Принципиальные схемы экстракции

Органические вещества извлекают из сточных вод экстракцией с перекрестным током, по методу ступенчатого противотока или путем противоточной экстракции (рис.5.3).

В ступенчатой экстракции с перекрестным током воду, подлежащую очистке (L), последовательно экстрагируют несколько раз свежим растворителем (Э). Каждую обработку называют ступенью экстракции. Рафинаты R ₁ и R ₂ направляют в последующие ступени.

Конечный рафинат R ₃ представляет собой очищенную воду. Э _1, Э _2, Э ₃ – экстракты после первой, второй и третьей ступеней процесса. Основной недостаток ступенчатой экстракции с перекрестным током – относительно высокий расход растворителя (экстрагента) и относительно невысокая концентрация распределяемого вещества в экстрактах. В производственных условиях работа по данной схеме целесообразна только в тех редких случаях, когда полученные экстракты не направляют на регенерацию растворителя.

Экстракцию по методу ступенчатого противотока широко используют в производственных условиях, в том числе для обесфеноливания сточных вод. Один и тот же поток очищаемой воды ступенчато перемешивают с экстрагентом, движущимся навстречу потоку.

В процессах противоточной экстракции обрабатываемый раствор и экстрагент непрерывно движутся навстречу друг другу, а экстрагируемое вещество непрерывно переходит из одной фазы в другую. Противоток обеспечивает равномерную разность рабочей и равновесной концентрации по всей высоте или длине экстрактора.

При взаимной нерастворимости фаз процесс однократной экстракции может быть изображен на прямоугольной диаграмме х - у прямой аb. Тангенс угла наклона прямой равен отношению массовых загрузок исходной воды и растворителя (рис. 5.4). По диаграмме могут быть найдены также составы рафинатов и экстрактов при различных соотношениях загрузок. Если при увеличении количества растворителя можно получить рафинат любой степени чистоты, то предельное насыщение экстракта определяется точкой .

Эффективность проводимого по этой схеме процесса экстракции невелика и широкого распространения в промышленности способ не получил. Эффективность экстракции может быть значительно повышена, если проводить ее многократно, используя свежую порцию растворителя для обработки одной и той же порции исходного раствора. Такой способ проведения процесса получил название многократной экстракции с перекрестным током растворителя.

Из первой ступени однократной экстракции исходной сточной воды (L) растворителем (Э) полученный рафинат состава (R ₁) вводится во вторую ступень, где обрабатывается свежей порцией растворителя. Тройная смесь расслаивается на второй рафинат и экстракт. Процесс ведут до тех пор, пока не получат рафинат заданного состава. Полученные в каждой ступени порции экстракта содержат все меньшее количество распределяемого вещества, а общий расход растворителя равен сумме всех порций во всех ступенях экстракции.

При многократной экстракции с противотоком растворителя исходный раствор самотеком перетекает со ступени на ступень, отдавая распределяемое вещество растворителю. В каждой ступени осуществляется однократная экстракция частично очищенного рафината более свежим противоточно движущимся растворителем. В последней ступени рафинат контактирует со свежим растворителем. Противоток растворителя от последней ступени к первой (по ходу рафината) осуществляется насосами. На первой ступени насыщенный распределяемым веществом растворитель контактирует с концентрированным исходный раствором и выходит в виде экстракта, предельно насыщенного распределяемым веществом. При взаимной нерастворимости фаз процесс многократной экстракции может быть представлен на диаграмме х - у в виде рабочих линий аb, сd, еh однократной экстракции, причем концентрации рафината или экстракта на выходе из предыдущей ступени и на входе в последующую равны (рис. 5.5).

Процесс по схеме ступенчатой противоточной экстракции (рис. 5.6) отличается тем, что состав одной из фаз при переходе от ступени к ступени меняется скачкообразно (как при многократной экстракции), а состав второй фазы – непрерывно (как при непрерывной противоточной экстракции). Такой процесс может быть осуществлен в колонном тарельчатом экстракторе, где сплошная фаза на каждой тарелке перемешана и имеет постоянный состав, скачкообразно меняющийся от тарелки к тарелке. Дисперсная фаза непрерывно изменяет свой состав по всей высоте аппарата.

На прямоугольной диаграмме процесс экстракции представляется в виде рабочей линии аb, если соблюдается взаимная нерастворимость фаз (или взаимная растворимость фаз близка к нулю). Если взаимная растворимость воды и экстрагента мала, то остаточная концентрация извлекаемого вещества в воде на любой ступени экстракции может быть вычислена по формулам:

– для равновесной перекрестно экстракции

, (5.8)

– для равновесной противоточной экстракции

, (5.9)

где – равновесная концентрация экстрагируемого вещества в воде после N -ступенчатой экстракции; – концентрация экстрагируемого вещества в сточной воде до очистки; N – число ступеней экстракции; h – соотношение объемов экстрагента к объему воды на каждой ступени экстракции (h = const).

Произведение коэффициента распределения (K_э) на соотношение объемов (h) называют фактором экстракции. Величина подбирается так, чтобы h > 1/ К_э. Процессы очистки воды методом экстракции проводятся в экстракторах различной конструкции: в распылительных колоннах, в насадочных аппаратах, в колоннах с перфорированными ситчатыми тарелками, с подвижными ситчатыми тарелками и т.д.

6 ОЧИСТКА ГАЗОВ ОТ ТВЕРДЫХ (ЖИДКИХ)
ЗАГРЯЗНЕНИЙ

В общей проблеме инженерной защиты окружающей среды важным разделом является охрана чистоты атмосферного воздуха от вредных загрязнений, в том числе от твердых и жидких взвешенных частиц.

Пылью называют дисперсную систему с газообразной дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой, состоящей из частиц от квазимолекулярного до макроскопического размеров, способных находиться во взвешенном состоянии продолжительное время. Нельзя отождествлять пыль и порошкообразный материал даже при одинаковых размерах частиц. Твердую дисперсную фазу пылей после выделения называют уловленной пылью. Уловленная пыль и порошок – понятия тождественные. При нестрогом изложении для краткости уловленную пыль часто называют просто пылью.

Дисперсные системы с газообразной (воздушной) дисперсионной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой называют также аэрозолями. Скорость оседания частиц аэрозолей очень мала, и они могут неопределенно долго находиться во взвешенном состоянии. Размеры наиболее крупных частиц в аэрозолях принято ограничивать 1 мкм, при этом в технической литературе термины грубый аэрозоль и пыль являются синонимами. Уловленные частицы аэрозолей, представляющие собой очень тонкий порошок согласно терминологии коллоидной химии называют аэрогелем.

Пыли, аэрозоли и порошки обычно полидисперсны, т.е. частицы их дисперсной фазы имеют неодинаковый размер.

Масса частиц, содержащихся в единице объема газа (воздуха) при нормальных условиях, называется концентрацией пыли, пылесодержанием или запыленностью и обозначается С. Число частиц n в единице объема газа (воздуха) представляет собой концентрацию пыли по числу частиц и обозначается С_n.

Размер частицы , определяющий ее крупность, характеризуется длиной стороны частицы, размерами ее проекции, шириной ячейки сита. Диаметр точно характеризует размер только шарообразных частиц. Для характеристики размера частиц, отличающихся по форме от шара, используют величину эквивалентного диаметра. Применяют следующие понятия эквивалентного диаметра: диаметр шара, объем которого равен объему частицы; диаметр круга, площадь которого равна площади проекции частицы, определяемой путем микроскопирования.

Скорость витания (парения) частицы представляет собой скорость восходящего потока, численно равную седиментационной скорости. Седиментационной скоростью называют постоянную скорость оседания частиц, которую они приобретают в спокойной среде под действием сил тяжести. Седиментационный диаметр частицы численно равен диаметру шара, скорость оседания и плотность которого соответственно равны скорости оседания и плотности частицы любой формы.