЭ, Mo, W, Re и др.), цветных (А1, Сu, Ni, Co, Zn и др.) и благородных (Ag, Au, Pt и др.) металлов, а также высокочистых соед. Fe (см. также, напр., Выщелачивание, Гидрометаллургия).
Важная область применения экстракции - очистка Н3РО4. Процесс можно проводить, экстрагируя к-ту из водной фазы, загрязненной примесями, в орг. р-ритель или извлекая неже-лат. примеси в экстрагент.
Охрана окружающей среды. С этой целью экстракцию используют для очистки технол. р-ров и сточных вод и выделения из них ценных (напр., фенолы, метиленхлорид, нек-рые хладоны) и токсичных в-в (см. также Охрана природы).
Экстракция в аналит. химии и радиохимии. В аналит. химии Э. ж. применяют с целью селективного извлечения целевых хим. элементов из смесей для количеств, анализа, а также для определения содержания примесей в исследуемых соед., что важно при получении особо чистых в-в. Как метод аналит. химии Э. ж. отличают высокая избирательность, простота проведения, универсальность (возможность выделения практически любого элемента).
В радиохимии Э. ж. используют гл. обр. для очистки радиоактивных в-в от примесей, извлечения из облученных мишеней радионуклидов и их разделения, выделения стабильных нуклидов из разл. объектов и т. д. (см. также, напр., Изотопов разделение).
Э. ж. часто сочетают с др. методами, напр. хроматографией, соосаждением, дистилляцией.
Экономич. показатели Э. ж. определяются в осн. стоимостью извлекаемого в-ва и экстрагента, а также затратами на его регенерацию. При технико-экономич. анализе процесса необходимо учитывать потери экстрагента, соизмеряя их со стоимостью целевого продукта. Э. ж.- один из самых низкоэнергоемких хим.-технол. процессов и поэтому может успешно конкурировать с иными массообменными процессами. Другие осн. достоинства Э. ж.: низкие рабочие т-ры; возможность весьма полного разделения азеотропных смесей и смесей близких по св-вам компонентов; эффективность извлечения ценных и токсичных компонентов из разбавл. р-ров; возможность сочетания с иными процессами хим. технологии (напр., ректификацией и кристаллизацией); относит. простота аппаратурного оформления и возможность полной автоматизации.

Лит.: Фомин В. В., Химия экстракционных процессов, М., I960; Трейбал Р., Жидкостная экстракция, пер. с англ., М., 1966; Золотов Ю. А., Экстракция внутрикомплексных соединений, М., 1968; Последние достижения в области жидкостной экстракции, под ред. К. Хансона, пер. с англ., М., 1974; Справочник по экстракции, под ред. A.M. Розена, т. 1-3, М., 1976-78; БСЭ, 3 изд., т. 30, М., 1978, с. 16-18; Основы жидкостной экстракции, М., 1981; Химический энциклопедический словарь, М., 1983, с. 693-95; Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology, 3 ed., v. 9, N. Y., 1980, p. 672-721; Handbook of solvent extraction, N. Y., 1983.

В. В. Тарасов, А. А. Пичугин.


^ЗГЛ: ЭКСТРАКЦИЯ ЖИДКОСТНАЯ