Одноступенчатая экстракция

Простейшим способом проведения процесса экстракции является одноступенчатая экстракция. Исходная смесь и экстрагент вводятся в смеситель 1 (рис. 16.2а), где происходит диспергирование и массопередача, а затем переходят в сепаратор 2, в котором разделяются на две фазы: рафинат и экстракт. Процесс может проводиться как непрерывно, так и периодически. Как правило, можно считать, что структура потоков в смесителе близка к МИС и выходящие из аппарата фазы экстракта и рафината находятся в состоянии равновесия.

а) б)

Рис. 16.2. Схемы процесса одноступенчатой экстракции: а) 1 - смеситель; 2 – сепаратор; б) условное обозначение ступени.

На рис. 16.2.б показано условное обозначение одноступенчатой экстракции.

Запишем уравнение материального баланса по распределяющему компоненту для непрерывной одноступенчатой экстракции

, (16.3)

где и - массовые расходы инертного компонента и экстрагента, - относительные массовые концентрации, обозначения которых соответствуют рисунку 16.1. Дополнив (16.3) уравнением равновесия экстракта и рафината (16.4) получим систему уравнений с неизвестными , которые могут быть найдены ее решением

, (16.4)

, (16.5)

, (16.6)

Если коэффициент распределения постоянен и не зависит от , то и легко могут быть найдены из (16.5) и (16.6). Если же линия равновесия имеет кривизну, то есть , то решение затрудняется, так как в (16.5) и (16.6) необходимо подставлять . Таким образом уравнение (16.5) становится нелинейным и решение его ищется, как правило, численными методами. В этом случае решение системы уравнений (16.3), (16.4) проще найти графическим методом преобразовав уравнение (16.3) к виду

, (16.7)

Проведем из точки на - диаграмме (рис. 16.3) с координатами и , соответствующей концентрациям фаз на входе в аппарат, прямую под углом , тангенс которого равен отношению , до пересечения с линией равновесия. Точка их пересечения даст координаты , , соответствующие составам фаз на выходе из аппарата. Чем меньше отношение , то есть чем больше расход экстрагента, тем меньше величины и . С одной стороны это хорошо, так как достигается большая степень извлечения распределяемого компонента из исходной смеси, но с другой стороны, требуется больший расход экстрагента, что увеличивает затраты на его регенерацию. Кроме соотношения расходов на величины , влияет и коэффициент распределения . Чем он больше, тем большая степень извлечения достигается при определенных расходах и возрастает концентрация распределяемого компонента в экстрагенте. Учесть оба эти фактора одновременно можно используя фактор массопередачи (13.125), который применительно к процессу экстракции носит название экстракционного фактора

. (16.8)

С помощью него можно просто выразить коэффициент извлечения (14.9), который для процесса одноступенчатой экстракции будет иметь вид

. (16.9)

Как видно из (16.9) заданной степени извлечения соответствует определенное значение экстракционного фактора. Для увеличения степени извлечения необходимо увеличивать экстракционный фактор, повышая коэффициент распределения или расход экстрагента.

Рис. 16.3. Изображение процесса одноступенчатой экстракции на диаг-рамме .

Недостаток процесса одноступенчатой экстракции заключается в необходимости больших затрат экстрагента для достижения высокой степени извлечения, то есть получения рафината высокой степени очистки. Для устранения этого недостатка используется многоступенчатая экстракция.