Способ экстракции
Изобретение относится к способам извлечения, разделения и концентрирования веществ, а именно к жидкостной экстракции. Способ экстракции включает периодическое поперечное колебание межфазной поверхности системы. 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°. Расстояние от вибратора до стенки ячейки составляет 4-6 мм. Изобретение позволяет ускорить массопередачу при извлечении веществ методом жидкостной экстракции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
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.
