Способ экстракции

Способ экстракции

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к методам извлечения, разделения и концентрирования веществ, а именно к жидкостной экстракции. Оно может найти применение в химической и биохимической промышленности

Известен способ экстракции, согласно которому для ускорения извлечения одного или нескольких веществ фазы перемешивают, используя мешалки или внешние пульсаторы (Ягодин Г.А. и др. "Основы жидкостной экстракции", М., Химия, с.400).

Недостаток известного способа заключается в повышенных расходах энергии, необходимых для создания развитой поверхности раздела фаз. Кроме того, после экстракции необходимо разделение фаз, которое может протекать достаточно медленно, и для ускорения процесса коалесценции капель дополнительно затрачивается энергия.

Наиболее близким к заявленному является способ экстракции, заключающийся в подводе в динамический межфазный слой энергии на частоте, равной частоте капиллярных волн. Коэффициент массопередачи в 3-5 раз выше, чем в случае отсутствия механических возмущений поверхности (патент RU 2198013, 2003 г).

Однако и такое ускорение массопередачи для многих процессов все еще остается недостаточным.

Технический результат заявленного способа заключается в ускорении массопередачи при извлечении веществ методом жидкостной экстракции.

Технический результат достигается за счет того, что в системах жидкость/жидкость осуществляют периодическое поперечное колебание межфазной поверхности системы с помощью двух вибраторов, установленных вблизи от стенки ячейки. Причем вибраторы установлены на расстоянии, исключающем касание стенки ячейки. Вибраторы расположены под углом, образованным осями, исходящими из центра ячейки и проходящими через середины вибраторов, равным 130-140°.

В предпочтительном варианте осуществления способа расстояние от вибратора до стенки ячейки составляет 4-6 мм.

Волны от двух вибраторов распространяются в среде независимо друг от друга. Волновая энергия в любой точке равна сумме энергий всех волн, пришедших в эту точку. Однако ввиду сложной картины интерференции излучаемых и отражаемых от стенки волн результат взаимодействия волн зависит от взаимного расположения вибраторов и не является простым суммированием.

Способ основан на существовании зависимости между взаимным расположением вибраторов и коэффициентом массопередачи вещества, распределяемого между двумя контактирующими жидкостями.

Практически предлагаемый способ реализуется следующим образом. Вначале готовят экстракт, например кислоты в органическом растворителе, контактируя определенные объемы водной и органической фаз. После расслаивания органическую фазу отделяют от водной фазы. Далее в ячейку помещают воду, предварительно насыщенную органическим растворителем, и на поверхность воды в ячейке устанавливают два вибрирующих элемента так, чтобы оси, исходящие из центра ячейки и проходящие через середины вибрирующих элементов, образовывали угол 30° (далее угол между осями). Вибрирующие элементы жестко прикреплены к электродинамическим вибраторам, питаемым от генератора низкочастотных сигналов. Включают генератор, устанавливают определенную частоту, аккуратно приливают экстракт и кондуктометрически следят за переходом вещества в течение 1800 с. Значения электропроводности измеряют кондуктометрически и записывают в память компьютера. Затем генератор выключают, жидкости перемешивают стеклянной палочкой для установления равновесия между фазами и определяют электропроводность раствора. Кондуктометрическую ячейку предварительно калибруют обычным способом, т.е. помещают в нее разбавленные растворы кислоты с известной концентрацией (менее 0,01 моль/л) и определяют соответствующие значения электропроводности раствора. Затем по калибровочной зависимости находят текущие и равновесную концентрации вещества и рассчитывают значения коэффициента массопередачи столько раз, сколько измерено значений текущей электропроводности.

Коэффициент массопередачи (k) определяют по изменению концентрации вещества в принимающей фазе по времени. Тогда

где dC/dt - производная от концентрации вещества по времени; С*, С - равновесная и текущая концентрации вещества в принимающей фазе, а - удельная поверхность контакта фаз, определяемая как отношение площади межфазной поверхности к объему лимитирующей процесс фазы. Величину площади межфазной поверхности находят по геометрическим размерам кондуктометрической ячейки. Если объемы водной и органической фаз равны, а это наиболее удобный случай для определения коэффициента массопередачи, то выбор фазы не имеет значения.

Далее изменяют угол между осями, проходящими через середины вибрирующих элементов на 15°, путем смещения с помощью микрометрического винта одного из вибраторов, снова определяют значения коэффициента массопередачи вещества при тех же временах, что и ранее, и сравнивают найденные значения коэффициента массопередачи со значением коэффициента массопередачи, когда оси образовывали угол 30°. Если они окажутся большими, то угол между осями увеличивают на 15°, если меньшими, то угол уменьшают на 10° и уточняют его с погрешностью 5°.

Примеры определения угла между осями.

Пример 1. Вначале приготовили экстракт азотной кислоты в толуоле путем контактирования в делительной воронке 50 мл 6-ти молярной азотной кислоты и 50 мл толуола в течение 5 мин. После 30-минутной выдержки, необходимой для полного расслоения системы, органическую фазу отделили от водной. Далее в кондуктометрическую ячейку, представляющую собой чашку Петри диаметром 98 мм, в которой по всей поверхности стенки распределены проволочные платиновые (нихромовые) электроды, имеющие форму ломаной осциллирующей кривой с амплитудой, равной высоте стенки ячейки, которые присоединены к кондуктометру "Эксперт-002", налили 20 мл воды, предварительно насыщенной толуолом. Кондуктометрическую ячейку предварительно откалибровали, помещая в нее разбавленные растворы кислоты с концентрацией 0,0001 моль/л, 0,0002 моль/л и так далее до 0,01 моль/л, измеряя для каждого раствора значение электропроводности раствора. На поверхность воды в 5 мм от стенки под углом между осями 30° установили два вибрирующих элемента одинаковой конструкции. В данном случае вибратор представлял собой высокочастотную электродинамическую головку с жестко закрепленным в центре диффузора стержнем из нержавеющей стали ⊘0,5 мм и длиной 43 мм, к которому жестко прикреплен вибрирующий элемент, представляющий собой фторопластовую треугольную призму, имеющую в сечении вид равнобедренного треугольника с высотой 5 мм, обращенную к поверхности раздела фаз вершиной треугольника. Вибратор подключили к генератору низкочастотных сигналов ГЗ-102. Включили генератор, настроенный на частоту 5,9 кГц (напряжение на электродинамических головках одинаковое и равное 0,027 В), аккуратно прилили экстракт и кондуктометрически следили за переходом вещества в течение 1800 с, фиксируя изменение значения электропроводности с помощью кондуктометра, связанного с компьютером. Затем генератор выключили, жидкости перемешали стеклянной палочкой для установления равновесия между фазами и определили электропроводность раствора. По калибровочной зависимости автоматически по программе, записанной в память ЭВМ, находили текущие и равновесную концентрации вещества и рассчитывали значения коэффициента массопередачи по вышеприведенной формуле. Величина площади межфазной поверхности, рассчитанная по геометрическим размерам кондуктометрической ячейки, равна 75,39 см². Равновесное значение концентрации кислоты определяли по уравнению материального баланса, зная концентрацию кислоты в экстракте, найденную методом потенциометрического титрования.

Далее установили угол между осями 45°, снова определили значения коэффициента массопередачи кислоты при тех же временах, что и ранее, и сравнили со значением коэффициента массопередачи в опыте, когда угол составлял 30°. Так как коэффициент массопередачи при 45° оказался выше, то увеличили угол до 60° и т. д. Полученные данные показали, что оптимальным расположением вибрирующих элементов является такое, когда угол между осями равен 135°.

Зависимость значений коэффициента массопередачи вещества от взаимного расположения вибрирующих элементов для системы вода/толуол + азотная кислота показана на Фиг.1.

Таким образом, максимальное ускорение массопередачи наблюдается при расположении вибрирующих элементов под углом 135°. Коэффициент массопередачи более чем на порядок превышает значение, характерное для процесса без принудительного возмущения межфазной поверхности (0,0008 см/с).

Пример 2. Массоперенос азотной кислоты из экстракта в толуоле в воду, насыщенную толуолом. Используемая установка и процедура определения оптимального расположения вибрирующих элементов такие же, как в примере 1. Отличие заключается в том, что применяются два вибратора различной конструкции, а именно первый вибратор был аналогичен описанному в примере 1, а второй представлял собой высокочастотную электродинамическую головку с жестко закрепленным в центре диффузора стержнем из нержавеющей стали ⊘0,5 мм и длиной 43 мм и вибрирующим элементом в форме стеклянного шарика ⊘3 мм. Зависимость коэффициента массопередачи от расположения вибрирующих элементов представлена на Фиг.2. Оптимальное расположение вибрирующих элементов и в данном случае составило 135°.

Коэффициент массопередачи более чем на порядок превышает значение в опытах без наложения механических колебаний на систему.

Предлагаемый метод позволяет интенсифицировать массопередачу вещества в системах с подвижной границей раздела фаз жидкость / жидкость. Метод может быть использован при экстракции (реэкстракции) веществ в системах, содержащих ПАВ, в системах со сложным составом водной и органической фаз. Метод может быть использован при разработке высокоинтенсивных экстракторов, работающих в доэмульсионном режиме и не имеющих движущихся устройств для перемешивания фаз и устройств для деэмульгирования.

1. Способ экстракции в системах жидкость-жидкость, включающий периодическое поперечное колебание межфазной поверхности системы, отличающийся тем, что колебания межфазной поверхности осуществляют с помощью двух вибраторов, установленных вблизи от стенки ячейки на расстоянии, исключающем касание вибраторами стенки ячейки, при этом вибраторы расположены таким образом, что оси, проходящие через их середины, пересекаются в центре ячейки и образуют угол, равный 130-140°.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние от вибратора до стенки ячейки составляет 4-6 мм.