Н.А. Галактионова
Промышленная экология
Учебное пособие для студентов заочного отделения / Москва: Международный независимый эколого-политологический университет, 2002

Тема 4. Основные технологические процессы

4.6. Массообменные процессы

4.6.3. Экстракция

ЖИДКОСТНАЯ ЭКСТРАКЦИЯ

Экстракция (жидкостная) — извлечение одного или нескольких растворенных веществ из одной жидкой фазы другой, практически не смешивающейся с первой.

Процесс   широко  используется для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов.  Но главное,  экстракцию следует рассматривать, наряду с ректификацией, как один из основных способов разделения  жидких   однородных  смесей.

В большинстве случаев экстракция используется в сочетании с ректификацией. Пусть в растворителе L растворено распределяемое вещество М, и концентрация раствора (исходной смеси) незначительна. Можно подобрать второй растворитель G (экстрагент), которым можно экстрагировать распределяемое вещество М из исходного раствора и получить концентрированный раствор распределяемого вещества в растворителе G + М (экстракт) и очищенный от распределяемого вещества растворитель L (рафинат). Поскольку расход тепла на ректификацию резко уменьшается с ростом концентрации исходного вещества в разделяемой смеси, предварительное экстрагирование позволяет значительно сократить затраты тепла на разделение исходной смеси. Принципиальная схема сочетания процессов экстракции и ректификации показана на рис. 4.41.

Рис. 4.41.Принципиальная схема сочетания  процессов экстракции и ректификации
(G – экстрагент; M – распределяемое вещество; G + M – экстракт; L – рафинат)

Для регенерации экстрагента вместо ректификации иногда используют простую перегонку с водяным паром, выпаривание, вторичную экстракцию (реэкстракцию), реже – кристаллизацию и химическую очистку.

Влияние температуры. В большинстве случаев взаимная растворимость компонентов с увеличением температуры повышается, область существования гетерогенных двухфазных систем уменьшается.

Влияние давления. Изменение растворимости малорастворимых жидкостей, вызванное изменением внешнего давления, невелико и в большинстве случаев им можно пренебречь.

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

Однократная экстракция. Однократная экстракция может быть проведена периодическим или непрерывным способом. Схема однократной периодической экстракции показана на рис. 4.42, а. В аппарат загружается исходный раствор F, содержащий распределяемое вещество концентрацией х_F и к нему прибавляется порция растворителя G концентрацией Y_G. Обе жидкости перемешивают до установления равновесия. По окончании перемешивания жидкости расслаиваются в том же аппарате. После отстаивания сливают сначала нижний слой рафината R концентрацией Х_R, а затем — верхний слой экстракта Е концентрацией Y_е.

Рис. 4.42.   Схема   однократной     экстракция,
 проводимой периодическим   (а)   или   непрерывным  (б)    способом

Для расслаивания фаз часто используют особые отстойники (рис. 4.42, б). В этих случаях процесс однократной экстракции проводят непрерывным способом, так как при непрерывном вводе исходного раствора F и свежего растворителя G из отстойника также непрерывно выводят полученные экстракт Е и рафинат R. Количества F, G, Е и R относят к единице времени.

Эффективность экстракции может быть значительно повышена, если ее проводить многократно, используя каждый раз свежую порцию растворителя для обработки одной и той же порции исходного раствора. Такой способ проведения процесса получил название многократной экстракции с перекрестным током растворителя.

Многократная экстракция с перекрестным током растворителя. Из первой ступени однократной экстракции исходного раствора F растворителем G полученный рафинат состава R₁ вводится во вторую ступень, где обрабатывается свежей порцией растворителя G. Тройная смесь состава N₂ расслаивается на рафинат R₂ и экстракт Е₂. Процесс обработки ведут до тех пор, пока не получат рафинат заданного состава.

Полученные в каждой ступени порции экстракта E₁, Е₂,. . . и т. д. содержат все меньшее количество распределяемого вещества.

Общий расход растворителя равен сумме всех порций G во всех ступенях экстракции.

Процесс многократной экстракции можно провести периодическим способом в одном аппарате с мешалкой (см. рис. 4.42, а). 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. Процесс ведут до тех пор, пока рафинат не будет иметь заданную концентрацию.

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 перетекает самотеком со ступени на ступень, отдавая  распределяемое вещество растворителю G. В каждой ступени осуществляется   однократная   экстракция   очищенного   рафината   более свежим   противоточно   движущимся   растворителем.   В   последней ступени рафинат контактирует со свежим растворителем G.

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

ЭКСТРАКЦИЯ ИЗ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ

Экстракция (твердофазная) - извлечение из твердого вещества одного или нескольких компонентов с помощью растворителя. При этом извлекаемые компоненты переходят из твердой фазы в растворитель (экстрагент). Для последующего выделения целевого компонента из смеси с экстрагентом применяют выпаривание или ректификацию. Используются следующие основные типы экстракторов: смесительно-отстойные, колонные и центробежные.

Принцип действия установки по очистке грунта от нефти и нефтепродуктов (разработчик ЦНИИХМ, г. Москва) основан на использовании интенсивной виброкавитационной экстракции загрязнений, содержащих нефть и нефтепродукты, с последующим разделением пульпы на чистый (песок) и извлеченную нефть (нефтепродукты) [2]. В качестве экстрагентов могут использоваться различные вещества, в частности, вода, нефть, углеводороды.  При проведении работ на морском побережье - соленая морская вода.

В конструкции установки применяется специально разработанный экстрактор, обладающий высокой производительностью и эффективностью, а также оригинальный узел для последующего отделения грунта от нефти и нефтепродуктов.

Установка массой не более 2,5 т и производительностью 1 т загрязненного грунта в час имеет модульную конструкцию. Тип модулей и их количество определяются видом и степенью загрязненности грунта. Габаритные размеры модуля установки составляют: ширина – 2м, длина – 2м, высота – Зм. Расход воды не превышает 200 кг на 1 тонну исходного грунта, затраты электроэнергии – 10 кВт в час.

Способ экстракции о6еспечивает степень очистки грунта не менее 99% и  высокую производительность процесса при компактности оборудования. Технология является безотходной и экологически чистой. Возможно создание передвижной очистной установки, что позволяет использовать ее при ликвидации последствий аварий, в частности на нефтепромыслах и нефтепроводах.

Существенным достоинством метода является то, что извлекаемые из грунта нефтепродукты можно применять повторно, например, в виде топлива. По сравнению с зарубежными технологиями данный метод обеспечивает снижение эксплуатационных затрат в 3-4 раза и капитальных -в. 10 раз.