4 екстракция



Дата01.02.2018
Размер96.36 Kb.
4.4. ЕКСТРАКЦИЯ
Екстракцията е процес на разделяне на течни или твърди смеси в резултат на избирателното разтваряне на някои от компонентите им в тена фаза, с която сместа контактува. Самото наименование на процеса подсказва същността му. На латински език extraho означава извличам. Течността, която извлича един или няколко компонента на сместа, се нарича екстрахиращ агент или екстрагент. Разтворът на извлечения компонент в екстрагента се нарича екстракт, а остатъкът от началната смес – рафинат.

Според агрегатното състояние на екстрахираното вещество различаваме екстракция от твърдо вещество и от течност. Към първата се отнася извличането на захар от цвекловите резенки както и производството на растителни и етерични масла от семена, чиста, корени, цветове и др. В химическата технология по-широко приложение намира течностната екстракция, затова ще разгледаме само извличането на вещества от течна смес.

Този вид екстракция се основава на различната разтворимост на компонентите на сместа в селективния разтворител(екстрагента). Следователно движещата сила на този масообменен процес е разликата в концентрацията на извличаното(екстрахираното) вещество в двете контактуващи течни фази. Процесът спира, когато при определени температура и налягане се достигне равновесие. Условията на фазовото равновесие се определят от закона на равновесното разпределение: отношението между концентрацията на веществото в екстракта С1 и в рафината – С2 е постоянна величина Кр при определена температура. Отношението между двете концентрации се нарича коефициент на разпределение, който се определя експериментално за всяка система. Интерес представляват системи с висока стойност на Кр, защото със сравнително малко количество екстрагент може да се постигне висока степен на извличане на необходимия компонент.

В промишлени условия екстракцията се провежда обикновено при атмосферно налягане и температура на околната среда. Налягането влияе слабо на процеса. С повишаване на температурата разтворимостта на всеки компонент расте, като едновременно с това избирателната способност на екстрагента спада. Затова, независимо че стойността на К нараства, с повишаване на температурата ефективността на екстракцията се влошава.

Върху екстракцията оказват влияние следните по-важни фактори : 1. Повърхността на контакт между обработваната смес и разтворителя. При течни смеси голяма контактна повърхност се осигурява чрез разбъркване, барботиране, разпръскване и др. 2. Вида и количеството на екстрагента: разтворителят трябва да е с висока избирателна(селективна) способност само към извличания компонент; да има добра разтваряща способност; лесно да се регенерира; да е достъпен и евтин; да не е отровен, леснозапалим, корозионен и взривоопасен и да е в достатъчно количество. Колкото е по-голяма избирателната способност на разтворителя, толкова е по-голям коефициентът на разпределение Кр. Най-широко използваните екстрагенти са : вода и водни разтвори на киселини, основи, летливи органични течности (ацетон, етер, бензин, спирт, тетрахлоретилен и др.). 3. Продължителността на процеса : Колкото по-продължително се обработва дадена смес с разтворителя, толкова по-пълно е извличането. Времетраенето на екстрахирането се определя опитна, тъй като в началото извличането протича с голяма скорост, а с изчерпване на веществото скоростта на процеса намалява.

Отделянето на компонентите на течна или твърда смес чрез екстракция задължително включва три последователни етапа :

I eтап : екстрахиране – чрез смесване на изходната смес с разтворителя и разтваряне на желания компонент;

II eтап : разделяне на образувана течна нееднородна смес от двете несмесващи се течни фази(екстракт и рафинат). Провежда се чрез методите за разделяне на такива системи – утаяване, филтруване или центрофугиране;

III eтап : отделяне на разтворителя от екстрагента с цел регенерирането му и отделяне на целевия продукт. Провежда се чрез изпаряване, ректификация или изсолване.

Първите две операции обикновено се извършват в един и същ апарат, а третия етап представлява най-често ректификационна колона за разделяне на екстракта като краен продукт и регенериран разтворител.

Екстракцията е метод за разделяне на течни или твърди смеси, който е обикновено алтернативен на други методи, например ректификация, адсорбция или изпаряване, но понякога е единствено възможен. Това е по-сложен процес от ректификацията, получените продукти са замърсени с разтворител и протича с по-голям разход на енергия за регенериране на екстрагента и очистването на продуктите. Затова екстракцията е икономически по-изгоден процес от другите методи за разделяне на течни еднородни смеси само когато :

- компонентите на разделяната смес са с близки температури на кипене (бутадиен и

бутилени) и малка относителна плътност (вода и оцетна киселина);

- компонентите са с висока температура на кипене и термонеустойчиви;

- за разделяне на азеотропни смеси (вода и метилетилкетони);

- за разделяне на сложни смеси от вещества с еднакъв химичен състав и температури

на кипене(ароматни и наситени въглеводороди).

Промишлено екстракцията се провежда последните методи :

1.Еднократно екстрахиране. Разделяната смес се обработва еднократно с цялото количество разтворител и след това образуваните екстрактна и рафинатна фаза се разделят. Този метод не се използва в големи производства, тъй като се работи с големи количества екстрагент, значителна част от който остава в рафината и се правят големи енергийни разходи за регенерирането на цялото количество разтворител.

2. Многократно екстрахиране. Този начин на екстрахиране осигурява по-пълно извличане чрез многократно промиване на изходната смес с порция разтворител, т.е. многократно повторение на едностъпална екстракция. Изходната суровина се обработва в няколко степени(стъпала) с части от разтворителя, като от всяка степен екстрактната фаза се отделя, а рафинатната се обработва в следващата степен с чист разтворител.

3. Противотоково екстрахиране. Състои се в многократно контактуване на движещите се в противоток рафинатна и екстрактна фаза. Противотоковата екстракция може да се провежда стъпаловидно в система от смесители и утаители или в колонни апарати с пълнеж или тарелки.

Най-неефективен метод е еднократното екстрахиране, а най- ефективен – противотокова екстракция. Тя осигурява най-чисто разделяне при най-малък разход на разтворител.



Апаратите, в които се провежда процесът екстракция се наричат екстрактори. В тях протичат на-.често първите два етапа на процеса. С най-проста конструкция са едностъпалните екстрактори с периодично действие(фиг.4.26а). Това са апарати снабдени с бъркачки (предимно турбинни). След разбъркване на предварително поставената изходна суровина и екстрагента, получената смес се оставя да се разслои. Екстрактът и рафинатът се отдекантирват и процесът се повтаря. Този тип екстрактор може да работи и непрекъснато, ако разслояването се провежда в отделна непрекъснато действаща разслоителна камера(фиг.4.26б). Ефективно смесване може да се постигне, като се използват специални струйни или инжекторни смесители. Струйните и инжекторни екстрактори имат по-малки размери, по-ефективно действие, разбъркването в тях е по лесно и бързо от екстракторите с обикновени бъркачки.

а б


Фиг.4.26. Принципни схеми на едностъпален екстрактор

а – с периодично действие; б – с непрекъснато действие


Многостъпалните екстрактори (гравитационни екстрактори) представляват екстракционни колони, в които протича непрекъснат контакт между двете течни фази по цялата височина на колоните. Според вътрешното си устройство те биват : колони с пълнеж, разпръскващи колони и колони със ситести тарелки(фиг.4.27). К о л о н и т е с п ъ л н е ж (фиг.4.27а) имат конструкция аналогична на абсорбционните и ректификационните колони. Като пълнеж се използва главно рашигови пръстени. В тях леката течност(разтворителя) се подава в долния край на колоната, диспергира се на капки при преминаването през опорната решетка и се издига през пълнежа срещу стичащата се отгоре тежка течност (изходната смес). Тези екстрактори работят с по-голяма производителност, но имат ниска ефективност. Използват се за екстракция на силно разпенващи се течности.

1-разпръсквател;

2-тежка фаза;

3-лека фаза;

4 и 5-вход и изход на леката фаза;

6 и 7-вход и изход на тежката фаза;

8-пълнеж;

9-опорна решетка;

10-ситести тарелки;

11-преливни тръби.



а б в


Фиг.4.27. Гравитационни екстрактори

а – колона с пълнеж; б – разпръскваща колона; в – колона със ситести тарелки;


Р а з п р ъ с к в а щ и т е к о л о н и (фиг.4.27б) са кухи апарати, в които се намират само устройства за разпръскване на леката или тежката фаза. Долната и горната част на тези колони са разширени и образуват разделителни камери. Тези колони имат ниска ефективност поради образуване на вътрешни циркулационни токове и напоследък се изместват от по-съвършени екстрактори. К о л о н и т е с ъ с с и т е с т и т а р е л к и (фиг.4.27в) са най-ефективните апарати от групата на гравитационните екстрактори. Леката течност се издига в колоната, преминава през отворите на тарелките, раздробява се на капки, които влизат в контакт с непрекъснатата тежка фаза в пространството между тарелките. При достигане до следващата тарелка капките се сливат, образуват слой, който отново се разпръсква на капки и т.н. Тежката фаза преминава от тарелка на тарелка през преливни тръби.

Общият недостатък на всички гравитационни екстрактори е недостатъчното добро диспергиране и малката интензивност на разбъркване. Тези недостатъци са отстранени в колонните екстрактори чрез внасяне на външна енергия.

Екстракторите с механично разбъркване (механични екстрактори) са снабдени с различни разбъркващи устройства. Р о т о р н о – д и с к о в и я т екстрактор(фиг.4.28а) се състои от цилиндрично тяло, по вътрешните стени на което са закрепени хоризонтални пръстени. Между тях са разположени дискове, които се въртят от общ вал. Леката течност постъпва през специален отвор за да се диспергира. При движението си нагоре тя многократно се раздробява на капки от въртящите се дискове и интензивно се смесва със стичащата се надолу непрекъсната тежка фаза. Раздробяването е интензивно, което повишава значително ефективността на извличането. Екстракторът с т у р б и н к и с п ъ л н е ж представлява колона по височината на която са разположени зони на смесване и зони на разслояване (фиг.4.28б). В зоните за смесване са разположени турбинни бъркачки, задвижвани от общ вал. Зоните за разслояване са запълнени с пълнеж. Двете фази се движат в противоток, като многократно се смесват и се разслояват.

1 и 2-вход и изход на тежката фаза;

3 и 4-вход и изход на леката фаза;

5-ротор(вал);

6-пръстени;

7-дискове;

8-турбинни бъркачки;

9-пълнеж


Фиг.4.28. Екстрактори с механично разбъркване

а – роторно - дискова колона;

б – колона с бъркачки и утаителни зони;

Ефективността на екстракционните колони (ситести, с пълнеж и др.) може да се повиши и чрез прибавяне на колебания (пулсации) на непрекъснатата фаза. Пулсацията може да се създаде чрез хидравличен и механичен пулсатор или чрез вибриране на тарелките.

В промишлеността намират приложение разнообразни методи и схеми за осъществяване на екстракционния процес. Най-простия начин за провеждане на процеса на извличане на целевия компонент е едностепенна екстракция(4.29). Тя може да бъде периодична или непрекъсната.

Инсталацията се състои от екстрактор(смесител), сепаратор 2 и регенератор 3, като 1 и 2 образуват едно „стъпало”. Изходната смес F се смесва с екстрагента S чрез разбъркване в 1. Сместа от екстракт E и рафинат R се разделя в сепаратор 2 чрез утаяване. Тежката фаза(рафината) се отстранява, а леката фаза E се прехвърля в регенератор 3, където става отделяне на извлеченото вещество B, а регенерирания разтворител S‘може да се върне в екстрактора.

Този метод не се прилага в големи производства, тъй като се работи с много голям разход на екстрагент, значителна част от който остава в рафината и големи енергийни разходи за регенериране на цялото количество разтворител.


Фиг.4.29. Едностепенна екстракция


В големите производства намират приложение главно схемите на многократно екстрахиране, работещи на принципа на кръстосан ток или на противоток. Екстракция с кръстосан ток (4.30) се прилага с цел по-добро извличане. Тя се състои в обработване на изходната смес на няколко стъпала с части от разтворителя, като от всяко стъпало се отделя екстракта, а рафината се обработва отново в следващото стъпало с чист разтворител. Екстрактите от отделните стъпала се подават за регенерация в отделни регенератори, където се освобождава извличания компонент. По този начин се постига висока степен на извличане от крайния рафинат, но за сметка на голям разход на екстрагент и повишен разход на енергия за регенерирането му.


Фиг.4.30. Схема на многостъпално непрекъснато екстрахиране с кръстосан ток


Най-често прилаганата схема на многостъпална екстракция е екстракция в противоток (4.31), т.е. изходната смес и екстрагента постъпват в противоположните краища на инсталацията. С тази схема рафинатът се очиства също така добре както при кръстосан ток, но разходът на разтворител е по-малък. При тази организация на процеса в последното стъпало най-бедния рафинат се обработва с пресен разтворител, а екстрактът се подава в предходното стъпало като екстрагент тъй като е най-беден на извличаното вещество. Крайният екстракт се отделя от екстрактора на първото стъпало, а крайният рафинат от последното стъпало. Това е най-ефективния метод за екстракция, тъй като се при него се постига пълно извличане, най-чисто разделяне при малък разход на екстрагент и постоянно висока движеща сила на процеса при минимален разход на енергия.

Фиг.4.31. Схема на непрекъснато противотоково многостъпално екстрахиране


Контролни въпроси и задачи :
1. Какво представлява процеса екстракция? На какво се основава той? 2. От какво зависи рационалното водене на процеса екстракция? 3. Защо екстракцията е по-сложен процес от ректификацията? 4. По какво се различават екстракционните колони от абсорбционните колони? 5. Защо разтворителят трябва да има различна температура на кипене от температурата на кипене на екстрахираното вещество?







База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница