Файл: Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник.pdf

На рис. 143 показано построение для определения числа необ­ ходимых ступеней концентрации.

В коодинатах х—у построена линия равновесия. Для систе­ мы твердое тело — жидкость эта линия является диагональю, так как диагональ будет геометрическим местом точек, для ко­ торых концентрация экстрагируемого компонента одинакова в

1,17 м высоты колонны при времени диффундирования 60 мин. Умножая число полученных графическим расчетом ступеней концентрации на кжв, получим общую высоту или длину аппа­ рата.

3. ЭКСТРАКЦИЯ В СИСТЕМЕ ЖИДКОСТЬ — ЖИДКОСТЬ

а ) Теория процесса

Для экстрагирования из жидкой смеси какого-либо компо­ нента подбирают растворитель, который не смешивается с об­ рабатываемой жидкой смесью, но хорошо растворяет извлекае­ мый компонент. Этот растворитель (экстрагент), таким обра­ зом, нерастворим в исходной жидкости или слабо в ней раство­ рим. В результате обработки исходной жидкости экстрагентом получаются две жидкие фазы. Одной из них является исходная жидкость, содержащая остаток извлекаемых компонентов и не­ которое количество экстрагента, так как трудно подобрать аб­ солютно нерастворимый в исходной жидкости экстрагент. Эта фаза называется рафинатной или просто рафинат.

256

Вторую фазу составляет экстрагент с компонентами, извле­ ченными им из исходной смеси. Эта фаза называется экстрак­ том.

Распределение извлекаемого компонента между фазами оп­ ределяется условиями равновесия. В простейшем случае, если экстрагент и исходная жидкость полностью нерастворимы, усло­ вие равновесия будет записано простым уравнением

где у —-концентрация извлекаемого компонента в экстракте;

х— концентрация извлекаемого компонента в рафинате;

К— коэффициент распределения.

В координатах х—у линия равновесия ОА имеет вид пря­ мой линии, выходящей из начала координат (рис. 144). Вели­ чина коэффициента распределения К для заданной системы бу­ дет зависеть только от температуры. Если экстрагент частично растворим в исходной жидкости, то линия равновесия ОБ не будет прямой, так как на величину коэффициента' распределе­ ния оказывает влияние взаимная растворимость. В этом случае линия равновесия отклоняется от прямой, например, линия ОБ на рис. 144.

Так как в процессе экстракции, описанном выше, участвуют три компонента, то при рассмотрении процесса жидкостной экстракции пользуются треугольной диаграммой (рис. 145).

На рис. 145 представлен равносторонний треугольник, на сто­ ронах которого отложено процентное содержание каждого из трех компонентов. Вершины треугольника соответствуют чис­ тым компонентам А, В и С. На сторонах треугольника отмече­ ны отрезки, соответствующие двойным смесям. Так, например,

точка а на стороне АС соответствует смеси, не содержащей ком­ понент В и состоящей из 50% компонента А и 50% компонента В. Любая точка G внутри треугольника изображает смесь трех компонентов. Чтобы определить этот состав, нужно из точки G провести линии, параллельные сторонам треугольника, как это показано на рис. 145. Состав смеси, соответствующий точке G,

будет: хА— 45%; хв — 26%; хс—29%.

Принято считать, что вершина А соответствует экстрагируе­ мой жидкости, точка С — экстрагенту, точка В — извлекаемому компоненту.

Исходная смесь содержит экстрагируемую жидкость А и компонент В (рис. 146). Например, точка S соответствует со­ держанию 50% компонента А и 50% компонента В. Если к этой смеси добавить экстрагент С, то состав смеси будет соответст­ вовать какой-то точке, лежащей внутри треугольника АВС. Мо­ жно доказать, что по мере увеличения в смеси экстрагента все точки, соответствующие промежуточным составам смеси, будут находиться на линии SC.

Так как экстрагент только частично растворим в исходной жидкости, то на тройной диаграмме будут изображаться две зоны: зона гомогенная, где все компоненты взаимно раствори­ мы; зона гетерогенная, где система имеет две фазы — рафинат и экстракт. Гетерогенная зона на рис. 146 лежит ниже линии

PKR.

Пусть, например, при прибавлении к исходной смеси экст­ ракта получен состав смеси, изображаемый точкой М. Эта точ­ ка находится в гетерогенной области, т. е. при этом составе смесь будет расслаиваться и образуются две жидкие фазы: экстрактная и рафинатная. Состав этих фаз может быть найден экспериментально, что позволит построить в диаграмме линии сопряжения или «коноды». Эти линии построены на рис. 146 пунктиром. Наклон конод определяется величиной коэффици­

256

ента распределения К. Если, например, при добавлении к смеси S экстрагента С получена *месь, изображаемая точкой М, то эта смесь расслоится, образуя две фазы. Состав одной из них, экст­ рактной, будет дан точкой F\ состав другой, рафинатной, точ­ кой Н. По рис. 146 можно определить не только состав фаз, но и соотношение их количеств. Массы фаз будут относиться друг к другу согласно уравнению

Это уравнение называется «правилом рычага».

Из изложенного вытекает, что для процесса экстракции пред­ ставляет интерес только та область диаграммы, которая лежит ниже области, ограничивающей гетерогенную зону кривой. Именно в этой зоне возможно расслаивание и выведение из си­ стемы экстрагируемого компонента.

Рассмотренная тройная диаграмма позволяет изобразить графически процесс, происходящий в экстракторе для жидко­ сти. Допустим, что имеем тройную диаграмму для какой-либо тройной системы (рис. 147).

Пусть состав исходной смеси задан точкой D, а состав экст­ рагента точкой Е. Допустим, что количество смеси с составом, соответствующим точке D, равно GD (в кг), а количество экстра­ гента взято Ge ( в к г ) . При их смешении получим состав смеси, соответствующей точке М. При этом

gd ME

ge ~ m d '

Полученная смесь, состав которой соответствует точке М, расслаивается, образуя экстракт и рафинат.

Таким образом, в результате однократного контакта исход­ ной смеси и экстрагента получаются две фазы, одна из которых (экстракт) обогащена компонентом D, а другая, наоборот, обед­ нена (рафинат). Количество этих фаз может быть найдено из рис. 147 по уравнению

_ M L

Gl ~ M R'

Жидкостную экстракцию можно представить как более про­ стой процесс, если считать, что исходная жидкость и экстрагент взаимно нерастворимы. Тогда графическое построение значи­ тельно упростится и может быть представлено диаграммой, при­ веденной на рис. 148. На этой диаграмме приведены линия рав­ новесия и рабочая линия. На горизонтальной оси отложены концентрации экстрагируемого компонента в экстрагируемой жидкости; на вертикальной оси отложены концентрации экстра­ гируемого компонента в экстрагенте. Рабочую линию строят по заданным конечным и начальным концентрациям экстрагируе­