Экстракционное оборудование
1. Значение экстракции для производств БАВ
Процессы (и явления) экстракции в технологии БАВ используют в трёх основных аспектах.
1. Выделение полученных полупродуктов и субстанций из разбавленных растворов:
липофильных малополярных органических протонных и апротонных продуктов из водных (водно-спиртовых) сред в неполярные и малополярные органические;
высокополярных ионных соединений (например, соли карбоновых или минеральных кислот, кислоты, алкоголяты, феноляты, щёлочи, аммониевые соли) из неполярных органических сред в водные.
2. Очистка полученных продуктов от следов технологических примесей - например, “отмывки” органических жидких субстратов от кислотных и основных гомогенных катализаторов или реагентов (денитрация нитропродуктов; нейтрализация алкилгалогенидов, простых и сложных эфиров, получаемых с кислотным катализом; разложение кислот Льюиса в процессах алкилирования и ацилирования - и т.д.).
3. Прямое сочетание экстракции как явления массообмена с химическим превращением при проведении гетерогенных процессов в системах Ж:Ж (С-, N-, и О-алкилирование по Вильямсону; межфазный катализ - и т.д.).
2. Основные типы экстракционного оборудования и виды процессов экстракции в технологии БАВ
В силу изложенных выше особенностей технологии ТОС в целом (доминирование периодических процессов; изменчивая номенклатура продукции) данный тип аппаратов, благодаря своему универсализму является самым распространённым во всех отраслях ТОС, в т.ч. - и в химических производствах БАВ. На аппараты-котлы приходится не менее 90 % всего парка экстракционного оборудования. Аппаратуру этого типа используют в процессах периодической и непрерывной смесительно-отстойной экстракции.
Следует отметить, что в качестве экстракторов предпочтительнее использовать аппараты с тихоходными или среднескоростными - якорными, рамными, грабельными, листовыми, шнековыми -мешалками. Эти мешалки обеспечивают достаточно высокую интенсивность массопередачи. Но при этом, благодаря сравнительно невысоким градиентам скоростей течения среды, в этих аппаратах не происходит заэмульгирования (образования стойких трудноразрушаемых эмульсий) массы. Заэмульгирование приводит к резкому росту потерь продукта в эмульсионных слоях, либо вынуждает затягивать процедуры отстаивания для разрушения эмульсий.
В установках одноступенчатой (однократной) периодической экстракции в качестве делительной воронки обычно используют сам экстрактор, что экономит оборудование.
_______ ____
экстрактив >| || || | |> экстракт
| || ||> | |
экстрагент >|___||__ || |___|> рафинат
Рисунок 1 - Операционная схема процесса одноступенчатой прямоточной экстракции
В однократной экстракции реализуется прямоток фаз. Поэтому высокой эффективной экстракции можно достичь только в случае очень высокой экстрагируемости субстрата, что бывает в процессах экстракции с реакцией - и довольно редко. Поэтому в технологии БАВ значительно более распространены процессы многоступечатой (многократной) экстракции. Обычно используют двух- трёхкратную экстракцию последовательно порциями чистого (свежего) экстрагента. Т.о., реализуется операционная схема перекрёстного тока.
Многоступенчатая перекрёстноточная экстракция может быть периодической и непрерывной. Примером является процесс получения пантолактона в производстве витамина В3.
_______
|---------------------------------|-> |экстракт|
__________ ____ __^_ ____ __^_
|экстрактив |>|| || | | || || | |
|| ||> | |> >|| ||> | | _______
||__ || |____| ||___|| |____|> |рафинат_|
^______________________ ^
__|________ ____|_______
|экстрагент | |экстрагент |
Рисунок 11.2 - Операционная схема процесса многоступенчатой
Общей чертой всех процессов смесительно-отстойной экстракции является дискретный ступен-чатый контакт фаз.
РОТОРНО-ДИСКОВЫЕ ЭКСТРАКТОРЫ
Роторно-дисковые экстракторы представляют собой своеобразный промежуточный по принципу действия тип аппаратуры.
Это аппараты непрерывного действия. При этом внутри каждой зоны смешения существует непрырывный контакт фаз; а между зонами контакт ступенчатый.
В целом режим работы РДЭ весьма сложен; работа таких аппаратов описывается моделью идеального смешения с обратным перемешиванием и проскоком.
ПУЛЬСАЦИОННЫЕ ЭКСТРАКТОРЫ
Пульсационные экстракторы представляют собой по принципу действия классический тип аппаратуры с непрерывным контактом фаз.
Интенсивное диспергирование потоков и массопередача обеспечиваются вследствие наложения на движущиеся потоки гармонических колебаний (пульсаций) с амплитудой (1…10) см и частотой (1…50) Гц.
ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ ЭКСТРАКТОРЫ.
Центробежные экстракторы по устройству схожи с центробежными сепараторами (впрочем, они одновременно и являются сепараторами). Тяжелая фаза подается к оси вала, а лёгкая - к периферии тарельчатого пакета. Центробежные силы вынуждают потоки двигаться навстречу друг другу. При этом происходит диспергирование фаз, экстракция и разделение фаз. экстракция биологический кинетика
Достоинства непрерывных экстракторов
В непрерывных экстракторах реализуется схема противотока; при этом режим течения фаз приближается к идеальному вытеснению.
Высокая интенсивность массопередачи и малое время контакта.
Эффективное разделение фаз.
Компактность, экономичность оборудования, возможность полной автоматизации процессов.
Соответствие GMP.
Недостатки непрерывных экстракторов
Оптимальные режимы экстракции реализуются лишь в довольно узком диапазоне расходов фаз. Отсюда - малая технологическая гибкость непрерывной экстракции.
Высокая производительность оборудования практически исключает возможность использовать его в маломасштабных периодических процессах, составляющих основу технологии БАВ.
4. Материальный баланс и кинетика процессов экстракции
Экспериментальное исследование и корректное математическое описание экстракционных равновесий является основой моделирования и расчёта процессов экстракции.
Нужно отметить, что в литературе по физической химии и ПАХТ существует большой дефицит экспериментальных данных о межфазных равновесиях, особенно - в многокомпонентных системах.
Один из наиболее распространённых способов исследования - построение диаграмм изотерм экстракции, аналогичных X-Y - диаграммам для парожидкостного равновесия.
Как видно из рисунка 11.6, изотермы могут быть унимодальными (вогнутыми и выпуклыми) - 1 и 2; а также S-образными (сигмоидными, бимодальными) - пересекающими линию диагонали.
В любой точке изотерму можно продифференцировать, получив крутизну наклона - или локальное значение коэффициента распределения компонента I.
mI = PXI =
Построение таких диаграмм в достаточном диапазоне изменения температуры и концентраций компонентов позволяет вполне корректно описать экстракционное равновесие.
Нетрудно видеть, что при незначительном изменении состава системы значения mI изменяются обычно незначительно, т.е.
mI Const
(Это соотношение обосновывает приближение постоянства коэффициентов распределения, использованное нами при решении тематической задачи: операции ТП-1.2 и ТП-2.2).
МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС
Материальный баланс экстракции включает выражение закона сохранения массы и количества вещества
1. Закон сохранения массы
L + G = E + R
Где G - масса, кг, - или расход, кг/с, - экстрактива;
L - масса, кг, - или расход, кг/с, - экстрагента;
E - масса, кг, - или расход, кг/с, - экстракта;
R - масса, кг, - или расход, кг/с, - рафината.
2. Закон сохранения количества вещества
L m*XIL + G m*XIG = E m*XIE + R m*XIR
Где m*XIL - массовая доля компонента I в экстрагенте;
m*XIG - массовая доля компонента I в экстрактиве;
m*XIE - массовая доля компонента I в экстракте;
m*XIR - массовая доля компонента I в рафинате.
В практике ХТ БАВ, как отмечено выше, наиболее распространены процессы периодической многоступенчатой перекрёстноточной экстракции (многократной экстракции свежими порциями экстрагента). В этом случае экстрагент не содержит целевых компонентов.
m*XIJ (JI) =0
Следовательно, для любого компонента I в соответствии со сказанным о законе межфазного распределения можно записать
G m*XIG = E m*XIE + R m*XIR
МIE = МIG = Gm*XIG
МIR = (1-) МIG = Gm*XIG (1-)
Где МIE - масса, кг, - или расход, кг/с, - компонента I в экстрактиве;
МIE - масса, кг, - или расход, кг/с, - компонента I в экстракте;
МIR - масса, кг, - или расход, кг/с, - компонента I в рафинате;.
- доля компонента I, распределяемая в экстракт; находят экспериментально или по литературным данным.
Скорость экстракции определяется двумя факторами.
Коэффициентом массопередачи.
Удельной межфазной поверхностью.
- по фазе Х (экстрактив/рафинат)
- по фазе Y (экстракт)
где F* - удельная межфазная поверхность, м-1;
KX, KY - коэффициент массопередачи по фазе Х или по фазе Y, м/с.
МАССООТДАЧА И МАССОПЕРЕДАЧА.
Значения коэффициентов массопередачи можно приближённо вычислить по следующим формулам.
1. Массоотдача в дисперсной фазе.
1. Малые капли (без эффектов внутренней циркуляции)
Shв = 0,65 Red<200
Крупные капли (значимые эффекты внутренней циркуляции)
Shв = 0,32 Red0,6 Red>200
Где Red = dKwOC/C - критерий Рейнольдса для капли;
dK - диаметр капли, м;
wOC -скорость осаждения капли, м/с;
C - кинематическая вязкость сплошной среды, м2/с.
Scd = d/Dd - критерий Шмидта для капли;
d - кинематическая вязкость дисперсной фазы, м2/с.
Dd - коэффициент молекулярной диффузии в дисперсной фазе, м2/с.
Shв = ddK/Dd - критерий Шервуда для капли ;
d - коэффициент массоотдачи для капли, м/с.
d C - динамическая вязкость дисперсной фазы и сплошной среды, Па.с.
Скорость осаждения капель в условиях стеснённого движения можно найти, например, из уравнения
Адамара-Рыбчинского
WOC =
Где - разность плотностей фаз, кг/м3.
2. Массоотдача в сплошной фазе
Для сплошной фазы коэффициент массотдачи выражается известной формулой Фросслинга
ShС = 2 + 0,76 Red0,5 ScC0,33
Где ScС = С/DС - критерий Шмидта для сплошной среды;
Shв = СdK/DС - критерий Шервуда для сплошной среды.
3. Коэффициент массопередачи.
Коэффициент массопередачи можно выразить как относительно экстрактива/рафината - Х; так и
относительно экстракта Y.
KX =-1
KY =-1
Где m = - тангенс угла наклона изотермы экстракции компонента.
РАЗМЕР КАПЕЛЬ УДЕЛЬНАЯ МЕЖФАЗНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ.
Размер (диаметр) капель одновременно влияет и на значения коэффициентов массоотдачи в фазах и на значение межфазной поверхности. Во всех типах экстракторов наблюдается полидисперсность капель; как правило, плотность распределения унимодальна - имеет один максимум.
| f=dn/dr
| * dMIN - минимальный диаметр
| * * dCP - средний диаметр
| * * dMAX - максимальный диаметр
| * *
| * *
________________________
dM IN dCP dMAX
Характер распределения зависит от типа экстрактора.
1. Реакторы-котлы
Средний диаметр капель находят из соотношения [Брагинский]
dCP = 0,13 ()0,6
где - средняя плотность среды, кг/м3;
- межфазное поверхностное натяжение, Дж/м2;
V - объём среды, м3;
N - мощность. Вт.
2. Роторно-дисковые экстракторы
Средний диаметр капель находят из соотношения [Дытнерский]
dCP = 10,6
где - плотность сплошной среды, кг/м3;
- межфазное поверхностное натяжение, Дж/м2;
C - динамическая вязкость сплошной среды, Па.с.
n - число дисков;
D - диаметр диска, м;
N - мощность, Вт.
УДЕЛЬНАЯ МЕЖФАЗНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ.
Этот важный параметр для не слишком больших - не осциллирующих - квазисферических капель находят из простого соотношения
F* = 6/dCP
Приведённые методы расчёта просты, но весьма приблизительны. Даже при наличии надёжных экспериментальных данных - об экстракционных равновесиях, состоянии поверхности раздела фаз, массопередачи, - погрешность обычно составляет (10…30) %. Поэтому при расчётах продолжительности операций экстракции в периодических процессах или времён пребывания в непрерывных процессах - следует принимать запас (20…30) %.
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Следует отметить, что исследование и математическое моделирование экстракции в многокомпонентных системах (как периодической, так и непрерывной) представляет собой сложную и трудоёмкую проблему. Следует также отметить, что, несмотря на все достижения физики и физической химии, построение теории процессов жидкостной экстракции ещё далеко не завершено.
В практике ТОС доныне преобладают эмпирические методы: процесс исследуют на реальных аутентичных системах с использованием модельных лабораторных экстракторов, аналогичных по конструкции и принципу действия промышленным.