Применение треугольных диаграмм для расчета экстракции

Треугольные диаграммы. Составы тройных смесей в состоянии равновесия удобно изображать в треугольной диаграмме Гиббса. Отметим, что часто фазы, участвующие в процессе экстракции, частично растворимы друг в друге. Тогда экстракт помимо экстрагента и растворенного вещества содержит еще некоторое количество растворителя из исходного раствора, а рафинат помимо первоначального раствора и некоторого количества растворенного вещества – определенное количество экстрагента. Оба раствора состоят из трех компонентов.

А, В, С – чистые компоненты.

В точке А – чистый Фх,

в точке В – чистый М,

в точке С – чистый Фу.

Точки на площади треугольника соответствуют составам трехкомпонентных растворов.

Определим концентрации компонентов в точке М. Для этого через точку М проведем параллельные линии к линиям АВ, ВС и АС до пересечения. При этом отрезок определяет концентрацию компонент А в точке М, – компонента В, – компонента С.

Рис. 4.3. Треугольная диаграмма.

С помощью треугольных диаграмм, используя правила рычага, можно достаточно просто определить не только состав, но и количество (массу) фаз (рис.4.4).

Рис.4.4. Правила рычага на треугольной диаграмме.

Средний состав смеси, образующихся при смешении двух трехкомпонентных смесей (например, состава R и E) лежит на отрезке прямой, соединяющей эти точки (например, состава М). Эта точка М по правилу рычага разделяет отрезок на отрезки, обратно пропорциональные количествам (массам) исходных смесей. При разделении М кг смеси по правилу рычага имеем:

 

(4.2)

 

где R и E – количества рафината и экстракта соответственно, кг. Выражение (4.2) позволяет найти положение точки М, если известны количества растворов R и E.

Кривая равновесия

При расчете процесса экстракции, как и для любого массообменного процесса, необходимо знание равновесных концентраций.

Рассмотрим кривую равновесия в треугольной диаграмме.

Рис. 4.5. Равновесная кривая в треугольной диаграмме.

А – 100% - растворитель в исходном растворе, В – 100% - растворенное вещество, С – 100% - экстрагент.

Линии АВ, ВС, СА – характеризуют состав двухкомпонентных растворов. Пусть А и В, В и С, неограниченно растворимы друг в друге,

а А и С – ограниченно растворимы.

На участке G₁ и G₂ любая смесь компонентов А и С расслаивается на два однородных двухкомпонентных раствора, состава которых отвечают точкам G₁ и G₂. Если к ним добавить В, получим трехкомпонентный расслаивающий раствор соответствующий точкам D₁ и D₂. Хорда соединяющие точки D₁ и D₂ соответствует растворам, находящихся в равновесии друг с другом. При дальнейшим добавлении компонента В получим расслаивающиеся системы характеризующиеся точкам Е₁ и Е₂ и т.д. Эти точки постепенно сближаются, наконец соединятся в точке К. Точка К– критическая точка, соответствует однофазному раствору.

Соединяя точки G₁, D₁ , Е₁ , …, G₂, D₂ , Е₂ и т.д. получают равновесную (бинодальную) кривую, выше которой система однофазна и для процесса экстракции интереса не представляет.

Хорды, соединяющие точки D₁ и D₂, E₁ и E₂ и т.д. на бинодальной кривой, называют конодами, которые непараллельны друг другу, так как компонент В неравномерно распределяется между компонентами А и С. Любая точка, лежащая на площади, ограниченной равновесной кривой кривой, соответствует двухфазной системе

Взаимная растворимость с увеличением температуры повышается, поэтому область существования гетерогенных систем уменьшается. При высоких температурах может вообще исчезнуть (точка Т_кр на рис. 4.6).

 

Рис. 4.6. Влияние Т на равновесную кривую.

Селективность экстрагента. Основным свойством экстрагента является селективность, которая характеризует его способность преимущественно извлекать один из двух, трех и более компонентов раствора. Селективность С по отношению к В выражается отношением концентраций компонентов В и А в фазе экстракта , разделенным на отношение концентраций в фазе рафината . Селективность экстрагирования по отношению к распределяемому компоненту характеризуется коэффициентом селективности (коэффициент разделения) :

 

(4.3)

 

или с учетом (4.1)

 

(4.4)

 

Как видно, чем больше тем больше . Если =1, то селективность равна 0. В реальных условиях больше 2. Увеличение можно добиться изменением рН раствора.

4.1.2 Материальный баланс процесса жидкостной экстракции.

Однократная (одноступенчатая) экстракция.

Рассмотрим одноступенчатую (однократную) экстракцию. Этот простейший метод заключается в том, что исходный раствор F и экстрагент S перемешивается в смесителе, после чего разделяется на два слоя: экстракт E и рафинат R:

F + S = E + R (4.5)

Здесь F,S – количество исходного раствора и экстрагента соответственно кг.

 

Рис. 4.7 Схема одноступенчатой экстракции: 1 – смеситель, 2 – отстойник (сепаратор).

Фазы, участвующие в жидкостной экстракции, обладают частичной взаимной растворимостью. Тогда система как минимум является трехкомпонентной. Для трехкомпонентной смеси используется треугольная диаграмма. Уравнение (4.5) можно переписать как:

F + S = N = R + E (4.6)

 

Рис. 4.8. К выводу уравнения материального баланса.

Выражение (4.6) позволяет представить материальный баланс на треугольной диаграмме как процесс смешения потоков F + S = N и затем разделения этой тройной смеси состава N на потоки R + E. По правилу рычага можно записать:

 

(4.7)

 

Тогда при заданной F находим необходимое значение S для процесса. Соотношение потоков Е и R находят по формуле

(4.8)

Материальный баланс компонентов А и В в потоках экстракта Е и рафината R с учетом рис.4.3 имеет вид:

 

(4.9)

Так как сумма концентраций всех трех компонентов А, В, С равна 100%, то матбаланс по компоненту С не нужен. Учитывая, что N = E + R получим:

Разделив одно на другое получим:

(4.10)

 

Уравнение (4.10) является уравнением прямой линии. По уравнениям (4.7) – (4.10) можно найти состав любого потока, если известны количества и состав трех остальных потоков.

Основные методы экстракции

В химических производствах применяются следующие схемы экстракции: однократная экстракция, многократная экстракция с перекрестным током растворителя, многократная экстракция с противотоком растворителя, непрерывная противоточная экстракция, ступенчатая противоточная экстракция.

Однократная экстракция может быть проведена периодическим или непрерывным способом. Схема процесса периодической экстракции приведена на рис. 4.48а. В аппарат с мешалкой загружается исходный раствор вместе с экстрагентом . Обе жидкости перемешивают до установления равновесия. По окончании перемешивания жидкости расслаиваются в этой же мешалке. После отстаивания сливают сначала наиболее тяжелый слой рафината , а затем экстракта .

Для расслаивания фаз часто используют особые отстойники (рис. 4.48б).
В таких случаях процесс однократной экстракции можно проводить непрерывным способом.

 

Рис. 4.48. Схема процесса однократной экстракции:

а – периодический способ; б – непрерывный способ

При взаимной нерастворимости фаз процесс однократной экстракции может быть изображен в координатах прямой линией (рис. 4.49), тангенс угла наклона которой равен отношению массовых загрузок исходного раствора и поглотителя . По диаграмме могут быть найдены составы рафината и экстракта при различных соотношениях загрузок. Если при увеличении количества растворителя можно получить рафинат любой степени чистоты, то предельное насыщение экстракта определится точкой .

 

Рис. 4.49. Процесс однократной экстракции в диаграмме

Эффективность процесса однократной экстракции невелика и поэтому широкого распространения в промышленности этот способ не получил. Эффективность процесса может быть повышена, если ее проводить многократно, используя каждый раз свежую порцию экстрагента для обработки одной и той же порции исходного раствора. Такой способ проведения процесса получил название многократной экстракции с перекрестным током экстрагента.

Из первой ступени однократной экстракции исходного раствора растворителем полученный рафинат состава вводится во вторую ступень, где обрабатывается свежей порцией растворителя, полученную смесь расслаивают на рафинат и экстракт . Процесс обработки ведут до тех пор, пока не получат рафинат заданного состава. Получаемые в каждой ступени порции экстракта содержат уменьшающееся количество распределяемого компонента.

Процесс многократной экстракции можно провести периодическим способом в одном аппарате с мешалкой. Для этого одну и ту же порцию исходного раствора обрабатывают несколькими порциями растворителя, каждый раз смешивая, расслаивая и выводя порцию экстракта из одного и того же аппарата.

При взаимной нерастворимости фаз процесс многократной экстракции с перекрестным током растворителя может быть представлен в диаграмме (рис. 4.50) рабочими линиями для каждой ступени, причем состав рафината после каждой ступени равен составу исходной смеси на входе в последующую ступень.

Недостатками способа являются большой расход свежего растворителя и его недостаточное насыщение в ступенях экстракции. Эти недостатки могут быть устранены, если использовать противоточное движение рафината и экстракта при многократной экстракции.

Многократная экстракция с противотоком растворителя. Исходный раствор самотеком перетекает из ступени в ступень, передавая распределяемый компонент эстрагенту.

В каждой ступени осуществляется однократная экстракция очищенного рафината более свежим противоточно движущимся растворителем. В последней ступени рафинат контактирует со свежим растворителем .

Противоток растворителя от последней ступени к первой (по току рафината) осуществляется насосами. На первой ступени насыщенный распределяемым веществом растворитель контактирует с исходным раствором и выходит в виде экстракта , предельно насыщенного распределяемым веществом.

Непрерывная противоточная экстракция. Схема непрерывной противоточной экстракции приведена на рис. 4.51а. Исходный раствор непрерывно стекает вниз, отдавая распределяемое вещество движущемуся противотоком экстракту. Такой процесс может быть осуществлен в насадочных или распылительных колоннах.

При взаимной нерастворимости фаз процесс противоточной экстракции представлен на рис. 4.51б.

 

 

Рис. 4.51. Непрерывная противоточная экстракция:

а – схема процесса; б – изображение процесса в диаграмме

 

 

Ступенчатая противоточная экстракция проводится в колонном тарельчатом экстракторе. Процесс, проводимый по данной схеме (рис. 4.52), отличается тем, что состав сплошной фазы при переходе от ступени к ступени меняется скачкообразно, а состав дисперсной фазы по высоте аппарата – непрерывно.

При взаимной нерастворимости фаз процесс ступенчатой противоточной экстракции по всему аппарату может быть представлен на диаграмме в виде рабочей линии ab.

Расчет процесса экстракции

Конструкции экстракторов

В промышленности применяется большое число различных конструк­ций экстракционных аппаратов; их можно подразделить:

I. По способу смешения фаз экстракторы делятся на подгруппы:

1) аппараты ступенчатого типа, имеющие определенное число ступе­ней (типа смеситель-отстойник), в каждой из которых происходит контак­тирование и последующее разделение фаз. В целом в системе осуществля­ется противоточное движение фаз за счет соответствующего соединения ступеней по потокам рафинатных и экстрактных растворов (см. рис. IX-13);

2) аппараты колонного типа с непрерывно изменяющимся составом фаз. Колонные аппараты могут быть пустотелыми, насадочными и тарель­чатыми. Противоточное движение фаз в аппаратах колонного типа осуществляется главным образом за счет разности плотностей сырья и раствори­теля или соответственно рафинатных и экстрактных растворов.

II. По способу разделения фаз экстракторы делятся на подгруппы:

1) аппараты отстойного типа;

2) центробежные аппараты.

111 По отсутствию или наличию подвода энергии

1) без подвода энергии – обычные колонные аппараты;

2) с подводом энергии (интенсифицированные)- пульсационные, ротационные, вибрационные, центробежные и т.д.

Наибольшее применение в нефтегазопереработке нашли аппараты колонного типа.

Промышленные экстракторы, как правило, представляют собой устройства непрерывного действия. Экстракторы периодического действия применяют в малотоннажных производствах и при лабораторных работах.

По характеру изменения состава жидких фаз экстракционные аппараты делятся на смесительно-отстойные, колонные (дифференциально-контактные) и центробежные.

В смесительно-отстойных экстракторах происходит смешение и разделение фаз в каждой ступени. Поэтому концентрации извлекаемого компонента в экстрагенте и обрабатываемой смеси изменяются ступенчато.

В колонных экстракторах осуществляется непрерывный или близкий к непрерывному контакт экстрагента и исходного раствора. Фазы движутся противотоком друг к другу и непрерывно разделяются на выходе из аппарата. Концентрация извлекаемого компонента в фазах изменяется также непрерывно по всему аппарату.

В центробежных экстракторах сам процесс экстракции и разделение фаз происходит в центробежном поле, причем контакт фаз может осуществляться как ступенчато, таки непрерывно.

Смесительно-отстойные экстракторы могут представлять собой один аппарат, в котором процесс осуществляется периодически (перемешивание – расслоение), либо два аппарата, обеспечивающих непрерывный процесс: в первом происходит процесс экстракции (перемешивание), во втором – разделение полученных продуктов (отстаивание).

Экстракторы с мешалками являются наиболее распространенными аппаратами этого типа. Перемешивающее устройство необходимо для дробления одной из жидкостей в другой, что обеспечивает увеличение поверхности контакта фаз. Кроме того, оно обеспечивает поддержание капель во взвешенном состоянии и их перемещение относительно дисперсионной среды.

Для перемешивания применяют чаще всего быстроходные пропеллерные или турбинные мешалки. На рис. 12.2 представлен экстрактор с мешалкой, на вертикальном валу которой установлено

два пропеллера 1 и 2 с противоположным наклоном лопастей. Для усиления дробящего действия эти пропеллеры могут быть помещены в центральную циркуляционную трубу 3 с отверстия ми 4.

Смесительные экстракторы могут не иметь движущихся частей.

Инжекторный смеситель (рис. 12.3, а) обеспечивает перемешивание фаз в диффузоре путем подачи в него с большой скоростью жидкости L, засасывающей за счет своей кинетической энергии жидкость G.

Диафрагменный смеситель (рис. 12.3, б) обеспечивает дробление и перемешивание жидкостей L и G путем пропускания и: через установленные внутри трубы перфорированные диафрагмы. К экстракторам этого типа относятся трубы, заполненные насад кой, сопла, а также вентили.

 

Трубчатый смеситель (рис. 12.3, в) состоит из коаксиально установленных труб. Во внутреннюю перфорированную трубу подается под давлением жидкость (фаза G), в межтру6ное пространство, также под давлением, - фаза L. Перемешивание фаз (экстракция) происходит в кольцевом зазоре между трубами.

Недостатками последних трех типов смесителей является незначительная продолжительность перемешивания жидкостей в их рабочих зонах, а также необходимость установки после них сепарационного о6орудования (отстойников).

Колонные экстракторы подразделяют на распылительные (полые), насадочные, тарельчатые, пульсационные и роторно-дисковые.

Распылительные (полые) экстракторы представляют собой пустотелые колонны, заполненные одной из взаимодействующих жидкостей. На рис. 12.4 представлен экстрактор 1, заполненный тяжелой жидкостью L. Более легкая жидкость G распыляется в нее с помощью диспергирующего устройства 2, установленного в нижней части аппарата. Если в качестве сплошной фазы используется легкая жидкость, тяжелая жидкость распыливается в нее сверху.

На некотором уровне капли дисперсной фазы сливаются и образуют слой, отделенный от сплошной фазы поверхностью раздела. Над ней установлен патрубок для отвода экстракта. Из нижней части колонны постоянно отводится сплошная фаза в качестве рафината.

Распылительные колонны обладают высокой производительностью, но малоэффективны, что объясняется укрупнением капель дисперсной фазы и обратным перемешиванием вследствие возникновения местных циркуляционных токов, нарушающих противоток фаз.

Насадочные экстракторы представляют собой распылительные экстракторы, заполненные насадочными телами, что способствует многократному дроблению и слиянию капель дисперсной фазы, а также сводит к минимуму обратное перемешивание.

По конструкции и простоте устройства насадочные экстракторы близки к распы‑

лительным, но производительность их несколько ниже, так как некоторая часть

сечения колонны занята насадкой. Эффективность разделения в этих аппаратах также невысокая.

Колонные экстракторы с тарелками (перегородками) применяют для уменьшения явления обратного перемешивания, а также организации благоприятных гидродинамических режимов проведения процессов экстракции.

В качестве перегородок могут использоваться чередующиеся друг с другом плоские диски (тарелки) и кольца. Контакт между фазами осуществляется при обтекании перегородок дисперсной фазой в виде тонкой пленки (при коалесценции* капель) и при движении капель дисперсной фазы в пространстве между перегородками.

В промышленности часто применяются колонные экстракторы с ситчатыми тарелками (рис. 12.5). В этом случае экстрактор 1 заполняется сплошной средой, которая перетекает из одного межтарельчатого пространства в другое через переливные патрубки 2.

Противотоком ей вводится дисперсная фаза, которая, накапливаясь в виде подпорного слоя под каждой тарелкой 3, диспергируется через отверстия тарелок в сплошную среду. Капли под действием подъемной силы движутся в среде и сливаются вновь в подпорном слое следующей тарелки.

В результате многократного диспергирования и слияния капель дисперсной фазы в противоточном слое сплошной среды осуществляется ступенчатая противоточная экстракция. С последней тарелки капли дисперсной фазы поступают в разделительную камеру или в специальный отстойник, откуда и выводятся из аппарата.

В колонных экстракторах дисперсной фазой может быть как легкая (см. рис. 12.5), таки тяжелая жидкости. В последнем случае переливные патрубки направлены вверх, подпорные слои накапливаются над тарелками, а разделительная камера находится под последней тарелкой в нижней части аппарата.

Колонные экстракторы с механическим перемешиванием фаз применяют при малой разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды и значительном межфазовом поверхностном натяжении, затрудняющем дробление из-за естественного течения жидкости. Высокая степень диспергирования в этом случае достигается путем введения в двухфазный поток механической энергии с помощью мешалок различных конструкций.

Одним из распространенных аппаратов такого типа является роторно-дисковый экстрактор (рис. 12.6, а). По оси колонны вращается ротор-вал 1, на который насажены плоские диски 2, перемешивающие двухфазный поток. Колонна делится на секции кольцевыми перегородками 3, укрепленными на стенках корпуса 4. Диски ротора вращаются в середине каждой секции. Движущиеся противотоком фазы L и G смешиваются дисками 2 и затем частично расслаиваются около неподвижных кольцевых перегородок.

 

 

 

Если в экстракторе сплошной фазой является тяжелая жидкость L, то для окончательного расслоения легкой дисперсной

фазы G и сплошной L служит верхняя часть б аппарата, отделенная от рабочей зоны перфорированной перегородкой 5.

Разновидностью аппаратов этого же типа является колонный экстрактор (рис. 12.6, б), в котором вместо плоских дисков установлены на валу лопастные 3 или открытые турбинные мешалки.

Для улучшения расслаивания фаз между смесительными секциями 1 расположены отстойные зоны 2, заполняемые сеткой, насадочными телами или блоками концентрических цилиндров.

Достоинством колонных экстракторов с механическим перемешиванием фаз является сочетание значительной производительности с высокой интенсивностью процесса массопередачи, что 1 позволяет уменьшать их высоту по сравнению с распылительными и насадочными колоннами. В то же время они потребляют значительное количество энергии.

В пульсационных экстракторах ввод дополнительной энергии в двухфазный поток осуществляется путем придания возвратно-поступательного движения (пульсации) жидкостям в рабочей зоне аппарата. Пульсация жидкостей увеличивает турбулизацию потоков и степень дисперсности фаз, повышая тем самым эффективность массопередачи в насадочных экстракторах или экстракторах с ситчатыми тарелками.

Для придания возвратно-поступательного движения жидкостным потокам используют бесклапанный поршневой, плунжерный или мембранный насос, или специальные пневматические устройства.

Режим работы пульсационного экстрактора зависит от интенсивности пульсации, характеризуемой произведением амплитуды (расстояния между крайними положениями уровня жидкости в экстракторе за один цикл) на частоту пульсации (число циклов в единицу времени). При малой интенсивности пульсации попеременно диспергируются легкая жидкость в слой тяжелой жидкости над тарелкой (первый период цикла) и тяжелая жидкость в слой легкой жидкости под тарелкой (второй период цикла). При увеличении интенсивности пульсации рабочая зона равномерно заполнена мелкими каплями, движущимися противотоком в сплошной фазе.

При дальнейшем увеличении интенсивности пульсации наступает захлебывание экстрактора вследствие образования стойкой эмульсии.

В центробежных экстракторах в качестве дополнительной механической энергии, обеспечивающей эффективное диспергирование, повышение относительной скорости движения фаз, а также интенсивного разделения, используется центробежная сила.

Центробежные экстракторы являются интенсивно работающими аппаратами. Значительные скорости движения жидкости обусловливают их высокую производительность и компактность.

Недостатками центробежных экстракторов по сравнению с другими типами аппаратов является их высокая стоимость и значительные затраты на эксплуатацию и ремонт из-за сложности конструкции.