технол лек 1. Учебник соответствует учебной программе и предназначен для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов

• Название: Учебник соответствует учебной программе и предназначен для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов
• Анкор: технол лек 1.pdf
• Дата: 27.02.2018
• Размер: 11.39 Mb.
• Имя файла: технол лек 1.pdf
• Тип: Учебник; #15993
• страница: 22 из 32

?????????
????

????????
???????

?????????
???????

??????????????
???????

?????????
????
1 3
5 2
4
?
?
? - Рис. 17.14. Периодически действующий ионообменный аппарат с неподвижным слоем ионита – корпус 2 – распределительная тарелка с щелевидными колпачками – распределитель 4,5 – штуцеры для ввода исходного и вывода очищенного растворов
Работа ионообменных установок может быть интенсифицирована при использовании движущегося или кипящего слоя ионита,
способствующего повышению скорости сорбции и лучшему использованию емкости ионита.
Ионообменные колонны периодического действия с неподвижными взвешенным слоем могут применяться, как и обычные адсорберы, в виде батареи колонн в ионообменных установках непрерывного действия

4 0 Ионообменные колонны непрерывного действия могут работать с движущимся слоем ионита (см. рис. 17.8) и кипящим слоем ионита.
В промышленной практике непрерывную ионообменную сорбцию из пульп в кипящем слое ионита проводят с помощью нескольких последовательно соединенных полых колонн с пневматическим перемешиванием (рис. 17.15).
5 2
8 1
8 4
3 достаточном числе последовательных ступеней (колонн) в установке достигается высокая степень насыщения ионита.
Установки такого типа отличаются простотой устройства.
Ионообменные аппараты при работе с химически активными средами снабжаются внутренними антикоррозийными покрытиями (гуммирование, различные полимерные материалы,
перхлорвиниловые лаки и др) (см. гл. Поскольку кинетика ионообменных процессов практически отождествляется с кинетикой физической адсорбции, для расчета ионообменной аппаратуры можно рекомендовать все методы расчетов, рассмотренные в разд. 17.3 и Список литературы. Муравьев И.А. Технология лекарств. Изд. е, перераб. и доп. Т.1.
М.: Медицина, 1980. СВ каждой колонне осуществляется интенсивная циркуляция пульпы посредством сжатого воздуха, подаваемого в центральную трубу 1, которая работает по принципу эрлифта.
Э р лифт или воздушный подъемник перемещает вверх газожидкостную смесь, которая образуется в центральной трубе за счет сжатого воздуха.
Вследствие меньшего удельного веса газожидкостная смесь поднимается по трубе 1 вверх.
Эрлифтное устройство прилагается также для транспортирования ионита от ступени к ступени. Унос мелких зерен ионита с пульпой предотвращается с помощью сетки Хотя каждый из аппаратов работает в режиме, близком к идеальному смешению, при
Рис. 17.15. Ионообменная колонка с пневматическим перемешиванием – центральная эрлифтная труба для перемешивания 2 – эрлифт для транспортирования ионита 3 – сетка – труба для подачи исходной пульпы – штуцер для отвода пульпы, 7 – трубы для подачи и отвода ионита 8 – труба для подачи сжатого воздуха

4 0 2 2. Технология и стандартизация лекарств /Сб. науч. тр. ГНЦЛС под ред. В.П. Георгиевского и ФА. Конева. Х ООО «Рирег», 1996. С. 654 –
656.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М Химия, 1971. С. 504 – 615.
4. Сало Д.П. Применение глинистых материалов для приготовления лекарств /Автореф. дис. на соиск. учен. степени д-ра. фарм. наук. Мс. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. М Химия, С. 352 – 400.
6. Плановский АН, Николаев ПИ. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии Учебник для вузов. е изд.,
перераб. и доп. М Химия, 1987. С. 366 – 393.
7. Тремийон Б. Разделение на ионообменных смолах. Перс фр. М. Гельферих Ф. Иониты. Перс нем. М, 1962.
9. Серпионова Е.Н. Промышленная адсорбция газов и паров. е изд. М Высш. шк, 1969. 414 с

4 0 Глава 18. Экстракция. Общие сведения
Экстракцией называется процесс разделения смеси твердых или жидких веществ с помощью избирательных (селективных)
растворителей (экстрагентов).
Физический смысл экстракции состоит в переходе извлекаемого компонента исходной фазы (жидкой или твердой)
в фазу жидкого экстрагента при их взаимном соприкосновении.
Извлекаемые компоненты переходят из исходного раствора в растворитель вследствие разности концентраций за счет диффузии.
Поэтому экстракция относится к диффузионным процессам.
Экстрагирование, как и каждый диффузионный процесс, в большой степени зависит от температуры и с повышением последней идет быстрее. Однако исходя из свойств обрабатываемых систем экстрагирование осуществляется при умеренной температуре
(иногда она даже ниже, чем температура окружающей среды).
Указанное позволяет в процессе экстрагирования обеспечить разделение исходного раствора с полным исключением термического разложения молекул.
П ро ц е с с экстрагирования обладает значительными экономическими преимуществами, так как затратна него меньше,
чем на другие процессы разделения. Низкая стоимость эксплуатации особенно заметно проявляется при малых концентрациях экстрагируемого компонента.
Процессы экстракции часто осуществляются при относительном движении обеих фаз. Широко используется противоточное движение фаз, что обеспечивает экономически более выгодное решение задачи.
В зависимости от агрегатного состояния компонентов,
участвующих в процессе, различают экстракцию из твердых тел
(выщелачивание) и из жидкостей.
К экстракции из твердых тел относится извлечение биологически активных веществ из лекарственного растительного сырья при получении фитохимических препаратов (настоек,
экстрактов и др. Экстракционный процесс лежит в основе технологии многих препаратов, получаемых из сырья животного происхождения (препараты гормонов, ферментов и др. В
производстве медицинских масел широко применяется экстракция из сырья различными маслами (подсолнечное, сливовое,
абрикосовое, персиковое и др.).
Экстракция из жидкостей также применяется в химико- фармацевтических производствах. Так, при помощи экстракции выделяют биологически активные вещества из ферментных растворов, проводят очистку новогаленовых препаратов. В

4 0 производстве антибиотиков при помощи экстракции извлекают пенициллин, стрептомицин и т.д. из ферментационных растворов.
При экстрагировании из жидкости извлекающий растворитель должен быть нерастворим в той жидкости, которая подвергается обработке. После осуществления процесса экстракции жидкости должны легко разделяться.
Таким образом, как при экстракции из твердого тела, таки при экстракции из жидкости имеются две фазы) твердая и жидкая) две жидкие.
Чтобы в процессе экстрагирования между указанными фазами происходил обмен компонентами, фазы должны находиться в тесном контакте. Для осуществления этого контакта применяются аппараты – экстракторы.
Изучению закономерностей и интенсификации процесса экстракции в системах твердое тело – жидкость и жидкость жидкость применительно к фармацевтической технологии посвящено много работ завкафедрой процессов и аппаратов
Харьковского политехнического института проф. Г.К. Гончаренко и его школы [5 – В фармацевтической технологии применяются оба вида экстракции. Поскольку процесс массоотдачи в твердой фазе существенно отличается от массоотдачи в жидкостях, то процессы экстракции в системе жидкость – твердое тело ив системе жидкость – жидкость рассмотрены раздельно. Экстракция в системе жидкость – жидкость
Для экстрагирования из жидкой смеси отдельного компонента подбирают растворитель, который не смешивается (или ограниченно растворим) с обрабатываемой смесью, но хорошо растворяет извлекаемый компонент.
Вследствие обработки исходной жидкости экстрагентом получаются две жидкие фазы. Одна из них – первичный растворитель, содержащий остаток извлекаемых компонентов и некоторое количество экстрагента, так как трудно подобрать абсолютно нерастворимый в исходной жидкости экстрагент.
Указанная фаза называется рафинатной или рафинатом. Вторую фазу составляет экстрагент с компонентами, извлеченными из исходной смеси. Эта фаза называется экстрактом. Равновесие в системах жидкость –
жидкость
Практически процессы экстрагирования проводятся с системами, состоящими как минимум из трех компонентов (К = и двух жидких фаз (Ф = 2). Для таких систем по правилу фаз
(см. гл. 20, разд. 20.2, уравнение (20.1)):

4 0 С = К – Ф + число степеней свободы С равно трем:
С = 3 – 2 +2 = Следовательно, в данном случае независимыми переменными являются три параметра – температура, давление и концентрация одной из фаз. Однако влиянием давления на равновесие в системе жидкость – жидкость можно пренебречь. Зависимость состава от температуры (при Р = const) для тройных систем изображается с помощью треугольной призмы. В последней температуры откладываются по оси, перпендикулярной к плоскости, на которой наносятся составы.
Состояние равновесия фаз при экстракции характеризуется законом равновесного распределения, который выражают через коэффициент распределения Кр. В простейшем случае при отсутствии ассоциации и диссоциации растворенного вещества условие равновесия выражено соотношением = K
p x
, (где y* – равновесная концентрация извлекаемого компонента в экстракте – равновесная концентрация извлекаемого компонента в рафинате;
К
р
– коэффициент распределения.
В координатах x – y линия равновесия имеет вид прямой линии ОА, выходящей изначала координат (рис. Коэффициент распределения Кр в данном случае – величина постоянная, зависящая только от температуры. Если Кр сильно изменяется с концентрацией раствора, то линия равновесия не будет прямой. Она может иметь вид линии ОВ на рис. 18.1. Линии
Рис. 18.1. Линии равновесия при экстракции в системе жидкость жидкость (при взаимной нерастворимости жидкостей)
равновесия ОА и ОВ обычно строятся при постоянной температуре и называются изотермами экстракции
При частичной взаимной растворимости фаз каждая из них при экстракции будет представлять собой трехкомпонентный раствор, состав которого невозможно отложить на диаграмме в прямоугольных координатах х – y. Составы таких трехкомпонентных фаз удобно представлять в треугольной системе координат на так называемой треугольной диаграмме
(рис. 18.2).

4 0 компонентов. Чтобы определить этот состав, необходимо из точки
М
провести линии, параллельные сторонам треугольника, как это показано на рис. 18.2. Состав смеси, соответствующий точке М,
будет таким:
x
А
= 45 %, В = 26 %, С = 29 Принято считать, что вершина А соответствует первичному растворителю, точка С – экстрагенту, точка В – извлекаемому компоненту.
Лучи Аа, В и Сс, проведенные из вершин треугольника (рис, являются геометрическим местом точек, характеризующим смеси с постоянным отношением содержания двух других компонентов –
?
?
?
?
?
B
x x
x x
,
x x
?
соответственно.
Линии dd, ee, ff, параллельные сторонам треугольника АС, ВС,
АВ,
являются геометрическим местом точек, характеризующих смеси с постоянным содержанием компонентов В, Аи С
соответственно. Если смешаны два трехкомпонентных раствора,
характеризуемые точками Ми (рис. 18.3), то составу их смеси будет отвечать точка S, лежащая на прямой, соединяющей точки
М
и N. В соответствии с правилом рычага (правило центра тяжести треугольника) средний состав смеси, получаемой в результате смешения двух других смесей Ми, лежит на прямой,
соединяющей состав этих смесей, в точке S, разделяющей данную прямую на отрезки, обратно пропорциональные количествам исходных смесей Ми М = Эти же соотношения действительны при расслаивании смеси на две сосуществующие фазы Ми Рис. 18.2. Треугольная диаграмма равновесия
Здесь представлен равносторонний треугольник, на сторонах которого отложено процентное содержание каждого из трех компонентов. Вершины треугольника соответствуют чистым компонентам А, В и С, содержание которых в этих точках %. Стороны треугольника соответствуют двойным смесям.
Так, например, точка а на стороне АС соответствует смеси, не содержащей компонент
В
и состоящей из 50 % компонента Аи компонента С.
Любая точка М внутри треугольника изображает смесь трех

4 0 7
A
C
a b
c d
e f
e Рис. 18.3. Свойства лучей треугольной диаграммы и правило рычага
Т ре угольная диаграмма обладает еще одним важным свойством. Если какие-либо растворы K
?, L?, M?, имеющие массы G
K
?, G
L
?, G
M
?, расслаиваясь,
дают одинаковое количество какого-либо нового раствора с массой G
S
), тона треугольной диаграмме (рис. 18.4) линии,
соединяющие точки, соответствующие расслаивающимся и полученным растворам, пересекутся водной точке.
Точка S может находиться и вне треугольника (рис. В этом случае она выражает условный (фиктивный) раствор Натре угольной диаграмме рис) линия линия равновесия, называемая пограничной или бинодальной кривой. Форма этой кривой типична для жидкостных систем,
встречающихся в фармацевтической технологии. Компоненты
А
и В, В и С неограниченно растворимы друг в друге, а компоненты Аи С обладают малой взаимной растворимостью.
Так, компонент А частично растворим в компоненте С, что на диаграмме будет соответствовать линии АА
?. Компонент С
частично растворим в компоненте А, на диаграмме это соответствует отрезку С
?С. При смешивании компонентов Аи В
в количествах, больших, чем показано в точках Аи С, происходит расслаивание смеси указанных жидкостей, т.е.
образуется двухфазная система,
характеризуемая отрезком А
?С?.
Составам фаз, находящимся в равновесии, соответствуют
Рис. 18.4. К определению свойств треугольной диаграммы
Рис. 18.5. К построению точки,
соответствующей фиктивному составу многокомпонентной смеси

4 0 8 1
2 пограничной кривой, соответствует гомогенной системе и поэтому для расчета процесса экстракции не используется.
Хорды равновесия располагаются не параллельно друг другу и их наклон зависит от величины коэффициента распределения К
р
В ели чину Кр можно выразить через концентрации распределяемого компонента В в равновесных фазах согласно уравнению (18.1):
?
*
K
x y
R
E
x y
B
B
B
B
=
=
=
, (где Е
В
– концентрация распределяемого компонента В в фазе экстракта при равновесии;
R
В
– концентрация распределяемого компонента В в фазе рафината при равновесии.
Из диаграммы (рис. 18.6) видно, что величина Кр увеличивается последовательно для хорд равновесия RE, R
1
E
1
, R
2
E
2
. Для всех этих хорд равновесия Кр Наклон хорд равновесия может быть различными определяться природой компонентов и составом фаз. Так, для хорды равновесия RE (риса) Кр < 1, для хорды равновесия (рис. 18.7, б) Кр = По величине Кр можно судить об избирательности экстрагента.
Чем больше значение Кр, тем эффективнее будет проходить процесс экстракции.
Селективность или избирательность экстрагента характеризует способность экстрагента предпочтительно растворять один или несколько компонентов исходного раствора. Селективность экстрагента можно оценить также с помощью тройной диаграммы
(рис. Для этого необходимо через точки равновесия R и Е (рис) и вершину С провести прямые до пересечения со стороной
Рис. 18.6. Положение пограничной
(бинодальной) кривой точки R и E, R
1
и E
1
, R
2
и E
2
и т.д. Соединив эти точки, получают две ветви кривой равновесия. Точка Кв которой сливаются две ветви кривой, называется критической точкой.
Линии, соединяющие попарно точки RE, R
1
E
1
, R
2
E
2
, называются хордами равновесия или коннодами
. Область, расположенная ниже бинодальной кривой, соответствует двухфазным
(расслаивающимся) системами является рабочей частью треугольной диаграммы. Область диаграммы, лежащая выше

4 0 9
АВ
. Точки пересечения E
1
R
1
соответствуют составам в точках после удаления компонента С. Из расположения точек E
1
и видно, что составы фаз различны. Так, рафинат R
1
предельно обеднен компонентом В, а экстракт Е максимально обогащен компонентом В. Чем больше расстояние между точками E
1
и тем селективнее экстрагент по отношению к компоненту В.
Величина селективности характеризуется коэффициентом селективности или коэффициентом разделения.
B
A
C
B
A
C
R
R
1
?
?
1
а б
Рис. 18.7. К определению коэффициента распределения
Коэффициент селективности является аналогом относительной летучести компонентов в процессе ректификации (см. гл. уравнение (20.9)). При
? = 1 селективность равна нулю и экстракция невозможна. Чем больше
? превышает единицу, тем при меньших габаритных размерах экстрактора, меньших расходах экстрагента и соответственно при более низких капитальных и эксплуатационных расходах может быть проведен процесс.
Сопоставляя выражения коэффициента селективности СВ и коэффициента распределения (уравнение (18.2)), можно установить зависимость между этими коэффициентами p
=
?
. (Коэффициент разделения
?
СВ
,
величиной которого определяют селективность экстрагента С по отношению к распределяемому компоненту В, представляет собой отношение концентраций компонентов В и А в фазе экстракта
(свободной от С, деленное на отношение концентраций тех же компонентов в свободной от С фазе рафината, те y
x y
x x
y y
?
?
=
=
?
:
. (Рис. 18.8. К определению селективности растворителя

4 1 Из зависимости (18.4) видно, что с увеличением коэффициента распределения К
р
В
селективность возрастает. Селективность зависит от тех же факторов, что и коэффициент распределения.
Нахождение хорд равновесия и критической точки
Как видно из рис. 18.9, на треугольной диаграмме нанесено небольшое число хорд равновесия. Однако в расчетной практике возникает необходимость построить внутри гетерогенной области любую хорду равновесия. С этой целью на треугольную диаграмму наносят так называемую соединяющую линию (рис. 18.9). Для построения соединяющей линии используют точки R
1
и E
1
, R
2
и, R
3
и E
3
, R
4
и E
4
бинодальной кривой А
?КС?, характеризующие равновесные составы.
стороне диаграммы АВ до пересечения с правой ветвью равновесной кривой в точке Е. Соединив R и Е прямой линией, получим искомую хорду равновесия RE. Нахождение хорд равновесия при помощи соединяющей линии называется интерполяцией хорд равновесия.
Построение процесса экстракции в треугольной диаграмме
Исходная смесь содержит экстрагируемую жидкость Аи компонент В (рис. 18.10). Например, точка S соответствует содержанию 50% компонента Аи компонента В. Если к этой смеси добавить экстрагент Сто состав смеси будет соответствовать какой-то точке, лежащей на линии Рис. 18.9. Интерполяция хорд равновесия
Через точки R
1
, R
2
, R
3
, R
4
и E
1
, E
2
, E
3
,
E
4
параллельно сторонам ВС и АВ
диаграммы проводят линии построения до их пересечения в точках С
1
,
С
2
, С, С, как показано на рис. Проведя через полученные точки пересечения плавную кривую, найдем соединяющую линию С
1
С
2
С
3
С
4
К
, которая пересекает линию равновесия в критической точке К.
Для нахождения любой хорды равновесия, проходящей через точку, на левой ветви бинодальной кривой необходимо провести линию построения, параллельную стороне ВС
диаграммы, до пересечения с соединяющей линией в точке С. Затем из точки С необходимо провести вторую линию построения СЕ параллельно

4 1 Массы фаз будут относиться друг к другу (в соответствии с правилом рычага, как : G
E
= ME : Рассмотренная тройная диаграмма позволяет представить графически процесс, происходящий в экстракторе для жидкостной экстракции.
Представим, что мы имеем тройную диаграмму для какой- либо тройной системы (рис. 18.11). Допустим, состав исходной смеси задан точкой D, а состав экстрагента – точкой L. При этом количество смеси с составом, соответствующим точке D, равно кг, а количество взятого экстрагента – G
L
кг. При их смешении мы получим состав смеси, соответствующий точке М. При этом
MR
ME
G
G
E
R
=
Допустим, при прибавлении к исходной смеси экстрагента получен состав смеси, изображаемый точкой М. Указанная точка находится в гетерогенной области, те. при этом составе смесь будет расслаиваться и образуются две жидкие фазы:
экстрактная и рафинатная.
Составу фазы экстракта соответствует точка Е, составу рафи- ната – точка По рис. 18.10 можно определить не только состав фаз, но и соотношение их количеств Рис. 18.10. Зона расслаивания в тройной диаграмме
Рис. 18.11. Процесс экстракции в тройной диаграмме
MD
ML
G
G
L
D
=
Полученная смесь, состав которой соответствует точке М, расслаивается, образуя экстракт и рафинат.
Таким образом, в результате однократного контакта исходной смеси и экстрагента получаются две фазы, одна из которых экстракт точка Е обогащена компонентом В, а другая (рафинат) точка R, наоборот, обеднена данным компонентом. Количество этих фаз может быть найдено из соотношения

4 1 2 18.2.2. Методы экстракции
При разделении экстракцией смесей различных веществ в фармацевтической технологии наиболее распространен метод с одним экстрагентом
Жидкостная экстракция с одним экстрагентом может проводиться различными вариантами. Кн им относят одноступенчатую, или однократную, экстракцию, многоступенчатую экстракцию с перекрестным током, многоступенчатую с противотоком, непрерывную противоточную, ступенчатую противоточную, противоточную с флегмой и др.
Рассмотрим наиболее распространенные из них.
Одноступенчатое (однократное) экстрагирование. Этот наиболее простой метод проводят в аппарате с мешалкой. На рис представлена принципиальная схема такой установки.
Исходная смесь F и экстрагент S поступают в смеситель 1. Здесь они смешиваются мешалкой. В указанном смесителе происходит процесс экстракции. После этого жидкость опускается в сепаратор
(отстойник) 2, где осуществляется расслоение жидкостей и образуются два слоя. Обычно подбирают экстрагент с плотностью,
меньшей плотности исходной жидкости. Вследствие этого при расслоении экстрагент образует верхний слой, а рафинат – нижний.
После расслоения жидкие фазы спускаются в различные емкости,
и из экстрактной фазы тем или иным способом выделяется экстрагированное вещество.
риальный баланс по распределяемому веществу, (откуда y
b x
y
A
S
x Учитывая, что y* = Кр (по уравнению (18.1)), находим Рассмотрим наиболее простой случай, когда фазы практически взаимно не- растворимы.
Пусть А кг растворителя исходного раствора концентрацией х смешиваются с S кг экстрагента. В результате экстракции получаются равновесные фазы рафинат концентрацией х к и экстракт концентрацией y кв кг/кг растворителя. Весовое соотношение фаз
? =
b
S
A
. Тогда мате-
Рис. 18.12. Экстрактор с мешалкой – смеситель 2 – отстойник

4 1 Следовательно, концентрация получаемого рафината p
0 1
K
b x
x
??
+
=
(и концентрация экстракта p
0
p
1
K
b x
K
y
??
+
?
=
. (Достигаемая степень извлечения распределяемого вещества 1
p p
0
K
b
K
b x
A
y
S
, (где
? = Кр – экстракционный фактор или фактор процесса массопередачи.
Величина
? имеет важное технико-экономическое значение при проведении процесса экстракции. Чтобы остаточное содержание экстрагируемого компонента в рафинате было низким,
экстракционный фактор должен быть больше единицы. Однако при больших значениях возрастает стоимость регенерации экстрагента. Оптимальные значения должны лежать в пределах < Для построения процесса на y – х диаграмме (рис. 18.13, а)
наносят равновесную линию y* = хи откладывают на оси абсцисс начальную точку F рабочей линии с координатами x = x
0
и y = а б
Рис. 18.13. Изображение процесса одноступенчатой экстракции:
а
– на прямоугольной диаграмме б – на треугольной диаграмме
Из точки F проводят прямую линию под углом так как из уравнения (18.5) материального баланса по распределяемому веществу уравнение рабочей линии, аналогичное общему уравнению (15.5), имеет вид

4 1 Если в результате экстракции достигается равновесие фаз, то прямую из точки F продолжают до пересечения с линией равновесия в точке В. Координаты точки В выражают составы получаемых экстракта y к и рафината x к
На диаграмме y – х экстракционный фактор выражается отношением наклонов линии равновесия и рабочей линии.
Количество экстрагента, необходимого для получения рафината состава x к (точка R), определяют из зависимости Количество или расход экстрагента составляет. (Чем больше расход экстрагента S, тем меньше tg
? и,
следовательно, тем меньше содержание экстрагируемого компонента в экстракте и рафинате, составы которых соответствуют,
например, точке В (на риса, для которой y к y к и x к < x кВ случае недостаточного перемешивания или слишком малого времени контакта при одноступенчатой экстракции получаемые экстракт и рафинат не равновесны друг другу. В этом случае степень извлечения экстрагируемого компонента определяется величиной Расчет процесса в системах с ограниченной взаимной растворимостью компонентов. Пусть при смешивании F кг исходного раствора с S кг экстрагента образуется Мкг смеси, после расслаивания которой получают R кг рафината и Е кг экстракта.
Тогда материальный баланс будет иметь вид. (При расчете процесса по заданному составу исходного раствора и принятому соотношению количеств экстрагента и исходного раствора находят количество экстрагента, а также количества и составы получаемых рафината и экстракта.
Используем при расчете треугольную диаграмму (рис. 18.13, б).
Для упрощения расчета рассмотрим случай, когда исходный раствор обрабатывается свежим экстрагентом S, а получаемые экстракт и рафинат не содержат экстрагента.
Для построения процесса точку F, соответствующую составу исходного раствора, соединяют прямой сточкой, выражающей состав экстрагента. Каждая точка прямой FS соответствует постоянному соотношению компонентов Аи В исходного раствора.
По правилу рычага определяют положение точки М, пользуясь соотношением
FM
MS
S
F =
. Следовательно, количество экстрагента. (18.11)

4 1 Зная положение хорды равновесия, проходящей через точку Ми применяя правило рычага, находим
ME
MR
ME
R
E
R
RE
ME
E
R
+
=
+
=
?
,
RE
ME
M
R =
???
, откуда количество рафината
RE
ME
M
R
?
=
. (Тогда количество получаемого экстракта. (Для определения состава рафината проводят через точки S и луч до пересечения со стороной АВ треугольника и получают точку к. Точка к определяет состав конечного рафината.
Аналогично, проводя луч через точки S и E, находят точку Е
к
,
выражающую состав конечного экстракта. Точки к и Е
к лежат на стороне АВ треугольника, те. соответствуют бинарным смесям,
не содержащим экстрагента.
Пользуясь треугольной диаграммой, можно определить также максимальный и минимальный расходы экстрагента. При перемещении точки М (рис. 18.13, б) получу влево, отрезки уменьшаются, а отрезки MS увеличиваются. Соответственно согласно уравнению (18.11) уменьшается количество S
экстрагента.
В пределе точка М может совместиться с бинодальной кривой
(точка М на рис. 18.13, б. При этом отрезок FM минимален, ив результате экстракции получают лишь один слой рафината. Точке
М
1
соответствует минимальное количество экстрагента 1
min
?
=
, (при котором концентрация распределяемого компонента В в рафинате будет наибольшей.
Аналогично при перемещении точки М вправо получу ее нижнее предельное положение выражается точкой М. При этом получают только слой экстракта. В данном случае количество необходимого экстрагента максимально и составляет 2
max
?
=
. (Практически количество экстрагента выбирают промежуточным между максимальными минимальным, причем желательно, чтобы оно соответствовало экономически оптимальным условиям экстракции. При непрерывном процессе определяют расходы экстрагента, экстракта и рафината (в кг/с или в кг/ч).
Многоступенчатая экстракция при перекрестном токе
Экстракция данным способом проводится в нескольких ступенях (рис. 18.14), через которые последовательно движется

4 1 исходный раствор. При этом исходный раствор F входит в ю ступень, а исходным раствором вовсе последующие ступени является рафинат R
1
, R
2
, R
3
, ..., R
n
-1
с предыдущей ступени.
Рис. 18.14. Схема многоступенчатой экстракции при перекрестном токе (аи изображение процесса на диаграмме y – х (б) ив треугольной диаграмме (в, 2, 3, ... n – ступени
Общее количество свежего экстрагента разделяется на части и подводится в количествах S
1
, S
2
, S
3
, ..., S
n
, как показано на риса, параллельно на все ступени.
Изображение процесса в прямоугольной диаграмме приведено на рис. 18.14, б. Построение на диаграмме проведено также, как для процесса одноступенчатой экстракции. Для лучшего чтения процесса построения на схеме показаны только две первые ступени равновесия. Здесь приведены рабочие линии ab и cd каждой ступени. Причем состав рафината
1
R
x ,
2
R
x после каждой ступени равен составу исходной смеси на входе в последующую ступень.
Этот процесс экстракции представлен на треугольной диаграмме (рис. 18.14, в) только для двух ступеней равновесия.
Смешение исходного раствора состава F и растворителя С
описывается линией FC. Образующаяся тройная смесь М
1
расслаивается на экстракт Е и рафинат R
1
первой ступени.
Полученная порция рафината R
1
обрабатывается свежей порцией растворителя С (линия R
1
C
) с образованием тройной смеси М
2
,
которая также расслаивается на экстракт Е и рафинат R
2
второй ступени.
Процесс многоступенчатой экстракции с перекрестным током можно провести периодическим способом водном аппарате с мешалкой (см. рис. 18.12). Для этого одну и туже порцию исходного раствора обрабатывают несколькими порциями

4 1 растворителя, каждый раз смешивая, расслаивая и выводя порцию экстракта из одного итого же аппарата. Процесс ведут до тех пор,
пока рафинат не будет иметь заданную концентрацию.
Недостатком способа являются большой расход свежего растворителя и его недостаточное насыщение в ступенях экстракции. Указанные недостатки могут быть устранены, если использовать противоточное движение рафината и экстракта при многократной экстракции.
Многоступенчатая противоточная экстракция
Экстракция по этой схеме (риса) особенно часто применяется в производстве.
Рис. 18.15. Многоступенчатая противоточная экстракция:
а
– схема процесса б – изображение процесса на диаграмме y – в – изображение процесса на треугольной диаграмме 1, 2, 3 – ступени
И сходный раствори экстрагент поступают с противоположных концов установки, состоящей из последовательно соединенных ступеней (1, 2, 3), и движутся противотоком друг к другу. Конечный экстракт Е удаляется из первой ступени установки, а конечный рафинат R
3
– из последней. На последней,
3-й, ступени рафинат R
3
, наиболее обедненный экстрагируемым компонентом В, контактирует со свежим экстрагентом S, не содержащим (или содержащим незначительное количество) этого компонента. На первой ступени наиболее концентрированный раствор компонента В (исходный раствор F) приводится в контакт с близким к насыщению этим компонентом экстрагентом Е
2
,
благодаря чему выравнивается движущая силана концах установки, достигается высокая средняя движущая сила процесса и осуществляется наиболее полное извлечение экстрагируемого компонента из исходного раствора

4 1 При одинаковой очистке конечного рафината в процессе противоточной экстракции значительно уменьшается расход экстрагента и увеличивается выход рафината, однако 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 проводится либо в батарее смесителей-отстойников, либо в противоточных аппаратах различной конструкции.
Пусть согласно схеме на риса на экстрагирование поступает F кг/с исходного раствора и с противоположного конца установки подается S кг/с экстрагента. Общий расход исходного раствора и экстрагента составляет Мкг с.Для упрощения расчетов можно пренебречь взаимной растворимостью первичного и вторичного растворителей. При этом условии количества чистых растворителей A и S на ступенях не изменяются.
Уравнение материального баланса по экстрагируемому компоненту В для всей установки (риса) будет иметь вид y
(
S
)
x x
(
A
S
?
=
?
1 аналогично – для двух ступеней y
(
S
)
x x
(
A
3 1
2 откуда 0
2 3
y
)
x x
(
S
A
y
+
?
=
. (Уравнение (18.16) является уравнением рабочей линии,
изображаемой с тангенсом угла наклона
S
A
=
?
tg
. В данном случае расчет сводится к построению (рис. 18.15, б) ступенек между рабочей линией и равновесной линией y* = f(x), начиная от точки а, y
1
) до точки b(x
3
, y s
). Из рис. 18.15, б следует, что число требуемых теоретических ступеней равно трем.
В случае значительной взаимной растворимости фаз число требуемых теоретических ступеней при многоступенчатой противоточной экстракции определяется с использованием треугольной диаграммы (рис. 18.15, в) на основе материальных балансов для всего аппарата (риса, в 3
E
R
S
F
M
+
=
+
=
. (Обозначив F – E
1
= P
, представим уравнение баланса в виде 1
. (Как видно из выражения (18.18), разность между количеством исходного раствора F и конечного экстракта Е равна разности между конечным рафинатом R
3
и свежим экстрагентом S и каждая из них порознь равна Материальные балансы для трех ступеней будут иметь вид
(см. риса ступень –
1 1
2
E
R
E
F
+
=
+
или
P
E
R
E
F
=
?
=
?
2 1
1
;
2 ступень –
2 2
3 1
E
R
E
R
+
=
+
или
P
E
R
E
R
=
?
=
?
3 2
2 1
;
3 ступень –
3 3
2
E
R
S
R
+
=
+
или
P
S
R
E
R
=
?
=
?
3 Из баланса для й ступени следует, что если смесь, состав которой характеризуется точкой Е, будет смешана со смесью, состав которой отвечает точке Р, то образуется новая смесь F = P + При этом все три точки F, P и E
1
согласно правилу смешения
(правило рычага) должны лежать на одной прямой. Аналогично на одной прямой должны лежать точки R
1
, P и E
2
, R
2
, P и Отсюда вытекает, что разность количеств любых двух смесей есть величина постоянная, равная Р (см. балансы для ступеней. В этом случае на треугольной диаграмме прямые, соединяющие точки,
которые выражают составы этих смесей, пересекутся водной точке
Р
, называемой полюсом.
Это свойство треугольной диаграммы используют для определения числа теоретических ступеней. Очевидно, линии E
1
F
,
E
2
R
1
, E
3
R
2
при их продолжении должны пересекаться в полюсе Р.
Причем в случае пересечения их вне поля диаграммы указанный полюс будет соответствовать некоторому гипотетическому раствору
(смеси), фактически не участвующему в процессе.
Примем, что исходный раствори экстрагент состоят из трех компонентов (А + В + Сих составы заданы и выражаются точками и S на треугольной диаграмме (рис. 18.15, в. Кроме того, заданы составы конечных экстракта (точка E
1
) и рафината (Для построения числа теоретических ступеней соединяем точки E
1
и F, а также S и R
3
прямыми, которые при их продолжении,
как указывалось выше, должны пересекаться в полюсе На хорде равновесия, проходящей через точку E
1
, находят точку – точку пересечения этой хорды с левой ветвью бинодальной кривой, выражающую равновесный с E
1
состав рафината,
выходящего из й ступени. Таким образом, хорда соответствует одной теоретической ступени экстракции.
Через точки P и R
1
проводят прямую, продолжая которую до пересечения с правой ветвью бинодальной кривой, находят состав экстракта E
2
, выходящего со й ступени. Хорда равновесия соответствует й теоретической ступени.
Затем по хорде E
2
R
2
определяют состав рафината Соединяют точки P и R
2
и продолжают до пересечения с бинодальной кривой (точка E
3
). Через точки E
3
и R
3
проводят хорду равновесия E
3
R
3
. Число хорд равновесия, заключенных между крайними лучами PE
1
и PS, определяет число необходимых теоретических ступеней. На рис. 18.15, в число хорд равновесия, R
2
E
2
, R
3
E
3
равно трем

4 2 Удельный расход экстрагента S/F, те. расход, приходящийся на 1 кг исходного раствора, находят, проводя линию смешения исходного раствора и экстрагента и определив на ней с помощью правила рычага положение точки M (положение этой точки можно также найти по пересечению прямых FS и Удельный расход экстрагента равен =
. (Выход рафината заданного состава зависит от удельного расхода экстрагента S/F. Чем меньше расход экстрагента, тем больше выход рафината, тем большее число ступеней, однако,
требуется для осуществления процесса. Если при экстрагировании
(рис. 18.16) удельный расход экстрагента соответствует отношению отрезков
S
M
FM
1 1
, то расход экстрагента будет минимальным.
Это означает, что на конце аппарата со стороны входа питания
(исходного раствора) движущая сила равна нулю. Следовательно,
для заданного разделения потребуется бесконечно большое число теоретических ступеней.
По мере перемещения точки M вправо по линии FS, те. при увеличении удельного расхода экстрагента (точки M
2
, M
3
и т.д.),
концентрации получаемых экстрактов E
2
, E
3
, ... будут снижаться,
а необходимое число теоретических ступеней – уменьшаться.
Очевидно, максимальный расход экстрагента будет соответствовать экстракции водной ступени.
Поэтому, принимая в соответствии с рис. 18.15, что число требуемых теоретических ступеней равно трем, проводят хорду равновесия R
n
=3
–E
3
, которая пересекается с прямой FS в точке Отрезок FM
3
соответствует максимальному расходу экстрагента, а максимальный удельный расход последнего составляет
S
M
FM
F
S
3 Рис. 18.16. К определению удельного расхода экстрагента
Действительно, при любом меньшем расходе экстрагента, соответствующем, например, отношению отрезков FM
?
1
на диаграмме, будет получен менее чистый конечный рафинат R
?
3
, чем задано,
т.е. чем рафинат, характеризуемый точкой Когда удельный расход экстрагента минимален, хорда равновесия
Е
1
R
1
при продолжении совпадает с лучом PF.

4 2 В каждом конкретном случае расход экстрагента выбирают промежуточным между его минимальными максимальным расходами и соответствующим наиболее экономичному проведению процесса.
Многоступенчатая противоточная экстракция с флегмой
Чтобы повысить степень разделения исходного раствора на компоненты, при экстракции по аналогии с ректификацией иногда используют орошение аппарата флегмой. При экстракции без применения флегмы концентрация экстракта на выходе из многоступенчатого аппарата не может быть выше равновесной,
соответствующей концентрации исходного раствора, что ограничивает степень разделения.
При использовании флегмы (рис. 18.17) экстракт Е
1
направляется, как обычно, в установку для регенерации, где из него отгоняют возможно большее количество экстрагента S
рег
. В
данном случае установка для регенерации является аналогом дефлегматора в процессе ректификации. Выходящий из нее остаточный продукт делят на две части одна – отводится в виде экстракта Е
к
, а другая – возвращается в аппарат в виде флегмы
Е
фл
. Поток флегмы, поступающей в аппарат на стороне отбора экстракта, вымывает из экстракта 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. 18.17. Схема многоступенчатой противоточной экстракции с флегмой (1, 2, ... n–1, n – ступени)
Возврат части экстракта в виде флегмы, улучшая разделение и повышая чистоту конечных продуктов, приводит вместе стем 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

4 2 2 18.2.3. Устройство экстракционных аппаратов
Основное назначение экстракционных аппаратов – обеспечить хорошее взаимодействие несмешивающихся жидкостей. Из теории жидкостной экстракции известно, что основное количество экстрагируемых веществ переходит из фазы в фазу в период образования и коалесценции капель. Поэтому в наиболее эффективных конструкциях происходит постоянное обновление межфазной поверхности.
В зависимости от вида контакта между жидкими фазами экстракторы подразделяют на 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.
В зависимости от способа диспергирования фаз экстракторы подразделяют на аппараты без использования внешней энергии и с применением внешней энергии (перемешивание, пульсации,
вибрации, с приложением центробежных сил и др.).
В зависимости от способа разделения фаз различают экстракторы гравитационные, в которых разделение фаз происходит вследствие разности плотностей фаз, и центробежные — с разделением фаз в поле центробежных сил.
По принципу организации процесса все экстракторы могут быть разделены на периодически и непрерывно действующие. Ступенчатые экстракторы
Смесительно-отстойные экстракторы относятся к числу старейших конструкций. Каждая ступень смесительно-отстойного экстрактора состоит из смесителя (им может быть обычный реактор с мешалкой, где жидкости перемешиваются, и отстойника
(в виде ящика или другой формы емкости, где происходит разделение фаз вследствие разности их плотностей.
В пределах одной ступени фазы движутся прямотоком друг к другу, но установка в целом (может состоять из любого числа ступеней) чаще работает при противоточном движении фаз.
Ступени аппарата располагаются водной горизонтальной плоскости или устанавливаются в виде каскада.
В смесительно-отстойных экстракторах достигается интенсивное взаимодействие фаз с эффективностью каждой ступени, близкой к одной теоретической ступени. В них можно обрабатывать жидкости в широком диапазоне соотношений фаз от 10:1 и более. Их применение эффективно в процессах, требующих большого числа ступеней, но они занимают большие площади, чем колонные аппараты.
Недостатки смесительно-отстойных экстракторов медленное разделение фаз, требуют больших площадей, необходимость в отдельном приводе для каждой ступени. Более компактны и экономичны колонные аппараты с единым приводом для всех перемешивающих устройств, расположенных на высоте

4 2 3 18.2.3.2. Дифференциально-контактные экстракторы
Гравитационные экстракторы (без подвода внешней энергии)
Распылительные колонны. Распылительный колонный экстрактор представляет собой полый цилиндр, в нижней и верхней частях которого устроены приспособления для ввода жидкости и ее диспергирования. Легкая жидкость (экстрагент) поступает снизу колонны, и ее капли поднимаются вверх. Тяжелая жидкость,
которая при системе отвода (риса) является сплошной фазой, опускается вниз. Легкая жидкость собирается в верхней части колонны и отводится как экстракт.
Распылительные колонны отличаются высокой производительностью, но вместе стем и очень низкой интенсивностью массопередачи, обусловленной обратным (продольным)
перемешиванием. Величина ВЕП в них достигает нескольких метров, поэтому их применение ограниченно.
Насадочные колонны (рис. 18.18, б. В указанной колонне в полом цилиндре на сетку размещают насадку. Чаще всего используются кольца Рашига. Одна из фаз диспергируется с
В этих колоннах каждой скорости тяжелой жидкости должна соответствовать некоторая предельно- допустимая скорость легкой жидкости и наоборот.
С увеличением скорости легкой жидкости увеличивается объемная доля диспергируемой фазы, что уменьшает долю поперечного сечения, свободного для прохода сплошной фазы.
Это вызывает увеличение скорости сплошной фазы,
которая начинает уносить все большее число капель в направлении, обратном направлению движения дисперсной фазы. Возникает так называемое обратное перемешивание, которое сильно снижает движущую силу и соответственно интенсивность массопе- редачи.
Рис. 18.18. Типы экстракторов непрерывного действия для системы жидкость – жидкость:
а
– распылительный б – насадочный;
в
– полочный гс ситчатыми тарелками

4 2 помощью распределительного устройства и движется в колонне противотоком к сплошной фазе. Проходя через насадку, капли многократно коалесцируют и вновь дробятся, что значительно увеличивает массопередачу. Окончательная коалесценция и образование слоя диспергируемой фазы происходит в отстойной зоне колонны на выходе из слоя насадки. Соответственно водной из отстойных зон (верхней или нижней) поддерживается уровень поверхности раздела фаз. Насадочные экстракторы эффективнее распылительных. Для насадочных колонн ВЭТС составляет от м до 0,6 м.
Полочные колонны (рис. 18.18, в. В аппаратах этого типа имеются полки-перегородки в виде чередующихся друг с другом плоских дисков (или полудисков, колец и др. Расстояние между соседними полками составляет обычно 50 – 150 мм.
Контакт между фазами обычно осуществляется при обтекании перегородок дисперсной фазой в виде тонкой пленки, образующейся при коалесценции капель, и при движении капель дисперсной фазы в пространстве между перегородками. Интенсивность массопередачи в полочных колоннах несколько выше, чем в распылительных, главным образом за счет их секционирования посредством перегородок, что приводит к уменьшению обратного перемешивания.
Эффективность таких колонн на одну тарелку составляет
0,5
ч1 м, но может быть повыше приуменьшении расстояния между тарелками.
Тарелочные колонны. На рис. 18.18, г изображена колонна с ситчатыми тарелками. В указанных аппаратах диспергируемая фаза, например легкая, проходя через отверстия ситчатых тарелок,
многократно дробится на капли и струйки, которые, в свою очередь,
распадаются на капли в межтарелочном пространстве. При взаимодействии со сплошной фазой капли коалесцируют и образуют слой легкой фазы под каждой вышерасположенной тарелкой. Если диспергируется тяжелая фаза, то ее слой образуется над тарелками.
Когда гидростатическое давление слоя жидкости становится достаточным для преодоления сопротивления отверстий тарелки,
жидкость, проходя через отверстие тарелки, диспергируется вновь.
Сплошная фаза перетекает с тарелки на тарелку через переливные патрубки. ВЭТС для таких экстракторов составляет около 0,42 м.
Все гравитационные экстракторы отличаются простотой конструкции, так как не имеют движущихся частей. Поэтому стоимость их и эксплуатационные расходы невелики. Однако интенсивность массопередачи в них низкая, что объясняется тем,
что разность плотностей тяжелой и легкой жидкости недостаточна для тонкого диспергирования, необходимого для создания значительной поверхности контакта фаз. Эти экстракторы малопригодны для работы с большими соотношениями расходов фаз

4 2 Несмотря на указанные недостатки, указанные аппараты, в основном насадочные, получили распространение в промышленности благодаря простоте устройства, значительной производительности и пригодности для проведения процессов в химически агрессивных средах.
Экстракторы с подводом внешней энергии. Для увеличения диспергирования жидкостей и улучшения их контакта используют аппараты с подводом внешней энергии 1) с мешалками 2) с пульсаторами; 3) центробежные.
На рис. 18.19 представлены некоторые из экстракторов этого типа:
а б
Рис. 18.19. Экстракционные аппараты:
а
– роторно-дисковый колонный экстрактор б – колонна с пульсатором;
1 – кольцевые перегородки 2 – диски 3 – диафрагма 4 – насос
Роторно-дисковые экстракторы (риса. В представленной колонне имеются неподвижные кольцеобразные полки закрепленные на корпусе. Между каждыми двумя соседними кольцевыми перегородками расположены диски 2, закрепленные на вращающемся валу (роторе. Чередующиеся кольца и диски препятствуют продольному перемешиванию. К смесительной зоне колонны примыкают верхняя и нижняя отстойные зоны.
Одна из фаз диспергируется с помощью распределителя и затем многократно дробится (редиспергируется) посредством дисков ротора. После перемешивания фазы частично разделяются вследствие разности плотностей при обтекании ими кольцевых перегородок. При этом легкая фаза поднимается вверх, а тяжелая опускается вниз и захватывается соответствующими дисками ротора для последующего перемешивания

4 2 Другие аппараты такого типа различаются, главным образом,
конструкцией перемешивающих устройств. Так, вместо перемешивающих дисков могут быть применены открытые турбинные мешалки, а на стенках устанавливают неподвижные вертикальные отражательные перегородки, улучшающие перемешивание.
В экстракторах другой конструкции внутри каждой секции помимо наружных кольцевых перегородок установлены дополнительные направляющие перегородки в виде дисков, между которыми зажаты вертикальные сетчатые толстостенные перегородки в форме колец из витков металлической сетки. С
помощью таких кольцевых сетчатых перегородок облегчается коалесценция капель и достигается лучшее разделение фаз. ВЭТС
таких экстракторов колеблется от 0,1 до 0,7 м.
Достоинством роторно-дисковых экстракторов является сочетание довольно значительной производительности с высокой интенсивностью процесса массопередачи.
Общий недостаток всех экстракторов с механическим перемешиванием – сложность эксплуатации их при обработке сильно химически агрессивных или радиоактивных веществ, что не наблюдается у пульсационных колонн.
Пульсационные колонны. Пульсации для интенсификации процесса экстракции могут быть использованы в любом типе гравитационных колонн. На рис, б представлена установка пульсатора при полочной колонне. Устройство для приведения диспергируемой фазы в пульсирующее состояние представляет собой трубопровод, на котором установлена эластичная диафрагма. При помощи насоса 4 диафрагма приводится в состояние быстрого возвратно-поступательного движения. Возникающие колебания передаются диспергируемой жидкости в колонне,
увеличивая взаимное контактирование фаз. Эффективность работы колонны зависит от частоты и амплитуды (отклонения диафрагмы)
пульсаций. Число колебаний рекомендуют принимать ч в минуту при амплитуде ч мм.
Пульсационные экстракторы (ситчатые и насадочные)
сочетают большую производительность с высокой интенсивностью массопередачи. Они успешно применяются в процессах разделения и получения редких и рассеянных элементов. ВЭТС таких экстракторов – около 0,2 м.
Центробежные экстракторы. Приведенные выше конструкции экстракционных аппаратов малопригодны для обработки легко эмульгирующихся и трудно расслаивающихся жидкостей, что часто имеет место в фармацевтическом производстве. В таких случаях наибольшее распространение получили центробежные экстракторы,
в которых эмульгирование и время пребывания жидкостей сведено к минимуму. Наибольшее распространение указанные экстракторы получили в производстве антибиотиков пенициллина

4 2 7
хлоромицетина, стрептомицина, бацитрацина, тетрациклина и др.
Они также применяются при очистке и концентрации гормонов,
при экстракции витамина А из омыленных жиров рыбьей печени,
при получении путем экстракции алкалоидов и инсектицидов,
как, например, хинин, пиретрин, эфедрин, кофеин, теофиллин,
стрихнин и др.
Схема устройства одного из центробежных экстракторов экстрактора горизонтального, напорного, герметизированного
(ЭГНГ) приведена на рис. 18.20 (ранее назывался роторным экстрактором – РЭ). Этот противоточный центробежный экстрактор высокоэффективен, но отличается сложностью конструкции.
положном направлении. При этом жидкости многократно смешиваются за счет истечения через отверстия перфораций или контактируют за счет противоточного движения пленок (при сплошном роторе, см. рис. 18.20, б. В аппарате достигается высокая интенсивность разделения фаз под действием центробежной силы даже при малой разности плотностей жидкости. Рафинат и экстракт удаляются по обособленным колоннам (см. риса, б).
В более усовершенствованных конструкциях таких экстракторов контактирующие элементы выполнены в виде перфорированных концентрических цилиндров.
Ротор экстрактора представляет собой барабан помещенный в кожухе 3. В
барабане имеются перегородки и каналы 5, образованные широкой перфорированной
(или сплошной) спиральной лентой. Число витков спирали около Контактирующие жидкие фазы подают с помощью насосов через полый вал 2 по обособленным каналам. Причем тяжелая жидкость 6 поступает к центру барабана, а легкая подводится к периферии барабана. Под действием центробежной силы, развиваемой при вращении барабана со скоростью от 1200 до 5000
об/мин, и напора подающих насосов тяжелая жидкость перемещается от центра к периферии, а легкая – в противо-
Рис. 18.20. Центробежный экстрактор ЭГНГ:
а
– разрез аппарата б – принципиальная схема движения фаз 1 – вращающийся барабан 2 – полый вал 3 – кожух – перегородка 5 – каналы 6 – тяжелая жидкость 7 – легкая жидкость

4 2 Разработаны также модели указанного типа экстракторов,
позволяющие обрабатывать жидкости, содержащие до 8 взвешенных частиц.
Кроме противоточных центробежных экстракторов применяются также центробежные экстракторы-сепараторы, в которых осуществляются однократное и многократное прямоточное смешение жидкостей и центробежное разделение эмульсий.
Аппараты этого типа представляют собой разновидности сверхцентрифуг или тарельчатых сепараторов, описанных в гл. разд. 9.3.3. В них контакт жидкостей и сепарирование фаз протекают раздельно внутри барабана.
Центробежные экстракторы компактны, высокоэффективны,
отличаются коротким временем пребывания жидкостей в аппарате. Поэтому они пригодны для экстракции легко разлагающихся веществ, чувствительных не только к нагреванию,
но и к продолжительному пребыванию в растворе при нормальной температуре. Но они непригодны для экстракции, сопровождаемой химической реакцией, когда требуется длительное время контакта фаз. Недостатком центробежных экстракторов являются относительно высокая стоимость и большие эксплуатационные расходы.
Производительность центробежных экстракторов определяется шириной ротора, а число получаемых теоретических ступеней его диаметром. В промышленных центробежных экстракторах число оборотов ротора колеблется в пределах ч об/мин,
что ограничивает размеры ротора (барабана, диаметр которого не превышает ч м. Уже созданы аппараты такого типа с производительностью, превышающей 200 м
3
/ч, поэтому их можно использовать в многотоннажных производствах.
Расчет экстракторов
Расчет экстракционных аппаратов многих типов еще недостаточно разработан. Цель расчета – определение их основных размеров, например диаметра и высоты. Эти размеры следует рассчитывать на основе общих уравнений для массообменных аппаратов, приведенных в гл. 15. Однако в указанных уравнениях необходимы данные, полученные эмпирически для конкретных условий и масштабов производства. Имеющиеся зависимости получены для экстракторов небольших размеров и часто – без учета влияния распределяемого вещества на параметры процесса.
Поэтому расчеты промышленных аппаратов можно проводить лишь в первом приближении.
Диаметр колонны рассчитывают по предельно допустимой производительности (нагрузке, которая должна быть ниже производительности, соответствующей захлебыванию колонны.
Производительность в точке захлебывания можно найти по

4 2 максимальной задержке дисперсной фазы, те. по наибольшей удерживающей способности колонных з ( мм) и по характеристической скорости капель w
?
0 мс, равной средней скорости свободного осаждения капель в неподвижной сплошной фазе.
Скорость w
?
0
связана с величинами задержки х з и фиктивными
(отнесенными к полному сечению колонны) объемными скоростями сплошной фазы – см ми дисперсной фазы – дм 3(м2)следующей зависимостью x
V
x
V
?
0
?
?
?
?
1 1
?
?
?
?
=
?
+
, (где
? – доля объема, доступного для прохода жидкости, от общего объема колонны (для распылительных колонн
? = 1, для насадочных колонн – свободному объему насадки).
Уравнение (18.20) характеризует стесненное осаждение капель. При захлебывании величинах з достигает максимума.
Поэтому, продифференцировав уравнение (18.20) по х з и приравняв производные
0
?
c
=
dx dV
и
0
?
?
=
d?
dV
, можно определить фиктивную скорость каждой из фаз в момент захлебывания 2
?
?
?
=
(и 2
1
)
x
)(
x
(
w
V
?
?
?
?
=
. (Исключая из уравнений (18.21) и (18.22) величину w
?
0
, находят задержку дисперсной фазы в точке захлебывания b
(
?
,
?
?
+
=
1 4
3 8
5 0
2
?
, (где
?
?
V
V
b =
– отношение объемных скоростей фаз.
Определив х з, можно по уравнению (18.22) или по уравнению) и величине b рассчитать предельную фиктивную скорость сплошной фазы. При этом нужно знать величину w
?
0
, которую определяют по эмпирическим уравнениям, приводимым для экстракторов различных типов в специальной литературе [4, Действительную скорость сплошной фазы обычно принимают равной ч от скорости захлебывания.
Рабочую высоту экстрактора определяют по общим уравнениям ((15.43), (15.47) гл. 15). При расчете по уравнению) n т – число теоретических ступеней контакта определяют графически (см. гл. 15, рис. Общую высоту единицы переноса поданной фазе рассчитывают в соответствии с уравнением h
h
?
c oc
+
=
, (18.24)

4 3 где
?
?
p
V
V
K
A
?
=
– фактор экстракции h д, h с – высота единицы переноса
(ВЕП) в сплошной и дисперсной фазах соответственно.
Величины h д и h смогут быть определены в зависимости от коэффициента массоотдачи в данной фазе c
c c
?
=
и где д, с – коэффициенты массоотдачи в сплошной и дисперсной фазах соответственно, кмоль/(м
2
•с•кмоль/кмоль); а – удельная поверхность контакта фаз (в мм, которую определяют из соотношения cp
6
d x
a
?
?
=
, где d ср
– средний диаметр капель.
Величины д, си ср рассчитывают по эмпирическим уравнениям для экстракторов различных типов [4, Для насадочных экстракционных колонн приближенный расчет высоты единицы переноса можно вести по формуле h
?
?
?
=
, (где d экв – эквивалентный диаметр насадки, м – диффузионный критерий Прандтля.
18.3. Экстракция в системах твердое тело жидкость. Общие сведения
Как уже было отмечено, процессы экстракции из твердых материалов имеют весьма большое значение в современной фармации.
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.
Экстрагирование биологически активных веществ – главная стадия переработки лекарственного сырья как растительного, таки животного происхождения.
В общем виде процесс экстракции в системе твердое тело жидкость состоит из следующих последовательно протекающих стадий. Проникновение растворителя в поры частиц твердого сырья
(высушенного или свежего. Растворение целевого компонента. Перенос экстрагируемого вещества из внутренних структур частиц твердого сырья к поверхности раздела фаз с образованием диффузионного пограничного слоя (пленки. Перенос экстрагируемого вещества через пограничный диффузионный слой (пленку

4 3 1 5. Перенос экстрагируемого вещества от наружной поверхности диффузионного пограничного слоя в объем омывающего сырье экстрагента.
Следовательно, как видно из приведенного, первая и вторая стадии связаны с растворением твердых веществ, перевод которых в раствор позволяет ускорить последующий перенос экстрагируемых компонентов.
В данном разделе рассматриваются процессы избирательного
(селективного) растворения одного или нескольких веществ из твердых тел, являющихся смесью различных компонентов. Такие процессы растворения, представляющие собой диффузионное извлечение растворителем компонента (или компонентов) из пористого твердого материала, называются экстракцией в системе твердое тело – жидкость или выщелачиванием.
В качестве избирательных растворителей при выщелачивании используют воду или водные растворы кислот и щелочей. В
фармацевтической технологии применяются также различные масла, этанол различных концентраций, хлороформ, хлористый метилен и другие (подробно об экстрагентах и требованиях к ним см. т. Если твердый материал очень тонко измельчают, то он образует с растворителем гетерогенные текучие системы, называемые пульпами
Иногда в процессах экстрагирования (выщелачивания) на второй стадии может происходить реакция экстрагента с извлекаемым компонентом. Тогда в последующих (третья – пятая)
стадиях будет происходить перенос продуктов реакции. Перенос всех веществ на этих трех стадиях будет осуществляться за счет диффузии.
Если извлекаемое вещество содержится в порах твердого тела в растворенном виде, то оно непосредственно переходит в растворитель путем диффузии.
На перенос вещества при выщелачивании значительное влияние оказывает, помимо формы, размера и химического состава частиц твердого тела, его внутреннее строение, в том числе размеры,
расположение и вид пор (сквозные или закрытые с одного конца).
От структуры пористого твердого тела зависит его диффузионная проводимость, которая может оказывать значительное, а иногда и определяющее влияние на скорость выщелачивания.
В некоторых случаях растворение происходит в результате реакции на поверхности раздела фаз, протекание которой сопровождается образованием не только растворимых, но и нерастворимых (или частично растворимых) твердых, а также газообразных продуктов реакции. Выделение твердых и газообразных продуктов может привести к образованию пористой пленки или оседанию пузырьков газа на поверхности твердого

4 3 материала. Все эти явления могут существенно уменьшать поверхность материала, доступную для взаимодействия с растворителем, и соответственно снижать скорость реакции. Особенности извлечения биологически активных веществ из сырья с клеточной структурой
Основу структуры веществ, подвергаемых экстракции в фармацевтическом производстве, составляют капиллярно- пористые системы растительного или животного происхождения.
Несмотря на то что клетки у растений и животных специфичны и разнообразны, существуют единые принципы их построения Все клетки состоят из цитоплазмы 1, в которой находятся митохондрии 2, ядро 3 и органоиды клетки (аппарат Гольджи лизосомы 5, эндоплазматический ретикулум 6, рибосомы 7 (риса б
Рис. 18.21. Схемы строения клеток:
а
– растительная клетка б – животная клетка – цитоплазма 2 – митохондрии 3 – ядро 4 – аппарат Гольджи;
5 – лизосомы 6 – эндоплазматический ретикулум; 7 – рибосомы – цитоплазматическая мембрана 9 – поры 10 – вакуоль с клеточным соком 11 – клеточная стенка 12 – включения (кристаллы, крахмальные зерна 13 – клеточный центр 14 – включения (продукты обмена веществ – пластиды; 16 – ядрышко
Цитоплазма окружена плазматической (клеточной) мембраной, имеющей различную толщину (ч нм. Животные клетки имеют тонкую эластичную оболочку. У растительных клеток это тонкая, плотная, менее упругая целлюлозная оболочка,
окружающая и защищающая истинную клеточную мембрану

4 3 Животные клетки также могут иметь наружные оболочки,
состоящие из полисахаридов или гликопротеидов. Помимо механической, защитной, функции оболочка обладает фильтрационными и ионообменными свойствами за счет существования пор 9, диаметры которых – ч нм.
Поры имеют структуру длинного извилистого канальца.
Мембраны регулируют биохимические процессы в клетках,
увеличивая или уменьшая проницаемость. Степень проницаемости растительной клетки лимитируется состоянием оболочки,
клеточной мембраны, цитоплазмы и тонопласта, находящегося на границе вакуоли. В живых растительных клетках основное сопротивление массопереносу оказывают мембраны, окружающие цитоплазму, и находящиеся в ней органеллы. Если белки этих мембран и цитоплазмы денатурированы, то основное сопротивление оказывает оболочка клетки.
Особенности извлечения биологически активных веществ из сырья с клеточной структурой связаны стем, что на пути к веществам, содержащимся в клетке, находится клеточная стенка,
физиологическое состояние которой может быть различным. Так,
живая растительная клетка имеет пристенный слой протоплазмы определенной толщины. Пристенный слой протоплазмы накладывает отпечаток на свойства клеточной стенки как перегородки (мембраны, отделяющей раствор внутри клетки
(клеточный сок) от жидкости вне клетки.
Пока протоплазма жива, клеточная стенка является полупроницаемой перегородкой, не пропускающей наружу вещества, растворенные в клеточном соке. В данном случае возможно лишь проникновение экстрагента внутрь клетки (осмос).
Совершенно по-другому ведет себя мертвая клетка. Вследствие гибели (денатурации) мембраны клеточная стенка теряет характер полупроницаемой перегородки и начинает пропускать вещества в обе стороны. Другими словами, клеточная оболочка (стенка)
приобретает свойства пористой перегородки, а процесс извлечения из клетки – характер диализа, те. диффузии веществ в молекулярно-ионном состоянии. Некоторые коллоиды и вещества с относительно большим молекулярным весом через перегородку не пройдут.
При экстрагировании растительного сырья почти всегда приходится иметь дело с высушенным материалом, на замачивание
(для набухания) которого по регламенту затрачивается от 4 до 6 ч.
Указанную операцию можно проводить отдельно, а можно совмещать с последующими стадиями. Необходимость замачивания вызвана малыми скоростями протекающих явлений. Процесс набухания начинается с проникновения экстрагента внутрь частичек (кусочков) растительного сырья. Вначале по макро-, затем по микротрещинам, по межклеточным ходами межклеточникам

4 3 экстрагент достигает клеток и получает возможность диффундировать через клеточные стенки (диализ. По мере проникновения экстрагента в клетку ее содержимое (спавшееся при сушке растения в небольшой комочек) начинает набухать и переходить в раствор (десорбция и растворение. Затем ввиду разницы между концентрацией раствора в клетке и вне ее начинается молекулярный перенос растворенных веществ в обратном направлении, через клеточную стенку (диализ сначала в экстрагент, находящийся в межклеточниках и межклеточных ходах, а затем в экстрагент, заполняющий микро- и макротрещины,
и, наконец, в экстрагент, омывающий кусочек растительного материала.
Механизм диффузии через клеточную мембрану, согласно теории равновесной сорбции, заключается в следующем молекулы диффундирующего вещества сорбируются материалом мембраны,
диффундируют через нее и десорбируются с другой ее стороны.
При этом скорость диффузии вещества через мембрану лимитируется градиентом концентрации и характеристикой самой мембраны. После выноса веществ из клетки их диффузия фактически становится свободной молекулярной диффузией,
правда, ограниченной узкими просветами пори длиной ходов капилляров выноса веществ к наружной поверхности. Кроме того,
дополнительное сопротивление возникает из-за частого соударения частиц со стенками пор.
Весь этот сложный комплекс диффузионных явлений,
протекающих внутри кусочков растительного материала, называется внутренней диффузией и характеризуется коэффициентом внутренней диффузии D
вн
. Величина D
вн будет значительно меньше,
чем для свободной молекулярной диффузии D (см. гл. уравнение (15.8)). Так, например, если величина коэффициента свободной молекулярной диффузии для большинства природных соединений составляет ч мс, то для этих же соединений величина коэффициента диффузии в порах растительного материала нач порядка меньше, что составляет ч мс. Равновесие и скорость экстрагирования
Равновесие при экстракции в системе твердое тело – жидкость наступает тогда, когда химический потенциал растворенного вещества становится равным величине его химического потенциала в исходном твердом материале. Достигаемая при этом предельная концентрация раствора соответствует насыщению последнего и называется растворимостью. Данные о растворимости различных веществ в зависимости от температуры приводятся в справочниках Движущей силой процессов экстракции жидкостью из твердых материалов является разность между концентрацией растворяющегося вещества у поверхности твердого тела С
гр и его средней

4 3 концентрацией Св основной массе раствора. Обычно вблизи поверхности твердого тела равновесие устанавливается очень быстро. Поэтому концентрация на границе твердой фазы может быть принята равной концентрации насыщенного раствора С
нас и
движущая сила будет выражена разностью С
нас
– С
0
При большой скорости межфазного перехода скорость процесса, определяемая количеством вещества, растворяющегося за время d
?, определится по уравнению массоотдачи (15.12) или dM
0
???
?
?
?
=
?
, (где
?
d dM
– скорость межфазного перехода;
М
– масса растворяющегося твердого вещества в момент времени
?;
F
– поверхность растворения твердого вещества в момент времени
?;
? – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе.
Изменение концентрации растворяющегося вещества упрощенно представлено на рис. Рис. 18.22. Изменение концентрации растворяющегося вещества вблизи поверхности твердого тела
Из него видно, что наиболее резкое падение концентрации растворяющегося вещества происходит в области диффузионного пограничного слоя (пленки) толщиной
?. Соответственно наиболее медленной и лимитирующей стадией процесса является перенос растворяющегося вещества в этом пограничном слое (пленке)
путем молекулярной диффузии. Поэтому согласно первому закону
Фика (15.6):
?
?
?
=
?
0
???
C
C
F
D
d dM
, (где D – коэффициент свободной молекулярной диффузии