8.6. Элементарная техника жидкостной экстракции
В настоящем разделе рассмотрены простейшие приборы для экстракции примесей из жидкой фазы жидкими веществами. Экстракция - процесс извлечения одного или нескольких веществ из жидких растворов или твердых смесей
жидким растворителем, называемым экстрагентом. В основе экстракции как метода разделения и очистки веществ лежит различие в растворимости извлекаемых компонентов в двух несмешивающихся жидких фазах или в жидкой и твердой фазах.
Важнейшей величиной, характеризующей экстракционное равновесие двух несмешивающихся жидких фаз, является константа распределения КD(В)* вещества В в равновесных фазах:
(8.3)
где aв(орг), aв(СН2О), aв(орг 1) и aв(орг.2) - активности вещества В соответственно в органической и водной фазах, в 1-й и 2-й органических фазах.
Практически используют концентрационные константы распределения вещества В между равновесными несмешивающимися жидкими фазами:
(8.4)
где Св - концентрация в моль/л.
Значение К(В) может быть выражено через единицы любой концентрации , но в этом случае символ константы помечают символом использованной единицы концентрации, например, массовой доли ω KD = 86,2 (CCI4, Н2О, 25 °С, ω I2 ).
Простейшим прибором для жидкостной экстракции является делительная воронка (см. рис. 53). В нее заливают жидкое вещество, содержащее извлекаемые примеси, при этом количество жидкости не должно превышать половину объема воронки, затем добавляют экстрагент от 1/5 до 1/3 объема воронки. Воронку встряхивают вручную или на специальной машине (см. рис. 188). После этого, закрепив воронку в штативе, дают эмульсии полностью разделиться на два прозрачных слоя, которые отделяют друг от друга при помощи крана воронки. Если необходимо, то процесс экстракции повторяют с новой порцией экстрагента. При энергичном взбалтывании может образоваться очень стойкая эмульсия, расслаивание которой требует много времени. Для разрушения таких эмульсий применяют центрифугирование , небольшой нагрев делительной воронки с ее содержимым в трубчатой печи , пропускание через эмульсию переменного или постоянного тока.
Легколетучий экстрагент при встряхивании может создать воронке избыточное давление, иногда вырывающее пробку. Подстрочный индекс D - начальная буква английского слова distribution распределение.
Рис 171- Экстракторы для легкого растворителя с вставной воронкой (а) и с вставным стаканом и сифоном (б)
этом случае в процессе встряхивания воронку периодически переворачивают краном вверх и открывают его на 1 - 2 с.
Для непрерывного извлечения примесей или нужного компонента из жидкого раствора применяют приборы, в которых диспергированный экстрагент пропускают через слой жидкой фазы, а затем направляют на регенерацию путем превращения его в пар с последующей конденсацией и возвращением в цикл.
Если плотность экстрагента меньше плотности обрабатываемой жидкости, то его подают под слой этой жидкости. В частности, в приборе с вставной воронкой (рис. 171, а) экстрагент из обратного холодильника 1 попадает сначала в воронку 2, а затем при помощи пористой стеклянной пластинки 6 диспергируется в слое 5 тяжелой очищаемой жидкости, извлекая примеси при своем движении вверх. Капли образуют верхний слой 4 обогащенного примесями экстрагента, который сливается через трубку 3 на регенерацию.
В экстракторе с вставным стаканом 5 (рис. 171, б) и сифоном 6 экстрагент после конденсации проходит воронку 4 и попадает на дно стакана, содержащего очищаемую жидкость 7. Диспергирование экстрагента происходит при помощи стеклянной пористой пластинки 8. Заполнив верхнюю часть стакана, экстрагент переливается через его край в зазор между стаканом и сосудом 2 и сифонируется в трубку 9 на регенерацию. Пар экстрагента поступает в холодильник 1 через трубку 3.
Длительность процесса экстракции в приборах первого и дорого типов устанавливается экспериментально.
Для очистки больших количеств жидкости применяют экстракторы со склянкой емкостью 2 - 5 л (рис. 172, а). В этом приборе экстрагент не диспергируется, а из трубки 3 большими каплями проходит через слой 7 жидкости и собирается над ней в слое 6.
Как только экстрагент закроет отверстие 5 трубки 3, он начинает подниматься по ней и по достижении верхнего колена сифона 4 переливаться в колбу 8 для регенерации. Слой 6 экстра-гента на короткое время исчезнет, а затем снова начнет расти до очередного слива сифоном.
Трубка 2 является паропроводом экстрагента, связывающего колбу 8 с холодильником 7. Когда необходимо нагревать обрабатываемую экстрагентом жидкость, применяют прибор с коаксиальными цилиндрами 2 и 4 (рис. 172, б).
Вставной стакан 4 содержит стеклянную спираль 5, поднимаясь по которой, экстрагент извлекает из жидкости 6 те или иные примеси и выливается через край стакана в колбу 7 для регенерации. Пар экстрагента омывает наружную поверхность стакана, подогревает находящуюся в нем жидкость и конденсируется в холодильнике 1. По окончании операции стакан вынимают, извлекают из него воронку 3 и спираль, выливают содержимое в делительную воронку и сливают слой 6 очищенной жидкости.
При использовании более тяжелого, чем очищаемая жидкость, экстрагента, применяют приборы с распыляющей пористой стеклянной пластинкой и сифоном (рис. 173). В этих экстракторах конденсат проходит пористую стеклянную пластинку 4 и падает в виде мелких капель на поверхность очищаемой жидкости 5 и, извлекая по ходу своего движения примеси, опускается на дно сосуда. Со дна сосуда экстракт 6 через сифон 7 попадает в колбу для регенерации экстрагента.
В приборе с нижним сифоном (рис. 173, а) экстракт 6 постепенно накапливается на дне сосуда 3 и, поднявшись до уровня верхнего колена сифона 7, сбрасывается с его помощью в колбу Благодаря давлению слоя 5 очищенной жидкости, уровень экстракта в правом колене сифона несколько выше, чем в сосуде 3-В экстракторе с боковым сифоном 7 (рис. 173, б) сброс экстракта в перегонную колбу по паропроводу 8 также происходит по мере подъема его уровня в сифоне.
Рис. 173. Экстракторы для тяжелого растворителя с нижним сифоном (а), с боковым сифоном (б) и с пальчиковым холодильником (в): а, б: 1 - холодильник; 2 - отверстие; 3 - сосуд; 4 - пористая пластинка; 5 - очищаемая жидкость; 6 - экстрагент; 7 - сифон; 8 - паровая трубка;
е. 1 - пальчиковый холодильник; 2 - паровая трубка; 3 - воронка; 4 - пористая пластинка; 5 - очищаемая жидкость: 6 - экстрагент; 7 - сифон; 8, 9- трубки
Прибор с пальчиковым холодильником 1 (рис. 173, в) снабжен пробоотборником 8 и воронкой 3 для направления конденсата на пористую стеклянную пластинку 4. В первых двух экстракторах пар попадает в холодильник через отверстие 2 в его спускной трубке.
Предлагаемые приборы для жидкостной экстракции применимы только в том случае, если удаляемые из жидкости примеси не обладают заметной летучестью и накапливаются в колбе с кипящим экстрагентом.
Достигнуть хорошего распределения экстрагента в очищаемой жидкости с помощью приведенных выше приборов трудно, часто мелкие капли экстрагента соединяются в крупные или передвигаются в пристеночном слое.
Более эффективны лабораторные экстракторы колонного типа и типа смеситель - отстойник с электронным управлением, выпускаемые рядом фирм.