Экстракция

 

Экстракцией в широком смысле называются процессы разделения, основанные на извлечении одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты.

В химической технологии наибольшее распространение получила экстракция из растворов. Экстракция из твердых веществ используется главным образом в лесохимической, пищевой и фармацевтической промышленности. Процесс массоотдачи в твердой фазе существенно отличается от массоотдачи в жидкостях. Будем рассматривать наиболее распространенные в химической и нефтехимической технологии процессы экстракции в системах жидкость-жидкость.

Экстракция в системах жидкость-жидкость – процесс разделения, основанный на извлечении одного или нескольких растворенных веществ из одной жидкости другой жидкостью, практически не смешивающейся с первой. Эффективно используется для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод.

Экстракция – массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ). Так, например, при очистке сточных вод экстракцией с использованием бутилацетата в качестве экстрагента в него предпочтительно переходят одноатомные и многоатомные фенолы.

Для повышения скорости процесса исходный раствор и экстрагент приводят в тесный контакт. В результате взаимодействия фаз получается экстракт – раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафинат – остаточный исходный раствор, из которого в определенной степени удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяются друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими механическими способами. После этого производится извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерация экстрагента из рафината.

Соответствующие компоненты выделяются из экстракта и рафината либо ректификацией, либо реэкстракцией. Это делается во избежание потерь экстрагента, растворенного или унесенного рафинатом, экстрагент необходим для повторного использования. Процессы экстракции и ректификации относятся к основным способам разделения жидких однородных и неоднородных смесей.

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+M (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 приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Принципиальная схема совмещенных процессов

экстракции и ректификации

 

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

Наиболее важным свойством экстрагента является его селективность, которая характеризует его способность преимущественно извлекать один из двух, трех или более компонентов раствора. Наиболее предпочтительным считается тот, который растворяет наибольшее количество одного компонента и как можно меньшее количество остальных из многокомпонентного раствора. Высокая селективность снижает расход экстрагента, позволяет более экономично проводить процесс.

Помимо высокой селективности экстрагент должен обладать также значительной емкостью по отношению к экстрагируемому компоненту. Если это требование не выполняется, то возрастает количество циркулирующего экстрагента и снижается экономичность процесса.

Применяются три группы экстрагентов:

1) органические кислоты или их соли, к ним относятся фенолы, нафтеновые кислоты, сульфокислоты и т. п. Применяются для извлечения катионов металлов в органическую фазу из водной фазы. Например, очистку сточных вод экстракцией производят бутилацетатом, в который предпочтительно переходят одноатомные и многоатомные фенолы;

2) соли органических оснований, к ним относятся соли первичных, вторичных и третичных аминов и т. п. Применяются для извлечения анионов металлов из водных растворов;

3) нейтральные растворители (вода, спирты, альдегиды, кетоны и т. п.).

При извлечении летучих веществ экстракция конкурирует с ректификацией, особенно при разделении смесей, состоящих из близкокипящих компонентов или азеатропных смесей.

Экстракция незаменима при разделении смесей веществ, чувствительных к повышенным температурам, которые могут разлагаться при разделении их ректификацией или выпариванием.

Весьма перспективно применение экстракции для разделения смесей неорганических веществ, когда другие способы разделения неприменимы. Процессы жидкостной экстракции успешно используются для переработки ядерного горючего, получения циркония и гафния и многих редких металлов. С помощью экстракции можно получать высокочистые цветные и благородные металлы.