Экстракция

При относительно высоком содержании в производственных сточных водах растворенных органических веществ, представляющих техническую ценность (например, фенолы и жирные кислоты), эффективным методом очистки является экстракция органическими растворителями – экстрагентами. Экстракционный метод очистки производственных сточных вод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей, соответственно его растворимости в них. Метод экстракционной очистки экономически целесообразен при значительной концентрации органических примесей или при высокой стоимости извлекаемого вещества. Для большинства продуктов применение экстракции рационально при концентрации их 2 г/л и более. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух несмешивающихся (или слабосмешивающихся) растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения.

k _р = С _э/ С _ст» const, (4.31)

где C _э, С _ст – концентрация экстрагируемого вещества соответственно в экстрагенте и сточной воде при установившемся равновесии, кг/м³.

Коэффициент распределения k _р зависит от природы извлекаемого вещества и экстрагента, а также от наличия различных примесей в сточных водах и экстрагенте (табл. 4.4).

Таблица 4.4

Значения коэффициента распределения k _р органических веществ между экстрагентами и водой при температуре 25 ^оС

Экстрагируемое из воды вещество	Экстрагент	k _р
Анилин	Бутилацетат Толуол	8-19
Бензойная кислота	Диэтиловый эфир Бутилацетат Толуол	71-91 6-12
Муравьиный альдегид	Амиловый спирт
Пикриновая кислота	Толуол Бензол Хлороформ	1,7-8,7 0,7-5,3 1,2-2,6
Пиридин	Толуол	1,4-9,3
Салициловая кислота	Ацетон Толуол Бензол Хлороформ	1,7-2,5 1,7-4,5 2,9-4,3
n-Толуидин	Бензол	51-60
Фенол	Бутилацетат Амиловый спирт Толуол Бензол Хлороформ	14-16 1,7-9,4 2,3-12,5 3,4-12,5
Хлоруксусная кислота	Амиловый спирт	3,6

Для успешного протекания процесса экстракции экстрагент должен иметь следующие свойства: хорошую экстрагирующую способность по отношению к экстрагируемому веществу, т.е. высокий коэффициент распределения: селективность, т.е. способность экстрагировать из воды одно вещество или определенную группу веществ; малую растворимость в воде; плотность, отличающуюся от плотности воды; обладать низкой вязкостью и высоким межфазным натяжением; небольшую удельную теплоту испарения и малую теплоемкость, что позволяет снизить расходы пара и охлаждающей воды при регенерации экстрагента; возможно меньшие огне- и взрывоопасность, токсичность; низкую стоимость. Экстрагент не должен подвергаться заметному гидролизу и взаимодействовать с экстрагируемым веществом, материалом трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры экстракционной установки (табл. 4.5).

Таблица 4.5

Основные экстрагенты, предназначенные для выделения из сточных вод тяжелых и цветных металлов

Реагент	Структура	Типичное применение для очистки сточных вод
Ди(2-этилгексил) фосфорная кислота (Д2ЭГФК)		Очистка сточных вод от меди, никеля и мышьяка
Четвертичные аммониевые соединения (Adogen 464)	(R₃NCH₃)⁺Cl^- (R* = C₈ – C₁₀)	Очистка сточных вод от ртути
SME-529		Очистка сточных вод от меди
Триалкиламин (Alamine 336)	R₃N (R* = C₈ – C₁₀)	Очистка сточных вод от кадмия и цинка

Окончание табл. 4.5

Реагент	Структура	Типичное применение для очистки сточных вод
Lix 64 N		Очистка сточных вод от меди и никеля
Трибутилфосфат (ТБФ)	(C₄H₉O)₃P=O	Очистка сточных вод от же-леза, хрома, никеля, молибдена и мышьяка

Примечание. R* – углеводородный радикал.

Экстракцию проводят:

- в смесителях трубчатых (инжекторных, диафрагменных и трубчатых);

- в динамических насосах;

- в аппаратах с турбинной мешалкой.

Эмульсия, получаемая в аппаратах экстракции, поступает на разделение в гравитационные отстойники. Она может быть успешно разделена на отстойных центрифугах; в массообменных колоннах (распылительных, насадочных, с сетчатыми тарелками, пульсационных и вибрационных, дисково-роторных аппаратах, в отстойных частях которых происходит разделение эмульсии на экстракт и рафинат); в центробежных экстракторах; в ящичных и смесительно-отстойных экстракторах.

Проводят их в одноступенчатых и многоступенчатых установках смесительно-отстойных экстракторов.

Ниже представлены аппараты и установки экстракции (рис. 4.17, 4.18, 4.19, 4.20).

Схемы экстракционных установок на основе аппаратов с мешалками и отстойниками, колонных аппаратов подробно изложены в курсе «Процессы и аппараты химической технологии» (ПАХТ).

Рис. 4.17. Инжекторный (а), диафрагменный (б) и трубчатый (в) смесители

Рис. 4.18. Емкостный гравитационный отстойник

Если плотность обрабатываемой сточной воды в колонных аппаратах больше плотности экстрагента (r_ст > r_э), то вода вводится в экстракционную колонну сверху, а экстрагент – снизу (рис. 4.21, а). При r_ст < r_э экстрагент вводится в верхнюю часть колонны, а обрабатываемая сточная вода – в нижнюю (рис. 4.21, б).

Рис. 4.19. Ящичный экстрактор (конструкция НИИхиммаш): 1 – смесительная камера; 2 – статорная перегородка; 3 – вал с диском; 4 – гидрозатвор; 5 – отвод тяжелой фазы; 6 – отстойная камера; 7 – перегородка между смесительной и отстойной камерой; 8 – предкамера; 9 – смесительно-транспортирующее устройство; 10 – подвод тяжелой фазы; 11 – подвод легкой фазы

Рис. 4.20. Смесительно-отстойный экстрактор: 1, 2 – трубы для ввода исходного раствора и растворителя; 3 – зона смешения; 4 – мешалка; 5 – смесительная труба; 6 – циркуляционная труба; 7 – сифон; 8 – зона расслаивания; 9 – кольцеобразное пространство; 10 – переливной патрубок

Рис. 4.21. Схемы процесса непрерывной экстракции: 1, 2 – подача соответственно экстрагента и сточной воды; 3, 4 – отвод соответственно отработанного экстрагента и обработанной сточной воды

Расчет экстракторов. Расчеты колонных экстракторов изложены в учебниках по ПАХТ. Здесь приведем расчеты, касающиеся экстракторов с мешалками (смесителей).

Материальный баланс при равенстве объемов фаз V _э = V _о = = const и V _в = V _р= constбудет иметь вид

V _в x _н – V _э y _к = V _р x _к – V _о y _н. (4.32)

Уравнение рабочей линии:

(4.33)

или

y = Ax + B, (4.34)

где V _в, V _о, V _р и V _э – объемы сточной воды, экстрагента, рафината и экстракта; x _н, x _к – содержание извлекаемого компонента в воде и рафинате; y _н, y _к – содержание извлекаемого компонента в экстрагенте и экстракте; – тангенс угла наклона рабочей линии; B = y _н = (V _в/ V _о) x _к – отрезок, отсекаемый на оси ординат рабочей линией.

Эффективность ступени по Мэрфри, считая по фазе экстракта E _э и рафината E _р, определяется по зависимостям

; (4.35) , (4.36)

где – равновесные концентрации в фазе экстракта и рафината соответственно.

Общая эффективность экстрактора равна отношению числа теоретических ступеней к числу действительных ступеней E _о = = n _т/ n _д. Зная эффективность отдельных ступеней, графически определяют необходимое число действительных ступеней смесительно-отстойного экстрактора. Частота вращения мешалки, необходимая для равномерного распределения капель дисперсной фазы в сплошной, определяется по следующим зависимостям:

для смесителей без отражательных перегородок:

; (4.37)

для смесителей с четырьмя отражательными перегородками:

, (4.38)

где – критерий Рейнольдса; – критерий Галилея; – критерий Вебера; – динамические коэффициенты вязкости дисперсной и сплошной фаз, Па ∙ с; r_с – плотность сплошной фазы, кг/м³; ∆ρ = ρ_о - ρ_д – разность плотностей сплошной и дисперсной фаз, кг/м³; d _м – диаметр мешалки, м; D – диаметр экстрактора, м; n _о – частота вращения мешалки, мин^-1; s – коэффициент межфазного натяжения, Н/м.

Формулы справедливы в следующих пределах:

3,38×10^-2 – 2,00×10⁵;

1,74×⁵ – 1,24×10¹¹;

2,45 – 1,18×10⁷;

∆ρ/ρ = 0,02 – 0,594;

μ_д/μ_с = 0,005 – 2,46;

D / d _м = 1,72 – 4,00.

Для определения частоты вращения мешалки в ящичных экстракторах, мин^-1, применяется формула

, (4.39)

где V _ж – объем перемешиваемой жидкости, м³; D _ст – диаметр ступицы мешалки, м; h – высота лопасти мешалки, м.

Размер капель определяется по зависимости

, (4.40)

где P / V – мощность, расходуемая на перемешивание единицы объема жидкости.

Задержку дисперсной фазы определяют по следующим уравнениям:

для ящичных экстракторов:

; (4.41)

для цилиндрических экстракторов:

, (4.42)

где V _c, V _д – объемы перемешиваемых сплошной и дисперсной фаз, м³; F – площадь поперечного сечения смесительной камеры, м³; x – объемная доля дисперсной фазы; r _ст, r _м – радиусы ступицы и мешалки, м; ω – угловая скорость вращения мешалки, с^-1; – высота лопасти мешалки, м.