CC BY
37
УДК 66.03
А. А. Салин, А. Н. Горшунова, Н. С. Гришин
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПРОЦЕСС ЭКСТРАКЦИИ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ АППАРАТЕ БЕЗНАПОРНОГО ТИПА
Ключевые слова: центробежная экстракция, влияющие параметры процесса извлечения.
Рассмотрены распространенные способы концентрирования методом экстракции. Приведены аналитические зависимости для определения степени извлечения и степени концентрирования. Отмечены факторы, существенно влияющие на процесс экстракции. Проведено исследование влияния определяющих параметров на степень извлечения в шнековом экстракторе.
Keywords: centrifugal extraction, settings influencing the extraction process.
The common methods of concentration by the extraction method are observed. Analytical dependencies for determining the degree of extraction and the degree of concentration are provided. Factors that significantly affect the extraction process are noted. Investigations of the influence of determining parameters on extraction degree in the screw extractor were carried out.
Введение
Процесс экстракции широко используется в химической технологии для разделения гетерогенных жидких смесей, при разделении особо чистых веществ в медицинской промышленности для разделения и концентрирования, в экологическом мониторинге загрязнения объектов окружающей среды методами аналитической химии.
Стоит отметить, что различают экстракцию, как процесс, происходящий в системе жидкость-растворитель и экстрагирование - в системе твердая проба-растворитель. В ряде публикаций используются иные термины: жидкостная экстракция, жид-кофазная экстракция, твердофазная экстракция.
Определение влияющих параметров
В общем плане выбор конструкции аппарата для проведения экстракции зависит от множества факторов и требует тщательной проработки как технологического процесса и физико-химических свойств контактирующих жидкостей, так и совокупности конструктивных параметров. Способствовать правильному выбору может физико-математическое моделирование процесса и экспериментальное исследование на опытных образцах аппаратов.
Обобщая имеющийся в настоящее время экспериментальный и теоретический материал, можно сказать, что сопоставить различные экстракторы по всем показателям их работы и отдать предпочтение одному из них невозможно. Поэтому, для предварительного выбора экстракта необходимо учитывать как конструктивные особенности аппарата, так и значения параметров процесса экстракции [1].
Концентрирование методом экстракции изучаемого вещества может осуществляться следующими способами:
1. Периодическая экстракция, в процессе которой экстрагируемое вещество извлекается путем встряхивания в делительной воронке с экстра-гентом. При этом степень извлечения Rn равняется:
Rn = (1 +
V,
орг )—n
VH2O •K
(1)
где Уорг и УН20 - объемы органической и водной фаз; К - коэффициент распределения; п - число операций извлечения.
Физический смысл уравнения (1) состоит в том, что целесообразнее экстрагировать малыми порциями растворителя несколько раз, чем один - два раза большими порциями экстрагента. Степень извлечения растет по мере увеличения числа операций и при данном объеме экстрагента.
2. Непрерывная экстракция, осуществляемая в специальных приборах, может быть использована для предварительного концентрирования в месте отбора водных проб. Благодаря чему решается проблема уменьшения объема доставляемых проб на анализ и их сохранности.
Процесс непрерывной экстракции характеризуется двумя основными характеристиками:
- степенью извлечения (8и в уравнении (2));
- степенью концентрирования (8к).
Степень извлечения определяется отношением количества вещества в экстракте (Х1') к его количеству в исходном растворе (Х1): X.
• 100% . (2)
Sm =
1
X
1
Степень извлечения зависит от многих параметров процесса экстракции (температура, давление, вид перемешивания, время контакта фаз и т.п.). На рисунках 1-2 представлены гипотетические зависимости степени извлечения концентрирования от влияющих параметров [2-6], где каждая линия (1,2,3 и т. д.) характеризуется определенными условиями проведения процесса. Вид зависимости степени концентрирования от определяющих параметров представлен на рис. 2, где параметр «П» характеризует выбранный метод и условия процесса, в частном случае это время экстракции.
Степень концентрирования характеризуется отношением объема пробы к объему растворителя, в случае 100% извлечения микропримеси из пробы.
Степень концентрирования наиболее часто используется при пробоподготовке, когда, например, используют для концентрирования микропримеси двойную или тройную экстракцию или при переводе экстракта в другой растворитель:
100%
Бк =
ХП Х 2
X
2 рэ
(3)
где ХП - объем пробы; Х^ = Х1р + Х2р + Х3р -суммарный объем растворителя для первой (Х1р), второй (Х2р) и третьей (Х3р) экстракции (рис. 2, 3, 4); Хрэ - объем реэкстракта.
Исходя из уравнения (3), повысить степень концентрирования можно либо увеличением объема исходной пробы, либо уменьшением объема реэкс-трагента. Из практики известно, что извлечение микропримеси из проб практически невозможно осуществить полностью, поэтому степень концентрирования удобней представить в виде отношений степеней извлечения, т.е. отношением реальных количеств переходящих веществ к количеству реагента:
ХП Х2
Х^ Х И 2 рэ
(4)
Рис. 1 - Зависимость степени извлечения от определяющих параметров, где номера 1, 2, 3 соответствуют определенному набору значений параметров, 4 - теоретическая степень извлечения
В связи с вышесказанным, рассмотрим некоторые наиболее важные параметры, влияющие на процесс экстракции. Рассматривая зависимости степени извлечения и концентрирования, по рисункам 1-4, можно сделать вывод о неоднозначности данных зависимостей. Основными, существенно влияющими на процесс экстракции, могут оказаться следующие факторы:
- соотношение расходов фаз;
- время перемешивания;
- интенсивность перемешивания;
- начальная концентрация микропримеси;
- размер капель, частиц пробы.
О П
Рис. 2 - Соотношение количества вещества в экстракте в зависимости от степени извлечения
Следует отметить, что аппараты периодического действия (смесительно-отстойного типа) хорошо изучены, и практически для всех вариантов могут быть использованы имеющиеся расчетные зависимости по определению основных гидродинамических и массообменных параметров, что позволяет успешно использовать для их предварительного расчета геометрических характеристик аппаратов. Несколько иначе дело обстоит с аппаратами дифференциально-контактного типа, для которых имеются расчетные зависимости только для исследованного диапазона варьируемых параметров, которые не захватывают область работы лабораторных образцов, поэтому требуются соответствующие их уточнения.
При выборе аппарата традиционно стоит задача по проведению экстракционного процесса при наиболее благоприятных условиях (рациональное использование внутрироторного пространства, минимальные гидравлические потери при движении потоков в межнасадочном пространстве, при интенсивном взаимодействии контакта фаз и значительном увеличении пропускной способности контактных элементов). К тому же отсутствие кинетических закономерностей процессов для целого ряда устройств вызывает необходимость в экспериментальном исследовании процессов массообмена и уточнении имеющихся расчетных зависимостей для определения геометрических размеров насадочной зоны центробежных аппаратов.
Для экспериментального исследования кинетических характеристик процессов экстракции и экстрагирования (извлечения микропримесей) из твердых и жидких сред наиболее удобными представляются конструкции аппаратов со шнековой мешалкой [7]. С учетом опытных данных и анализа литературных данных, были определены основные параметры, влияющие на процесс извлечения микропримесей в аппаратах шнекового типа: число оборотов мешалки (п), время экстракции (т), объем экстракта (Уэ), рН водной фазы. В процессе проведения экспериментов влияющие параметры варьировались в диапазонах, указанных в таблице 1.
Для экспериментального исследования процесса экстракции в системе жидкость-жидкость был рас-
смотрен процесс извлечения 2,4,5 трихлоруксусной кислоты из воды четыреххлористым углеродом. Результаты эксперимента представлены на рисунках 34, из которых виден характер влияния определяющих параметров на процесс экстракции.
Таблица 1
Уровни n, т, V3, pH
факторов об/мин мин см3
Начальный 1200 3 4 9
Основной 950 2 3 7
Конечный 700 1 2 5
Рис. 3 - Зависимость степени извлечения от времени экстракции: • - т, = 1 мин; * - т, = 2 мин; ■-тэ = 3 мин
Рис. 4 - Зависимость степени извлечения в % от pH среды
Из рисунков 3, 4 видно, что процент извлечения с увеличением числа оборотов шнека и времени экстракции растет и стремится к 100 %. Зависимость времени экстракции в исследованном диапазоне варьирования параметра имеет монотонный характер влияния на процесс извлечения, а рН среды практически не оказывает влияния на процесс извлечения.
При сравнении результатов эксперимента с теоретическими предпосылками, изложенными в работах [2-4], можно сделать вывод, что зависимости влияния определяющих параметров в общем случае имеют схожий характер, а, следовательно, адекватность рассмотренных функциональных зависимостей подтверждается и теорией и на практике.
Литература
Казанский С.М.Кирова
И.И. Поникаров. Дис. докт. техн. наук, химико-технологический институт им. (КХТИ), Казань, 1971. 275 с.
В. В. Кафаров Основы массопередачи. Системы газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость-жидкость. Высшая школа, Москва, 1979. 439 с.
Б.И. Броунштейн, А.С. Железняк Основы жидкостной экстракции. Наука, Москва - Ленинград, 1966. 317 с. В.С. Крылов, Успехи химии, 49, 1, 118-146 (1980) А.А. Салин, Н.С. Гришин, С.И. Поникаров, Вестник Казанского технологического университета, 17, 7, 228231 (2014)
6. А.А. Салин, Н.С. Гришин, Вестник Казанского технологического университета, 17, 10, 167-168 (2014)
7. Пат. РФ № 75954 (2008).
© А. А. Салин - канд. техн. наук, асс. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, c888aa@mail.ru; А. Н. Горшунова - асп. той же кафедры; Н. С. Гришин - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, mahp_kstu@mail.ru.
© А. А. Salin - Candidate of Technical Sciences,Assistant, Department of Mechanical Engineering for Chemical Industry, KNRTU, c888aa@mail.ru; A. N. Gorshunova - postgraduate student of the same department; N. S. Grishin - Doctor of Engineering, Professor, Department of Mechanical Engineering for Chemical Industry, KNRTU, mahp_kstu@mail.ru.
