аналитика. Актуальные задачи современной аналитической химии. Аналитическая химия как междисциплинарная наука

• Название: Аналитическая химия как междисциплинарная наука
• Анкор: аналитика
• Дата: 15.05.2023
• Размер: 200.18 Kb.
• Имя файла: Актуальные задачи современной аналитической химии.docx
• Тип: Реферат; #1131910
• страница: 5 из 6

6. Современное состояние экстракционных методов

При экстракции неорганических веществ обычно извлекают одно или несколько веществ из водной фазы одним экстрагентом.

При разделении экстракцией смесей органических веществ в зависи­мости от числа применяемых экстрагентов различают:

1. 
   экстракцию одним экстрагентом в системах, состоящих минимум из трех компонентов (двух разделяемых компонентов исходного раствора и экстрагента);
   
2. 
   экстракцию, двумя экстрагентами (фракционная экстракция) в системах, состоящих минимум из четырех компонентов (двух компонентов исходного раствора, распределяющихся между двумя несмешивающимися экстрагентами).
   

Экстракция одним экстрагентом наиболее распространена. Рассмотрим разные варианты этого процесса на примере ступенчатой экстракции, различные способы осуществления которой приведены ниже.

Одноступенчатая (однократная) экстракция. Этот простейший метод заключается в том, что исходный раствор Р и экстрагент S перемешиваются в смесителе 1 (рис. 1), после чего разделяются на два слоя: экстракт Е и рафинат R. Разделение обычно происходит в сепараторе-отстойнике 2. При таком однократном взаимодействии экстрагента и исходного раствора при достаточном времени контакта могут быть получены близкие к равновесным составы экстракта и рафината.



Рис. 1. Схема одноступенчатой экстракции: 1 — смеситель; 2 — сепаратор-отстойник
Таким образом, количество экстрагируемого вещества фиксировано законом равновесного распределения, и степень его извлечения является относительно низкой. Степень извлечения можно повысить путем увели­чения количества используемого экстрагента, но с увеличением объемного соотношения потоков экстрагента и исходного раствора снижается кон­центрация экстракта, что удорожает извлечение конечного продукта. По этим причинам одноступенчатую экстракцию применяют в промышленной практике лишь в тех случаях, когда коэффициент распределения очень высок. Процесс может проводиться как периодически, так и непрерывным способом — при непрерывном возврате экстрагента в смеситель (после его регенерации).

Многоступенчатая экстракция при перекрестном токе. Экстракция этим способом проводится в нескольких ступенях (рис. 2), через которые последовательно движется исходный раствор, причем во всех ступенях, начиная со второй, исходным раствором является рафинат R₁, R₂, R₃,…, R_п-1с предыдущей ступени.

Общее количество свежего экстрагента разделяется на части и подво­дится в количествах S₁, S₂, S₃, ...., S_n, как показано на рис. ХIII-10, а, параллельно на все ступени.



Рис. 2. Схема многоступенчатой экстракции при перекрестном токе (а) и изображение процесса на диаграмме У— X (б): 1, 2, 3, .... п — ступени
Изображение процесса в прямоугольной диаграмме приведено на рис. 2, б. Построение на диаграмме проведено так же, как для процесса одноступенчатой экстракции. При этом предполагалось, что экстрагент и растворитель исходного раствора нерастворимы друг в друге, экстрагент равномерно распределяется между ступенями и содержит некоторое количество экстрагируемого компонента, т. е. имеет начальную концентрацию х_Eo. При достаточно большом числе ступеней указанным способом можно получать практически в чистом виде компонент А, остаю­щийся в рафинате, т. е. растворитель исходного раствора. Однако это связано с большими потерями данного компонента и уменьшением его выхода, так как на каждой ступени некоторая часть компонента А удаляется с экстрактом.

На каждую последующую ступень в качестве исходного раствора по­ступают все более обедненные экстрагируемым компонентом рафинаты R₁, R₂, R₃,…, R_п-1поэтому концентрации экстрактов снижаются от первой (Е₁к последней (Е_п) ступени. В результате для получения рафината высокой чистоты требуются большие объемные соотношения экстрагента и исходного раствора, т. е. большой суммарный расход свежего экстрагента, что связано со значительным удорожанием процесса его регенерации. Вследствие указанных недостатков описанный способ экстракции находит ограниченное применение в промышленности. Так, его используют в тех случаях, когда необходимо получить, не считаясь с потерями, в весьма чистом виде компонент А и когда для этой цели можно применять дешевый экстрагент (например, воду), причем не требуется регенерации экстрагента.

Многоступенчатая противоточная экстракция. Экстракция по этой схеме (рис. ХIII-11) особенно часто применяется в промышленности. Исходный раствор Р и экстрагент 5 поступают с противоположных концов установки, состоящей из последовательно соединенных ступеней, и движутся противотоком друг к другу. Конечный экстракт Е_nудаляется из первой ступени установки, а конечный рафинат R_п— из последней ступени. При этом на последней (n-ой) ступени рафинат R_п-1наиболее обедненный экстрагируемым компонентом В, взаимодействует со свежим экстрагентом 5, не содержащим (или содержащим незначительное количество) этого компонента, а на первой ступени наиболее концентрированный раствор компонента В (исходный раствор) взаимодействует с близким к насыщений этим компонентом экстрагентом Е₂. Благодаря этому выравнивается движущая сила на концах установки, достигается высокая средняя движущая сила процесса и осуществляется наиболее полное из­влечение экстрагируемого компонента из исходного раствора.



Рис. 3. Схема многоступенчатой противоточной экстракции (1, 2, ..„ n—1, n —ступени)
При одинаковой чистоте конечного рафината в процессе противоточной экстракции значительно уменьшается расход экстрагента и увеличивается выход рафината, но требуется большее число ступеней по сравнению с экстракцией при перекрестном токе. С технико-экономической точки зрения многоступенчатая противоточная экстракция является более эффективным процессом, чем экстракция в перекрестном токе.

Многоступенчатая противоточная экстракция с флегмой. Для того чтобы повысить степень разделения исходного раствора на компоненты, при экстракции, по аналогии с ректификацией, используют иногда орошение аппарата флегмой. В процессах экстракции без применения флегмы концентрация экстракта, выходящего из многоступенчатого аппарата, не может быть выше равновесной, соответствующей концентрации исходного раствора, что ограничивает степень разделения. При использовании флегмы (рис. 4) экстракт E₁ направляется, как обычно, в установку для регенерации, где из него отгоняют возможно большее количества экстрагента S_рег. Однако в данном случае установка для регенерации является аналогом дефлегматора в процессе ректификации. Выходящий из нее остаточный продукт делится на две части: одна часть отводится в виде экстракта Е_n, а другая часть возвращается в аппарат в виде флегмы S_фл. Поток флегмы, поступающей в аппарат на стороне отбора экстракта, вымывает из последнего частично или полностью растворенное в нем некоторое количество исходного растворителя (компонента А), причем-удаленный из экстракта компонент А в конечном счете переходит в рафинат. В результате степень разделения увеличивается и выход рафината возрастает.



Рис. 4. Схема многоступенчатой противоточной экстракция с флегмой (1, 2. ,.., n—1, n— ступени)
Возврат части экстракта в виде флегмы, улучшая разделение и повы­шая чистоту конечных продуктов, приводит вместе с тем к увеличению» расхода экстрагента (что эквивалентно большему расходу тепла при ректификации), увеличению размеров и удорожанию экстракционной установки. Поэтому выбор доли возвращаемого экстракта, соответствующей флегмовому числу при ректификации, должен производиться на основе технико-экономического расчета.

Отмечая сходство процессов экстракции и ректификации, где анало­гом экстракта является паровая фаза, аналогом рафината — жидкая фаза, а относительная летучесть компонентов подобна избирательности при экстракции, следует подчеркнуть, что эта аналогия не полная. Так, использование флегмы при экстракции связано с определенными ограни­чениями. Например, возврат флегмы должен быть таким, чтобы составы» смесей жидкостей (экстракта и рафината) соответствовали двухфазной области на треугольной диаграмме, т. е. чтобы этот возврат не приводил к полной взаимной растворимости компонентов.

В принципе возможно также использование флегмы рафината, но ее применение значительно менее эффективно, чем орошение экстрактом, и, по-видимому, нецелесообразно.

Многоступенчатая экстракция двумя растворителями (экстрагентами). Процесс экстракции двумя несмешивающимися друг с другом экстрагентами носит название фракционной экстракции. Применение в качестве экстр агента однородной смеси из двух, а иногда и большего числа компонентов позволяет повысить его селективность, а также изменить некоторые другие свойства, влияющие на массопередачу, например, снизить межфазное натяжение или уменьшить вязкость. Процесс фракционной экстракции отличается наибольшей разделяющей способностью по срав­нению с другими методами экстрагирования, описанными выше.

В простейшем случае в процессе участвуют четыре компонента: два компонента исходного раствора (А+В) и два экстрагента (S₁+S₂). Один из экстрагентов, например S₁ извлекает преимущественно компонент В и образует фазу экстракта, а другой экстрагент S₂, в котором растворяется глав­ным образом компонент A, образует фазу рафината. Процесс проводится при ступенчатом или непре­рывном взаимодействии компонентов.

На рис. ХIII-16 показана схема непрерывной фракционной экстракции, проводимой в колонном аппарате. Исходная смесь Р поступает в среднюю часть экстракционной колонны 1, более тяжелый экстрагент S₂ подается в верхнюю часть колонны, а более легкий S₁ — в ее нижнюю часть. Экстракт (S₁+В) и рафинат (S₂ + А) отбираются с противоположных концов колонны. ЭкстрагентыS₁ и S₂ извлекаются соответственно в установках 2 и 3.

Экстрагент S₁ называется экстрагирующим. Соответственно часть колонны между точками ввода этого экстрагента и исходного раствора, где осуществляется обогащение экстракта, носит название секции экстр акции. Экстрагент S₂ называется промывным, а нижняя часть колонны (между точками ввода исходного раствора и экстрагента S₂), в которой происходит очистка, или исчерпывание, рафината, — секцией отмывки. В некоторых случаях фракционную экстракцию проводят с орошением аппарата флегмой.

Нетрудно заметить, что между процессами фракционной экстракции и ректификации также имеется аналогия, которая уже отмечалась выше. Можно отметить также, что, в отличие от органических веществ, не­органические вещества при выделении их экстракцией обычно присутствуют в исходном водном растворе, из которого они извлекаются органическим экстрагентом. Их выделение, по существу, соответствует процессу экстракции двумя растворителями (вода +органический экстрагент).

Экстракция двумя экстрагентами применяется главным образом для разделения веществ с близкой растворимостью, например, смесей редко земельных элементов. Этот метод экстракции требует значительных рас­ходов экстрагентов и поэтому является относительно дорогим.

В зависимости от вида контакта между жидкими фазами экстракторы, как и другие массообменные аппараты, бывают: 1) ступенчатые, где изменение состава фаз происходит скачкообразно, от ступени к ступени, из которых состоит аппарат; 2) дифференциально-контактные, в которых изменение состава фаз приближается к непрерывному.

Обычно в экстракторах для создания возможно большей поверхности контакта фаз и, соответственно, для увеличения скорости массопередачи одна из жидкостей (дисперсная фаза) распределяется в другой жидкости (сплошная фаз а) в виде капель. В зависимости от источника энергии, используемой для диспергирования одной фазы в другой и перемешивания фаз, экстракторы каждой из указанных выше групп могут быть подразделены на аппараты, в которых диспергирование осуществляется за счет собственной энергии потоков (без введения дополнительной энергии извне), и аппараты с введением внешней энергии во взаимодействующие жидкости. Эта энергия подводится посредством механических мешалок, сообщения колебаний определенной амплитуды и частоты (пульсаций или вибраций), путем проведения экстракции в поле центробежных сил и другими способами.

В экстракторах после каждого процесса перемешивания следует раз­деление (сепарация) фаз. В зависимости от рода сил, под действием которых осуществляется сепарация, различают экстракторы с разделением фаз в поле сил тяжести — под действием разности удельных весов фаз (гравитационные экстракторы) и экстракторы с разделением фаз в поле центробежных сил (центробежные экстракторы).

Вместе с тем по принципу организации процесса все экстракторы могут быть разделены на периодически действующие и непрерывно действующие.

В настоящее время аппараты периодического действия применяются главным образом в лабораторной практике и сравнительно редко — в промышленных установках малой производительности.

Приведенная классификация не отражает всех конструктивных осо­бенностей аппаратов одного и того же типа; важнейшие из этих особен­ностей будут отмечены ниже при рассмотрении экстракторов различных типов.