Экстракция

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………………………..3

1 Общие сведения …………………………………………………………………………….….4

2 Аппараты для экстракции  …………………………………………………………………….7

Заключение ………………………………………………………………………………………15                                           

Список использованной литературы  ………………………………………………………..…16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Одним из перспективных методов  разделения и концентрирования является экстракция . Давно известно, что  многие вещества распределяются между  двумя несмешивающимися жидкостями, причем характер разделения в известной степени зависит от растворимости веществ в индивидуальных фазах. Использование этого явления для разделения и очистки веществ стало одним из основных методов в органической химии. Долгое время в области неорганической химии экстракцией интересовались мало. Поэтому экстракцию принято считать относительно молодым методом. Одним из первых широкомасштабных проектов внедренных в мире было использование сверхкритической экстракции. Технология сверхкритической экстракции находит свое применение для извлечения из растительного сырья алкалоидов

Для многих областей применения экстракция является более эффективной, более  избирательной и менее затратной  альтернативой конкурентным методам  разделения, таким как дистилляция, выпаривание и мембранная технология. Экстракция определяется как процесс извлечения одного или нескольких веществ из другого вещества. 

В пищевой промышленности экстракция применяется для выделения необходимых компонентов, например ароматических, или для удаления нежелательных горьких веществ. Области применения самые различные: получение сахара из сахарной свеклы, получение ароматических веществ и эфирных масел из растительного сырья, получение экстрактов пряностей, экстрактов хмеля, натуральных красителей, удаление спирта из напитков, никотина из табака и кофеина из кофе.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Общие сведения

 

Экстракция в системе «жидкость – жидкость»

Экстракцией в системе «жидкость – жидкость» называется процесс извлечения растворенного вещества или веществ из жидкости при помощи специальной другой жидкости, не растворяющейся или почти не растворяющейся в первой, но растворяющей экстрагируемые компоненты.

В экстрактор  загружаются исходный раствор, содержащий распределяемое вещество или вещества, и растворитель. Жидкость используемая для извлечения компонентов, называется экстрагентом. Массообмен между фазами протекает при их непосредственном контакте. Полученная в результате экстракции жидкая смесь поступает в разделитель, где разделяется на экстракт – раствор экстрагированных веществ в экстрагенте и рафинат – остаточный раствор, из которого экстрагированы извлекаемые компоненты. Разделение смеси на экстракт и рафинат происходит в результате отстаивания или сепарирования.

Процесс экстракции проводят в аппаратах различной конструкции – экстракторах.

Экстракцию широко используют для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов, а так же для получения концентрированных растворов.

Основное преимущество экстракции – низкая рабочая температура процесса, что позволяет разделять жидкие смеси термолабильных веществ, например антибиотиков, разлагающихся при повышенных температурах.

Во многих случаях экстракцию применяют в сочетании с ректификацией. Поскольку расход теплоты на ректификацию уменьшается с увеличением концентрации исходного раствора, предварительное концентрирование раствора экстракцией позволяет сократить расход теплоты на разделение исходной смеси.

Физические основы процесса

Равновесие в процессах экстракции характеризуется коэффициентом распределения φ, который равен соотношению равновесных концентраций экстрагируемого вещества в обеих жидких фазах – в экстракте и рафинате. Коэффициент распределения, как правило, в промышленных системах определяют экспериментальным путем.

Кинетические закономерности процесса экстракции описывают основными законами массопередачи.

Для увеличения площади поверхности фазового контакта одну из фаз диспергируют в виде капель в другой сплошной фазе. Площадь поверхности фазового контакта определяется задержкой дисперсной фазы в экстракторе и средним поверхностно-объемным диаметром капель. Распределяемое вещество диффундирует из сплошной фазы к поверхности капель, а затем внутрь капли либо, наоборот, из капли через поверхность раздела фаз сплошную фазу.

Массопередача внутри капель осуществляется молекулярной и конвективной диффузией. Конвеция внутри капель возникает благодаря циркуляии жидкости. Форма и размер капель в процессе экстракции многократно меняются в результате диспергирования и коалесценции. При этом происходит обновление поверхности межфазового контакта. Для описания массопередачи в процессах экстракции пользуются вторым законом Фика.

 

Экстракция в системе «твердое тело – жидкость»

Выщелачивание (частный случай экстракции) – это извлечение из твердого тела одного или нескольких веществ при помощи растворителя, обладающего избирательной способностью.

В пищевой промышленности выщелачиванием обрабатывают каппилярно-пористые тела растительного или животного происхождения.

Экстрагирование существенно отличается от экстракции жидкостной, которая протекает в гетерогенной системе жидкость - жидкость. При экстрагировании размеры твердых тел задаются предшествующими операциями (измельчение).

Различают два принципиально разных способа  извлечения: экстрагирование растворенного  вещества и экстрагирование твердого вещества. В случае экстрагирования растворенного вещества пористый объем твердого тела заполнен раствором целевого компонента, который при извлечении диффундирует за пределы пористого тела в экстрагент. Классический пример - извлечение сахара из свекловичной стружки при ее обработке горячей водой. Экстрагирование твердого вещества происходит, если целевой компонент, заполняющий пористый объем твердого тела, находится в твердом состоянии. При обработке твердого тела экстрагентом диффузионной стадии предшествует стадия растворения целевого компонента. В обоих случаях пористый инертный скелет либо остается в неизмененном виде, либо подвергается определенным изменениям.

К основным стадиям экстрагирования  относят: подготовку сырья и экстрагента (очистка и измельчение сырья, нагревание растворителя); непосредственное контактирование твердой и жидкой фаз в аппарате, называемом экстрактором; разделение системы твердая фаза - раствор (отстаивание, фильтрование, центрифугирование).

Физические основы процесса

В соответствии со вторым началом термодинамики при взаимодействии твердой и жидкой фаз их состояние изменяется в направлении достижения равновесия, которое характеризуется равенством химических потенциалов извлекаемого вещества в объеме твердого тела и в основной массе экстрагента. При извлечении растворенного вещества это равносильно равенству его концентраций в обеих фазах; условие нарушается, если целевой компонент адсорбируется твердой фазой, тогда равновесие определяется изотермой адсорбции. При извлечении твердого вещества равновесие обусловлено растворимостью целевого компонента, находящегося в контакте с экстрагентом, при полном же извлечении твердого компонента его концентрации в основной массе раствора и в пористом объеме выравниваются.

Кинетически экстрагирование подчиняется  законам массообмена, конвективной и молекулярной  диффузии, а также законам переноса извлекаемого вещества из твердой фазы в жидкую. Движущая сила переноса целевого компонента - разность его химических потенциалов в фазах. На практике для упрощения связи между скоростью процесса и составом материальных потоков движущую силу экстрагирования выражают через переменный во времени градиент концентраций извлекаемого вещества в фазах. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Аппараты  для  экстракции

 

 

 

Рис. 1. Перколятор: а - единичный аппарат; б -батарея аппаратов (I-V); 1 - корпус; 2 - ложное днище (решетка); 3 - откидное днище; 4 - штуцер для ввода свежего экстрагента; 5 - штуцер для отвода концентрированного раствора; 6 - насос.

 

Представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с коническим днищем и крышкой. В днище расположена решетка, на которую через верхний люк загружается слой измельченного твердого материала. После выщелачивания материал выгружают через нижний откидывающийся люк.

Последовательное соединение 4-16 таких аппаратов в батарею (рис. 1, б) позволяет перейти к полунепрерывной противоточной схеме. Благодаря замкнутой системе коммуникаций удается периодически отключать от циркуля системы один из аппаратов, освобождать его от полностью истощенного материала и заполнять свежим. Далее этот аппарат снова включают в систему циркуляции и подают в него наиболее обогащенный экстрагент, прошедший через все остальные аппараты, затем отключают следующий, аппарат, в который до этого поступал чистый экстрагент, и т.д. С увеличением числа аппаратов процесс приближается к непрерывному.  

 

 

 

 

 

Рис. 2. Шнековый экстрактор непрерывного действия: 1, 2, 3 - загрузочная, горизонтальная и экстракционная колонны; 4-6 - шнеки; 7 -разделительное сито.

 

Шнековый экстрактор (рис. 2) представляет собой трехколонный аппарат с транспортирующим органом шнекового типа. Твердая фаза последовательно перемещается через загрузочную, горизонтальную и экстракционную колонны навстречу движущемуся экстрагенту. В верхней части загрузочной колонны имеется сито для отделения экстракта от твердой фазы. Достоинства аппарата - малая металлоемкость и небольшая занимаемая площадь. Недостатки обусловлены конструкцией шнека, вокруг вала которого закручивается твердый материал, поэтому иногда шнек заменяют цепным транспортирующим органом.  
Для равномерного распределения экстрагента по поверхности материала над слоем размещены распылители. Пройдя через слой материала, раствор поступает в воронку, откуда насосом подается в смежную зону, которая расположена в направлении, противоположном движению ленты. Распространены также роторные аппараты карусельного типа, реализующие тот же принцип действия.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3. Ленточный экстрактор непрерывного действия: 1 - корпус; 2 - бункер; 3 - ленточный транспортер; 4 - воронка; 5 - насосы.

Ленточный экстрактор (рис. 3) применяют для экстракции масла семян подсолнечника. Твердая фаза – раздробленные семена перемещаются по ленте тонким слоем, а экстрагент – бензин подается сверху при помощи насосов и орошает находящийся на ленте материал. Процесс осуществляется по сложной комбинированной схеме движения потоков твердого материала и экстрагента: поперечный ток на каждом участке и противоток в елом в экстракторе. Конструкция экстрактора не осбеспечивает эффективного взаимодействия твердой фазы с экстрагентом, экстракция протекает с невысокой скоростью. Для полного извлечения масла требуется несколько ступеней экстракции.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Смесительно-отстойная  экстракционная установка: 1- экстрактор; 2- сепаратор

Смесительно-отстойные  экстракторы состоят из нескольких ступеней, каждая из которых включает смеситель и разделитель. В смесителе в результате подвода внешней энергии происходит диспергирование одной из жидких фаз с образованием дисперсионной фазы, которая распределяется в другой – сплошной фазе. Дисперсионной фазой может быть как легкая, так и тяжелая фаза. Недостатком является громоздкость, значительные производственные площади, высокая энергоемкость.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Роторно-дисковый экстрактор: 1,5 – отстойные зоны; 2 – корпус; 3- кольцевые перегородки; 4- ротор

Роторно-дисковый экстрактор относится к экстракторам с механическим перемешиванием фаз. Он представляет собой вертикальный многосекционный аппарат, в цилиндрическом корпусе которого по оси установлен ротор с круглыми горизонтальными дисками. Диски вращаются в средней плоскости секции экстрактора и разделены кольцевыми перегородками, что препятствует продольному перемешиванию потоков и способствует увеличению движущей силы процесса. При вращении ротора диски создают осевые потоки сплошной фазы, направленные от оси ротора к стенкам экстрактора. Достигнув стенок, жидкость движется вдоль них вверх и вниз в пространстве, ограниченном кольцевыми перегородками. Отражаясь от колец перегородки, жидкость меняет направление и движется к оси экстрактора. Так возникают тороидальные потоки сплошной фазы. В верхней и нижней частях экстрактора расположены отстойные зоны. Капли легкой фазы – экстракта движутся вверх и коалесцируют в верхней отстойной зоне. Для лучшего разделения фаз отстойных зон несколько превышает диаметр зоны смешения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Пульсационный экстрактор: 1- неподвижный корпус; 2- вращающийся диск; 3- окна для соединения с системой сжатого воздуха; 4- окно для сообщения с атмосферой; 5- пульсационная камера.

Колебательное движение жидкостям может сообщаться установленным вне экстрактора пульсатором. Золотноково-распеределительный механизм состоит из диска, вращающегося на неподвижном корпусе. Диск и корпус имеют по два окна для соединения пульсационной камеры с системой сжатого воздуха и для сообщения камеры с атмосферой. При совпадении прорезей для сжатого воздуха на диске и корпусе жидкость в пульсационной камере находится под избыточным давлением. За счет перепада давления жидкость приобретает поступательное движение. Когда пульсационная камера сообщается с атмосферой, при совпадении прорезей сброса давления на вращающемся диске и корпусе происходит сброс давления и жидкость совершает возвратное движение. Регулируя частоту вращения диска, можно изменять частоту колебания жидкости в экстракторе.