Тема 21. Многокомпонентная экстракция

21.1 Особенности многокомпонентной экстракции На практике чаще приходится иметь дело с многокомпонентной экстракцией, так как даже при извлечении одного целевого компонента из бинарной исходной смеси чистым экстрагентом в каждой фазе присутствуют все три компонента вследствие частичной растворимости экстрагента S и растворителя А. Кроме того зачастую сама исходная смесь является многокомпонентной и экстрагируемых компонентов может быть несколько. В качестве экстрагента также могут использоваться смеси различных веществ. Условия равновесия для многокомпонентной двухфазной системы жидкость-жидкость имеют вид (13.61). Полагая, что в равновесии находятся фазы рафината и экстракта, эти условия можно записать следующим образом

Как уже отмечалось в разделе 13.1 определение коэффициентов активности, особенно в многокомпонентных смесях, представляет сложную задачу. Для систем жидкость-жидкость лучше всего с этой целью использовать модельные уравнения НРТЛ с параметрами, найденными по равновесию в бинарных смесях жидкость-жидкость /Рид Р., Праусниц Д., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей./. Для определения составов экстракта и рафината при проведении простейшего способа одноступенчатой непрерывной экстракции необходимо дополнить уравнения равновесия (21.1) уравнениями материального баланса

Поскольку в данном случае не удается подобрать единицы измерения расходов фаз, неизменных в ходе процесса, то для записи потоков применены мольные расходы, позволяющие использовать в уравнениях покомпонентного баланса (21.3) мольные доли, как и в уравнениях равновесия (21.1). Учитывая, что сумма мольных долей в каждой из фаз равно единице, независимыми из них являются (n-1). Таким образом система уравнений (21.1)-(21.3) содержит 2n уравнений и 2n неизвестных Надеяться на ее аналитическое решение вряд ли приходится, так как коэффициенты активности являются функциями составов рафината и экстракта.В связи с этим используются численные методы решения.

Графическое решение системы уравнений (21.1)-(21.3) для многокомпонентной экстракции не столь наглядно, как для бинарной и резко усложняется с увеличением числа компонентов. Так изображение процесса экстракции в трехкомпонентной смеси возможно с помощью плоской треугольной диаграммы, а для четырехкомпонентной - пространственной тетраэдрической. С развитием вычислительной техники становится очевидным преимущество численных методов решения задач многокомпонентной экстракции. Записывая систему уравнений (21.1)- (21.3) для каждой ступени многоступенчатой перекрестной и противоточной экстракции можно найти соответствующие решения. Расчет непрерывной противоточной многокомпонентной экстракции может проводиться на основе алгоритмов, изложенных в разделах 17.4, Особенностью систем с частичной растворимостью экстрагента является наличие его не только минимального, но и максимального расхода. Это объясняется тем, что при расходе экстрагента больше максимального происходит полное растворение в нем исходной смеси без расслоения на фазы и процесс экстракции теряет смысл. Для полного разделения n-компонентной исходной смеси с помощью поочередного воздействия различных экстрагентов, как и в случае ректификации, потребуется (n-1) каскад многоступенчатых экстракторов или (n-1) аппарат для непрерывной экстракции.

21.2 Противоточная экстракция с флегмой Во всех рассмотренных выше способах проведения процесса экстракции концентрации распределяемых компонентов в выходящем из установки экстракте не могли превышать их концентрации, соответствующие равновесию с исходным раствором. С целью увеличения концентрации экстрагируемых компонентов в экстракте, а также уменьшения в нем концентрации частично растворимых инертных компонентов (растворителей) применяют противоточную экстракцию с флегмой. Рассмотрим этот способ на примере многоступенчатой установки, имея ввиду, что аналогичным образом его можно проводить и при непрерывной экстракции. Исходная смесь F поступает на промежуточную ступень под номером f (рис.21.1). Экстракт E 1, выходящий из 1-й ступени, поступает в регенератор Р, где из него с помощью перегонки выделяется экстрагент S p, возвращаемый для повторного использования. Оставшаяся часть экстракта Е делится на две части одинакового состава: конечный экстракт Е к и флегму Ф, направляемую в 1-ю ступень экстракционной установки.

Поскольку флегма содержит большую концентрацию экстрагируемых компонентов и малую концентрацию инертных (растворителей) по сравнению с исходной смесью, то на ступенях с 1-й до (f -1)-й происходит обогащение экстракта первыми и обеднение его вторыми. Растворители переходят в рафинат, увеличивая его выход. В целом применение флегмы увеличивает степень разделения исходной смеси F на экстракт E 1, содержащий большую концентрацию экстрагируемых компонентов, и рафинат R m, с большей долей инертных компонентов. Определение составов и расходов фаз на каждой ступени может производится решением системы уравнений вида (21.1)-(21.3). Применение флегмы приводит к увеличению расходов фаз и, соответственно, размеров ступеней, а также к возрастанию расхода экстрагента,

но позволяет сократить число ступеней, необходимых для достижения требуемой степени разделения. Выбор оптимального расхода флегмы схож с нахождением оптимального флегмового числа при ректификации и производится на основе минимизации экономических затрат. При этом на расход флегмы накладывается дополнительное ограничение, связанное с существованием двух жидких фаз, то есть возврат флегмы не должен приводить к полной взаимной растворимости компонентов. Применение противоточной экстракции с флегмой оказывается выгодной, как правило, при низких концентрациях распределяемых компонентов в исходной смеси и невысоких их коэффициентах распределения.

21.3 Фракционная экстракция Еще одним способом экстракции, применяемым с целью повышения степени разделения исходной смеси, является фракционная экстракция (экстракция двумя экстрагентами). Экстрагенты должны иметь как можно меньшую растворимость друг в друге и преимущественно растворять различные компоненты исходной смеси. Процесс фракционной экстракции осуществляется в многоступенчатых или непрерывных противоточных установках. Рассмотрим его на примере четырехкомпонентной системы при многоступенчатой экстракции. Пусть имеется исходная смесь F, состоящая из компонентов А и В. Для ее разделения используются два экстрагента: S, преимущественно растворяющий В, и S, преимущественно извлекающий А. В случае фракционной экстракции компоненты исходной смеси распределяются между двумя фазами, основу которых составляют соответствующие экстрагенты.

Таким образом оба конечных продукта должны называться экстрактами, однако для удобства сохранения всех обозначений один из них, пусть с преимущественным содержанием S и А, обычно, называют рафинатом, Исходная смесь F поступает на промежуточную ступень под номером f (рис.21.2). На первую ступень подается экстрагент S, а на последнюю экстрагент S. Отбор экстракта и рафината осуществляется, соответственно, из 1-й и m-й ступени. Концентрации и расходы фаз на выходе из каждой ступени могут находиться решением системы уравнений, аналогичной (21.1)-(21.3). Недостатком фракционной экстракции является значительный расход двух экстрагентов, а также необходимость регенерации каждого из них. Этот способ применяется, обычно, при невозможности подобрать один экстрагент с высокой селективностью.