|
|
Процессы и аппараты нефтегазо- переработки. процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии куиии д., Левеншпиль о
Глава XVI
Экстракция
СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ЭКСТРАКЦИИ
Экстракцией называется процесс избирательного извлечения компонентов жидкой (или твердой) фазы при помощи раствори теля. В растворителе хорошо растворяются извлекаемые компо ненты и мало растворяются остальные компоненты. Поэтому растворитель называется избирательным или селективным.
В нефтепереработке широко применяют процессы экстракции в системе жидкость—жидкость при очистке масел, дизельного топлива, извлечении ароматических углеводородов и т. п.
При контакте с избирательным растворителем образуются два раствора: экстрактный, содержащий извлеченные компоненты, и рафинатный, содержащий неизвлеченные компоненты. Эти два раствора образуют расслаивающуюся систему, поэтому их можно разделить отстаиванием.
При экстракции извлекаемый компонент (или смесь несколь ких компонентов) распределяется между образующимися при экстракции экстрактным и рафинатным растворами согласно закону равновесия
х1/х2 = К (XVI ,1)
где % и х2 — концентрации растворенного вещества соответственно в одной и в другой жидкой фазах; К — коэффициент распределения.
Коэффициент распределения зависит от природы исходной смеси и растворителя, состава смеси и температуры. Обычно с по вышением температуры растворимость в обеих фазах возрастает, и при некоторой температуре образуется однородный раствор (К -*■ 1). В этих условиях процесс экстракции не может быть осуществлен. Поэтому рабочая температура должна быть ниже температуры образования однородного раствора.
В промышленных условиях для разделения различных жидких нефтепродуктов используют такие растворители, как фенол, фур фурол, диэтиленгликоль, воду, бензол, жидкий пропан, диметил- сульфоксид, Л/’-метилпирролидон и др.
Выбор растворителя определяется его избирательностью и растворяющей способностью. Чем больше избирательность рас творителя, тем более четко разделяются ‘компоненты. Более избирательный растворитель имеет большую величину коэффи циента распределения К■ Увеличение растворяющей способности позволяет растворить больше извлекаемых компонентов, т. е. снизить расход растворителя. Повышение растворяющей способ ности обычно связано с уменьшением избирательности раство рителя.
В процессе экстракции могут быть выделены три основных составляющих (условных компонента): избирательный раствори тель, извлекаемые компоненты и неизвлекаемые компоненты, которые можно охарактеризовать некоторыми аддитивными свой ствами (составом, плотностью, вязкостью и т. п.). Поэтому для расчета процесса экстракции нашли широкое применение тре угольные диаграммы.
Рис. XVI-1. Схемы основных методов экстрагирования:
а — однократная экстракция; 6 — многократная экстракция; в — протнвоточная эк стракция в аппаратах типа смеситель — отстойник; г — протнвоточная экстракция в ко лонном аппарате; С — смеситель; О — отстойник; F — сырье; L — растворитель; R — рафинатный раствор; 5 — экстрактный раствор.
После отделения растворителя от экстрактного раствора по лучают экстракт, а от рафинатного раствора — рафинат, кото рые и являются конечными продуктами процесса.
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ
Любой процесс экстрагирования включает стадии: 1) смешение растворителя и разделяемой смеси с целью их контактирования; 2) разделение образовавшихся рафинатного и экстрактного рас творов. Поэтому одна ступень экстракции состоит из смесителя
и отстойника, реализуемых в различных конструктивных моди фикациях.
Различают следующие разновидности процесса экстракции:
однократная экстракция (см. рис. XVI-1, а) — сырье обра батывается однократно всем количеством растворителя с после дующим разделением на рафинатный и экстрактный растворы;
многократная экстракция (рис. XVI-1, б) — исходное сырье и рафинатные растворы обрабатываются в каждой ступени соот ветствующей порцией свежего растворителя;
противоточная экстракция (рис. XVI-1, в) — многократное противоточное контактирование рафинатных и экстрактных рас творов смежных ступеней.
Противоточная экстракция может осуществляться в несколь ких аппаратах типа смеситель—отстойник или в аппарате колон ного типа (рис. XVI-1, г).
Противоточная экстракция обеспечивает хорошее разделение при высоком выходе рафината, в то время как при многократной экстракции выход рафината высокого качества невелик. Одно кратную экстракцию используют для грубого разделения смеси.
ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЭКСТРАКТОРОВ
Треугольная диаграмма и ее основные свойства. Как уже отме чалось, в процессе экстракции можно рассматривать три условных компонента: растворитель, экстрагируемые компоненты и не извлекаемые компоненты. Для представления составов такой тройной смеси используют треугольную диаграмму (рис. XVI-2), представляющую собой равносторонний треугольник ABL, каж дая вершина которого отвечает условному компоненту, а концен трации этих компонентов х откладываются на сторонах треуголь ника. Вершина L отвечает растворителю, А — неизвлекаемым компонентам, В — извлекаемым.
Любая смесь трех компонентов отвечает точке на площади треугольника (например, точка N); двойная смесь отвечает точке на стороне треугольника. Например, смесь компонентов А я В представлена точкой F на стороне АВ.
На поле треугольной диаграммы отложена также бинодальная кривая S'KR', отвечающая равновесным рафинатным и экстракт ным растворам согласно равновесному распределению компонен тов (например, точки R и S). Прямая RS, связывающая точки равновесных составов на бинодальной кривой, называется коно- дой. Область, охватываемая бинодальной кривой, отвечает рас слаивающимся растворам, область вне этой кривой — гомоген ным растворам. Таким образом, при экстракции составы растворов не должны выходить за пределы первой области.
Треугольная диаграмма обладает следующим основным свой ством, которое вытекает из материального баланса смешения. Если при смешении двух систем R и S получается новая система N,
Ж
то точки, характеризующие все три системы, располагаются на одной прямой. При этом точка N располагается между точками R и S на расстояниях, обратно пропорциональных массам (объемам) исходных систем R и S, т. е. отрезок RS пропорционален массе системы N, отрезок RN — массе системы 5, а отрезок SN — массе системы R. Можно также записать, что
N = R + S (XVI,2)
R/S = SN/RN и R/N = SN/RS (XVI,3)
Из этого общего свойства вытекают следующие следствия.
Следствие 1. Если при попарном смешении нескольких систем получается одна и та же система N, то прямые, соединяющие точки попарно смешиваемых систем, пересекаются в одной точке N. Так, систему N можно получить смешением систем R и S или Lu F.
Следствие 2. Если при попарном удалении (вычитании) раз личных систем получается одна и та же система, то прямые, соединяющие точки попарно вычитаемых систем, пересекаются в одной точке. Так, если из системы N удалить систему F, то получим систему L. Тот же результат получим, если из системы Nx удалить систему Flt из системы N2 — систему F2, из системы R — систему Рит. д. При этом очевидно, что FIN = NL/FL, Fl/N1 = = N1L/F1L, F2/N2 = N2L/F2L и t. д.
Следствие 3. Если имеется раствор F, состоящий из компонен тов Л и В, то любые смеси, составленные из раствора F и раство рителя L, будут находиться на прямой FL (точки N3, N, N4).
Точки Э и Р отвечают экстракту и рафинату, полученным соответственно из экстрактного S и рафинатного R растворов. На основании указанных правил легко выполнить расчет процесса экстракции.
Расчет однократной экстракции.
Пусть исходное сырье — смесь компо нентов А а В отвечает точке F. Боль шие буквы, относящиеся к соответст вующим растворам, также обозначают их массовые (или объемные) по токи. Проведем однократную обра-
Рис. XVI-2. Треугольная диаграмма для расчета Я F2 F, Р
процесса экстракции {S' Кк — бимодальная кри- •*--
ьая; SR — конода).
ботку сырья F растворителем L. Если концентрация растворителя в смеси будет xLN, то получим точку N (рис. XVI-3) на пересече нии этой горизонтали с прямой FL, так как на основании след ствия 3 все смеси сырья F и растворителя L находятся на пря мой FL. Через точку N проводим коноду RS, которая определяет точки /^-рафинатного и S-экстрактного растворов.
При удалении растворителя из экстрактного раствора 5 получаем экстракт Э. Точка Э лежит на пересечении прямой LS со стороной АВ треугольника. Аналогично на пересечении пря мой LR со стороной А В определяем точку Р, характеризующую состав получаемого рафината. Концентрации растворителя в экс
трактном xLs и рафинатном xLR
1,
Рис. XVI-3. Схема к расчету однократной Рис. XVI-4. Схема к расчету многократной
экстракции.
экстракции.
зонтальными линиями, проведенными из точек S и R до пересе чения со стороной AL треугольника.
Исходя из основного свойства треугольной диаграммы, можно определить все основные показатели процесса однократной экстракции.
Откуда
_L
N
FN xln L FL 1 " L+F
L=F
XlN
1 — XLN
(XVI,4)
Расход растворителя
Выход рафината P
(XVI,5) (XVI,6)
p=f™=f-x"-x*L
РЭ xAP — хАЭ
Выход экстракта Э
9=f£L = F - -/■ — р
РЭ хар — хав
R = N
NS
-N
XLS —xln
RS xLS-xLp Или по аналогии с уравнением (XVI,4)
(XVI,7) (XVI,8)
1 — XLR
XLR
1 — *LR
Количество рафинатного раствора
Поскольку при однократной экстракции образуются равновес ные рафинатный и экстрактный растворы, этот процесс экви валентен одной теоретической тарелке.
Расчет многократной экстракции. При многократной экстрак ции (рис. XVI-1 и XVI-4) после добавления к сырью растворителя образуется система Nx, которая расслаивается с образованием экстрактного раствора Sx и рафинатного R1. Положение точек St и на бинодальной кривой определяется конодой R,SЭкстракт ный раствор выводится из системы, а к рафинатному рас твору добавляется новая порция растворителя, в результате этого образуется система N2. Эта система расслаивается, образуя новые экстрактный S2 и рафинатный R2 растворы, определяемые конодой R2S2. Экстрактный раствор S2 вновь выводится из си стемы, а рафинатный раствор R, вновь смешивается со свежим растворителем, образуя систему N3.
После расслаивания системы N3 (конода R3S3) образуются экстрактный раствор S3, который выводят из системы, и рафинат ный раствор, состав которого соответствует требованиям к рафи нату Р3. Таким образом, в данном случае для получения рафи ната Ря потребовались три контактных ступени, так как предше ствовавшие рафинатные растворы Rt и R2 не обеспечивали тре буемого качества рафината.
Расход растворителя на каждой ступени обработки составит: на первой
L XLNi . (XVI,9)
1 —xLNl
на второй
= n х,‘^ (XVI, 10)
L3
= Р2
1 —XLN3
(XVI,11)
на третьей
Рз - Рг
Р 2^3 Р3Э3
= Pi
РА
Р 2^2
Р2Э3 _ F9r ' РА ' Р2Э3 Р3Э3 РА Р аЭ2 Р 3Э3
(XVI,12)
Так как каждая единицы, го
дробь, стоящая в правой 1’з' Рг- Pi Р
части равенства, меньше (XVI ДЗ)
Выход рафината требуемого качества:
Следовательно, при многократной экстракции выход целевого продукта уменьшается по мере улучшения его качества. Расходы и составы других потоков определяют аналогично, исходя из свойств треугольной диаграммы.
Расчет противоточной экстракции. Для получения высоких выходов и качества целевых продуктов применяют противоточную экстракцию (рис. XVI-1 и XVI-5). В этом случае растворитель L движется противотоком по отношению к сырью, обеспечивая посте пенное обогащение экстрактного раствора нежелательными компо нентами, которые удаляются из рафинатного раствора. В итоге
рафинатный раствор, покидающий экстрактор, будет иметь требуемый состав без дополнительного подвода растворителя как при многократной экстракции.
Для каждой t'-й ступени экстрак ции уравнение материального баланса имеет вид
Ri-i + S/+i Rс -f- Si
или
Su 1 — Ri=S[ — Ri_! =L—R ---= S — F = M
(XVI,14)
Аналогичные уравнения балансов можно записать для каждого компо нента системы А, В, L. На основа нии второго следствия, вытекающего из основного свойства треугольной диаграммы, можно заключить, что прямые, проходящие через точки каждой пары встречных потоков:
Рис. XV1-5. экстракции.
Схема расчета противоточной
S и F, S2 и Ru S3 и R2, ..., LnR — образуют пучок прямых, пересекающихся в одной точке М. Эти линии называются рабо чими линиями, так как они связывают потоки (и их составы), встречающиеся в любом произвольном сечении.
Поскольку положение точек L и R, S и F известно, то может быть найдено и положение полюса М на пересечении продолже ния прямых FS и RL. Потоки F и S = связаны рабочей линией FSM. Положение точки 5 определяется из общего материального баланса системы при заданном качестве получаемого рафината Р и расходе растворителя, отвечающего точке N.
Потоки Ri и S = Si относятся к равновесным, и их место на треугольной диаграмме определяется конодой RxS. Потоки Ri и S2 — встречные, т. е. их точки лежат на рабочей линии RiM. Пересечение прямой RtM с бинодальной кривой дает точку 53 — экстрактного раствора, стекающего со второй тарелки. Продол жая указанные построения с использованием рабочих линий иконод, получим в конце концов требуемый состав рафинатного раствора. Как следует из проведенных построений, число полу ченных конод определяет число теоретических тарелок. Разделив число теоретических тарелок на к. п. д. контактного ус тройства, находим практическое число ступеней экстрагиро вания.
Для аппаратов типа смеситель—отстойник к. п. д. равен 0,75—0,95; для тарельчатых аппаратов 0,25—0,45; для насадочных аппаратов высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ), равна от 1,5 до 3 м.
Увеличение расхода растворителя вызывает перемещение точки N вверх. При максимально возможном расходе раствори теля точка N займет положение Л/2, так как при дальнейшем увеличении расхода растворителя точка N выйдет за пределы двухфазной области, и процесс экстракции прекратится. Следо вательно, максимальный расход растворителя равен
(XVI,15)
Минимальный расход растворителя определяется из следу ющих соображений. При заданных составах рафината Р и сырья F уменьшение расхода растворителя вызовет перемещение точки N по линии LF вниз. В связи с этим точка S переместится вправо по верхней ветви бинодальной кривой, а полюс М будет удаляться от вершины L. Угол, образованный рабочей линией FM и коно- дой, уменьшится. Минимальный расход растворителя будет от вечать такому положению полюса М', при котором крайняя рабочая линия FM' совпадает с ближайшей конодой R'S'. В этом случае потребуется бесконечно большое число тарелок.
Минимальный расход растворителя равен
(XVI,1G)
хДщт определяется точкой NL системы.
Фактический расход растворителя заключен в пределах 7-min < ^факт < Т-max, ПРИ ЭТ0М обыЧНО
(XVI, 17)
Сфакт — (1»1 1.2) Сщщ
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЭКСТРАКТОРОВ
Аппараты для проведения процесса экстракции называют экстракторами. Поверхность фазового контакта создается диспер гированием на капли одной жидкой фазы в другой. Для этой
цели используют экстракторы различных типов: колонные, сме сительно-отстойные, центробежные. Наиболее широкое примене ние нашли колонные экстракторы, среди которых можно выделить полые распылительные, инжекционные, тарельчатые, насадочные и пульсационные.
Сечение колонных экстракторов определяется допустимой ско ростью движения сплошной фазы, зависящей от конструкции контактных устройств, физико-химических свойств обеих фаз и т. д.
По практическим данным, при очистке масел скорость по дачи сырья составляет от 10 до 30 м3/(м2-.ч) для тарельчатых и насадочных колонных экстракторов.
|
|
|
Скачать 2.36 Mb.