3.1. Процесс экстракции

Установки жидкостной экстракции применяют для очистки и разделения жидких смесей, а также для получения растворов. Наиболее распространены экстракционные установки с регенерацией экстрагента (для регенерации можно использовать любые массообменные процессы, применимые для разделения жидких растворов, а также выпаривание и другие процессы). Широко распространены установки, включающие две экстракционные стадии – экстракцию и реэкстракцию. Реэкстракция обеспечивает не только регенерацию экстрагента для стадии экстракции, но и более глубокую очистку извлекаемых веществ от примесей. Такие экстракционные процессы применяют, в частности, в технологии получения урана, редких металлов и в некоторых других областях химической технологии, например в производстве капролактама [1]. В последние годы значительное внимание привлекает применение в качестве экстрагентов в условиях, близких к критическим, или в сверхкритических, веществ, являющихся в обычных условиях газами (диоксид углерода, низшие углеводороды). Такого рода экстрагенты, обладающие уникальными растворяющими и селективными свойствами, отличаются простотой регенерацией (за счет простого дросселирования) [2].

Экстракционные процессы могут быть и одностадийными. Такие установки, состоящие из одного основного аппарата-экстрактора, применяют в тех случаях, когда раствор в экстрагенте является готовым товарным продуктом. Одностадийными являются и такие простейшие экстракционные установки, как часто встречающиеся в промышленной практике установки для водной промывки различных органических продуктов.

Пример принципиальной схемы экстракционной установки показан на рисунке 3.1. Плотность экстрагента, используемого в этой установке, меньше плотности экстрагируемого раствора; его регенерируют выпариванием в однокорпусной выпарной установке. Исходный раствор из сборника Е₁ насосом H_1; подается в верхнюю часть экстракционной колонны КЭ. В нижнюю часть этой колонны из сборника Е₃ насосом Н₃ подается экстрагент.

Экстрактор в данном случае представляет собой распылительную колонну, в которой диспергируется более легкая фаза (экстрагент). Выходящие из распределителя дисперсной фазы капли поднимаются вверх и, пройдя рабочую зону, коалесцируют, образуя слой легкой фазы (экстракт). Противотоком экстрагенту движется сплошная фаза, из которой в данном случае извлекается экстрагируемое вещество. Очищенная исходная смесь (рафинат) собирается в нижней отстойной зоне (ниже распределителя дисперсной фазы), где отстаивается от капель экстрагента и самотеком через гидрозатвор поступает в сборник рафината Е₃. Гидрозатвор переменной высоты для отвода более тяжелой фазы позволяет, с одной стороны, автоматически поддерживать постоянное положение границ раздела между фазами в верхней отстойной зоне, а с другой – изменять это положение для увеличения, например, высоты слоя легкой фазы и лучшего ее отстаивания.

Экстракт через подогреватель П поступает в выпарной аппарат АВ с вынесенной греющей камерой, обогреваемой водяным паром. Концентрированный раствор экстрагируемого вещества стекает из выпарного аппарата в сборник Е₄, откуда насосом Н₄ подается на дальнейшую переработку. Часть вторичного пара из выпарного аппарата (парообразный экстрагент) конденсируется в подогревателе П, за счет чего экстракт нагревается перед поступлением в выпарной аппарат.

Рис. 3.1. Схема экстракционной установки: КЭ – экстракционная колонна; АВ – выпарной аппарат; П – подогреватель; К – конденсатор; X – холодильник; Е₁–Е₄ – сборники; Н₁–Н₄ – центробежные насосы; КО – конденсатоотводчик; 1 – вода; 2 – водяной пар; 3 – исходная смесь; 4 – рафинат; 5 – экстракт; 6 – жидкий экстрагент; 7 – концентрированный раствор экстрагируемого вещества в экстрагенте; 8 – парообразный экстрагент; 9 – конденсат; 10 – оборотная вода

Полная конденсация вторичного пара осуществляется в конденсаторе К, охлаждаемом водой. После охлаждения в водяном двухтрубном холодильнике X сконденсированный экстрагент поступает в сборник Е₃. В этот сборник подается некоторое количество свежего экстрагента для компенсации потерь экстрагента с упаренным раствором. На схеме показаны также конденсатоотводчик КО для отвода конденсата из выпарного аппарата и насос Н₂ для подачи рафината на дальнейшую переработку.

Все аппараты и трубопроводы установки работают под атмосферным или небольшим избыточным давлением, создаваемым насосами и кипятильником выпарного аппарата. Регенерация экстрагента в данном случае осуществляется только из экстракта. Пример схемы экстракционной установки, в которой регенерация экстрагента производится ректификацией, приведен в третьей чаcти «Графическое оформление курсового проекта».

При расчете и проектировании экстракционных установок могут решаться разные задачи. В общем случае, когда разрабатывается новый экстракционный процесс, требуется подобрать экстрагент, найти наиболее подходящий способ его регенерации, разработать технологическую схему процесса, выбрать тип экстрактора и рассчитать его размеры, спроектировать различное вспомогательное оборудование. Такого рода широкие и объемные задачи возникают редко. Гораздо чаще решаются более простые задачи, например, проектирование для известного экстракционного процесса более совершенного экстрактора или проектирование экстрактора иной производительности, чем существующий промышленный аппарат. В данной главе из всего многообразия вопросов, которые могут возникать при проектировании экстракционных установок, рассмотрим лишь те, которые связаны с расчетом размеров экстракционных аппаратов.