Экстрагирование

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 растворения целевого 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.

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 (0rR).
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 Bi1 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).

Аппаратурное оформление процесса

По взаимному направлению движения твердой фазы и экстрагента экстракторы подразделяют на прямоточные и противоточные, по режиму работы - на аппараты периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.

Экстракторы периодического и полунепрерывного действия. наиб. распространены камерные аппараты (реакторы) с мех., пневматич. или пневмомех. перемешиванием, а также т. наз. настойные чаны с неподвижным слоем твердых частиц с циркуляцией (перколяторы) и без циркуляции экстрагента. Аппараты для экстрагирования в плотном слое обычно располагаются вертикально и имеют комбинир. форму: в осн. части цилиндрическую, с одного или обоих концов - форму усеченного конуса (рис. 1, а). На решетку сверху загружается слой твердого материала, через к-рый сверху вниз протекает экстрагент; для выгрузки твердого остатка служит откидное днище.

Рис. 1. Экстракторы периодического действия: а - единичный аппарата; б -батарея аппаратов (I-V); 1 - корпус; 2 - ложное днище (решетка); 3 - откидное днище; 4 - штуцер для ввода свежего экстрагента; 5 - штуцер для отвода концентрированного р-ра; 6 - насос.

Последоват. соединение 4-16 таких аппаратов в батарею (рис. 1, б)позволяет перейти к полунепрерывной противоточ-ной схеме. Благодаря замкнутой системе коммуникаций удается периодически отключать от циркуля ц. системы один из аппаратов, освобождать его от полностью истощенного материала и заполнять свежим. Далее этот аппарат снова включают в систему циркуляции и подают в него наиб. обогащенный экстрагент, прошедший через все остальные аппараты; затем отключают след, аппарат, в к-рый до этого поступал чистый экстрагент, и т.д. С увеличением числа аппаратов процесс приближается к непрерывному.
Гл. недостатки описанных экстракторов, к-рые продолжают широко применяться в хим. произ-вах: большие затраты ручного труда при их эксплуатации, значит. потери экстрагируемого в-ва при выгрузке, высокая металлоемкость, трудность регулирования работы. Экстракторы периодич. действия используют в произ-ве небольших партий фармацевтич. препаратов, настоев, морсов и др. Экстракторы полунепрерывного действия (батарея аппаратов) малоэффективны, громоздки и сложны в обслуживании.

Экстракторы непрерывного действия. К осн. экстракторам относятся шнековые и ленточные аппараты. Шнековы и экстрактор (рис. 2) представляет собой трехколонный аппарат с транспортирующим органом шнекового типа. Твердая фаза последовательно перемещается через загрузочную, горизонтальную и экстракц. колонны навстречу движущемуся экстрагенту. В верх. части загрузочной колонны имеется сито для отделения экстракта от твердой фазы. Достоинства аппарата - малая металлоемкость и небольшая занимаемая площадь. Недостатки обусловлены конструкцией шнека, вокруг вала к-рого закручивается твердый материал; поэтому иногда шнек заменяют цепным транспортирующим органом.
Ленточный экстрактор (рис. 3) имеет стальной корпус, внутри к-рого расположен транспортер с перфорир. лентой. Подаваемый в аппарат материал движется слоем высотой 0,6-1,2 м по верх. ветви транспортера.

Рис. 2. Шнековый экстрактор непрерывного действия: 1, 2, 3 - загрузочная, горизонтальная и экстракц. колонны; 4-6 - шнеки; 7 -разделит. сито.

Для равномерного распределения экстрагента по пов-сти материала над слоем размещены распылители. Пройдя через слой материала, р-р поступает в воронку, откуда насосом подается в смежную зону, к-рая расположена в направлении, противоположном движению ленты. Распространены также роторные аппараты карусельного типа, реализующие тот же принцип действия.

Рис. 3. Ленточный экстрактор непрерывного действия: 1 - корпус; 2 - бункер; 3 - ленточный транспортер; 4 - воронка; 5 - насосы.

Преимущества экстракторов непрерывного действия, применяемых в многотоннажных произ-вах, перед периодически функционирующими аппаратами: более высокий коэф. массоотдачи от пов-сти твердых частиц к экстрагенту; полное исключение ручного труда при обслуживании; возможность создания экстрактов большой единичной мощности и автоматизации экстрагирования.

Интенсификация процесса

По сравнению с растворением экстрагирование протекает медленнее. Для его интенсификации целесообразны след. способы:
1. Повышение т-ры экстрагента. Приводит к увеличению коэф. диффузии, что ускоряет извлечение растворенного и твердого в-в; в последнем случае возрастает и движущая сила процесса c_s — c₁ [см. ур-ние (8)]. При повышении т-ры снижается также вязкость экстрагента, вследствие чего уменьшаются потери напора на прокачку р-рителя через слои извлекаемого в-ва.
2. Повышение относит. скорости движения фаз. Способствует увеличению коэф. массоотдачи, что сокращает время экстрагирования (если процесс не лимитируется внутр. диффузией).
3. Интенсивное перемешивание. Приводит к обновлению пов-сти контакта твердых частиц с экстрагентом (эффективно при внешнедиффузионном сопротивлении).
4. Повышение давления. Уменьшает объем воздуха, "защемленного" в пористом объеме частиц при погружении твердого в-ва в экстрагент, и, Следовательно, восстанавливает нарушенный при этом контакт внутр. пов-сти частиц с жидкостью.
5. Подвод энергии (вибрации, пульсации, ультразвуковые и инфразвуковые колебания).
Кроме того, при хим. р-циях между в-вом и экстрагентом процесс можно ускорить, повышая концентрацию извлекаемого в-ва.
Экстрагирование используют: а) для извлечения соед. редких металлов, урана, серы и др. из руд; б) для извлечения из пористых продуктов спекания разл. в-в (произ-во глинозема, NaF и т.д.); в) для выделения орг. соед. из растит. сырья в произ-вах сахара, растит, и эфирных масел, р-римых кофе и чая, лек. ср-в и др.; г) для образования пористых структур путем добавления и послед. извлечения р-римого в-ва после фиксации структуры (напр., в произ-ве пористых пластмасс, применяемых как изоляц. материал).

Лит.: Аксельруд Г.А., Лысянский В.М., Экстрагирование. Система твердое тело - жидкость, Л., 1974; Романков П. Г., Курочкина М. И., Экстрагирование из твердых материалов, Л., 1983; Романков П. Г., Фролов В. Ф., Массообменные процессы химической технологии, Л., 1990, с. 117-48.

Г. А. Аксельруд.