главная > справочник > химическая энциклопедия:

Экстракция жидкостная

Экстракция Жидкостная (позднелат. extractio - извлечение, от extraho - вытягиваю, извлекаю), перевод одного или нескольких компонентов раствора из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней другую жидкую фазу, содержащую избирательный растворитель (экстрагент); один из массообменных процессов химической технологии. Используется для извлечения, разделения и концентрирования растворенных веществ.

Экстрагенты обеспечивают переход целевых компонентов из исчерпываемой (тяжелой) фазы, которая чаще всего представляет собой водный раствор, в извлекающую (легкую) фазу (обычно органическую жидкость). Две контактирующие жидкие фазы и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракционную систему. Извлекающая фаза включает только экстрагент (или смесь экстрагентов) либо является раствором одного или нескольких экстрагентов в разбавителе, служащем для улучшения физических (вязкость, плотность) и экстракционных свойств экстрагентов. В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, которые в исчерпываемой фазе практически нерастворимы и инертны по отношению к извлекаемым компонентам раствора. Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие растворимость экстрагируемых компонентов в извлекающей фазе или облегчающие расслаивание: спирты, кетоны, трибутилфосфат и т.д.).

К основным стадиям жидкостной экстракции относятся: 1) приведение в контакт и диспергирование фаз; 2) разделение или расслаивание фаз на экстракт (извлекающая фаза) и рафинат (исчерпываемая фаза); 3) выделение целевых компонентов из экстракта и регенерация экстрагента, для чего наряду с дистилляцией наиболее часто применяют реэкстракцию (процесс, обратный жидкостной экстракции), обрабатывая экстракт водными растворами веществ, обеспечивающих полный перевод целевых компонентов в раствор или осадок и их концентрирование; 4) промывка экстракта для уменьшения содержания и удаления механически захваченного исходного раствора.

В любом экстракционном процессе после достижения требуемых показателей извлечения фазы должны быть разделены. Эмульсии, образующиеся при перемешивании, обычно термодинамически неустойчивы, что обусловлено наличием избыточной свободной энергии вследствие большой межфазной поверхности. Последняя уменьшается из-за коалесценции (слияния) капель дисперсной фазы. Коалесценция энергетически выгодна (особенно в бинарных системах) и происходит до тех пор, пока не образуются два слоя жидкости.

Разделение эмульсий осуществляется, как правило, в две стадии. Сначала довольно быстро осаждаются (всплывают) и коалесцируют крупные капли. Значительно более мелкие капли остаются в виде "тумана", который отстаивается довольно долго. Скорость расслаивания зачастую определяет производительность аппаратуры всего экстракционном процесса. На практике для интенсификации разделения фаз используют центробежные силы и применяют различные устройства или насадки, которые располагают в отстойниках (см. ниже). В ряде случаев расслаиванию способствует электрическое поле.

Основные требования к промышленным экстрагентам: высокая избирательность; высокая экстракционном емкость по целевому компоненту; низкая растворимость в рафинате; совместимость с разбавителями; легкость регенерации; высокие хим., а в ряде случаев и радиационная стойкость, негорючесть или достаточно высокая температура вспышки (более 60 °С); невысокая летучесть и низкая токсичность; доступность и невысокая стоимость.

Наиболее распространенные промышленные экстрагенты подразделяют на следующие классы: 1) нейтральные, извлечение которыми осуществляется по разным механизмам в зависимости от кислотности исходного раствора,- вода, фосфорорганические соединения (главным образом трибутилфосфат), нефтяные сульфоксиды, насыщенные спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны и др.; 2) кислые, которые извлекают катионы металлов в орг. фазу из водной,- фосфорорганические кислоты [ди(2-этилгексил)фосфорная кислота], карбоновые и нафтеновые кислоты, сульфокислоты, алкилфенолы, хелатообразующие соединения (гидроксиоксимы, алкилгидроксихинолины, -дикетоны); 3) основные, с помощью которых извлекают анионы металлов из водных растворов, первичные, вторичные, третичные амины и их соли, соли четвертичных аммониевых, фосфониевых и арсониевых оснований и др.

Равновесие при экстракции

Термодинамически жидкостная экстракция - самопроизвольный процесс выравнивания химических потенциалов веществ в контактирующих фазах. Состояние равновесия характеризуется термодинамической константой распределения Р_т, в общем случае описываемой выражением:

где и - соответственно стандартный химический потенциал и термодинамическую активность распределяемого компонента в извлекающей фазе; и а - то же для распределяемого компонента в исчерпываемой фазе; R - универсальная газовая постоянная, Т-температура.

Разность хим. потенциалов переносимых компонентов в фазах представляет собой движущую силу жидкостная экстракция. Точное определение химических потенциалов в экстракционном системах в настоящее время затруднительно. Поэтому для упрощения инженерных расчетов за движущую силу процесса принимают разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями целевого компонента в фазах.

Для экстракционном равновесий справедливо фаз правило, Его применение к простейшей экстракционном системе (двухфазной из трех компонентов) при условии, что температура и давление обычно не изменяются, дает вариантность системы (т. е. число ее термодинамических степеней свободы), равную единице. Это означает, что существует взаимно однозначное соответствие между равновесными концентрациями распределяемого компонента в исчерпываемой (с)и извлекающей фазах. Благодаря этому для характеристики равновесного распределения используют кривую равновесия, или изотерму экстракции , и коэффициент распределения (рис. 1 и 2). При существенной взаимной растворимости фаз для описания экстракционном равновесий вместо декартовых координат применяют более сложные диаграммы, например в плоскости равностороннего треугольника.

По величине коэф. судят об экстракционном способности экстрагента: чем больше этот параметр, тем выше способность данного растворителя извлекать целевой компонент. В экстракционном системах коэф. изменяется в широких пределах. Знание закономерностей экстракционных равновесий и уравнений для их описания позволяет выбирать условия, обеспечивающие необходимые значения а.

Для характеристики экстракционном разделения двух веществ используют коэффициент разделения численно равный отношению соответствующих коэффициенту распределения этих веществ (обычно большего к меньшему) в экстракте и рафинате: Факторы, влияющие на экстракционном разделение, многочисленны и определяются не только закономерностями экстракционном равновесия, но и способом организации процесса (см. ниже). Например, при однократном контакте фаз наилучшее разделение двух компонентов в состоянии равновесия достигается при максимальном различии их степеней извлечения. Для практической реализации разделения при многоступенчатой противоточной жидкостная экстракция бывает достаточно = 1,5-2,0 (разделение лантаноидов и др.).

Рис. 1. Типичные изотермы экстракции неэлектролитов (1,2) и электролитов (2,3),

Рис. 2. Типичные зависимости =/(с) при экстракции неэлектролитов (1,2) и электролитов (2,3).

На экстракционном равновесие сильное влияние оказывают также коэффициенты активности компонентов в фазах, что объясняется относительно небольшим изменением своё, энергии при экстракции (до 11 кДж/моль).

Уравнение (1) - самое общее выражение, характеризующее экстракционном равновесие. Вид этого уравнения применительно к конкретной экстракционном системе обусловлен природой и состоянием веществ в фазах. По данным признакам различают распределение в следующих экстракционных системах: неэлектролит - неэлектролит, электролит - неэлектролит, электролит - электролит.

Экстракция в системах неэлектролит - неэлектролит. Для этих систем, в которых экстракция не сопровождается химическими реакциями, характерно так называемое физическое распределение, обусловленное сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми взаимодействованиями экстрагента с извлекаемым веществом. В этом случае:

где и - коэффициент активности экстрагируемого вещества соотв. в извлекающей и исчерпываемой фазах. При и коэф. (закон Бертло-Нернста). Выражению (2) отвечают начальные участки равновесных кривых 1 на рис. 1 и 2. Отклонения от линейности в области больших концентраций вызваны изменениями коэф. активности веществ в фазах.

Экстракция в системах электролит - неэлектролит, в которых электролит диссоциирует в водной фазе, возможна лишь при условии образования сравнительно прочной химической связи (энергия связи 40-200 кДж/моль) между экстрагентом и извлекаемым компонентом. Количественное описание экстракционных равновесий в данных системах основано на применении действующих масс закона, Химическая связь между извлекаемым компонентом и экстрагентом могут быть образована в результате реакций присоединения (по сольватному или гидратно-сольватному механизму), катионного или анионного обмена, а также различных сочетаний этих процессов.

Сольватный и гидратно-сольватный механизмы типичны для нейтральных экстрагентов. Реализация каждого механизма зависит от соотношения между свободными энергиями гидратации извлекаемого компонента и его взаимодействии с экстрагентом. Для экстрагентов этого класса характерно существенное влияние на экстракционном равновесие гидратации, сольватации и (в случае достаточно разбавленных растворов) электролитической диссоциации в органической фазе.

По сольватному механизму с образованием донорно-акцепторных связей извлекаются соли металлов (например, экстракция нитратов урана, тория, лантаноидов трибутилфосфатом), с образованием водородной связи - некоторые кислоты (например, экстракция HNO₃ триоктилфосфиноксидом). Процессы экстракции могут быть записаны, например, так:

где М - извлекаемый металл; X - анион; - экстрагент; v₊, v_-, q - стехиометрический коэффициент; z - зарядовое число, черта над знаком или формулой означает нахождение вещества в извлекающей (в данном случае, органической) фазе.

где К_ки К_эф - концентрационная и эффективная константы экстракции (для практических целей часто ограничиваются расчетом только K_к) - средний ионный коэф. активности ионов; с_э и - исходная концентрация и коэффициент активности экстрагента. Для извлечения по сольватному механизму характерно вытеснение воды из органической фазы при возрастании в ней содержания извлекаемого компонента.

Гидратно-сольватный механизм реализуется за счет взаимодействия экстрагента с гидратной оболочкой экстрагируемых компонентов. Поэтому по мере извлечения в орг. фазе увеличивается содержание воды, равновесная концентрация которой зависит от различных факторов. Такой механизм характерен для экстракции сильных кислот (напр., НСl, НСlО₄) трибутилфосфатом, а также солей металлов спиртами, простыми и сложными эфирами, кетонами и другими слабоосновными экстрагентами.

Для реакций, протекающих по механизму присоединения, характерно стремление к нулю при уменьшении концентрации извлекаемого компонента в исчерпываемой фазе вследствие увеличения его степени диссоциации. Поэтому в системах с нейтральными экстрагентами зачастую используют высаливатели - обычно неэкстрагирующиеся электролиты с одноименным по отношению к извлекаемому компоненту анионом. Введение высаливателя приводит к изменению формы изотермы экстракции и увеличению

Катионный обмен типичен для экстракции ионов металлов кислыми экстрагентами, например фосфорорганически, карбоновыми и другими кислотами. Образующаяся соль, как правило, сольватирована молекулами экстрагента:

Для таких процессов наблюдается линейное возрастание lg с увеличением рН, что является следствием закона действующих масс. В ряде случаев (например, при экстракции урана фосфорорганическими кислотами) наряду с ионным обменом возможно образование координационной связи между фосфорильной группой и извлекаемым компонентом.

Анионный обмен характерен для экстракции минеральных кислот и ионов металлов солями аминов и четвертичных аммониевых оснований, например:

Экстракция соединений металлов солями аминов возможна также и по механизму реакций присоединения. Для экстракции с помощью этих веществ типично сильное влияние на параметры равновесия процессов ассоциации в органической фазе.

Извлечение ионов металлов кислыми хелатообразующими экстрагентами, а также смесями, например нейтральных и кислых экстрагентов, происходит по смешанному механизму. В первом случае катионный обмен дополняется донорно-акцепторными взаимодействиями с участием донорных атомов (обычно N или О) экстрагента. Во втором случае более полно реализуются координационной возможности иона металла за счет образования смешанных комплексов типа M[X_ZS_q]. Повышенная прочность комплексов обусловливает увеличение коэф.

Экстракция в системах электролит-электролит ограниченно распространена в промышленности и используется главным образом в научных исследованиях. Описание равновесий в этих системах в отличие от рассмотренных требует учета электролитических диссоциации компонентов растворов в обеих фазах.

Синергизм. При экстракции смесями экстрагентов часто наблюдаются изменения коэффициентов вследствие изменений коэффициента активности извлекаемого компонента в фазах или образования сольватов. Такой эффект, называют синергетическим или синергизмом, выражается в том, что экспериментально определяемый коэф. оказывается больше этого коэффициента, вычисленного по схеме аддитивности. Синергизм обычно реализуется при невысоких концентрациях распределяемого компонента в извлекающей фазе. При более полном использовании емкости экстрагента наблюдается противоположный эффект (антагонизм), при котором коэффициент меньше суммы коэффициентов распределения компонентов данной системы.

Кинетика экстракции жидкостная экстракция, как и любой реальный процесс, протекает во времени. Кинетически жидкостная экстракция представляет собой массопередачу, которая сопровождается разнообразными физико-химическими процессами, происходящими на межфазной границе, в прилегающих к ней слоях и в объемах фаз. Скорость экстракции, или количество вещества, переходящего в единицу времени из одной фазы в другую, определяется по ф-ле:

где К - коэффициент массопередачи; F - площадь межфазной поверхности; - движущая сила процесса. Если параметры v, F и известны, то можно найти значение плотности межфазного потока (j), коэф. массопередачи и обратную ему величину - так называемое сопротивление массопередаче (R_м):

В зависимости от природы R_м или, иными словами, в зависимости от того, каким конкретно процессом (химической реакцией или диффузией) лимитируется скорость извлечения вещества, могут быть предложены различные способы воздействия на скорость экстракции. Возможны два основных пути ее регулирования:

1) введением в экстракционном систему механической энергии, затрачиваемой на принудительном перемешивание и диспергирование фаз с целью увеличения поверхности их контакта и коэффициентах массоотдачи в фазах;

2) воздействием на скорость химических реакций и межфазных физико-химических процессов.

В химической технологии в качестве главного фактора интенсификации жидкостная экстракция используют первый путь, так как обычно скорость экстракции лимитируется диффузией. Однако необходимо учитывать, что возрастание межфазной поверхности и коэффициента массоотдачи в фазах становится все менее заметным по мере увеличения интенсивности принудительного перемешивания. Поэтому попытки дальнейшего ускорения экстракции за счет дополнительных затрат механической энергии могут оказаться неэффективными. Кроме того, при интенсивных режимах перемешивания возможно снижение скорости разделения фаз на последующих стадиях процесса. Если скорость извлечения вещества ограничена скоростью медленных хим. реакций в фазах, то при прочих равных условиях скорость экстракции не зависит от размера межфазной поверхности. Интенсификация экстракционного процесса возможна лишь за счет ускорения самих реакций.

В подавляющем большинстве экстракционных систем, особенно при интенсивном перемешивании, сопротивление массопередаче R_м сосредоточено в межфазной области. Это означает, что все действующие в ней факторы будут оказывать влияние на коэффициент массопередачи. К числу таких факторов относятся: межфазные реакции между экстрагентом и извлекаемым веществом; блокировка межфазной поверхности в результате аккумуляции на ней труднорастворимых продуктов реакций, микрокапель, твердых частиц или, др. словами, вследствие образования в межфазной области конденсированных межфазных пленок и зон микрогетерогенности; влияние процессов адсорбции - десорбции и двойного электрического слоя; самопроизвольная межфазная конвекция из-за нарушения гидродинамической стабильности границы раздела фаз (эффект Марангони).

Знание закономерностей кинетики процесса и информация о коэффициент массопередачи необходимы для расчетов экстракционной аппаратуры и определения путей интенсификации жидкостной экстракции.

Способы организации процесса Э. осуществляют в аппаратах, наз. экстракторами, с однократным и многократным контактом фаз. Соответственно различают однократную (одноступенчатую) и многократную (многоступенчатую) экстракцию; при этом ступенями разделения служат отдельные аппараты или их секции.

Многократная экстракция, наиболее распространенная в промышленности, проводится непрерывно и по способу движения фаз подразделяется на противоточную, полупротивоточную и перекрестноточную. Чаще всего применяют противоточную экстракцию одним экстрагентом (рис. 3) с числом ступеней обычно 5-10. Для трудноразделяемых компонентов (напр., близких по свойствам лантаноидов) число ступеней достигает 70-100.

Рис. 3. Схема ггротивоточной многократной экстракции: 1-4, ..., n - экстракторы.

Четкость разделения исходной смеси можно повысить, используя следующие способы. При жидкостной экстракции с обратной флегмой экстрагент и рафинат частично отделяются от соответственного экстракта и исходного раствора; далее определенные доли этих фракций обратно возвращаются в экстрактор навстречу уходящим потокам (процесс проводят подобно ректификации). При жидкостной экстракции с двумя несмешивающимися экстрагентами каждый из них избирательно растворяет какой-либо компонент или группу компонентов экстракционном системы.

Реже используют полупротивоток и перекрестный ток. При полупротивоточной экстракции одна фаза "неподвижна" (не перемещается со ступени на ступень), а другая фаза последовательно проходит все ступени каскада (см. ниже), вымывая компоненты раствора в порядке убывания коэф. Полупротивоток применяют для извлечения и разделения компонентов, присутствующих в системе в очень малых количествах. При необходимости более полного извлечения целевого компонента из исходного раствора иногда используют перекрестноточную экстракцию (рис. 4): исчерпываемая фаза движется последовательно вдоль ступеней каскада, а извлекающая фаза поступает на каждую ступень и с нее же выводится.

Рис. 4. Схема перекрестноточной многократной экстракции (Э - экстракторы).

Однократная экстракция, осуществляемая периодически или непрерывно, возможна лишь при высоких значениях и применяется преимущественно для аналитических целей. Примером промышленной реализации одноступенчатого процесса может служить мембранная экстракция, основанная на использовании мембран жидких и сочетающая одновременно прямой процесс и реэкстракцию. Роль мембран выполняет слой орг. жидкой фазы, разделяющий два водных раствора - исчерпываемый и извлекающий. Жидкая мембрана обычно содержит активный компонент - экстрагент, служащий для переноса целевых компонентов из исчерпываемой фазы в извлекающую. Разновидность мембранной жидкостная экстракция - экстракция во множественных эмульсиях вода - масло - вода.

Оптимизация экстракции. жидкостная экстракция - многофакторный процесс, математическое описание и оптимизация которого требуют сведения воедино совокупности равновесных, кинетических, гидродинамических, конструктивных данных и результатов масштабирования (см. Масштабный переход), Эта задача успешно решается с помощью структурного моделирования экстракционном процессов. В основе его лежат структурные модели, адекватно описывающие равновесие, кинетику и аппаратурное оформление каждого реального процесса. В отличие от функциональных моделей, которые также используются для описания экстракционном процесса, но рассматривают его или отдельные элементы лишь с целью установления количественных корреляции между отдельными параметрами, структурные модели обладают более широкими экстраполяционными возможностями и пригодны для оптимизации жидкостная экстракция на стадии пром. проектирования.

Аппаратурное оформление процесса. По способу контакта фаз промышленные экстракторы подразделяют на дифференциально-контактные (колонные аппараты), ступенчатые и промежуточные конструкции. Аппараты первой группы отличаются непрерывным контактом фаз и плавным изменением концентрации извлекаемого компонента вдоль длины (высоты) аппарата. При таком профиле концентраций фазы ни в одной точке экстрактора не приходят в равновесие. Эти аппараты более компактны и требуют ограниченных производственных площадей, однако в них за счет продольного перемешивания (обусловлено конвективными осевыми потоками, застойными зонами, турбулентными пульсациями и т. д.) может значительно уменьшаться средняя движущая сила.

Аппараты второй группы состоят из дискретных ступеней, в каждой из которых осуществляется контакт фаз, после чего они разделяются и движутся противотоком в последующие ступени. Продольное перемешивание выражено слабее, но необходимость разделения фаз между соседними ступенями может приводить (при плохо отстаивающихся системах) к существенному увеличению размеров экстрактора.

Колонные экстракторы подразделяют на гравитационные и с внешним подводом энергии. Эффективность колонн оценивают кпд отдельных ступеней разделения, высотой, эквивалентной теоретической ступени (ВЭТС), либо высотой единицы переноса (ВEП). ВЭТС зависит от гидродинамического режима в колонне и физико-химических свойств экстракционной системы. Высоту (длину) колонны, в которой проводится многоступенчатый процесс, рассчитывают по ф-ле: H = N x ВЭТС(ВЕП), где N - необходимое число ступеней, определяемое, как правило, графически по изотермам экстракции и материальным балансам или с помощью расчетов на ЭВМ.

Гравитационные экстракторы. В них движение взаимодействующих жидкостей происходит под действием разности плотностей фаз; поверхность их контакта образуется за счет собственных энергии потоков. К этим аппаратам относятся распылительные, насадочные и ситчатые экстракторы.

Распылительные экстракторы (рис. 5) – полые колонны, снабженные соплами, инжекторами и др. распылителями для диспергирования взаимодействующих фаз. Такие аппараты отличаются простотой и высокой производительностью, но сравнительно невысокой эффективностью. Несколько более эффективны, но менее производительны насадочные экстракторы, не отличающиеся по устройству от других подобных массообменных аппаратов. Ситчатые экстракторы представляют собой колонны с перфорированными тарелками, снабженными переливными устройствами. Однаиз взаимодействующих жидкостей, проходя через отверстия тарелок, диспергируется; благодаря этому создается большая поверхность контакта с встречной жидкостью, протекающей по переливным устройствам в виде сплошной фазы. Ситчатые экстракторы уступают по производительности только распылительным экстракторам, надежны в работе (вследствие простоты конструкции и отсутствия движущихся частей), однако имеют низкую эффективность.

По сравнению с другими колонными аппаратами все гравитационные экстракторы малоэффективны (ВЭТС может достигать 3 м) из-за относительно небольшой площади удельной поверхности контакта фаз, обусловленной крупными размерами капель (до нескольких мм). Подвод энергии позволяет раздробить капли (до десятых долей мм), в результате чего требуемую высоту колонны можно уменьшить на порядок.

Рис. 5. Распылительный экстрактор: 1,2 - распылители.

Экстракторы с внешним подводом энергии подразделяются на пульсационные, вибрационные (см. Вибрационная техника), с механическим перемешиванием. К аппаратам последнего типа относятся экстракторы роторно-дисковые и с чередующимися смесителями и отстойными насадочными секциями (колонны Шайбеля). В роторно-дисковых аппаратах (рис. 6) вращающиеся диски перемешивают и диспергируют контактирующие жидкости, после чего они расслаиваются. В колоннах Шайбеля (рис. 7) лопастные или турбинные мешалки размещены на общем вертикальном валу попеременно со слоями неподвижной насадки. Перемешанные жидкости, пройдя через слой насадки, расслаиваются.

Рис. 6. Роторно дисковый экстрактор: 1 - ротор (вал с дисками); 2 - кольцевые перегородки статора.

Рис. 7. Экстрактор с чередующимися смесительными и отстойными секциями (колонна Шайбеля): 1 -вал; 2 - мешалка; 3 - насадка.

Ступенчатые экстракторы. К ним относятся различные типы смесителей-отстойников. Секция такого аппарата по эффективности приближается к одной теоретической ступени. Требуемого числа ступеней достигают соединением секций в каскад. Зачастую несколько секций, разделенных перегородками, объединяют в одном корпусе (ящичные экстракторы; рис. 8). Каждая секция (ступень) имеет смесительную и отстойную камеры. Перемешивание фаз может быть пульсационным или механическим (чаще всего применяют турбинные мешалки, одновременно транспортирующие жидкости из ступени в ступень).

Рис. 8. Ящичный экстрактор: 1,3 - смесительная и отстойная камеры; 2 - перегородка; 4 - граница раздела фаз; 5 -рециркуляц. труба; 6 - всасывающий коллектор; 7 - турбинная мешалка.

Достоинства смесителей-отстойников: возможность варьирования нагрузок в широких пределах; возможность быстрого достижения требуемой производительности после остановки процесса; возможность формирования каскадов из большого числа ступеней; простота эксплуатации. Недостатки: большие объемы перерабатываемых в аппаратах растворов и опасность возникновения пожаров; медленное установление равновесия; большое число механических и пневматических устройств; повышенная чувствительность к твердым загрязнениям, что снижает надежность работы; высокая металлоемкость. Смесители-отстойники имеют преимущества перед колонными экстракторами в процессах с малым или очень большим числом ступеней, а также в процессах с большими потоками (до 1000 м³/ч).

Экстракторы промежуточных конструкций. Среди аппаратов, занимающих промежуточное положение между дифференциально-контактными и ступенчатыми, наиболее распространены центробежные экстракторы, в которых разделение, а иногда и перемешивание фаз происходят в поле действия центробежных сил. Рабочий орган (ротор) этих аппаратов состоит из набора перфорированных с обоих концов цилиндров, спиральных лент и др. Исходный раствор и экстрагент движутся навстречу один другому, причем более тяжелая фаза - от центра к периферии, а более легкая - в обратном направлении. Контакт жидкостей происходит на пути их движения, а диспергирование - при прохождении через перфорирированные части цилиндров.

Центробежные экстракторы подразделяют на камерные (дискретно-ступенчатые) и дифференциально-контактные. Аппараты первой группы состоят из отдельных ступеней (камер), в каждой из которых движущиеся противотоком фазы последовательно перемешиваются и разделяются (например, экстракторы "Лувеста" и "Робатель"). В аппаратах второй группы процесс протекает при близком к непрерывному контакту движущихся встречных потоков фаз; движение происходит по каналам, образованным внутренними перегородками ротора (напр., экстракторы Подбильняка).

Центробежные экстракторы отличаются высокой производительностью (потоки до сотен м³/ч) и эффективностью (3-10 теоретических ступеней), малой продолжительностью контакта фаз (несколько секунд и менее), интенсивным массообменом. Такие аппараты перспективны в производствах неустойчивых соединений (например, антибиотики), при переработке высокорадиоактивных растворов и стойких эмульсий, систем с близкими плотностями фаз.

Выбор экстракторов оптимальных конструкций для конкретных промышленных процессов должен базироваться на технико-экономическом сравнении аппаратов с учетом эффективности их работы, производительности, разделительной способности, энергетических, капитальных и эксплуатационных затрат.

В лабораторной практике применяют в основном те же, что и в промышленности, способы жидкостной экстракции, проводимой в стеклянных, металлических или полимерных экстракторах разнообразных конструкций, простейшие из которых - делительные воронки, прибор Льюиса (химический стакан с мешалками) и др.

Области применения экстракционных процессов

Экстракция органических соединений широко распространена в основном органическом синтезе, нефте-, коксо-и лесохимии и других отраслях промышленности. Примеры: разделение смесей углеводородов нефтяных фракций на группы компонентов близкого химического состава (ароматические углеводороды и легкие парафины); извлечение ароматических углеводородов (бензол, толуол, ксилолы) из продуктов каталитического риформинга; очистка смазочных масел; выделение фенолов из фракций каменноугольной смолы; извлечение бутадиена из смеси углеводородов в производстве СК; извлечение из водных растворов орг. кислот с послед, их концентрированием (уксусная, акриловая, лимонная кислоты). В химико-фармацевтической и микробиологической отраслях промышленности экстракцию используют в производстве лекарственных препаратов - алкалоидов, антибиотиков, витаминов, гормонов; в пищевой промышленности - для очистки масел и жиров и др.

Экстракция неорганических соединений. Применение жидкостная экстракция в гидрометаллургии позволяет создавать эффективные технологические схемы, обеспечивающие комплексную переработку минер, сырья и вторичных ресурсов. Экстракцию используют в технологии U и облученного ядерного горючего (извлечение и разделение U и Рu, выделение радионуклидов), редких и рассеянных (Be, Zr, Hf, Nb, Та, РЗЭ, Mo, W, Re и др.), цветных (А1, Сu, Ni, Co, Zn и др.) и благородных (Ag, Au, Pt и др.) металлов, а также высокочистых соединений Fe (см. также, например, Выщелачивание, Гидрометаллургия).

Важная область применения экстракции - очистка Н₃РО₄, Процесс можно проводить, экстрагируя кислоту из водной фазы, загрязненной примесями, в органический растворитель или извлекая нежелательные примеси в экстрагент.

Охрана окружающей среды. С этой целью экстракцию используют для очистки технологических растворов и сточных вод и выделения из них ценных (напр., фенолы, метиленхлорид, некоторые хладоны) и токсичных веществ.

Экстракция в аналитической химии и радиохимии. В аналитической химии жидкостная экстракция применяют с целью селективного извлечения целевых хим. элементов из смесей для количеств, анализа, а также для определения содержания примесей в исследуемых соединениях, что важно при получении особо чистых веществ. Как метод аналитической химии жидкостная экстракция отличают высокая избирательность, простота проведения, универсальность (возможность выделения практически любого элемента).

В радиохимии жидкостная экстракция используют главным образом для очистки радиоактивных веществ от примесей, извлечения из облученных мишеней радионуклидов и их разделения, выделения стабильных нуклидов из различных объектов и т. д. (см. также, например, Изотопов разделение).

жидкостная экстракция часто сочетают с др. методами, например хроматографией, соосаждением, дистилляцией.

Экономические показатели жидкостная экстракция определяются в основном стоимостью извлекаемого вещества и экстрагента, а также затратами на его регенерацию. При технико-экономич. анализе процесса необходимо учитывать потери экстрагента, соизмеряя их со стоимостью целевого продукта. Жидкостная экстракция - один из самых низкоэнергоемких химико-технологических процессов и поэтому может успешно конкурировать с иными массообменными процессами. Другие основные достоинства жидкостной экстракции: низкие рабочие температуры; возможность весьма полного разделения азеотропных смесей и смесей близких по свойствам компонентов; эффективность извлечения ценных и токсичных компонентов из разбавленных растворов; возможность сочетания с иными процессами химической технологии (напр., ректификацией и кристаллизацией); относительная простота аппаратурного оформления и возможность полной автоматизации.

Лит.: Фомин В. В., Химия экстракционных процессов, М., I960; Трейбал Р., Жидкостная экстракция, пер. с англ., М., 1966; Золотов Ю. А., Экстракция внутрикомплексных соединений, М., 1968; Последние достижения в области жидкостной экстракции, под ред. К. Хансона, пер. с англ., М., 1974; Справочник по экстракции, под ред. A.M. Розена, т. 1-3, М., 1976-78; БСЭ, 3 изд., т. 30, М., 1978, с. 16-18; Основы жидкостной экстракции, М., 1981; Химический энциклопедический словарь, М., 1983, с. 693-95; Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology, 3 ed., v. 9, N. Y., 1980, p. 672-721; Handbook of solvent extraction, N. Y., 1983.

В. В. Тарасов, А. А. Пичугин.