Диаграмма равновесия тройной точки системы жидкость-жидкость с одной парой частично смешивающихся компонентов (А и С).

А - Первичный растворитель В – Экстрагируемый компонент

С – экстрагент

 

Компоненты А и В, В и С – образуют однородные растворы АВ и ВС, неограниченно растворимые друг в друге. А и С – частично растворимы (образуют однородные растворы АР и QC)

АКС – пограничная (бенодальная) кривая.

Поле внутри кривой – область смесей (любая смесь), расслаивающихся на 2 составляющие фазы, состав которых выражается точками на кривой.

Поле вне кривой – область нерсслаивающихся (гомогенных) растворов.

Точка К, пограничная точка: левая часть пограничной кривой – ветвь рафинатов; правая часть – ветвь экстрагентов. Отрезки (RE), соединяющие точки сосуществующих фаз – хорды равновесия (коноды).

Смесь М, как и все другие смеси внутри кривой, расслаивается на насыщенные растворы, количество которых определяется по правилу рычага.

Треугольные диаграммы строятся для постоянной температуры и хорды равновесия, что представляет собой изотермы растворимости.

Наклон хорд связан с изменением коэффициента распределения в зависимости от концентрации.

При экстракции неорганических веществ обычно удается подобрать экстрагенты, нерастворимые в исходной смеси. В этом случае при расчетах можно пользоваться наиболее простой прямоугольной диаграммой равновесия У-Х.

Для органических веществ, как правило, наблюдается заметная взаимная растворимость компонентов. В этом случае составы тройных смесей в состоянии равновесия изображают на треугольной диаграмме, вершины которой соответствуют чистым (100%) компонентам.

Любая точка внутри треугольника выражает состав трехкомпонентной системы, а точки на сторонах – составы бинарных систем.

М (70% А; 20% В; 10% С)

 

Смешение на треугольной диаграмме.

По правилу рычага, состав смеси, получаемой в результате смешения двух других смесей, лежит на прямой, соединяющей составы этих смесей, в точке, разделяющей данную прямую на отрезки обратно пропорциональные количествам исходных смесей.

Аналогично правило звучит для разделения (а не для смешения).

М, кг – исходная смесь

R, кг – рафинат

Е, кг – экстракт

Составы нам известны, сможем определить количества R и Е.

Расчет одноступенчатой экстракции в системах с ограниченной взаимной растворимостью.

По заданному составу исходного раствора и принятому соотношению количеств экстрагента и исходного раствора находят количество экстрагента, количества и составы получаемых рафината и экстракта.

Пусть при смешении F кг исходного раствора с S кг экстрагента образуется M кг смеси, после расслаивания которой получают R кг рафината и Е кг экстракта.

Известно:    : состав исходного раствора.

Материальный баланс:

M = F + S = R + E

1. Исходный раствор А+В выражается точкой F (S=0)

2. Соединяем F и S, т.е. смешиваем.

3. По правилу рычага находим точку М (при известном соотношении   )

Отсюда количество реагента:

4. Через точку М проводят хорду равновесия (по экспериментальным данным)

5. Применяя правило рычага, находят количество рафината и экстрагента.

; и   или

Откуда

Тогда E=M-R Проводя лучи SR и SE, находим точки Rk и Ek, отвечающие составам конечного рафината и экстракта (после удаления экстрагента – бинарные смеси, не содержащие экстрагента). Изменяя количество экстрагента, можно прийти в точки М1 и М2. В точке М1 отрезок FM – минимален, расход экстрагента S минимален, и в результате экстракции получают лишь слой рафината. В точке М2 – максимальное количество экстрагента, получают лишь слой экстракта.

Некоторые конструкции экстракторов

Существующие конструкции экстракторов можно разделить на две основные группы:

1) По способу смешивания фаз экстракторы делятся на следующие подгруппы:

а) Аппараты ступенчатого типа (типа смеситель-отстойник) в каждом из которых происходит контактирование и последующий отстаивание фаз.

б) Аппараты колонного типа с непрерывно изменяющимся составом фаз. Колонные аппараты могут быть пустотелыми, насадочными и тарельчатыми. Противоточное движение фаз в аппаратах этого типа осуществляется главным образом за счет разности плотностей сырья и экстрагента.

2) По способу последующего разделения образующихся экстрактов и рафинатов. Экстракторы делятся на следующие подгруппы:

а) аппараты отстойного типа;

б) центробежные аппараты.

Смешивание и разделение фаз может происходить либо за счет энергии движения самих потоков фаз, либо за счет подвода ее извне с помощью специальных устройств (сообщение пульсаций, ультразвука и т.д.)

Наибольшее распространение на НПЗ нашли колонные аппараты.

А) Аппараты типа смеситель-отстойник.

Схема одной ступени такого аппарата приведена на рисунке.

Растворы тяжелой фазы и легкой фазы по трубопроводу поступают в камеру смешивания, снабженной пропеллерным насосом. Этот насос играет двоякую роль: интенсивно смешивает фазы и транспортирует их вверх. Из камеры смешивания (1) смесь попадает в кольцевую камеру (2), а оттуда – в зону отстоя.

Тяжелая фракция из низа отстойника выводится по отпускной трубе в следующий экстрактор.

Легкая фракция выводится из верхней части отстойной зоны.

Б) Аппараты колонного типа

Эти аппараты наиболее широко применяются на НПЗ и различаются по типу контактных устройств (насадок или тарелок различных конструкций). На НПЗ чаще всего применяют насадочные экстракционные колонны.

Диаметр таких колонн достигает 5 м, а высота до 40 м, рабочее давление находится в интервале от 1 до 50 атмосфер.

Насадка (кольца Рашига 25х25х5 мм) укладывается секциями высотой от 1,2 до 3 м. Между ними расположены распределительные тарелки которые служат для более равномерного распределения потоков по сечению аппарата.

При необходимости смесь может отводиться на промежуточное охлаждение.

Исходный раствор подается в среднюю часть колонны, а экстрагент (если он является Т.Ф.) подается на орошение сверху (если он является Л.Ф., то снизу).

Рафинат выводится сверху колонны, а экстракт – снизу (аналогия с ректификационной колонной).

Пример: селективная очистка масел фенолом или фурфуролом.

 

В последние годы в колоннах начали применять насадки со струйным истечением фаз.

Это позволило повысить произво-дительность и улучшить разделительную способность колонн. Эта насадка состоит из элементов, обеспечивающих сбор и истечение фаз навстречу друг другу.

 После контактирования фазы расслаиваются: Л.Ф. собирается в вершинах конусообразных элементов и вытекает через отверстия вверх навстречу стекающей вниз Т.Ф.

Большое распространение получили также тарельчатые колонны с ситчатыми, жалюзийными и другими тарелками.

Эффективность насадочных и тарельчатых колонн во многих случаях может быть повышена за счет применения пульсирующих потоков. Пульсации могут создаваться плунжерными или диафрагмовыми насосами определенной частоты и амплитуды, а также пневматическими пульсаторами.

В этих колоннах развивается большая поверхность контакта фаз за счет:

1) Путь капель жидкости вследствие возвратно-поступательных движений столба жидкости удлиняется и увеличивается время пребывания их в колонне;

2) Колебательное движение капель приводит к энергичным ударам их о насадку (тарелку) и к дальнейшему дроблению. Кроме того, возрастает турбулизация потоков.

В) Аппараты ротационного типа.

Процесс экстракции может быть интенсифицирован также в аппаратах ротационного типа, в которых для контактирования и разделения фаз используется центробежная сила.

Аппарат состоит из ряда секций, образованных в вертикальном цилиндрическом корпусе с помощью серии колец статора (2). Между кольцами статора расположены плоские диски (3), укрепленные на вращающемся валу.

  1 – распределительная решетка;

2 – кольца статора;

3 – диски ротора.

При вращении дисков обеспечивается дробление капель одной из фаз и хороший контакт.