настои. Дайте общую краткую характеристику массообменных процессов и перечислите их
 Скачать 15.39 Mb.
|
|
Стадии экстрагирования. Материальный баланс процесса экстракции. Процесс экстрагирования состоит из трех стадий:
3. Удаление и регенерация растворителя из каждой образовавшейся фазы. Оно может в зависимости от свойств веществ осуществляется дистилляцией, ректификацией, сушкой, сублимацией и т.д. Экстрагирование может осуществляться периодическим или непрерывным способами при противоточном или перекрестном движении фаз в аппаратах различных конструкций. Анализ процессов экстрагирования осуществляется с использованием треугольных диаграмм, т.к. всегда приходится иметь дело как минимум с тремя компонентами. Если принимать, что один из компонентов является полностью нерастворимым в другом, то такие процессы могут быть изображены в обычных прямоугольных координатах. При этом по оси X откладывают значение концентрации распределяемого между фазами вещества в одной фазе (начальной или исходном растворе и полученном рафинате), а по оси Y в другой фазе (исходном растворителе и полученном экстракте). Если участвующие в процессе экстракции фазы практически нерастворимы, то материальный баланс процесса описывается общим уравнением. При однократном взаимодействии фаз (периодическая экстракция) материальный баланс процесса по потокам принимает вид уравнения: F + S = Е + R, где F, S-количества исходного paствоpa и экстрагента соответственно, кг. Е и R - количества полученного экстракта и paфинатa соответственно, кг. Уравнение материального баланса может быть использовано и для непрерывного процесса при условии, что все входящие в него величины выражаются в единицах расхода, например в кг/с. Для рассматриваемого случая уравнение рабочей линии процесса экстракции описывается общим для массообменных процессов уравнением. Поэтому для анализа и расчета процесса экстракции в условиях взаимной нерастворимости фаз можно использовать известный метод графического построения равновесной и рабочей линии на фазовой диаграмме у - х, с помощью которого определяют движущую силу процесса и высоту экстрактора (например, через ЧТТ или ЧЕП). Однако чаще участвующие в жидкостной экстракции фазы обладают частичной взаимной растворимостью. Поэтому количества потоков по высоте экстрактора будут изменяться, и на диаграмме у - х рабочая линия будет криволинейной. Поскольку в этом случае система является как минимум трехкомпонентной, то для анализа таких систем целесообразно воспользоваться треугольной диаграммой для построения не только равновесных, но и рабочих концентрационных зависимостей.
Процесс экстрагирования из твердого тела очень сложен, и, прежде всего потому, что он существенным образом зависит от структуры каркаса обрабатываемого материала, который к тому же может сильно изменяться в самом процессе избирательного многокомпонентного растворения. К тому же, исходным сырьем для процесса экстрагирования из твердого тела чаще всего являются продукты естественного происхождения, свойства которых не только плохо изучены, потому что чрезвычайно сложны, но и могут непредсказуемым образом меняться даже внутри одной партии сырья. В отличие от сравнительно хорошо изученного случая экстракции в системе жидкость-жидкость, математическое описание процесса экстрагирования из твердого тела в промышленных экстракционных установках еще не получено. Сегодня очень многие биологически активные вещества получают из природного сырья растительного или животного происхождения. Каждый третий лекарственный препарат, из имеющихся, в арсенале современной медицины - продукт растительного происхождения. Следует также отметить, что в терапии отдельных заболеваний препараты из растений занимают доминирующее положение. Так, на долю препаратов растительного происхождения приходится 80% маточных, 77% сердечных, 72—74% отхаркивающих, противоглистных, желудочных средств. Экстрагированием в системе твердое тело-жидкость получают многие биологически активные вещества животного происхождения: ферменты (трипсин, химотрипсин, дезоксирибонуклеаза, рибонуклеаза, гепарин), гормоны (тироксин, эстрогены, АКТГ, тиреоидин, кортин), витаминные препараты (камполон, антианемин, Битами Эй др.).
Под экстракцией, или экстрагированием, обычно понимают процесс жидкостной экстракции, заключающийся в извлечении вещества, растворенного в одном растворителе, с помощью другого растворителя, не смешивающегося с первым. В качестве двух таких жидких сред используются водный металлосодержащий раствор химических реагентов и органическая жидкость. Основными достоинствами процесса экстракции, по сравнению другими процессами разделения жидких смесей, являются: низкая рабочая температура (процесс, как правило, проводится при комнатной температуре); большая скорость массообмена между двумя контактирующими фазами (вследствие очень значительной площади их контакта при эмульгировании органической фазы в водном растворе); высокая селективность экстрагентов, позволяющая разделить родственные, трудноразделимые элементы; легкость разделения двух фаз (несмешивающиеся жидкости с разной плотностью); возможность регенерации затрачиваемых реагентов; возможность полной механизации и автоматизации процесса. Принята следующая терминология экстракции. Участвующие в процессе два растворителя (водный и органический) в исходном состоянии называются «исходный раствор» и «экстрагент». В момент контактирования (при экстракции) они называются «водной» и «органической» фазами, а после экстракции (отстаивания и разделения) - «рафинатом» и «экстрактом». Процесс экстракции состоит из следующих стадий: подготовка исходного раствора и экстрагента; контактирование этих растворов с эмульгированием органической и водной фаз; отстаивание и расслаивание этих фаз (хорошо наблюдаемое визуально); разделение рафината и экстракта. В простейшем случае экстракции (вода - растворитель - распределяющееся вещество) причиной изменения структуры водной фазы служат удаление из нее частиц экстрагируемого компонента и встраивание их в структуру органической фазы. Фактически жидкая двухфазная система, как и отдельно взятый раствор, представляет собой саморегулирующуюся систему. Преобразование структур в ней происходит не только путем перераспределения между фазами существующих частиц, но и путем возникновения новых частиц. Благодаря структурно-энергетическому различию водной и органической фаз при экстракции запускается процесс выравнивания значений свободной энергии этих фаз. Выравнивание идет в ходе преобразования структур - процесса, в котором принимают участие частицы экстрагируемого вещества. Органическая и водная фазы потребляют их в разных количествах, определяя тем самым константу распределения для одной формы вещества или коэффициент распределения для всех форм извлекающегося вещества. Следовательно, коэффициент распределения, строго говоря, не может быть постоянной величиной.
В качестве экстрагентов применяются органические соединения. Идеальный экстрагент должен отличаться следующими свойствами: быть достаточно селективным (то есть избирательно извлекать из водных растворов, содержащих сумму металлов, только интересующие нас компоненты); обладать высокой экстракционной способностью (поглощать в единице своего объема значительное количество экстрагируемого компонента); обеспечивать достаточно легко осуществимую регенерацию экстрагента с извлечением металла из органической фазы; быть безопасным при работе (не токсичным, не летучим, не воспламеняться); сохранять устойчивость во время хранения или при контакте с кислотами и щелочами; быть достаточно дешевым. Найти такой идеальный экстрагент почти невозможно, поэтому обычно принимается компромиссное решение. С учетом того, что в механизме экстракционного разделения важную роль играет массоперенос, одним из главных физических свойств органической фазы является вязкость. Знание характеристик вязкости, энергии межфазной границы, плотности сред крайне необходимо для суждения о кинетике процесса экстракции не только в смысле массопереноса, но и с точки зрения диспергирования фаз и скорости отстаивания приведенных в равновесие жидких фаз. Кроме того, для хорошего расслаивания фаз после экстракции надо иметь достаточную разность в плотностях этих фаз, то есть экстрагент должен быть значительно легче водного раствора. Поэтому на практике экстрагент редко используют в чистом виде; его обычно разбавляют дешевым органическим растворителем, чтобы снизить вязкость и плотность. Этот вспомогательный растворитель, как правило, является инертным и не участвует в процессе экстракции. В такой системе из двух органических растворителей органическое соединение, участвующее в химических реакциях экстракции, называется экстракционным реагентом, а растворитель экстракционного реагента называется разбавителем. Весь же органический раствор - это экстрагент. Следует заметить, что разбавитель применяется не только для снижения вязкости и плотности органической фазы, но и для растворения образующихся продуктов при экстракционной реакции. Наиболее широко применяются следующие типы органических растворителей: углеводороды и их галоидопроизводные; кислородсодержащие соединения; фосфорсодержащие соединения; азотсодержащие соединения; серосодержащие соединения. Главной характеристикой любого экстракционного процесса, является коэффициент распределения (D). Коэффициент распределения определяется отношением концентрации экстрагирующегося вещества в органической фазе к концентрации вещества в водной фазе после того, как наступило равновесие, т.е.
Для того чтобы понять, какая часть вещества перешла в органическую фазу, следует пользоваться другой характеристикой - коэффициентом извлечения (α), который является той долей вещества, что перешла в органическую фазу. Существует связь между коэффициентом распределения и коэффициентом извлечения:
где Vводн - объем водной фазы; Vорг - объем органической фазы. Из формулы видно, что чем больше объем органической фазы, тем больше коэффициент извлечения, т.е. тем больше вещества переходит в органическую фазу. Коэффициент извлечения является важным аналитическим параметром, так как всегда важно знать при разработке аналитической методики полноту извлечения определяемого вещества. Коэффициент распределения постоянен только в том случае, если концентрация экстрагента существенно превосходит концентрацию экстрагируемого вещества, потому что коэффициент распределения является частным случаем общеизвестной термодинамической константы равновесия. Рассмотрим общий случай, когда исследуемое вещество A образует соединение с несколькими молекулам экстрагента (S) в органической фазе:
Константа равновесия соединения будет иметь следующий вид:
Если пользоваться понятием коэффициента распределения, то
Из этих формул видно, что коэффициент распределения (D) будет постоянен только в том случае, если расход экстрагента на образование соединения [ASm] будет исчезающе мал. На основании данных о коэффициенте распределения можно получить сведения о координации экстрагирующегося вещества с молекулами экстрагента. Для этого определяют коэффициенты распределения при различных концентрациях экстрагента. Тогда график экспериментальных результатов в координатах lgD от lg[S] будет прямой, наклон которой равен числу молекул экстрагента на одну молекулы экстрагируемого вещества. Это следует из формулы (6), так как
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
