Экстрагирование.

(от лат. extraho - вытягиваю, извлекаю), перевод одного или неск. компонентов из твердого пористого тела в жидкую фазу с помощью избират. р-рителя (экстрагента); один из массообменных процессов хим. технологии. Наряду с термином "экстрагирование" часто применяют термин "выщелачивание" (в англоязычной литературе "leaching"), назв. к-рого происходит от слова "щелочь". Действительно, в нек-рых технол. процессах извлечения р-р содержит щелочь; однако во мн. иных аналогичных процессах, также наз. "выщелачиванием", щелочь вообще не используется. Поэтому термин "экстрагирование", под к-рым понимают извлечение в системе твердое тело - жидкость, следует считать более общим и предпочтительным.
Экстрагирование существенно отличается от экстракции жидкостной, к-рая протекает в гетерог. системе жидкость - жидкость. При экстрагировании размеры твердых тел задаются предшествующими операциями (измельчение).
Различают два принципиально разных способа извлечения: экстрагирование растворенного в-ва и экстрагирование твердого в-ва. В случае экстрагирования растворенного в-ва пористый объем твердого тела заполнен р-ром целевого компонента, к-рый при извлечении диффундирует за пределы пористого тела в экстрагент. Классич. пример - извлечение сахара из свекловичной стружки при ее обработке горячей водой. Экстрагирование твердого в-ва происходит, если целевой компонент, заполняющий пористый объем твердого тела, находится в твердом состоянии. При обработке твердого тела экстрагентом диффузионной стадии предшествует стадия растворенияцелевого компонента. В обоих случаях пористый инертный скелет либо остается в неизмененном виде, либо подвергается определенным изменениям.
К осн. стадиям экстрагирования относят: 1) подготовку сырья и экстрагента (очистка и измельчение сырья, нагревание р-рителя); 2) непосредственное контактирование твердой и жидкой фаз в аппарате, наз. экстрактором; 3) разделение системы твердая фаза - р-р (отстаивание, фильтрование, центрифугирование).
Пром. экстрагенты должны обладать высокой избирательностью, легко регенерироваться и быть сравнительно дешевыми. Таким требованиям отвечают вода, этанол, бензин, бензол, СС1₄ ацетон, р-ры к-т, щелочей и солей.
На скорость и механизм экстрагирования существенно влияет структура твердых пористых тел, особенности строения к-рых определяются их природой и технол. обработкой на стадиях, предшествующих экстрагированию. Такие тела могут обладать изотропной или анизотропной структурой. Изотропные тела имеют одинаковое строение во всех направлениях. Этому условию отвечают тела, состоящие из весьма малых сцементированных между собой частиц, а также тела животного или растит. происхождения, обладающие клеточным строением. При измельчении изотропных тел возможно появление анизотропии. Для анизотропных тел может наблюдаться регулярная анизотропия. Так, в случае растит. объектов, имеющих систему капилляров, направление вдоль капилляра предпочтительно для диффузионного переноса в сравнении с направлением, перпендикулярным к капилляру. При нерегулярнойанизотропии тело можно рассматривать как совокупность емкостей, отделенных одна от другой непроницаемыми перегородками. Особенно неблагоприятно для экстрагирования существование замкнутых областей, изолирующих заключенную в них жидкость от экстрагента.
В соответствии со вторым началом термодинамики при взаи-мод. твердой и жидкой фаз их состояние изменяется в направлении достижения равновесия, к-рое характеризуется равенством хим. потенциалов извлекаемого в-ва в объеме твердого тела и в осн. массе экстрагента. При извлечении растворенного в-ва это равносильно равенству его концентраций в обеих фазах; условие нарушается, если целевой компонент адсорбируется твердой фазой, тогда равновесие определяется изотермой адсорбции (см. Адсорбция). При извлечении твердого в-ва равновесие обусловлено р-римостью целевого компонента, находящегося в контакте с экстрагентом; при полном извлечении твердого компонента его концентрации в осн. массе р-ра и в пористом объеме выравниваются.
Кинетически экстрагирование подчиняется законам массообмена, конвективной и мол. диффузии (см. Диффузия), а также законам переноса извлекаемого в-ва из твердой фазы в жидкую (см. Переноса процессы). Движущая сила переноса целевого компонента - разность его хим. потенциалов в фазах. На практике для упрощения связи между скоростью процесса и составом материальных потоков движущую силу экстрагирования выражают через переменный во времени градиент концентраций извлекаемого в-ва в фазах.

Массообмен при извлечении растворенного вещества. Концентрационное поле в объеме сферич. пористой частицы радиусом R (наиб. распространенный случай) с изотропной структурой м. б. описано дифференц. ур-нием диффузии в сферич. координатах:

где с - концентрация в-ва, растворенного в пористом объеме твердого тела (целевого компонента); t - время; D - коэф. диффузии в-ва в порах частицы; r - радиальная координата (0 r R).
Диффундирующий из глубины пористого тела целевой компонент достигает его границ и переходит в экстрагент. Этот процесс выражается ур-нием:

где К - коэф. массоотдачи; c₁ - соотв. концентрация в-ва на пов-сти частицы и текущая концентрация в-ва в объеме экстрагента. Вводя безразмерные параметры j= r/R и Bi = KR/D, преобразуем ур-ние (2) к виду:

Из ур-ния (3) становится ясным физ. смысл параметра Bi (диффузионное число Био; см. Подобия теория). При Bi параметр , т. е. концентрация в-ва на пов-сти частицы равна его концентрации в р-ре. Такие условия отвечают внутридиффузионному режиму (мол. диффузия), при к-ром экстракц. процесс протекает наиб. интенсивно. При Bi 1 производная мала и с = const; соответствующий режим, наз. внешнедиффузионным (конвективная диффузия), достигается увеличением скорости обтекания твердых частиц жидкостью. Подбирая определенные условия, для обеспечения макс. интенсивности экстрагирования можно перевести внешнедиффузионный режим во внутридиффузионный.
Систему ур-ний (1) и (2) необходимо решать совместно с ур-нием материального баланса, устанавливающим зависимость между с и c₁. Эта зависимость определяется схемой взаимод. фаз при экстрагировании (прямоток, противоток). Для прямоточного процесса:

где V и W - соотв. объем всех пор твердого тела, содержащих р-р, и экстрагента, поступающего в единицу времени в экстрактор; с₀ - начальная концентрация целевого компонента в порах; с_н - начальная концентрация целевого компонента в экстрагенте; - осредненная (к моменту времени t)концентрация целевого компонента в пористом объеме. Последняя составляет:

Для противоточного процесса:

где с_к - конечная концентрация целевого компонента в экстрагенте на выходе из экстрактора.
Система ур-ний (4) и (5) имеет решение:

где = Dt/R², = V/W; t = l/v (l - длина аппарата, v - скорость перемещения твердой фазы); m_n - корни характеристич. ур-ния ; с_т = с_н при (прямоток) и с_т= с_к при (противоток).

Массообмен при извлечении твердого вещества. Возможны разл. варианты распределения твердого целевого компонента по объему частицы; во мн. случаях наблюдается равномерное распределение. Вследствие растворения в-ва и диффузии его за пределы частицы область, содержащая твердый целевой компонент, при экстрагировании систематически сокращается. Процесс описывается ур-нием (1) при краевых условиях: и где r₀ - радиус сферы, в к-рой целевой
компонент сохраняется в твердом виде; c_s - концентрация насыщения р-ра целевым компонентом.
Вместо решения задачи с подвижной границей раздела фаз можно использовать также приближенное ур-ние:

где М - масса твердого целевого компонента в объеме частицы.
Рассматривая медленный процесс извлечения твердого в-ва как квазистационарный, т. е. такой, при к-ром в каждый момент времени "успевает" установиться стационарное распределение концентраций в виде [(с_s - с)/(с_s — c₁)] = = [(1 - r_о/r)/(1 - r_о/R)], находят:

где Из ур-ния (8) определяют время t_э, извлечения всего в-ва из частицы радиусом R:

Более общую задачу непрерывного экстрагирования (прямоток, противоток) решают, используя ур-ния материального баланса (4) и (5).

Дата добавления: 2015-07-16