химический каталог




ЭКСТРАГИРОВАНИЕ

Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.Зефиров

ЭКСТРАГИРОВАНИЕ (от латинского extraho - вытягиваю, извлекаю), перевод одного или несколько компонентов из твердого пористого тела в жидкую фазу с помощью избират. растворителя (экстрагента); один из массообменных процессов химический технологии. Наряду с термином "Э." часто применяют термин "выщелачивание" (в англоязычной литературе "leaching"), назв. которого происходит от слова "щелочь". Действительно, в некоторых технол. процессах извлечения раствор содержит щелочь; однако во многие иных аналогичных процессах, также называют "выщелачиванием", щелочь вообще не используется. Поэтому термин "Э.", под к-рым понимают извлечение в системе твердое тело - жидкость, следует считать более общим и предпочтительным.
ЭКСТРАГИРОВАНИЕ существенно отличается от экстракции жидкостной, которая протекает в гетерог. системе жидкость - жидкость. При ЭКСТРАГИРОВАНИЕ размеры твердых тел задаются предшествующими операциями (измельчение).
Различают два принципиально разных способа извлечения: ЭКСТРАГИРОВАНИЕ растворенного вещества и ЭКСТРАГИРОВАНИЕ твердого вещества. В случае ЭКСТРАГИРОВАНИЕ растворенного в-ва пористый объем твердого тела заполнен раствором целевого компонента, который при извлечении диффундирует за пределы пористого тела в экстрагент. Классич. пример - извлечение сахара из свекловичной стружки при ее обработке горячей водой. ЭКСТРАГИРОВАНИЕ твердого вещества происходит, если целевой компонент, заполняющий пористый объем твердого тела, находится в твердом состоянии. При обработке твердого тела экстрагентом диффузионной стадии предшествует стадия растворения целевого компонента. В обоих случаях пористый инертный скелет либо остается в неизмененном виде, либо подвергается определенным изменениям.
К основные стадиям ЭКСТРАГИРОВАНИЕ относят: 1) подготовку сырья и экстрагента (очистка и измельчение сырья, нагревание растворителя); 2) непосредственное контактирование твердой и жидкой фаз в аппарате, называют экстрактором; 3) разделение системы твердая фаза - раствор (отстаивание, фильтрование, центрифугирование).
Пром. экстрагенты должны обладать высокой избирательностью, легко регенерироваться и быть сравнительно дешевыми. Таким требованиям отвечают вода, этанол, бензин, бензол, СCl4 ацетон, растворы кислот, щелочей и солей.
На скорость и механизм ЭКСТРАГИРОВАНИЕ существенно влияет структура твердых пористых тел, особенности строения которых определяются их природой и технол. обработкой на стадиях, предшествующих ЭКСТРАГИРОВАНИЕ Такие тела могут обладать изотропной или анизотропной структурой. Изотропные тела имеют одинаковое строение во всех направлениях. Этому условию отвечают тела, состоящие из весьма малых сцементированных между собой частиц, а также тела животного или растит. происхождения, обладающие клеточным строением. При измельчении изотропных тел возможно появление анизотропии. Для анизотропных тел может наблюдаться регулярная анизотропия. Так, в случае растит. объектов, имеющих систему капилляров, направление вдоль капилляра предпочтительно для диффузионного переноса в сравнении с направлением, перпендикулярным к капилляру. При нерегулярной анизотропии тело можно рассматривать как совокупность емкостей, отделенных одна от другой непроницаемыми перегородками. Особенно неблагоприятно для ЭКСТРАГИРОВАНИЕ существование замкнутых областей, изолирующих заключенную в них жидкость от экстрагента.
В соответствии со вторым началом термодинамики при взаи-мод. твердой и жидкой фаз их состояние изменяется в направлении достижения равновесия, которое характеризуется равенством химический потенциалов извлекаемого вещества в объеме твердого тела и в основные массе экстрагента. При извлечении растворенного вещества это равносильно равенству его концентраций в обеих фазах; условие нарушается, если целевой компонент адсорбируется твердой фазой, тогда равновесие определяется изотермой адсорбции (см. Адсорбция). При извлечении твердого вещества равновесие обусловлено растворимостью целевого компонента, находящегося в контакте с экстрагентом; при полном извлечении твердого компонента его концентрации в основные массе раствора и в пористом объеме выравниваются.
Кинетически ЭКСТРАГИРОВАНИЕ подчиняется законам массообмена, конвективной и мол. диффузии (см. Диффузия), а также законам переноса извлекаемого вещества из твердой фазы в жидкую (см. Переноса процессы). Движущая сила переноса целевого компонента - разность его химический потенциалов в фазах. На практике для упрощения связи между скоростью процесса и составом материальных потоков движущую силу ЭКСТРАГИРОВАНИЕ выражают через переменный во времени градиент концентраций извлекаемого вещества в фазах.

Массообмен при извлечении растворенного вещества. Концентрационное поле в объеме сферич. пористой частицы радиусом R (наиболее распространенный случай) с изотропной структурой может быть описано дифференц. уравением диффузии в сферич. координатах:

где с - концентрация вещества, растворенного в пористом объеме твердого тела (целевого компонента); t - время; D - коэффициент диффузии вещества в порах частицы; r - радиальная координата (0rR).
Диффундирующий из глубины пористого тела целевой компонент достигает его границ и переходит в экстрагент. Этот процесс выражается уравением:

где К - коэффициент массоотдачи;c1 - соответственно концентрация вещества на поверхности частицы и текущая концентрация вещества в объеме экстрагента. Вводя безразмерные параметры j = r/R и Bi = KR/D, преобразуем уравение (2) к виду:

Из уравения (3) становится ясным физических смысл параметра Bi (диффузионное число Био; см. Подобия теория). При Bi параметр , т. е. концентрация вещества на поверхности частицы равна его концентрации в растворе. Такие условия отвечают внутридиффузионному режиму (мол. диффузия), при котором экстракц. процесс протекает наиболее интенсивно. При Bi1 производная мала и с = const; соответствующий режим, называют внешнедиффузионным (конвективная диффузия), достигается увеличением скорости обтекания твердых частиц жидкостью. Подбирая определенные условия, для обеспечения макс. интенсивности ЭКСТРАГИРОВАНИЕ можно перевести внешнедиффузионный режим во внутридиффузионный.
Систему уравений (1) и (2) необходимо решать совместно с уравением материального баланса, устанавливающим зависимость между с и c1. Эта зависимость определяется схемой взаимодействие фаз при ЭКСТРАГИРОВАНИЕ (прямоток, противоток). Для прямоточного процесса:

где V и W - соответственно объем всех пор твердого тела, содержащих раствор, и экстрагента, поступающего в единицу времени в экстрактор; с0 - начальная концентрация целевого компонента в порах; сн - начальная концентрация целевого компонента в экстрагенте;- осредненная (к моменту времени t)концентрация целевого компонента в пористом объеме. Последняя составляет:

Для противоточного процесса:

где ск - конечная концентрация целевого компонента в экстрагенте на выходе из экстрактора.
Система уравений (4) и (5) имеет решение:

где= Dt/R2,= V/W; t = l/v (l - длина аппарата, v - скорость перемещения твердой фазы); m n - корни характеристич. уравения ; ст = сн при(прямоток) и ст= ск при(противоток).

Массообмен при извлечении твердого вещества. Возможны различные варианты распределения твердого целевого компонента по объему частицы; во многие случаях наблюдается равномерное распределение. Вследствие растворения вещества и диффузии его за пределы частицы область, содержащая твердый целевой компонент, при ЭКСТРАГИРОВАНИЕ систематически сокращается. Процесс описывается уравением (1) при краевых условиях: и где r0 - радиус сферы, в которой целевой
компонент сохраняется в твердом виде; cs - концентрация насыщения раствора целевым компонентом.
Вместо решения задачи с подвижной границей раздела фаз можно использовать также приближенное уравение:

где М - масса твердого целевого компонента в объеме частицы.
Рассматривая медленный процесс извлечения твердого вещества как квазистационарный, т. е. такой, при котором в каждый момент времени "успевает" установиться стационарное распределение концентраций в виде [(сs - с)/(сs — c1)] = = [(1 - rо/r)/(1 - rо/R)], находят:

где Из уравения (8) определяют время tэ, извлечения всего вещества из частицы радиусом R:

Более общую задачу непрерывного ЭКСТРАГИРОВАНИЕ (прямоток, противоток) решают, используя уравения материального баланса (4) и (5).

Аппаратурное оформление процесса

По взаимному направлению движения твердой фазы и экстрагента экстракторы подразделяют на прямоточные и противоточные, по режиму работы - на аппараты периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.

Экстракторы периодического и полунепрерывного действия. наиболее распространены камерные аппараты (реакторы) с механические, пневматич. или пневмомеханические перемешиванием, а также так называемой настойные чаны с неподвижным слоем твердых частиц с циркуляцией (перколяторы) и без циркуляции экстрагента. Аппараты для ЭКСТРАГИРОВАНИЕ в плотном слое обычно располагаются вертикально и имеют комбинир. форму: в основные части цилиндрическую, с одного или обоих концов - форму усеченного конуса (рис. 1, а). На решетку сверху загружается слой твердого материала, через который сверху вниз протекает экстрагент; для выгрузки твердого остатка служит откидное днище.

Рис. 1. Экстракторы периодического действия: а - единичный аппарата; б -батарея аппаратов (I-V); 1 - корпус; 2 - ложное днище (решетка); 3 - откидное днище; 4 - штуцер для ввода свежего экстрагента; 5 - штуцер для отвода концентрированного раствора; 6 - насос.

Последоват. соединение 4-16 таких аппаратов в батарею (рис. 1, б)позволяет перейти к полунепрерывной противоточ-ной схеме. Благодаря замкнутой системе коммуникаций удается периодически отключать от циркуля ц. системы один из аппаратов, освобождать его от полностью истощенного материала и заполнять свежим. Далее этот аппарат снова включают в систему циркуляции и подают в него наиболее обогащенный экстрагент, прошедший через все остальные аппараты; затем отключают след, аппарат, в который до этого поступал чистый экстрагент, и т.д. С увеличением числа аппаратов процесс приближается к непрерывному.
Гл. недостатки описанных экстракторов, которые продолжают широко применяться в химический производствах: большие затраты ручного труда при их эксплуатации, значительной потери экстрагируемого вещества при выгрузке, высокая металлоемкость, трудность регулирования работы. Экстракторы периодической действия используют в производстве небольших партий фармацевтич. препаратов, настоев, морсов и др. Экстракторы полунепрерывного действия (батарея аппаратов) малоэффективны, громоздки и сложны в обслуживании.

Экстракторы непрерывного действия. К основные экстракторам относятся шнековые и ленточные аппараты. Шнековы и экстрактор (рис. 2) представляет собой трехколонный аппарат с транспортирующим органом шнекового типа. Твердая фаза последовательно перемещается через загрузочную, горизонтальную и экстракц. колонны навстречу движущемуся экстрагенту. В верх. части загрузочной колонны имеется сито для отделения экстракта от твердой фазы. Достоинства аппарата - малая металлоемкость и небольшая занимаемая площадь. Недостатки обусловлены конструкцией шнека, вокруг вала которого закручивается твердый материал; поэтому иногда шнек заменяют цепным транспортирующим органом.
Ленточный экстрактор (рис. 3) имеет стальной корпус, внутри которого расположен транспортер с перфорир. лентой. Подаваемый в аппарат материал движется слоем высотой 0,6-1,2 м по верх. ветви транспортера.

Рис. 2. Шнековый экстрактор непрерывного действия: 1, 2, 3 - загрузочная, горизонтальная и экстракц. колонны; 4-6 - шнеки; 7 -разделит. сито.

Для равномерного распределения экстрагента по поверхности материала над слоем размещены распылители. Пройдя через слой материала, раствор поступает в воронку, откуда насосом подается в смежную зону, которая расположена в направлении, противоположном движению ленты. Распространены также роторные аппараты карусельного типа, реализующие тот же принцип действия.

Рис. 3. Ленточный экстрактор непрерывного действия: 1 - корпус; 2 - бункер; 3 - ленточный транспортер; 4 - воронка; 5 - насосы.

Преимущества экстракторов непрерывного действия, применяемых в многотоннажных производствах, перед периодически функционирующими аппаратами: более высокий коэффициент массоотдачи от поверхности твердых частиц к экстрагенту; полное исключение ручного труда при обслуживании; возможность создания экстрактов большой единичной мощности и автоматизации ЭКСТРАГИРОВАНИЕ

Интенсификация процесса

По сравнению с растворением ЭКСТРАГИРОВАНИЕ протекает медленнее. Для его интенсификации целесообразны следующей способы:
1. Повышение температуры экстрагента. Приводит к увеличению коэффициент диффузии, что ускоряет извлечение растворенного и твердого в-в; в последнем случае возрастает и движущая сила процесса cs — c1 [см. уравение (8)]. При повышении температуры снижается также вязкость экстрагента, вследствие чего уменьшаются потери напора на прокачку растворителя через слои извлекаемого вещества.
2. Повышение относит. скорости движения фаз. Способствует увеличению коэффициент массоотдачи, что сокращает время ЭКСТРАГИРОВАНИЕ (если процесс не лимитируется внутр. диффузией).
3. Интенсивное перемешивание. Приводит к обновлению поверхности контакта твердых частиц с экстрагентом (эффективно при внешнедиффузионном сопротивлении).
4. Повышение давления. Уменьшает объем воздуха, "защемленного" в пористом объеме частиц при погружении твердого в-ва в экстрагент, и, Следовательно, восстанавливает нарушенный при этом контакт внутр. поверхности частиц с жидкостью.
5. Подвод энергии (вибрации, пульсации, ультразвуковые и инфразвуковые колебания).
Кроме того, при химический реакциях между веществом и экстрагентом процесс можно ускорить, повышая концентрацию извлекаемого в-ва.
ЭКСТРАГИРОВАНИЕ используют: а) для извлечения соединение редких металлов, урана, серы и др. из руд; б) для извлечения из пористых продуктов спекания различные веществ (производство глинозема, NaF и т.д.); в) для выделения органическое соединение из растит. сырья в производствах сахара, растит, и эфирных масел, растворимых кофе и чая, лек. средств и др.; г) для образования пористых структур путем добавления и последующей извлечения растворимого вещества после фиксации структуры (например, в производстве пористых пластмасс, применяемых как изоляц. материал).

Литература: Аксельруд Г.А., Лысянский В.М., Экстрагирование. Система твердое тело - жидкость, Л., 1974; Романков П. Г., Курочкина М. И., Экстрагирование из твердых материалов, Л., 1983; Романков П. Г., Фролов В. Ф., Массообменные процессы химической технологии, Л., 1990, с. 117-48.

Г. А. Аксельрудельная

Химическая энциклопедия. Том 5 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
камин оптимист
вентиляторы для вентсистем
esf 2368 a3 темно бордовый
металлический шкаф для одежды шр 11

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(22.01.2017)